基于電力載波技術(shù)的水下生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

陳 浩，程武山，劉義勇，張鵬舉

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000；3.美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 201900)

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基于電力載波技術(shù)的水下生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

陳 浩1，程武山1，劉義勇2，張鵬舉3

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，上海 201620；2.中海石油(中國)有限公司深圳分公司，廣東深圳 518000；3.美鉆能源科技(上海)有限公司，上海 201900)

針對深水生產(chǎn)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，采用基于臍帶纜的電力線載波通信傳輸技術(shù)，不僅解決水上與水下的長距離數(shù)據(jù)傳輸問題，同時降低海底布線的復(fù)雜度與生產(chǎn)成本。文中利用Mi200e載波芯片，采用QPSK擴(kuò)頻調(diào)相調(diào)制方式，設(shè)計了水下生產(chǎn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集硬件模塊。實驗測試表明，該模塊能夠高效穩(wěn)定地采集采油樹管匯上的各路傳感信號與反饋數(shù)據(jù)，保證水下控制系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。

水下控制系統(tǒng)；電力載波；Mi200e；QPSK擴(kuò)頻調(diào)相

0 引言

鑒于陸上及淺水油氣資源的日漸減少，深海油氣資源已經(jīng)成為世界能源開發(fā)領(lǐng)域未來發(fā)展的趨勢。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)是整個深水油氣田采集系統(tǒng)的指揮中樞和運(yùn)行保障，對保證生產(chǎn)過程中油氣的安全平穩(wěn)流動和提高開采效率起到重要的作用[1]。油氣田的開采過程常需要對采油樹管匯中的溫度、壓力、流量以及沙粒沖蝕等各類數(shù)據(jù)進(jìn)行實時的監(jiān)控，以充分了解水下的即時開采狀態(tài)，以便對采油過程進(jìn)行實時檢測和控制。實現(xiàn)水上與水下數(shù)據(jù)的穩(wěn)定傳輸尤為重要[2]。

電力線載波通信是將數(shù)據(jù)信息調(diào)制到一定頻率的高頻載波并耦合至電力線上傳輸發(fā)送。因此，采用基于臍帶纜的電力通信傳輸技術(shù)能很好地適應(yīng)深水生產(chǎn)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，利用水上與水下的電力線路作為介質(zhì)，經(jīng)耦合電路提取高頻載波信號，放大并濾去外干擾和噪聲，最后經(jīng)解調(diào)電路還原成數(shù)字信息。不僅解決了長距離傳輸?shù)膯栴}，也降低了海底布線的復(fù)雜度，節(jié)約了生產(chǎn)成本[3]。

本文首先介紹了水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上，利用專用QPSK擴(kuò)頻調(diào)相電力載波芯片Mi200e，設(shè)計了電力載波的硬件電路，并通過波形采集、串口調(diào)試以及不同距離下誤碼率的測試，驗證了載波信號傳輸?shù)目尚行耘c可靠性。

1 深水油氣田水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)

深海采油系統(tǒng)包含水上平臺和水下生產(chǎn)系統(tǒng)，水上平臺由主控站(MCS)、液壓動力單元(HPU)、化學(xué)藥劑和穩(wěn)壓供電站組成，而為了實現(xiàn)對水下生產(chǎn)設(shè)備的監(jiān)測與控制，現(xiàn)階段水下控制系統(tǒng)采用的是電液復(fù)合控制[4]。水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)如1圖所示，其中采用基于臍帶纜的電力通信傳輸技術(shù)能很好地適應(yīng)深水生產(chǎn)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)[5]。電力傳輸與控制信號的傳輸采用混合傳輸，其本質(zhì)就是通過電力線路加載測控信號的電力載波技術(shù)，即在原有的提供電能的電力線路上疊加控制指令信號，到達(dá)水下控制模塊(SCM)后實現(xiàn)電力供應(yīng)與水下設(shè)備的控制，同時將水下變送器所測得壓力、溫度、流量、液位等過程參量通過電力載波通信技術(shù)上傳到主控制系統(tǒng)。

水下控制模塊(SCM)的核心是水下電子模塊(SEM)，主要負(fù)責(zé)采集信號處理與系統(tǒng)控制。水下電子模塊將采油樹管匯中的壓力、溫度以及流量等傳感信號采集后，調(diào)制編碼成適合電力信道傳輸?shù)母哳l信號，經(jīng)濾波、信號放大后，耦合到臍帶纜中的電力線上，傳輸?shù)剿峡刂平K端，實現(xiàn)對水下生產(chǎn)過程的實時監(jiān)控[6]。

同時，水上平臺可以根據(jù)生產(chǎn)需要，給水下發(fā)送控制指令信號，信號通過電力線傳輸耦合至水下電子模塊的接收端，再經(jīng)主控單元解調(diào)解碼，從而完成對水下電液換向閥的操作。同時，當(dāng)水下生產(chǎn)系統(tǒng)發(fā)生故障或信號傳輸中斷等意外狀況時，自主向水上控制終端發(fā)送報警信號[7-8]。

圖1 水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)示意圖

2 水下電力載波模塊硬件設(shè)計原理

2.1 載波芯片Mi200e介紹

水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的核心部分，其中電子載波技術(shù)決定了整個水下生產(chǎn)系統(tǒng)的測量和控制水平。本文采用了一款專門針對低壓電力線窄帶通信設(shè)計的電力線載波通訊芯片Mi200e，其具有高集成度、高可靠性。Mi200e調(diào)制方式為QPSK擴(kuò)頻調(diào)相，采用過零同步傳輸技術(shù)，內(nèi)部集成了高性能數(shù)字功率放大器、擴(kuò)頻解擴(kuò)、調(diào)制解調(diào)、輸入信號整形放大、市電檢測、高性能帶通濾波器、數(shù)模轉(zhuǎn)換接口以及與單片機(jī)(MCU)串口通信等功能。

2.2 水下電力載波模塊設(shè)計

水下電力載波模塊主要由微處理器、載波芯片、外圍耦合濾波電路以及接口電路組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。微處理器采用UPD78F0526A單片機(jī)芯片。UPD78F0526A與載波芯片之間通過SPI串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，發(fā)送時，Mi200e對從微處理器接收到的信號進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)相調(diào)制，經(jīng)過內(nèi)部信號處理后送入耦合保護(hù)電路；接收時，電力線路中調(diào)制的信號被耦合電路捕捉后，傳輸至Mi200e進(jìn)行解調(diào)。

圖2 電力載波模塊硬件結(jié)構(gòu)原理圖

3 耦合保護(hù)窄帶發(fā)送/接收濾波器電路

3.1 耦合保護(hù)電路

由于Mi200e內(nèi)部自帶調(diào)制、濾波、數(shù)字功放電路，所以外圍電路簡潔，Mi200e的發(fā)送、接收均采用差分方式，通過信號耦合變壓器，在電力線上接收或發(fā)送信號。

耦合器在電路中主要有3個作用：電容C14和耦合器初級線圈構(gòu)成高通濾波器，阻斷了電網(wǎng)工頻信號，保證導(dǎo)通傳輸?shù)母哳l信號；次級線圈跟外圍電路同時構(gòu)成帶通濾波器，方便調(diào)制信號的選擇；內(nèi)部的高頻耦合線圈實現(xiàn)強(qiáng)電側(cè)和弱電側(cè)的物理分離，同時實現(xiàn)阻抗匹配。

3.2 發(fā)送濾波電路

數(shù)據(jù)發(fā)送過程是將單片機(jī)采集的信號通過SPI接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，傳輸?shù)捷d波芯片Mi200e內(nèi)進(jìn)行編碼調(diào)制，再經(jīng)過功率放大濾波耦合到電力線上，發(fā)送濾波電路如圖3所示。PA、PB是Mi200e的數(shù)字功放半橋輸出端，輸出信號通過L3、C14構(gòu)成的一階LC無源帶通濾波器濾波處理后送入信號耦合變壓器，再通過變壓器耦合到220 V電力線路中進(jìn)行傳輸。

圖3 發(fā)送濾波電路

3.3 接收濾波電路

接收濾波器負(fù)責(zé)將電力線路上的調(diào)制信號提取出來，然后送入Mi200e的RA+和RA-兩端進(jìn)行解調(diào)。由于信號耦合部分跟發(fā)送部分是共用的，只需要加上簡單的LC帶通濾波就可以送入Mi200e了。具體的接收濾波器電路連接如圖4所示。由信號耦合變壓器送來信號，經(jīng)過C17、L2構(gòu)成的帶通濾波器后直接送入Mi200e的模擬信號輸入RA+和RA-兩端進(jìn)入芯片解調(diào)。其中，電感、電容及電阻的具體參數(shù)，可根據(jù)所選的載波頻率的不同做調(diào)整。

圖4 接收濾波電路

其中，壓敏電阻R35在電力線出現(xiàn)瞬間高壓的情況下，吸收電流，保護(hù)后級小信號電路。瞬變抑制二極管TVS1、TVS2分別采用SMBJ6.8CA和P6KE10CA，起到限幅作用，防止浪涌沖擊。

4 實驗仿真與結(jié)論

4.1 波形采集與分析

在微處理器中燒寫控制與數(shù)據(jù)處理程序，同時配置載波芯片Mi200e寄存器初始化。由于電力載波為半雙工的通信方式，Mi200e采用中斷方式來進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，設(shè)定一個3～5 ms的中斷對MI200E的內(nèi)部寄存器進(jìn)行查詢。

利用Agilent 33220A信號發(fā)生器產(chǎn)生幅值為1 V的正弦信號，送入微處理器的輸入端，然后，在電力載波模塊耦合器的輸出端用Tektronix TDS2022示波器接收傳輸?shù)牟ㄐ?。圖5為示波器的接收端在不同時刻采集的信號波形。對比圖5中6幅圖可以看出，信號的幅度波動很小，峰-峰值的偏差在±2.0%之間，說明載波芯片的模擬前端的性能穩(wěn)定；同時，傳輸?shù)妮d波信號頻率在改變，這是為了躲避信道中的噪聲干擾，模塊自適應(yīng)的選擇載波頻率，由于載波芯片Mi200e采用的調(diào)制方式為QPSK，信號的解調(diào)只與載波信號相位有關(guān)與載波幅值頻率無關(guān)。

4.2 串口數(shù)據(jù)測試與分析

實驗系統(tǒng)測試軟件采用串口助手發(fā)送、接收、顯示及保存接收的數(shù)據(jù)，并且實現(xiàn)不同波特率通信以及定時數(shù)據(jù)發(fā)送功能。利用USB轉(zhuǎn)換串口將2個載波模塊分別與2臺裝有XP系統(tǒng)PC相連，打開串口軟件選擇合適的串口，試驗平臺如圖6所示。其中，一臺串口選擇COM1口，另一臺為COM2口，然后在輸入框輸入要發(fā)送的數(shù)據(jù)。

(a)

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

圖6 搭建的測試實驗平臺

其中，設(shè)置波特率為9600，校驗位無，數(shù)據(jù)位8位，停止位1位。載波模塊為半雙工通信，接收發(fā)送異步進(jìn)行，發(fā)送接收的模式有“自動”和“手動”兩種，驗證電力通信的穩(wěn)定性與可靠性，分別進(jìn)行如下實驗。

模式1：利用串口助手的自動模式，在輸入框中輸入發(fā)送的信息，發(fā)送的時間可以在“自動發(fā)送周期”中進(jìn)行設(shè)置，單位是ms。當(dāng)勾選“十六進(jìn)制發(fā)送時”，系統(tǒng)將自動發(fā)送所輸數(shù)據(jù)的16進(jìn)制數(shù)，如圖7(a)中發(fā)送的內(nèi)容是 “yes!”，而圖7(b)內(nèi)容是 “I am a student.”；在信息發(fā)送的同時，接收另一臺發(fā)送的信息。

模式2：手動模式如圖7(c)、圖7(d)所示，自動模式的選擇框懸空后，選擇“手動發(fā)送”，在輸入框中輸入發(fā)送的信息，而另一臺機(jī)器也可以手動點(diǎn)擊發(fā)送。在兩種模式，數(shù)據(jù)的傳輸誤碼率低，穩(wěn)定性好。

(a)

(b)

(c)

(d)

4.3 不同距離下誤碼率的測試

誤碼率是衡量通信系統(tǒng)傳輸可靠性的一種統(tǒng)計指標(biāo)，反映了系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣。為了使測試更具有一般性，測試地點(diǎn)選擇了電力線環(huán)境處于中等水平的實驗室，采集對象是國家重大專項中的采油樹管匯上的傳感信號和上位機(jī)平臺發(fā)送的控制指令，測試在不同距離下的誤碼情況。測試結(jié)果如表1 所示。

由表1數(shù)據(jù)可以看出，誤碼率隨著距離的增大而增加。此外，實驗過程中發(fā)現(xiàn)，誤碼率會在某段時間內(nèi)突然增大，然后再變低。測試時若一個字節(jié)中有1位數(shù)據(jù)錯誤，即按1個字節(jié)處理，這樣就放大了誤碼率，實際上誤碼率比這個要低。

表1 不同測試距離下誤碼率的測試

5 結(jié)論

本文針對深水生產(chǎn)系統(tǒng)的工作特點(diǎn)，采用基于臍帶纜的電力載波通信傳輸技術(shù)，不僅解決水上與水下的長距離數(shù)據(jù)傳輸問題，同時，降低海底布線的復(fù)雜度與生產(chǎn)成本。利用專用QPSK 調(diào)相擴(kuò)頻載波芯片Mi200e，設(shè)計了水下生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸模塊。通過采集模塊輸出端信號波形，分析了幅度與頻率的變化特點(diǎn)，同時搭建串口通信試驗平臺，測試不同距離情況下的誤碼率隨著距離的增大而增加，且誤碼情況具有時間集中性。該模塊的設(shè)計解決了水下控制系統(tǒng)遠(yuǎn)距離通信問題，具有普遍適用性。

[1] 王立忠.論我國海洋石油工程技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展.中國海洋平臺,2006,21(4):9-11;18.

[2] 周美珍,張維慶,程寒生.水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的比較與選擇.中國海洋平臺,2007,22(3):47-51.

[3] 范亞民．水下生產(chǎn)控制系統(tǒng)的發(fā)展．石油機(jī)械，2012，40(7)：45-49.

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[5] 姜國.井下儀器高溫電路設(shè)計方法研究.石油儀器，2005(6):58-60.

[6] 齊軍. 井下工況狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)研究：[學(xué)位論文].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2007.

[7] 杜鵬. 井下多狀態(tài)參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)的研究：[學(xué)位論文].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué),2013.

[8] 張超,馮玉峰,孫字軍.基于電力線載波通信的油井通信系統(tǒng).電子電路,2012(3):93-96.

Subsea Production Data Acquisition System Based on Power Line Carrier Technology

CHEN Hao1, CHENG Wu-shan1, LIU Yi-yong2, ZHANG Peng-ju3

(1. School of Mechanical Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China;2. Cnooc (China) Co.. Ltd. Shenzhen Rranch, Shenzhen 518000,China;3.Msp/Drilex(Shanghai)Co.,Ltd.,Shanghai 201900,China)

According to the characteristics of subsea production systems, using the umbilical cable communication transmission technology based on power line carrier, the problems of long distance data transmission between on and under water were solved, and wiring complexity and the cost of production were reduced. In this paper, the Mi200e carrier chip and modulation mode of the QPSK were adopted. The data acquisition hardware module of subsea production system was designed. As tested by experiments, the module can acquire highly efficient and stable sensing signal and feedback data on each manifold of tree, so as to ensure the stable work of subsea control system.

subsea control system ; power line carrier (PLC);Mi200e ;QPSK spread spectrum phase-modulated

“十二五”國家科技重大專項(2011ZX05056-002-02)

2014-10-14 收修改稿日期：2015-06-28

TP273

A

1002-1841(2015)09-0087-04

陳浩(1988—)，碩士研究生，主要研究方向為智能控制與數(shù)據(jù)通信。E-mail:tongxinxinxi@163.com