孫 偉，宋海芝

（1.上海交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院，上海 200240；2.中國(guó)石化勝利油田現(xiàn)河采油廠地質(zhì)所，山東 東營(yíng) 257068）

1 引 言

隨著油田開發(fā)的不斷深入，注水井分層流量調(diào)節(jié)和測(cè)試工作越來越顯得突出。傳統(tǒng)的測(cè)試工藝是反復(fù)測(cè)試流量、反復(fù)投撈水嘴，有諸多缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[1]提出了邊測(cè)邊調(diào)方案，文獻(xiàn)[2]提出了聯(lián)動(dòng)調(diào)配方案，很好的解決了上述問題。但存在一些不足：文獻(xiàn)[1]在測(cè)調(diào)結(jié)束后，地面工作人員才能看到測(cè)調(diào)數(shù)據(jù)和結(jié)果，沒有實(shí)時(shí)性，若電池能量耗盡，則造成測(cè)調(diào)失敗；文獻(xiàn)[2]采用單芯電纜和曼徹斯特編碼實(shí)現(xiàn)了地面和井下的實(shí)時(shí)通信，缺點(diǎn)是通信速度慢，容易受到干擾而造成通信失敗，嚴(yán)重影響了井下配注的工作效率和準(zhǔn)確性。

低壓電力線（380V/220V的低壓配電網(wǎng)）載波通信方式就目前的成本要求和技術(shù)水平而言，已基本滿足實(shí)用化要求[3]。該文充分考慮LonWorks的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出了基于電力線載波的測(cè)試方案，將LonWorks運(yùn)用到注水井分層流量調(diào)節(jié)和測(cè)試系統(tǒng)上，解決了上述方案中地面設(shè)備與地面儀器通信等一系列問題，進(jìn)一步提高了井下配注的工作效率和準(zhǔn)確性。

2 系統(tǒng)概述

如圖1所示，基于電力線載波的注水測(cè)調(diào)系統(tǒng)由地面設(shè)備和井下儀器組成。地面設(shè)備包括便攜式筆記本、LonTalK適配器和電力線收發(fā)器。上位機(jī)通過PCLTA-20適配器經(jīng)電力線與井下測(cè)調(diào)儀器相連，構(gòu)成總線拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，由上位機(jī)組態(tài)控制平臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)觀測(cè)與監(jiān)控。

井下測(cè)調(diào)儀器包括LonWorks通信部分、三參數(shù)傳感器、A/D、步進(jìn)電機(jī)和可調(diào)水嘴[4-5]，如圖2所示。通過電力線接收地面設(shè)備的指令，完成模擬量的采集和控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)水嘴，并將測(cè)調(diào)的情況實(shí)時(shí)傳輸至地面。設(shè)計(jì)采用市場(chǎng)上貨源比較充足的Toshiba公司神經(jīng)元芯片TMPN3150[6]和電力線收發(fā)器PLT-22組成神經(jīng)元節(jié)點(diǎn)。

電力線收發(fā)器PLT-22是Echelon公司為實(shí)現(xiàn)在電力線上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而專門開發(fā)的調(diào)制解調(diào)芯片。其內(nèi)核為數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），具有多種容錯(cuò)及糾錯(cuò)功能。采用雙頻模式，其中主頻132.5kHz，若主頻被噪聲干擾，則自動(dòng)采用第二載波頻率115kHz傳輸數(shù)據(jù)，這一點(diǎn)對(duì)于一些干擾源、噪聲較大的電網(wǎng)尤為適用。

3 井下儀器的硬件設(shè)計(jì)

井下儀器的硬件設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)方面內(nèi)容：神經(jīng)元芯片控制模塊的硬件設(shè)計(jì)；基于神經(jīng)元芯片的I/O接口電路設(shè)計(jì)；其他附屬硬件電路設(shè)計(jì)，包括耦合電路和Service電路等。示意圖如圖3所示。

圖3 井下儀器電路原理

3.1 TMPN3150與PLT-22接口設(shè)計(jì)

神經(jīng)元芯片擁有多功能的通信端口，它有5個(gè)引腳（CP0～CP4）可以配置與多種網(wǎng)絡(luò)收發(fā)器相連接，以適應(yīng)不同的編碼方案和波特率。3150和PLT-22之間的連接關(guān)系如圖3所示，解決了兩個(gè)問題：

（1）時(shí)鐘問題。PLT-22和神經(jīng)元芯片都需要10MHz的晶振，為簡(jiǎn)化電路只對(duì)PLT-22提供晶振，同時(shí)把PLT-22的CKOUT引腳連接到神經(jīng)元芯片的輸入時(shí)鐘引腳CLK1上。

（2）復(fù)位問題。3150和PLT-22的復(fù)位端一起接至LVI（Low Voltage Indicator低電壓保護(hù)）電路的復(fù)位輸出端。電源抖動(dòng)或低于允許電壓時(shí)，3150和PLT-22同時(shí)復(fù)位，保證了它們可靠的同步工作。

3.2 TMPN3150存儲(chǔ)器擴(kuò)展

在各種FLASH中，根據(jù)Echelon公司的推薦，Atmel公司AT29C256與3150的時(shí)序配合最為合適[6]。將其地址線A0～A14、數(shù)據(jù)線IO0～I(xiàn)O7和3150的地址線、數(shù)據(jù)線相連；3150的A15和AT29C256的CE引腳相連，E和R/W引腳經(jīng)過一個(gè)或門（74F32）連接到AT29E256的WE引腳，E連接到的OE引腳。

3.3 A/D轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

MAX186是常用的能與Neuron Wire對(duì)象兼容的串行12位8通道A/D芯片，采用單＋5V或者±5V電源，模擬輸入可配置為雙極性/單極性和單端/差分工作方式。片內(nèi)帶有快速采樣保持電路，采樣時(shí)間1.5ms。MAX186有內(nèi)部4.096V精密參考電壓，也可外部提供參考電壓。

3150的管腳IO8作為時(shí)鐘輸入，IO9和IO10分別作為串行數(shù)據(jù)的輸入和輸出，構(gòu)成三線總線結(jié)構(gòu)。MAX186的 CS、DIN、DOUT 管腳與 3150的 IO0、IO9和IO10，管腳SCLK與3120的CLK2連接，共用一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)；CH0、CH1、CH2接三參數(shù)傳感器。

3.4 耦合電路設(shè)計(jì)

根據(jù)低壓電力線通信耦合技術(shù)的要求，一方面進(jìn)行強(qiáng)電隔離，另一方面，確保較高的載波信號(hào)加載效率。為此，選擇采用“電磁耦合”與“阻容耦合”相結(jié)合的“復(fù)合耦合技術(shù)”[7-11]，如圖4。變壓器T1有著雙重作用，一方面耦合載波信號(hào)，另一方面使通信電路與220V/50Hz的強(qiáng)電隔離。二極管D1，D2起限幅作用，用來保護(hù)后續(xù)電路。

圖4 耦合電路

3.5 Service電路

在LonWorks節(jié)點(diǎn)的配置、安裝和維護(hù)中，服務(wù)管腳（Service Pin）起著相當(dāng)重要的作用。該引腳為輸入和漏極開路輸出交替，頻率是76 Hz，波形占空比50%。當(dāng)作為輸出時(shí)，能吸收20mA電流用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)LED；當(dāng)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，LED可以通過顯示一定的信號(hào)給予提示；當(dāng)作為輸入，該管腳收到一個(gè)邏輯低電平時(shí)，神經(jīng)元芯片會(huì)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送一組網(wǎng)絡(luò)管理信息，其中包含神經(jīng)元芯片的48位ID。Service電路如圖5所示。

3.6 井下儀器的供電

井下儀器包括提供動(dòng)力驅(qū)動(dòng)水嘴的步進(jìn)電機(jī)，文獻(xiàn)[1]采用電池供電，電池能量不足或負(fù)載變大時(shí)不能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，因此造成測(cè)調(diào)失敗。該設(shè)計(jì)中，AC220V電力線經(jīng)變壓、整流、濾波輸出+12 V電壓為步進(jìn)電機(jī)供電，以提供充足的能量；同時(shí)，+12 V電壓經(jīng)過降壓、穩(wěn)壓輸出+5V電壓，為整個(gè)井下儀器提供電源。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)的軟件分為地面設(shè)備上位機(jī)和井下儀器兩部分。井下儀器下到注水井后，采集流量、壓力和溫度，通過電力線向地面設(shè)備發(fā)送；地面工作人員分析井下的注水信息，根據(jù)配注要求，計(jì)算出水嘴的開度，并將此信息發(fā)送至井下儀器；井下儀器分析水嘴的開度，控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)可調(diào)水嘴，調(diào)節(jié)完成后，再次采集流量、壓力和溫度信息，發(fā)送至地面設(shè)備。如此反復(fù)循環(huán)，直到配注合格。

5 結(jié)束語

該文主要介紹了在油田注水井測(cè)調(diào)系統(tǒng)中，用電力線實(shí)現(xiàn)地面設(shè)備與井下儀器通信的遠(yuǎn)程測(cè)試方案，設(shè)計(jì)了由神經(jīng)元芯片及PLT-22組成的電力線通信接口，可以很好地解決上述地面設(shè)備與井下測(cè)調(diào)儀器的通信問題，測(cè)調(diào)系統(tǒng)的通信和控制調(diào)度、實(shí)時(shí)性、可靠性大大提高，彌補(bǔ)了邊測(cè)邊調(diào)方案和聯(lián)動(dòng)調(diào)配方案的不足，提高了井下配注的準(zhǔn)確性，為注水測(cè)調(diào)系統(tǒng)的高效率工作提供有力保障。同時(shí)，該方案也為油田其他井下測(cè)控的系統(tǒng)通信提供了有益的參考。

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