HT-1旋轉式井壁取心儀通信原理及干擾抑制

陳小東 孫 偉 何小冬 許海民

(川慶鉆探工程有限公司測井公司 重慶)

HT-1旋轉式井壁取心儀通信原理及干擾抑制

陳小東 孫 偉 何小冬 許海民

(川慶鉆探工程有限公司測井公司 重慶)

HT-1旋轉式井壁取心儀以RS-485通信方式傳輸命令和數據,通信芯片采用半雙工設計的MAX487芯片。出現通信干擾時,HT-1地面控制臺上顯示的所有遙測信號均隨機跳變,且井下電機電源不能接通。通信干擾通常與傳輸線及通道絕緣、電纜纜芯信號分配方式、阻抗匹配、屏蔽地接觸電阻、信號波特率等因素有關。文章介紹了一系列抑制通信干擾的方法和措施。

接觸電阻;阻抗匹配;波特率;干擾抑制

0 引 言

HT-1旋轉式井壁取心儀是航天一院十二所北京天達技術開發總公司開發生產的國內第二代旋轉式井壁取心儀,該取心儀運用了單片機支持的嵌入式系統開發技術,通信方式也由第一代的載波通信方式改為RS-485總線驅動方式,因此取心系統的復雜程度更低,可操作性更強。然而,作為一個系統,HT-1取心儀和所有測井系統一樣,在應用中不可避免地會受到各種噪聲和散亂信號的干擾,加之取心時的工作電壓非常高(地面高達1 500 VAC),這就對基于微控通信基礎的HT-1型旋轉式井壁取心儀的系統抗干擾能力帶來了一定的影響。

1 RS-485通信標準

RS-485通信標準為平衡式發送數據,差分式接收數據的總線驅動標準,通信方式為半雙工串行異步通信,接線方式采用兩線制或四線制。由于四線制只能實現點對點的通信方式,目前RS-485通信多采用兩線制方式,即每個信號通道采用兩根信號傳輸線加一根共用地線的方式。信號傳輸時,如果一根信號線是邏輯”1”狀態,另一根就為邏輯”0”,且一根信號線用來發送數據(TxD),另一根用來接收數據(RxD)。發送數據時,平衡驅動器把傳輸線上的邏輯電平變換成電位差,完成始端的信息傳送;接收數據時,差分接收器把電位差轉換成邏輯電平,實現終端的信息接收。RS-485標準允許驅動器輸出的共模電壓為±2 V～6 V,而接收器可以檢測到低至200 mV的輸入信號[1]。

圖1 平衡驅動和差分接收電路

圖1所示是一個典型的平衡驅動和差分接收的原理圖。其中,VT為發送信號電壓,en為干擾噪聲電壓;VR為接收信號電壓,顯然,各參數間的關系為:

故可得到:

式(3)表明:發送端輸出的信號電壓VT經過線路傳輸后可以直接到達差分接收器輸入端,而與干擾電壓無關,因此,理論上,平衡驅動和差分接收數據的總線驅動標準除可以大大提高傳輸距離外,還可抗擊各種電磁干擾及提高數據傳輸速率(波特率)[2]。

2 HT-1通信原理與系統控制

2.1 通信原理

HT-1旋轉式井壁取心系統地面和井下均以微處理器PCF80C552為核心組成控制電路,通信時以RS-485主從應答方式通過鎧裝測井電纜下傳控制命令和上傳取心數據(液壓系統壓力、GR計數率、鉆進位移、巖心長度、液壓油溫度、電子線路保溫瓶溫度、平衡系統保護狀態等),通信芯片采用半雙工設計的MAX487芯片。MAX487是用于RS-485通信的低功耗收發器,每個器件中都具有一個驅動器和一個接收器。與標準RS-485驅動器(最多32個收發器)的單位負載(12 kΩ輸入阻抗)相比,MAX487具有48 kΩ輸入電阻,1/4單位負載的接收器輸入阻抗,在一條總線上允許最多掛接128個收發器,傳輸距離大于1 km,傳輸速率高達250 kb/s,圖2為MAX487工作于RS-485通信方式下的典型工作電路。

圖2 MAX487芯片典型工作電路

2.2 系統控制

HT-1地面系統(控制臺)設有三個按鍵開關(復位、GR增益+、GR增益-)和三個控制開關(推靠臂:靠/收、鉆頭:進/退、馬達:轉/停),用來實現簡單的人機通信及控制。“復位”按鍵用來對地面控制臺EPROM內的常駐程序進行初始化,同時可觸發控制臺切斷井下電機電源;“GR增益+/-”用來調節控制臺GR輸出幅度或脈沖計數率,便于測井記錄系統的信號識別與采集;三個控制開關則用來對探頭內的三個電磁閥進行控制,從而使井下儀器完成諸如“推靠-靠/收”、“鉆頭-進/退”、“馬達-轉/停”的動作。取心操作時,三個控制開關的開關組合量通過地面控制臺通信應答位個位實時顯示。

3 通信干擾

實踐表明,影響HT-1旋轉式井壁取心儀正常通信的各種干擾主要表現為各種形式的“電磁干擾”,分傳導干擾和輻射干擾兩種。其中傳導干擾是指通過導電介質把一個電網絡上的信號耦合到另一個電網絡,主要在電源線、信號線、互連線等導線以及屏蔽體、接地導體中進行傳播;輻射干擾則是指干擾源通過物理空間把其信號耦合到另一個電網絡,形成干擾。在高速PCB及系統設計中,高頻信號線、集成電路的引腳、各類接插件等都可能成為具有天線特性的輻射干擾源,能發射電磁波并影響其它系統或本系統內其他子系統的正常工作。

盡管RS-485通信抗干擾能力較強,但在長線傳輸時,通信通道不可避免地會受到各種雜散信號的干擾。一旦受干擾,各種遙測數據和通信應答指示會隨機跳變,復位鍵和控制開關失去作用,電機電源不能接通,井下電磁閥控制繼電器誤動作,最終導致儀器損壞和取心失敗。

4 干擾抑制[3]

4.1 通信線及通道絕緣良好

HT-1的正常工作電壓及電流都很高,若測井電纜線間絕緣不好,或者與數據傳輸通道有關的高壓接插組件以及集流環絕緣不好等等,都會對測井通信造成極大的干擾,因此,要保障測井通信暢通,首先要保證測井傳輸線及通道的良好絕緣性。根據HT-1的技術要求,測井電纜對鎧裝外殼以及任意兩根纜芯之間的絕緣電阻必須大于1 000 MΩ,而電子線路內部用于通信的5#、10#纜芯對儀器外殼的絕緣電阻必須大于20 MΩ。

4.2 電纜纜芯按功能對稱排列

當遙測信號和電源同時在測井電纜纜芯上傳輸時,如果電源和遙測信號在空間上采取對稱分布結構,由電源產生的干擾信號經疊加抵消后就可使干擾磁場較弱(或者沒有)[4],從而有效提高遙測信號的抗干擾能力。

HT-1測井7芯電纜纜芯上傳輸的電信號有通信a、通信b、電機A相電源(850 VAC,兩根并聯)、電機B相電源(850 VAC,兩根并聯)以及電磁閥電源(220/240 VAC)。在對信號和電源進行纜芯分配時,應按圖3所示的方式進行。

4.3 380 VAC發電機的工頻干擾

HT-1供電方式為發電機380 VAC/220 VAC(10 KW,50 Hz)三相獨立供電,若發電機離取心系統太近,50 Hz低頻交流電極易耦合到數據傳輸線上形成工頻干擾,從而影響正常的測井通信,因此,為有效抑制電磁輻射和噪聲電壓對通信的干擾,在取心時,要盡量讓380 VAC發電機遠離取心系統,同時,380 VAC發電機和測井車外殼必須與保護地可靠相連。

圖3 HT-1信號及電源纜芯分配

4.4 屏蔽地引線接觸電阻控制

屏蔽地引線接觸電阻過大極易引發通信干擾,進而引發供電機高壓時保護監測和遙測信號的跳變。按技術要求,屏蔽地引線接觸電阻應小于0.5Ω,但一般情況下,只要屏蔽地引線接觸電阻小于10Ω,即可保障HT-1的正常通信。

4.5 合理選擇信號傳輸驅動器阻抗匹配電阻

測井數據傳輸為長線傳輸。數據長線傳輸時,由于長傳輸線上分布電容、寄生電容、分布電感和漏電阻的影響,由電流或電壓波的反射造成的干擾就會使傳輸信號失真,要避免這種失真,使傳輸功率達到最大,就必須使傳輸線的波阻抗與負載阻抗相等,以實現阻抗匹配。

4.6 系統“復位(RESET)”

在單片機應用系統中,各種干擾源常常使程序指令的地址碼和操作碼發生改變,從而使系統通信出現紊亂,因此,在HT-1所有硬件系統工作正常的情況下出現通信干擾時,可嘗試用地面控制臺上的“復位”鍵對軟件系統強行復位,使系統通信恢復正常。

4.7 波特率設置

由于RS-485通信方式的數據接口標準為串行標準,故對特定的傳輸線經,信號傳輸所允許的最大電纜長度與信號傳輸速率(波特率)有關。通常,數據信號在傳輸時,從信號發生器到負載,其所允許的最大電纜長度是數據信號傳輸速率的函數。經驗數據表明,當數據信號速率降低到90 kbit/s以下時,假定最大允許的信號損失為6 dBV時,則電纜長度被限制在1 200 m。

對于RS-485主從應答式通信系統,信號傳輸速率通常在1 200 bit/s～9 600 bit/s之間選取:通信距離1 km以內,綜合考慮通信效率、節點數、通信距離等因素,選用4 800 bit/s最佳;通信距離1 km以上時,應考慮通過降低信號傳輸速率的方法提高數據傳輸可靠性。

因此,當HT-1旋轉式井壁取心系統出現通信干擾時,若傳輸電纜太長(＞7 000 m),而硬件方面抗干擾措施又得當,可通過修改軟件參數,適當降低通信“波特率”,使通信恢復正常。

4.8 低壓電源地懸浮

在小功率電路與大功率電路共用地線時,大功率電路的啟動會在共用地線中流過很強的干擾電流并對小功率電路造成影響。由于這種干擾是由兩個電路的連接電纜與公共地線構成的環路電流產生的,因此稱為“地環路干擾”,此外,地環路中的電流還可以由外界電磁場感應出來。

解決地環路干擾的方案有很多種,其中最有效的方法是將設備一端的電路浮地,如果將一端電路浮地,就切斷了地環路,從而可以消除地環路電流。應將+5 VDC電源地設置為懸浮地,使其不與儀器外殼(交流地)相通,同時保證交流地和低壓電源地嚴格絕緣。

4.9 使用EMI電源濾波器

為有效抑制850 VAC交流電機運轉時產生的電磁干擾影響低壓電源,最好在低壓電源中使用EMI電源濾波器。EMI電源濾波器允許有用信號無衰減通過,同時大大衰減雜波干擾信號,保護設備免受其害,同時它又能抑制設備本身產生的EMI信號。

5 結 論

1)信號傳輸驅動器阻抗匹配電阻通常在車間進行一次測定,不需反復作精細調節;

2)由地線設置不當引起的通信干擾可以通過減小地線接觸電阻和切斷地環路進行消除。但大多數情況下,盡管電路設計、布局合理,地環路干擾依然存在,這往往是由PCB的制作工藝和PCB本身的質量造成的,一旦出現這種情況,應對整塊電路板進行更換;

3)正常情況下,用于數據通信的5#、10#纜芯對儀器外殼的絕緣電阻必須大于20 MΩ,否則,通信極易受干擾;

4)HT-1探頭中的大小泵壓力傳感器、鉆進位移傳感器、心長傳感器和油溫傳感器電源均為+5 V,一旦傳感器引線破裂,由電機產生的高達40 VAC的干擾電壓就會直接影響+5 V電源,進而燒壞井下電子線路內的MAX487通信芯片和微處理器PCF80C552,影響正常通信,因此,要對電機的絕緣性能進行定期檢查,性能差的應及時予以修復或更換;

5)為保證正常通信和GR信號的采樣精度,HT-1通常將波特率設定為1 200 bit/s(低速),以排除波特率設置不當對通信的影響;

6)采用載波通信方式的第一代國產旋轉式井壁取心儀的最大可靠傳輸距離為5 000 m,為了滿足油田長線傳輸的需要,HT-1采用RS-485總線驅動通信方式,將傳輸距離提高到了7 000 m,但實踐表明,對于井壁取心儀這種大功率系統,HT-1盡管通信電路得到了簡化,但相比于載波通信方式,系統的通信抗干擾能力反而有所下降,而且對測井電纜的要求更高。

[1] 北京天達控制技術開發公司.HT-1型鉆進式井壁取心儀使用手冊.2006(資料)

[2] 胡漢才.單片機原理及系統設計[M].北京:清華大學出版社,2004

[3] 陳小東.HT-1型旋轉式井壁取心器應用中的典型干擾探討[J].內江科技.2008,2(159)

[4] 竇振中.基于單片機的嵌入式系統工程設計[M].北京:中國電力出版社,2008

PI,2011,25(1):39～41,45

The command and data of HT-1 rotary sidewall coring tool are transmitted by the RS-485 communication way.The communication chip is MAX487,which is one half-duplex chip.When communication interference appears,all telemetering signals shown on the ground panel of HT-1 jump to change randomly,and the motor power of downhole tools can’t be put through.Communication interference of HT-1 system is always relevant to the insulation of deliver line and signal channel,the allotment way of cable and signal,impedance matching,contact resistance of shielding ground,and baud rate,etc.Combining with the operational principle of coring tool,the article introduces a series of ways and precautions to suppress the communication interference of HT-1.

Key words:rotary sidewall coring tool,communication,insulation,contact resistance,impedance matching,baud rate,interference suppression

Communication principle and interference suppression of HT-1 rotary sidewall coring tool.

Chen Xiaodong,Sun wei,He Xiaodong and Xu Haimin.

P631.8+3

B

1004-9134(2011)01-0039-03

陳小東,男,1972年生,碩士,高級工程師,1997年畢業于江漢石油學院電子儀器及測量技術專業,現在川慶鉆探工程有限公司測井公司從事特種儀器維護工作。郵編:400021

2010-08-19編輯:劉雅銘)