基于電力線載波通信的油井通信系統(tǒng)

摘要 油田采油過程中常常需要對井下溫度和壓力等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，以充分了解井下信息。文中就此問題提出了一種井下數(shù)據(jù)傳輸方案，該系統(tǒng)的核心是采用SSC P485擴(kuò)頻通信芯片，結(jié)合SSC P111放大芯片，利用電力線載波通信技術(shù)，通過油井中的電力線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。實(shí)驗(yàn)證明，該方案便于監(jiān)測人員對數(shù)據(jù)的采集和及時(shí)了解井下情況。
關(guān)鍵詞 電力線載波；擴(kuò)頻通信；SSC P485

在石油資源勘探和開采過程中，探明油層的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、測試油井的工作狀態(tài)對保持資源的可持續(xù)利用有著重要的意義。測井系統(tǒng)在這些工作中有著重要的作用，其中一項(xiàng)重要的功能就是信息采集，即將井下信息采集完成，傳輸?shù)骄弦怨┓治?。針對下潛泵式的?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/油井">油井，可以利用泵的供電電纜，設(shè)計(jì)一個(gè)基于電力線載波的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的采集和傳輸，同時(shí)將接收終端接收到的數(shù)據(jù)及時(shí)傳遞給計(jì)算機(jī)，以便監(jiān)測人員對參數(shù)進(jìn)行查詢，及時(shí)了解井下情況。
實(shí)現(xiàn)低壓電力線通信的技術(shù)難點(diǎn)之一是解決噪聲干擾問題，由于低壓電力網(wǎng)上的負(fù)載千變?nèi)f化，同時(shí)由于用戶用電的隨機(jī)性，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)負(fù)載處在不停的變化之中，具有較大的時(shí)變性，而且它們還會(huì)因地點(diǎn)的變化而變化，因此網(wǎng)絡(luò)干擾嚴(yán)重。另外電力線信道還具有復(fù)雜的噪聲，包活背景噪聲、突發(fā)性噪聲、非同步噪聲、同步噪聲等。另一方面是電力線上存在固有的工頻噪聲，即100 Hz噪聲干擾，而且其幅值比背景噪聲大許多。所以低壓電力線載波通信的主要問題是如何解決電力線信道的噪聲對信號(hào)傳輸?shù)母蓴_，因此該系統(tǒng)采用擴(kuò)頻通信芯片SSC P485利用chirp擴(kuò)頻通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)，針對高頻噪聲，設(shè)計(jì)了一個(gè)帶通濾波器濾除帶外噪聲。另外，還設(shè)計(jì)了一個(gè)電容耦合與電感耦合相結(jié)合的耦合電路，用以從工頻噪聲中分離出擴(kuò)頻信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)室用1 200 m的電力線實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的成功傳輸，試驗(yàn)結(jié)果較為理想，證明了擴(kuò)頻通信能有效解決電力線上的噪聲和干擾問題。

1 SSC技術(shù)
1．1 CEBus簡介
CEBus(Consumer Electrics Bus，消費(fèi)電子總線)是EIA位消費(fèi)電子產(chǎn)品制定的一種通信和產(chǎn)品互操作性的標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了在家用電器之間通信所使用的通信介質(zhì)和協(xié)議，使得遵循同樣標(biāo)準(zhǔn)的家用電器設(shè)備可以即插即用，并能共同工作，實(shí)現(xiàn)家庭自動(dòng)化，CEBus采用了簡化的OSI模型，分為物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。CEBus的物理層使用了5種不同的媒介：電力線、雙絞線、同軸電纜、射頻廣播和紅外線。CEBus是一個(gè)完全面向報(bào)文分組的對等網(wǎng)絡(luò)，使用載波偵聽多重訪問和沖突檢測與沖突分辨協(xié)議。目前，電力線是CEBus中使用最廣泛的介質(zhì)。CEBus定義了一種“公共應(yīng)用語言”(Common Application Language，CAL)來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通訊。
1．2 CEBus的物理層通訊
電力線最初設(shè)計(jì)是用作提供電力，而不是用作進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。因而要用電力線進(jìn)行通信就要面臨高噪聲、高衰減和可變阻抗等造成的信號(hào)失真。鑒于家庭中電力線載波通訊的特殊性，CEBus在以電力線作為物理層的傳輸介質(zhì)時(shí)，采用擴(kuò)頻載波(Spectrum Spread carrier)通訊來實(shí)現(xiàn)控制流。擴(kuò)頻載波通信就是用帶寬遠(yuǎn)大于發(fā)送信息所需最小頻帶寬度的信號(hào)傳輸數(shù)據(jù)。依據(jù)是信息論和抗干擾性理論，即香農(nóng)公式。香農(nóng)關(guān)于噪聲信道的主要結(jié)論是：任何帶寬為WHz，信噪比為S／N的信道，其最大傳輸速率

式(1)中，C為最大傳輸速率；N為噪聲功率；W為帶寬；S為信號(hào)功率。公式表明，在高斯通道中當(dāng)傳輸系統(tǒng)的信號(hào)噪聲功率比S／N下降時(shí)，可用增加系統(tǒng)傳輸帶寬W保持信道容量C不變。對于任意給定的信號(hào)噪聲功率比，可用增大傳輸帶寬獲得較低的信息差錯(cuò)率。擴(kuò)頻通信技術(shù)正是利用這一理論，用高速的擴(kuò)頻碼擴(kuò)展要傳輸?shù)臄?shù)字信息的帶寬。擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的帶寬比常規(guī)的通信體制大幾百至幾千倍。所以在相同的信噪比條件下，擴(kuò)頻通信具有較強(qiáng)的抗噪聲干擾能力。CEBus在電力線上有4種編碼，分別是：“0”、“1”、“EOF”和“EOP”如表1所示。

1．3 SSC PL信號(hào)
SSC PL信號(hào)利用一系列短促、可自同步的掃頻Chirps信號(hào)作為載體，它代表了最基本的通信符號(hào)時(shí)間(UST)。它們都是擴(kuò)頻掃描范圍為100～400kHz的線性掃頻Chirp)信號(hào)：總是以200～400 kHz的頻率開始，繼而以100～200 kHz的頻率結(jié)束。從203 kHz經(jīng)過19個(gè)周期線性地變?yōu)?00 kHz，再在1個(gè)周期內(nèi)變?yōu)?00 kHz，然后在5個(gè)周期中變?yōu)?03 kHz，整個(gè)時(shí)間長度為100μs，也就是1個(gè)UST(Unit Symble Time)，其波形如圖1所示。由于Chirps信號(hào)的線性掃描帶寬比信號(hào)帶寬要大得多，其線性加速度是較高的，而等幅振蕩波干擾的頻率加速度一般較穩(wěn)定，所以，只要將濾波器設(shè)計(jì)成只能通過具有特定角加速度的信號(hào)，就可以將等幅干擾排除在外。另外，此種Chirps波形還具有很強(qiáng)的自相關(guān)特性，這種模糊邏輯的相關(guān)性決定了所有連接在網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備，可以同時(shí)識(shí)別從網(wǎng)上任意設(shè)備發(fā)出的這種獨(dú)特波形，并且不需要在發(fā)送和接收設(shè)備間進(jìn)行同步，從而避免了使用復(fù)雜的同步設(shè)備，降低了系統(tǒng)成本。