基于电力线载波通信技术的油田井下设备通信系统.pdf
《基于电力线载波通信技术的油田井下设备通信系统.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于电力线载波通信技术的油田井下设备通信系统.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、东 北 石 油 大 学 学 报 J OURNAL OF NORTH EAS T PETROLEUM UNI VERS I TY 第 3 6卷 第 5期 2 0 1 2年 1 0月 Vo 1 36 No5 Oc t 2 01 2 基于 电力线载波通信技术 的油 田井下设备通信 系统 王 中国 , 徐 (1 哈尔滨工业大学 机电工程学院 , 黑龙江 哈尔滨 1 6 3 51 3 ) 明 ,李隆球 ,张广玉 1 5 0 0 0 1 ; 2 大庆油田有 限责任公 司 第五采 油厂, 黑龙江 大庆 摘要 : 传统的油 田井下设备通信系统难以满足油 田井下工况恶劣、 电磁 干扰 强、 通信距离长等特殊 使
2、用环境要求 , 通信不可靠 基于新型通信技术 电力线载波通信技术 , 建 立油 田井下设备 电力线模 型并分析特 性, 选择合适 载波频 率确定通信 系统 的硬件设计方案 , 利用软硬件结合方式进行抗干扰设计 , 研制 一种基 于电力线载波通信 的井下设备通信 系统 实验结果表 明: 该系统通信距离达到 3 k m, 准确率为 1 0 0 , 可以满足油田井下及其他恶劣工况环 境下设备使用要 求 , 具有一定 的应用前景 关键词 : 油 田;井下设备 ; 通信 系统 ;载波通信;电力线 ;抗干扰 中图分 类号 : TE 9 3 8 文献标识码 : A 文章编号 : 2 0 9 5 4 1 0
3、7 ( 2 0 1 2 ) 0 5 0 1 0 50 6 0 引言 油 田井 下空 间狭 小 、 高温 高压 、 腐 蚀 严重 , 地 面用 电设备 众 多 、 电磁干扰 严重 , 部 分井深 达 到几千米 , 通 信距离非常远, 设备对通信系统可靠性的要求非常高口 传统通信方式难以满足智能化油 田设备 的要 求 , 研制一套通信距离长、 可靠性高 、 适用于井下设备数据传输的通信系统具有重要意义 电力线载波通信技术是一种新型的通信方式 其将数据调制成载波信号, 以电力线作 为传输载体 , 通 过一定的耦合方式将信号耦合到电力线上进行数据传输 该通信方式不需架设专门的通信 网络 , 通信成 本
4、低廉 ; 电力线硬件坚 固耐用 , 信号传输可靠性很高 该技术主要应用于 自动抄表领域 , 在其他领域 应 用较 少 , 在油 田井 下设备 通信 方 面 , 国 内研 究 尚处在起 步阶段 l 8 电力线载波通信技术中信号在电力线上的传输还有难点, 如信号畸变 、 难以进行阻抗匹配及通信环境 恶 劣 g 等 笔者 分 析井下 设 备 电力 线性 质 , 利用 微波 传输 线理论 , 对 电力 线进 行建模 仿 真并分 析特性 , 选 取 合适的载波频率 , 实现信道阻抗匹配; 采用软硬件滤波结合的方式抑制噪声 , 提高系统抗干扰能力, 研制一 种 通信 可靠 、 距离 长 、 成本低 的井下
5、设 备 通信 系统 1 信道特性模型 1 1 模 型 传输线信道是信号传输 的载体 , 伴随通信始终, 信道匹配直接影响通信质量 油 田设备常用 电力线为 单 芯 同轴 电缆 , 按 照 导行 波特性 归属 于 TE M 波传 输 线 为 适应 我 国大部 分 油 田设 备 的工作 需 要 , 选 取 电 缆长度为 4 k m, 接近信号波长, 按长线处理 长线的分布参数效应无法忽视 , 传输线不能仅视为连接线 , 因 其 形成 复杂 的分 布参 数 电路 , 需 用微 波传 输线 理论 进行 研究 对于长的传输线 , 任取一段无限小的线元 d 作为研究对象 , 将其视为一个集总参数电路 ,
6、用四端 网络 进行 等效 , 网络模 型见 图 1 其 中 , G表 示传 输线 单 位长 度 的分 布 电导 ; L表示 分 布 电感 ; R 表 示 分 布 电阻 ; c表示分布电容 , 与传输线 的特性相关 以长度为 4 k m 的电力线作为传输线 , 由许多段具有相同特性的微 收稿 日期 : 2 0 1 2一 O 62 1 : 编辑 : 张兆虹 基金项 目: 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 0 5 0 9 9 ) 作者简介 : 王中国( 1 9 6 8 一) , 男 , 博 士研 究生, 高级工程 师, 主要从事油气 田开发方面的研究 东北石油大学学报 第 3 6卷2 0 1
7、2年 型 四端 网络级联 而成 1 2特性 分析 如果信 号输 入 系 统 与传 输 线 阻 抗 不 匹配 , 信号 源 就不 能 给 出最 大输 出功 率 ; 如果 负 载 与 传输 线 阻抗 不 匹 配 , 信 号 就 产生 反 射并 造 成 畸 变 , 导致接收端无法对信号正常解调 只有实现 阻抗 匹配 , 才 能使 系 统 工作 在 最 佳状 态 因此 , 需要 分析 电力线 特性 , 选择合 适 的载波 频率 , 使 地 面系统 、 井下 系统 与传输 线 的阻抗 匹配 , 保证 信 号 在 电缆 中 的传输 质 量 , 为 载波 通 信 系统 电 路设 计奠 定基 础 ,r n 0
8、 T 一 : d x C o d x : R2 d r 2 d x 1 VV a U 图 1 传输 线线元 四端 网络模型 Z 根据传输线理论 , 通过 电力线的相关特征参数 即可算出实际线路的电阻、 电容、 电导和电感等原始参 数 ; 根据原始参数和信号频率可算出信号的传播常数和特性阻抗 文中电力线( 单芯同轴电缆) 的特征参数 见 表 1 根 据表 1参数计 算 油 田设 备 所用 电力线 的各项 参 数 , 利用 MATL A B对 电力 线 特 性 进行 仿 真 , 根 据 仿真 结果选 择载 波参数 和设 计通信 系统 硬件 表 1 电力线 ( 单芯同轴 电缆 ) 特征参数 由于空间
9、限制 , 油田井下设备中电力线的初始状态为卷曲状 , 在下井过程 中逐渐展开 几何状态的改 变 使 电力线 的特征 参数 随之改 变 , 需 分别考 虑卷 曲和展 开 2种状态 : 电力 线展 开时 , 电感很 小 , 可 以忽 略不 计 ; 电缆卷 曲时 , 外 缆皮 完全接 触 , 电阻与 电感值 基本 为 0 , 而 内芯缠绕 卷 曲 , 形成 很大 的 电感 特 性阻抗 Z为阻抗 匹配 时 电力 线 两端 所 加 的负载 阻抗 对 于 电力 线 , 其 复数形 式 为 Z R j X 其 中 , X 为电力线 电抗 电力线 卷 曲和展开 状态 引起特 征参数 变化 , 利 用 MAT
10、L AB仿 真计 算 得 到 2种 状 态下 的 电力 线 电阻 与 电抗随载 波频 率关 系 曲线 ( 见 图 2 ) O 载 波 频 率 k Hz ( a )卷曲状态 载波 频率 k Hz ( b )展开状态 图 2 不 同 状 态 下 电 力 线特 性 阻抗 与载 波 频率 关 系 由图 2可见: 在卷 曲和展开状态下曲线变化趋势大致相同 在高频段 , 电力线特性阻抗的虚部趋于 0 , 实部 趋 于 固定 值 随着载 波频率 增大 , 电力线 特性 阻抗趋 于显 现纯 电阻特 性 理论上 载波 频率越 高 , 电力线 特性 阻抗 的 电抗部分 影 响越小 , 电力线 两端 越容 易实 现
11、 阻抗 匹配 相对 于 卷 曲状 态 , 电力 线 在展 开 状 态 时 特性 阻抗 相差 更大 , 在低 频段高 出卷 曲状态 近 1 0 0 Q, 是 由于缆皮 电阻超过感 抗对 电缆 特性 的影 响 1 3载 波频 率选择 在阻抗匹配后 , 传输至井下的信号损耗最小 , 由于传输线存在 固有损耗 , 信号仍有部分衰减 载波频率 0 0 O O O 0 如 加 5 a 鞲基拦、 嚣 O 0 O O 加 5 Uf、 氍强埭 第 5 期 王 中国等 : 基 于电力线载波通信技术的油 田井下设备通信系统 越高, 信号衰减越严重 当载波频率达 到 1 0 k Hz 后 , 信 号几 乎 全部 衰减
12、 在传 输线 上 相对 于卷 曲状 态 , 电力线 在 展开状态时衰减更为严重 , 低频段尤为明显 ; 但载波频率 低 , 通信 速 度慢 , 影 响井 下 设 备 的 正 常工 作 综合 考 虑 各 种 因素 , 选择信号载波频率为 1 2 k Hz , 信号幅值与下井 深 度 衰减 关 系曲线 见 图 3 由 图 3可见 , 随着 下 井 深度 的增 加 , 信 号 衰 减 加 大 主要是 由于 随着下 井深 度增 加 , 电力线 展 开部分 增 多 , 电 力线电阻对信号衰减 的影 响超 过感 抗对信号衰减 的影 响 衰减最 严 重处 , 信号 幅值 约 为 1 4 , 对信 号 进 行
13、 放大 后 , 解 调器 可 以正 常解 调 , 衰 减 度 在 可 接 受 范 围 内 文 中 0 2 5 0 2 3 。 0 2 l 、 、 怅;0 1 9 如 氅 0 1 7 0 1 5 O 1 3 采用 的典 型载 波通 信 芯片 MS M7 5 1 2的工 作频 率 为 1 2 k Hz , 因此 , 选 择 1 2 k Hz 的载 波频率 可 以满 足通 信要 求 2 硬 件设 计 电力线载波通信系统用于实现井下与地面的双向通信 硬件设计 主要包括调制解调 电路和耦合电路 部分 , 设 计方 案见 图 4 地面载波系统 l l 一 一 图 4 载 波 通 信 系统 硬 件 设 计
14、方 案 2 1调制 解调 电路 选用 F S K调制技术将数字信号转化成频率信号 , 用 2 种载波频率分别代表二进制中的数字 0和 1 , 具 有设备简单 、 抗干扰能力强的优点, 能够满足井下设备通信系统的要求 选用 MS M7 5 1 2芯片作为调制解调器的核心芯片 该芯片集调制、 解调于一体 , 工作于半双工模式, 传 输 速率 为 1 2 k b p s , 是 一款基 于 F S K原 理 的调制 解调 芯 片 , 其 中 0和 1的数 字调 制 信 号对 应 的 载波 频 率 分 别 为 2 1 k Hz 和 1 3 k Hz 调 制解 调 电路见 图 5 调制解调电路分为芯片外
15、 围电路( 见图 5 ( a ) ) 和载波信号处理电路 ( 见 图 5 ( b ) ) MS M7 5 1 2与井下控 制 器 通过 串 口连接 , 将控 制器 发送 过来 的数 字信 号 调制成 载 波信号 , 通 过端 口输 出 经 过一级 放 大器放 大 , 提高输出功率 , 将二级放大器设计成跟随器 , 增加系统的输入阻抗 ; 接收信号时, 信号经过放大 , 传送至 MS M7 5 1 2 并解调成数字信号 , 送给控制器进行数据处理口 “ 2 2 耦 合 电路 电力线耦合电路的功能是将调制解调器连接到电力线网络, 实现信号发送接收、 电力线阻抗 匹配、 隔 离高 压直 流 电和保
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 电力线 载波通信 技术 油田 井下 设备 通信 系统
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【fir****x8】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【fir****x8】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。