陈小东 孙 伟 何小冬 许海民

(川庆钻探工程有限公司测井公司 重庆)

HT-1旋转式井壁取心仪通信原理及干扰抑制

陈小东 孙 伟 何小冬 许海民

(川庆钻探工程有限公司测井公司 重庆)

HT-1旋转式井壁取心仪以RS-485通信方式传输命令和数据,通信芯片采用半双工设计的MAX487芯片。出现通信干扰时,HT-1地面控制台上显示的所有遥测信号均随机跳变,且井下电机电源不能接通。通信干扰通常与传输线及通道绝缘、电缆缆芯信号分配方式、阻抗匹配、屏蔽地接触电阻、信号波特率等因素有关。文章介绍了一系列抑制通信干扰的方法和措施。

接触电阻;阻抗匹配;波特率;干扰抑制

0 引 言

HT-1旋转式井壁取心仪是航天一院十二所北京天达技术开发总公司开发生产的国内第二代旋转式井壁取心仪,该取心仪运用了单片机支持的嵌入式系统开发技术,通信方式也由第一代的载波通信方式改为RS-485总线驱动方式,因此取心系统的复杂程度更低,可操作性更强。然而,作为一个系统,HT-1取心仪和所有测井系统一样,在应用中不可避免地会受到各种噪声和散乱信号的干扰,加之取心时的工作电压非常高(地面高达1 500 VAC),这就对基于微控通信基础的HT-1型旋转式井壁取心仪的系统抗干扰能力带来了一定的影响。

1 RS-485通信标准

RS-485通信标准为平衡式发送数据,差分式接收数据的总线驱动标准,通信方式为半双工串行异步通信,接线方式采用两线制或四线制。由于四线制只能实现点对点的通信方式,目前RS-485通信多采用两线制方式,即每个信号通道采用两根信号传输线加一根共用地线的方式。信号传输时,如果一根信号线是逻辑”1”状态,另一根就为逻辑”0”,且一根信号线用来发送数据(TxD),另一根用来接收数据(RxD)。发送数据时,平衡驱动器把传输线上的逻辑电平变换成电位差,完成始端的信息传送;接收数据时,差分接收器把电位差转换成逻辑电平,实现终端的信息接收。RS-485标准允许驱动器输出的共模电压为±2 V～6 V,而接收器可以检测到低至200 mV的输入信号[1]。

图1 平衡驱动和差分接收电路

图1所示是一个典型的平衡驱动和差分接收的原理图。其中,VT为发送信号电压,en为干扰噪声电压;VR为接收信号电压,显然,各参数间的关系为:

故可得到:

式(3)表明:发送端输出的信号电压VT经过线路传输后可以直接到达差分接收器输入端,而与干扰电压无关,因此,理论上,平衡驱动和差分接收数据的总线驱动标准除可以大大提高传输距离外,还可抗击各种电磁干扰及提高数据传输速率(波特率)[2]。

2 HT-1通信原理与系统控制

2.1 通信原理

HT-1旋转式井壁取心系统地面和井下均以微处理器PCF80C552为核心组成控制电路,通信时以RS-485主从应答方式通过铠装测井电缆下传控制命令和上传取心数据(液压系统压力、GR计数率、钻进位移、岩心长度、液压油温度、电子线路保温瓶温度、平衡系统保护状态等),通信芯片采用半双工设计的MAX487芯片。MAX487是用于RS-485通信的低功耗收发器,每个器件中都具有一个驱动器和一个接收器。与标准RS-485驱动器(最多32个收发器)的单位负载(12 kΩ输入阻抗)相比,MAX487具有48 kΩ输入电阻,1/4单位负载的接收器输入阻抗,在一条总线上允许最多挂接128个收发器,传输距离大于1 km,传输速率高达250 kb/s,图2为MAX487工作于RS-485通信方式下的典型工作电路。

图2 MAX487芯片典型工作电路

2.2 系统控制

HT-1地面系统(控制台)设有三个按键开关(复位、GR增益+、GR增益-)和三个控制开关(推靠臂:靠/收、钻头:进/退、马达:转/停),用来实现简单的人机通信及控制。“复位”按键用来对地面控制台EPROM内的常驻程序进行初始化,同时可触发控制台切断井下电机电源;“GR增益+/-”用来调节控制台GR输出幅度或脉冲计数率,便于测井记录系统的信号识别与采集;三个控制开关则用来对探头内的三个电磁阀进行控制,从而使井下仪器完成诸如“推靠-靠/收”、“钻头-进/退”、“马达-转/停”的动作。取心操作时,三个控制开关的开关组合量通过地面控制台通信应答位个位实时显示。

3 通信干扰

实践表明,影响HT-1旋转式井壁取心仪正常通信的各种干扰主要表现为各种形式的“电磁干扰”,分传导干扰和辐射干扰两种。其中传导干扰是指通过导电介质把一个电网络上的信号耦合到另一个电网络,主要在电源线、信号线、互连线等导线以及屏蔽体、接地导体中进行传播;辐射干扰则是指干扰源通过物理空间把其信号耦合到另一个电网络,形成干扰。在高速PCB及系统设计中,高频信号线、集成电路的引脚、各类接插件等都可能成为具有天线特性的辐射干扰源,能发射电磁波并影响其它系统或本系统内其他子系统的正常工作。

尽管RS-485通信抗干扰能力较强,但在长线传输时,通信通道不可避免地会受到各种杂散信号的干扰。一旦受干扰,各种遥测数据和通信应答指示会随机跳变,复位键和控制开关失去作用,电机电源不能接通,井下电磁阀控制继电器误动作,最终导致仪器损坏和取心失败。

4 干扰抑制[3]

4.1 通信线及通道绝缘良好

HT-1的正常工作电压及电流都很高,若测井电缆线间绝缘不好,或者与数据传输通道有关的高压接插组件以及集流环绝缘不好等等,都会对测井通信造成极大的干扰,因此,要保障测井通信畅通,首先要保证测井传输线及通道的良好绝缘性。根据HT-1的技术要求,测井电缆对铠装外壳以及任意两根缆芯之间的绝缘电阻必须大于1 000 MΩ,而电子线路内部用于通信的5#、10#缆芯对仪器外壳的绝缘电阻必须大于20 MΩ。

4.2 电缆缆芯按功能对称排列

当遥测信号和电源同时在测井电缆缆芯上传输时,如果电源和遥测信号在空间上采取对称分布结构,由电源产生的干扰信号经叠加抵消后就可使干扰磁场较弱(或者没有)[4],从而有效提高遥测信号的抗干扰能力。

HT-1测井7芯电缆缆芯上传输的电信号有通信a、通信b、电机A相电源(850 VAC,两根并联)、电机B相电源(850 VAC,两根并联)以及电磁阀电源(220/240 VAC)。在对信号和电源进行缆芯分配时,应按图3所示的方式进行。

4.3 380 VAC发电机的工频干扰

HT-1供电方式为发电机380 VAC/220 VAC(10 KW,50 Hz)三相独立供电,若发电机离取心系统太近,50 Hz低频交流电极易耦合到数据传输线上形成工频干扰,从而影响正常的测井通信,因此,为有效抑制电磁辐射和噪声电压对通信的干扰,在取心时,要尽量让380 VAC发电机远离取心系统,同时,380 VAC发电机和测井车外壳必须与保护地可靠相连。

图3 HT-1信号及电源缆芯分配

4.4 屏蔽地引线接触电阻控制

屏蔽地引线接触电阻过大极易引发通信干扰,进而引发供电机高压时保护监测和遥测信号的跳变。按技术要求,屏蔽地引线接触电阻应小于0.5Ω,但一般情况下,只要屏蔽地引线接触电阻小于10Ω,即可保障HT-1的正常通信。

4.5 合理选择信号传输驱动器阻抗匹配电阻

测井数据传输为长线传输。数据长线传输时,由于长传输线上分布电容、寄生电容、分布电感和漏电阻的影响,由电流或电压波的反射造成的干扰就会使传输信号失真,要避免这种失真,使传输功率达到最大,就必须使传输线的波阻抗与负载阻抗相等,以实现阻抗匹配。

4.6 系统“复位(RESET)”

在单片机应用系统中,各种干扰源常常使程序指令的地址码和操作码发生改变,从而使系统通信出现紊乱,因此,在HT-1所有硬件系统工作正常的情况下出现通信干扰时,可尝试用地面控制台上的“复位”键对软件系统强行复位,使系统通信恢复正常。

4.7 波特率设置

由于RS-485通信方式的数据接口标准为串行标准,故对特定的传输线经,信号传输所允许的最大电缆长度与信号传输速率(波特率)有关。通常,数据信号在传输时,从信号发生器到负载,其所允许的最大电缆长度是数据信号传输速率的函数。经验数据表明,当数据信号速率降低到90 kbit/s以下时,假定最大允许的信号损失为6 dBV时,则电缆长度被限制在1 200 m。

对于RS-485主从应答式通信系统,信号传输速率通常在1 200 bit/s～9 600 bit/s之间选取:通信距离1 km以内,综合考虑通信效率、节点数、通信距离等因素,选用4 800 bit/s最佳;通信距离1 km以上时,应考虑通过降低信号传输速率的方法提高数据传输可靠性。

因此,当HT-1旋转式井壁取心系统出现通信干扰时,若传输电缆太长(＞7 000 m),而硬件方面抗干扰措施又得当,可通过修改软件参数,适当降低通信“波特率”,使通信恢复正常。

4.8 低压电源地悬浮

在小功率电路与大功率电路共用地线时,大功率电路的启动会在共用地线中流过很强的干扰电流并对小功率电路造成影响。由于这种干扰是由两个电路的连接电缆与公共地线构成的环路电流产生的,因此称为“地环路干扰”,此外,地环路中的电流还可以由外界电磁场感应出来。

解决地环路干扰的方案有很多种,其中最有效的方法是将设备一端的电路浮地,如果将一端电路浮地,就切断了地环路,从而可以消除地环路电流。应将+5 VDC电源地设置为悬浮地,使其不与仪器外壳(交流地)相通,同时保证交流地和低压电源地严格绝缘。

4.9 使用EMI电源滤波器

为有效抑制850 VAC交流电机运转时产生的电磁干扰影响低压电源,最好在低压电源中使用EMI电源滤波器。EMI电源滤波器允许有用信号无衰减通过,同时大大衰减杂波干扰信号,保护设备免受其害,同时它又能抑制设备本身产生的EMI信号。

5 结 论

1)信号传输驱动器阻抗匹配电阻通常在车间进行一次测定,不需反复作精细调节;

2)由地线设置不当引起的通信干扰可以通过减小地线接触电阻和切断地环路进行消除。但大多数情况下,尽管电路设计、布局合理,地环路干扰依然存在,这往往是由PCB的制作工艺和PCB本身的质量造成的,一旦出现这种情况,应对整块电路板进行更换;

3)正常情况下,用于数据通信的5#、10#缆芯对仪器外壳的绝缘电阻必须大于20 MΩ,否则,通信极易受干扰;

4)HT-1探头中的大小泵压力传感器、钻进位移传感器、心长传感器和油温传感器电源均为+5 V,一旦传感器引线破裂,由电机产生的高达40 VAC的干扰电压就会直接影响+5 V电源,进而烧坏井下电子线路内的MAX487通信芯片和微处理器PCF80C552,影响正常通信,因此,要对电机的绝缘性能进行定期检查,性能差的应及时予以修复或更换;

5)为保证正常通信和GR信号的采样精度,HT-1通常将波特率设定为1 200 bit/s(低速),以排除波特率设置不当对通信的影响;

6)采用载波通信方式的第一代国产旋转式井壁取心仪的最大可靠传输距离为5 000 m,为了满足油田长线传输的需要,HT-1采用RS-485总线驱动通信方式,将传输距离提高到了7 000 m,但实践表明,对于井壁取心仪这种大功率系统,HT-1尽管通信电路得到了简化,但相比于载波通信方式,系统的通信抗干扰能力反而有所下降,而且对测井电缆的要求更高。

[1] 北京天达控制技术开发公司.HT-1型钻进式井壁取心仪使用手册.2006(资料)

[2] 胡汉才.单片机原理及系统设计[M].北京:清华大学出版社,2004

[3] 陈小东.HT-1型旋转式井壁取心器应用中的典型干扰探讨[J].内江科技.2008,2(159)

[4] 窦振中.基于单片机的嵌入式系统工程设计[M].北京:中国电力出版社,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

陈小东,男,1972年生,硕士,高级工程师,1997年毕业于江汉石油学院电子仪器及测量技术专业,现在川庆钻探工程有限公司测井公司从事特种仪器维护工作。邮编:400021

2010-08-19编辑:刘雅铭)