陳文軒，岳宏圖，陳文，戴光明，汪新國，裴彬彬

（中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司測井技術(shù)研究院，北京100176）

網(wǎng)絡(luò)化井下儀器數(shù)據(jù)總線研究

陳文軒，岳宏圖，陳文，戴光明，汪新國，裴彬彬

（中國石油集團(tuán)長城鉆探工程有限公司測井技術(shù)研究院，北京100176）

隨著LEAP800測井系統(tǒng)應(yīng)用，井下儀器的總線速率必須達(dá)到兆級以上才能滿足新一代的測井儀器大數(shù)據(jù)量的傳輸需求。利用以太網(wǎng)技術(shù)設(shè)計了一種新型的網(wǎng)絡(luò)化井下儀器總線，該總線具有寬傳輸帶寬、模塊化程度高、擴(kuò)展性強(qiáng)、可遠(yuǎn)程操控等優(yōu)點。介紹了井下儀器總線的工作原理，詳細(xì)描述了總線的硬件及軟件設(shè)計。試驗表明，該設(shè)計提高了井下儀器的傳輸帶寬，實現(xiàn)了LEAP800測井系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)量的可靠傳輸。

測井儀器；數(shù)據(jù)總線；以太網(wǎng)技術(shù)；傳輸帶寬；硬件；軟件

0 引 言

隨著陣列測井和成像測井技術(shù)的發(fā)展，測井儀器在測井過程中需要把大量的數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛妫枰褂镁W(wǎng)絡(luò)化技術(shù)提高井下儀器總線的通訊速率。此外，井下儀器總線是和電纜傳輸系統(tǒng)配合的，通訊總線速率要大于電纜傳輸速率，這樣才能充分發(fā)揮電纜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的性能。已經(jīng)研制成功的LEAP800電纜傳輸系統(tǒng)的傳輸速率在1 Mbit／s以上，這樣井下儀器的總線速率必須高于電纜傳輸速率才能滿足新一代測井儀器大數(shù)據(jù)量的傳輸需求。本文介紹的井下儀器總線是基于以太網(wǎng)技術(shù)，以50Ω同軸線為總線通訊介質(zhì)，總線的接口為10BASE－2，井下儀器總線接口板中使用了實時操作系統(tǒng)，簡化了軟件的開發(fā)，增加了軟件的靈活性和可靠性；總線的通訊速率達(dá)到了10 Mbit／s，可在175℃環(huán)境下連續(xù)工作2 h以上。

1 網(wǎng)絡(luò)化井下儀器總線的總體設(shè)計

1.1 井下儀器總線的研究現(xiàn)狀

斯倫貝謝公司的CSU測井系統(tǒng)采用的是DTB總線，通訊速率是100 kbit／s；阿特拉斯公司的ECLIPS－5700測井系統(tǒng)使用的是1553B總線，最高通訊速率可以達(dá)到1 Mbit／s；而最新的哈里伯頓公司的IQ快速測井平臺采用的是以太網(wǎng)總線，最高通訊速率可以達(dá)到10 Mbit／s。國內(nèi)測井儀器主要使用的是1553B和DTB總線。此外，也有使用RS485總線和CAN總線的，通訊速率最高約為500 kbit／s和1 Mbit／s［1－4］。新型成像類和陣列類測井儀器的測井?dāng)?shù)據(jù)量很大，而且，隨著高速測井電纜傳輸系統(tǒng)的發(fā)展，電纜的數(shù)據(jù)傳輸速率已突破1 Mbit／s。要充分利用電纜傳輸帶寬，井下儀器總線的速率必須高于電纜的數(shù)據(jù)傳輸速率，傳統(tǒng)的低速井下儀器總線已不能夠滿足其傳輸需求，制約了其高性能的充分發(fā)揮。

1.2 網(wǎng)絡(luò)化井下儀器總線的工作原理

網(wǎng)絡(luò)化井下儀器總線是利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展的一種高速井下儀器總線系統(tǒng)，其采用目前正在工業(yè)現(xiàn)場大量應(yīng)用的以太網(wǎng)技術(shù)［5］替代傳統(tǒng)的低速井下儀器總線。這項技術(shù)的優(yōu)勢在于硬件技術(shù)成熟，有完善的配套通訊協(xié)議。同時，標(biāo)準(zhǔn)化的接口為以后儀器的調(diào)試帶來很大方便。

整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸邏輯框圖見圖1。測井系統(tǒng)通過井下總線系統(tǒng)并配合電纜傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)地面控制臺與井下各儀器之間的信息交互，完成對油井的測試功能。井下儀器總線的主要功能是負(fù)責(zé)井下儀器數(shù)據(jù)的收集和轉(zhuǎn)發(fā)，并通過電纜傳輸系統(tǒng)傳送到地面控制臺，同時還需要協(xié)調(diào)多只儀器和電纜數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換節(jié)奏。其核心功能通過儀器通訊接口板的電路實現(xiàn)。在地面控制臺與井下儀器通信中，儀器通訊接口板起到非常重要的作用：接收地面控制臺下發(fā)的控制命令，并把其中的儀器類操作控制命令向儀器轉(zhuǎn)發(fā)；接收儀器采集的測試數(shù)據(jù)并打包上送到地面控制臺進(jìn)行處理。其中，儀器通訊接口板又分為普通儀器通訊接口板和網(wǎng)關(guān)儀器通訊接口板2種類型。這2種通訊接口板在硬件上采取完全相同的設(shè)計，但在功能上有著較大的區(qū)別。普通儀器通訊接口板實現(xiàn)了單支儀器數(shù)據(jù)的收發(fā)功能，而網(wǎng)關(guān)儀器通訊接口板還實現(xiàn)了多支儀器的網(wǎng)關(guān)路由功能。具體實現(xiàn)中，每支儀器均安裝有1塊通訊接口板，多支儀器通過各自的通訊接口板構(gòu)成一個以太局域網(wǎng)絡(luò)。這個網(wǎng)絡(luò)中，既有實現(xiàn)單支儀器數(shù)據(jù)收發(fā)的普通網(wǎng)元，也有實現(xiàn)多支儀器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)關(guān)網(wǎng)元。這樣，配合電纜傳輸系統(tǒng)便可以實現(xiàn)井下儀器與地面控制臺之間的數(shù)據(jù)交換。整個以太網(wǎng)絡(luò)采用同軸電纜作為傳輸介質(zhì)，在實現(xiàn)10 Mbit／s總線通訊速率的同時，也減少了對儀器貫通線占用，只需2根貫通線即可，提高了通訊可靠性。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸邏輯框圖

2 網(wǎng)絡(luò)化井下儀器總線的硬件設(shè)計

在網(wǎng)絡(luò)化井下儀器總線中，儀器通訊接口板的設(shè)計是核心。儀器通訊接口板的目的是為了建立井下儀器和地面軟件的溝通渠道，因此，其需要完成的功能：實現(xiàn)以太網(wǎng)通訊；提供儀器的通訊接口；測量和監(jiān)控多路模擬信號，包括電壓信號、溫度信號等。由此，儀器通訊接口板在硬件設(shè)計上也主要包括了3個模塊：以太網(wǎng)通訊模塊、儀器接口模塊及模擬信號采集模塊。儀器通訊接口板的邏輯框圖見圖2。普通儀器通訊接口板和網(wǎng)關(guān)儀器通訊接口板在硬件結(jié)構(gòu)上并沒有區(qū)別。

2.1 以太網(wǎng)通訊模塊設(shè)計

采用“ARM＋RAM＋FLASH”的模式搭建最小系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)展一個以太網(wǎng)控制芯片，實現(xiàn)了完整的以太網(wǎng)通訊功能（見圖3）。整個井下總線系統(tǒng)采用同軸電纜的連接方式，接口為10BASE－2，傳輸速度是10 Mbit／s。因此，在通訊接口板上外擴(kuò)了一個同軸收發(fā)接口芯片，用于驅(qū)動同軸電纜和接收從同軸電纜來的以太網(wǎng)信號，主要包括發(fā)射器、接收器、沖突檢測器和數(shù)據(jù)幀超長檢測等功能模塊。發(fā)射器在傳輸時直接驅(qū)動50Ω同軸電纜。沖突檢測電路監(jiān)控同軸電纜上的信號以判斷是否有數(shù)據(jù)包沖突出現(xiàn)，并在沖突發(fā)生時向以太網(wǎng)控制芯片發(fā)送提示信號。在傳輸數(shù)據(jù)時，如果所傳數(shù)據(jù)幀超過限定長度，發(fā)射器的輸出將被關(guān)閉，當(dāng)錯誤排除后，在500 ms內(nèi)發(fā)射器的輸出將被重新使能。如果要使用RJ45接口，只需外接相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)隔離變壓器即可以使用。

圖2 儀器通訊接口板的邏輯框圖

圖3 儀器通訊接口板以太網(wǎng)通訊模塊

2.2 儀器接口模塊設(shè)計

儀器接口模塊是為了提供中央處理器和井下儀器之間通訊的渠道?？紤]到ARM處理器的處理能力以及系統(tǒng)對實時性的要求，儀器通訊接口板使用一個數(shù)字信號處理器DSP把ARM處理器的并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成儀器能夠正常連接的串行數(shù)據(jù)。實現(xiàn)方法是利用DSP處理器的IDMA接口，把ARM處理器需要發(fā)送到儀器中的數(shù)據(jù)采集到DSP處理器內(nèi)部，然后再通過DSP處理器的串行接口把數(shù)據(jù)發(fā)送到儀器（見圖4）。

圖4 儀器通訊接口板儀器接口模塊

2.3 模擬信號采集模塊設(shè)計

這部分需要完成的功能是實現(xiàn)外接模擬信號的采集，監(jiān)控儀器的電壓信號（＋5、＋3.3、＋12、－12 V）和溫度信息等。儀器通訊接口板擴(kuò)展一個16 bit模／數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，并使用模擬開關(guān)對多個采樣通道數(shù)進(jìn)行切換（見圖5）。

圖5 儀器通訊接口板模擬信號采集模塊

由此可以看出，在硬件設(shè)計中將儀器通訊接口板開發(fā)標(biāo)準(zhǔn)化、模板化，建立標(biāo)準(zhǔn)的硬件和標(biāo)準(zhǔn)的通訊接口，保證在大多數(shù)沒有特殊要求的儀器中通信板可以直接互換。所有新儀器的開發(fā)，只要遵循標(biāo)準(zhǔn)，就可以直接連入總線系統(tǒng)，極大地簡化和加快了儀器的開發(fā)，減輕了后續(xù)維護(hù)的負(fù)擔(dān)。

3 井下儀器總線的軟件設(shè)計

在軟件設(shè)計上，基于嵌入式實時操作系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)，使用這種技術(shù)可以很方便地完成以太網(wǎng)相對應(yīng)的TCP、UDP、PPPOE等通訊協(xié)議。設(shè)備軟件實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的TCP／IP協(xié)議，每個設(shè)備都有獨立的IP地址，所有設(shè)備在一起組成一個網(wǎng)絡(luò)?？梢栽诰W(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點包括互聯(lián)網(wǎng)上，通過網(wǎng)絡(luò)看到設(shè)備的控制信息和儀器數(shù)據(jù)。所有的設(shè)備儀器可以自由組合，沒有任何限制條件。設(shè)備軟件開發(fā)獨立，完全實現(xiàn)了模塊化開發(fā)，開發(fā)任務(wù)可以控制，耦合性極大降低。

儀器通訊接口板的軟件結(jié)構(gòu)見圖6。軟件設(shè)計實現(xiàn)了一個重要的邏輯功能，即通訊接口板（包括網(wǎng)關(guān)通訊板與儀器通訊板）各物理芯片間信息交流，儀器通訊接口板與各儀器之間的信息交流以及儀器通訊接口板與地面控制臺之間的信息交流。因此，儀器通訊接口板主要完成以下功能。

（1）支持路由服務(wù)。作為儀器總線的數(shù)據(jù)通訊中轉(zhuǎn)站。

（2）支持DHCP。儀器通訊板從網(wǎng)關(guān)通訊板自動獲取IP地址。

（3）地面控制系統(tǒng)和儀器通訊板的控制命令、數(shù)據(jù)通道。對儀器通訊接口板本身的操作命令進(jìn)行相應(yīng)的處理；傳輸儀器的數(shù)據(jù)到地面控制系統(tǒng)。

（4）儀器通訊板和儀器的命令、數(shù)據(jù)通道。對儀器的控制命令進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；接收處理儀器的數(shù)據(jù)。

通過這樣的設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)井下各儀器與地面控制系統(tǒng)之間的信息交互，順利完成油井測試。

圖6 儀器通訊接口板軟件結(jié)構(gòu)

4 功能實現(xiàn)

（1）使用TCP／IP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，可以使儀器和任何網(wǎng)絡(luò)設(shè)備對接，整個總線系統(tǒng)可以直接掛接到互聯(lián)網(wǎng)上，通過TCP／IP協(xié)議直接操作和控制。

（2）儀器組網(wǎng)簡單方便，只要配置好IP地址就可以通信。

（3）對任意儀器可實現(xiàn)一對一的單支調(diào)試，而無需附加任何配套系統(tǒng)，就能獲得該支儀器的全面信息。

（4）井下總線帶寬為10 Mbit／s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前需求，而且可以隨時開發(fā)到100 Mbit／s。

（5）可遠(yuǎn)程維護(hù)和控制儀器。

（6）可進(jìn)行遠(yuǎn)程固件升級，不需要拆裝儀器，也可在井下直接升級設(shè)備，方便快捷。

5 結(jié)束語

目前，網(wǎng)絡(luò)化井下儀器總線已成功應(yīng)用于中國石油長城鉆探工程有限公司的LEAP800測井系統(tǒng)中，掛接了常規(guī)大滿貫測井儀器、陣列聲波測井儀器、陣列感應(yīng)測井儀器和聲電成像測井儀器，完成了大量的現(xiàn)場測試，已先后多次在河北任丘91號井、山東孤島古古八井和遼寧盤錦馬古二井等試驗井進(jìn)行了下井測試；同時也分別在遼河油田、內(nèi)蒙古油田及吉林油田等商業(yè)井進(jìn)行了下井試驗，所有測試結(jié)果都達(dá)到了設(shè)計要求，取得了完整的測井曲線，完全滿足先進(jìn)的大數(shù)據(jù)量測井儀器的要求。

［1］ 楊建軍，林興春，郝秀全，等.測井電纜通信系統(tǒng)綜述［J］.石油儀器，2007，21（3）：1－5.

［2］ 趙平，張美玲，劉甲辰，等.2004～2005年國內(nèi)外測井技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢［J］.測井技術(shù)，2006，30（5）：385－389.

［3］ 楊明，郭海龍.CAN總線在測井儀器中的應(yīng)用［J］.石油儀器，2009，23（4）：86－88.

［4］ 梁建軍，宿德平.RS485總線接口在測井儀中的應(yīng)用［J］.石油儀器，2008，22（3）：83－85.

［5］ 王榮莉，雷斌.工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.自動化博覽，2004，21（4）：63－65.

Research on the Data Bus for Networked Downhole Tool

CHEN Wenxuan，YUE Hongtu，CHEN Wen，DAI Guangming，WANG Xinguo，PEI Binbin
（Well Logging Technology Center，CNPC Greatwall Drilling and Exploration Engineering Company，Beijing 100176，China）

With the application of the megabit telemetry system of LEAP800 well logging system，the data transmission rate of the downhole tool’s data bus must be higher than one megabit per second to meet the requirements of massive acquisition data of downhole tools.Based on ethernet technology，proposed is a design of networked downhole tool’s data bus which has the advantages of wide bandwidth，modular structure，excellent expansibility，and etc.Introduced is the principle of downhole tool’s data bus，and detailed are bus designs of hardware and software.The experiments show that this design can greatly increase the bandwidth of downhole tool’s data bus and realize the reliable transmission of large amount of data in LEAP800 well logging system.

logging tool，data bus，ethernet technology，transmission bandwidth，hardware，software

1004－1338（2011）06－0572－04

P631.84

A

陳文軒，男，1963年生，高級技術(shù)專家，從事測井系統(tǒng)技術(shù)總體設(shè)計、電纜測井?dāng)?shù)據(jù)傳輸和井下儀器總線研究工作。

2011－04－13 本文編輯 余迎）