基于電力線載波的注水測調通信系統的研究

孫 偉，宋海芝

（1.上海交通大學機械學院，上海 200240；2.中國石化勝利油田現河采油廠地質所，山東 東營 257068）

1 引 言

隨著油田開發的不斷深入，注水井分層流量調節和測試工作越來越顯得突出。傳統的測試工藝是反復測試流量、反復投撈水嘴，有諸多缺點。文獻[1]提出了邊測邊調方案，文獻[2]提出了聯動調配方案，很好的解決了上述問題。但存在一些不足：文獻[1]在測調結束后，地面工作人員才能看到測調數據和結果，沒有實時性，若電池能量耗盡，則造成測調失敗；文獻[2]采用單芯電纜和曼徹斯特編碼實現了地面和井下的實時通信，缺點是通信速度慢，容易受到干擾而造成通信失敗，嚴重影響了井下配注的工作效率和準確性。

低壓電力線（380V/220V的低壓配電網）載波通信方式就目前的成本要求和技術水平而言，已基本滿足實用化要求[3]。該文充分考慮LonWorks的技術優勢，提出了基于電力線載波的測試方案，將LonWorks運用到注水井分層流量調節和測試系統上，解決了上述方案中地面設備與地面儀器通信等一系列問題，進一步提高了井下配注的工作效率和準確性。

2 系統概述

如圖1所示，基于電力線載波的注水測調系統由地面設備和井下儀器組成。地面設備包括便攜式筆記本、LonTalK適配器和電力線收發器。上位機通過PCLTA-20適配器經電力線與井下測調儀器相連，構成總線拓撲網絡，由上位機組態控制平臺進行動態觀測與監控。

井下測調儀器包括LonWorks通信部分、三參數傳感器、A/D、步進電機和可調水嘴[4-5]，如圖2所示。通過電力線接收地面設備的指令，完成模擬量的采集和控制步進電機驅動水嘴，并將測調的情況實時傳輸至地面。設計采用市場上貨源比較充足的Toshiba公司神經元芯片TMPN3150[6]和電力線收發器PLT-22組成神經元節點。

電力線收發器PLT-22是Echelon公司為實現在電力線上進行數據傳輸而專門開發的調制解調芯片。其內核為數字信號處理器（DSP），具有多種容錯及糾錯功能。采用雙頻模式，其中主頻132.5kHz，若主頻被噪聲干擾，則自動采用第二載波頻率115kHz傳輸數據，這一點對于一些干擾源、噪聲較大的電網尤為適用。

3 井下儀器的硬件設計

井下儀器的硬件設計主要有以下幾個方面內容：神經元芯片控制模塊的硬件設計；基于神經元芯片的I/O接口電路設計；其他附屬硬件電路設計，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接口設計

神經元芯片擁有多功能的通信端口，它有5個引腳（CP0～CP4）可以配置與多種網絡收發器相連接，以適應不同的編碼方案和波特率。3150和PLT-22之間的連接關系如圖3所示，解決了兩個問題：

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

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

3.2 TMPN3150存儲器擴展

在各種FLASH中，根據Echelon公司的推薦，Atmel公司AT29C256與3150的時序配合最為合適[6]。將其地址線A0～A14、數據線IO0～IO7和3150的地址線、數據線相連；3150的A15和AT29C256的CE引腳相連，E和R/W引腳經過一個或門（74F32）連接到AT29E256的WE引腳，E連接到的OE引腳。

3.3 A/D轉換電路設計

MAX186是常用的能與Neuron Wire對象兼容的串行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。片內帶有快速采樣保持電路，采樣時間1.5ms。MAX186有內部4.096V精密參考電壓，也可外部提供參考電壓。

3150的管腳IO8作為時鐘輸入，IO9和IO10分別作為串行數據的輸入和輸出，構成三線總線結構。MAX186的 CS、DIN、DOUT 管腳與 3150的 IO0、IO9和IO10，管腳SCLK與3120的CLK2連接，共用一個時鐘信號；CH0、CH1、CH2接三參數傳感器。

3.4 耦合電路設計

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

圖4 耦合電路

3.5 Service電路

在LonWorks節點的配置、安裝和維護中，服務管腳（Service Pin）起著相當重要的作用。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%。當作為輸出時，能吸收20mA電流用于驅動一個LED；當節點發生故障時，LED可以通過顯示一定的信號給予提示；當作為輸入，該管腳收到一個邏輯低電平時，神經元芯片會向網絡發送一組網絡管理信息，其中包含神經元芯片的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力驅動水嘴的步進電機，文獻[1]采用電池供電，電池能量不足或負載變大時不能驅動步進電機，因此造成測調失敗。該設計中，AC220V電力線經變壓、整流、濾波輸出+12 V電壓為步進電機供電，以提供充足的能量；同時，+12 V電壓經過降壓、穩壓輸出+5V電壓，為整個井下儀器提供電源。

4 系統的軟件設計

通信系統的軟件分為地面設備上位機和井下儀器兩部分。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備發送；地面工作人員分析井下的注水信息，根據配注要求，計算出水嘴的開度，并將此信息發送至井下儀器；井下儀器分析水嘴的開度，控制步進電機驅動可調水嘴，調節完成后，再次采集流量、壓力和溫度信息，發送至地面設備。如此反復循環，直到配注合格。

5 結束語

該文主要介紹了在油田注水井測調系統中，用電力線實現地面設備與井下儀器通信的遠程測試方案，設計了由神經元芯片及PLT-22組成的電力線通信接口，可以很好地解決上述地面設備與井下測調儀器的通信問題，測調系統的通信和控制調度、實時性、可靠性大大提高，彌補了邊測邊調方案和聯動調配方案的不足，提高了井下配注的準確性，為注水測調系統的高效率工作提供有力保障。同時，該方案也為油田其他井下測控的系統通信提供了有益的參考。

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[8] 馬 莉.智能控制與Lon網絡開發技術[M].北京：北京航空航天大學出版社，2002.

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