陳思宇

摘 要：由于鉆井有很高的風(fēng)險性，并且鉆井現(xiàn)場一般條件比較惡劣，因此選擇一種穩(wěn)定快速的傳輸數(shù)據(jù)方式尤為重要。在井場建立小型井場局域網(wǎng)，將傳感器、儀表工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集傳輸服務(wù)器、數(shù)據(jù)錄入終端等連接起來，同時實(shí)現(xiàn)井場局域網(wǎng)與遠(yuǎn)程傳輸網(wǎng)絡(luò)的對接，實(shí)現(xiàn)井場數(shù)據(jù)的高速流轉(zhuǎn)、處理和發(fā)送。通過對現(xiàn)場總線和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式的研究，提出了一套適用的“CAN總線+以太網(wǎng)+CDMA/GPRS”快速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，經(jīng)現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用后，該系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)速度快、誤碼率低。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)傳輸；CAN總線；以太網(wǎng)；CDMA/GPRS

RS-485是單主從結(jié)構(gòu)，是一個總線上只能有一個主機(jī)，通信由主機(jī)發(fā)起，主機(jī)不發(fā)命令，下面的節(jié)點(diǎn)不能發(fā)送，且需要發(fā)完即答，收到回復(fù)后主機(jī)才向下一個節(jié)點(diǎn)詢問，這樣是為了防止多個節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，而造成數(shù)據(jù)錯亂。

隨著計算機(jī)科學(xué)、信息科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展，讓數(shù)字化鉆井技術(shù)不斷提升。在國外，特別是北美，有集工程設(shè)計、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)庫、施工監(jiān)測與生產(chǎn)指揮為一體的鉆井信息系統(tǒng)[1]。這種系統(tǒng)會自動采集鉆井過程中的參數(shù)，并傳輸?shù)阶鳂I(yè)現(xiàn)場的計算機(jī)，再由通信網(wǎng)絡(luò)將生產(chǎn)信息傳輸?shù)娇偛啃畔⒅行?，由各學(xué)科專家組成的工作小組將對收到的信息進(jìn)行分析，并據(jù)此作出相應(yīng)的對策，再反饋回施工現(xiàn)場，監(jiān)督指導(dǎo)生產(chǎn)實(shí)踐。

而數(shù)字化鉆井的核心就是一個綜合的實(shí)施決策系統(tǒng)，在這個系統(tǒng)框架內(nèi)可以分為三個層面。第一個層面是鉆井工程數(shù)據(jù)實(shí)時采集和遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)；第二個是鉆井事故診斷系統(tǒng)；第三個層面是遠(yuǎn)程協(xié)同群體決策支持平臺。作為數(shù)字化鉆井的第一個層面，如何將現(xiàn)場大量數(shù)據(jù)以較小的延遲傳輸?shù)骄畧龆撕突囟孙@得尤為重要。

一、井場局域網(wǎng)

通過傳感器自動獲取及派生計算的數(shù)據(jù)主要是鉆井工程參數(shù)、鉆井錄井?dāng)?shù)據(jù)、氣測資料以及井眼幾何參數(shù)，如遲到時間、遲到井深、鉆頭位置、鉆頭進(jìn)尺、大鉤負(fù)荷、轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速、鉆時、鉆壓、扭矩、鉆頭壓降、水力效率、循環(huán)密度、巖屑濃度、比水馬力、噴嘴噴速、射流沖擊力、循環(huán)壓耗、環(huán)空壓耗、牙齒磨損、軸承磨損、鉆桿殘余檢查間隔、鉆鋌殘余檢查間隔以及井斜、方位、工具面等參數(shù)。由于不同傳感器所使用的信息編碼協(xié)議不盡相同，所以要獲取這些數(shù)據(jù)必須研發(fā)對應(yīng)的接口軟件，將獲取的信號進(jìn)行解碼和預(yù)處理，轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)庫規(guī)定的格式[1]。

考慮到所采集的參數(shù)比較多，并且需要實(shí)時進(jìn)行監(jiān)控，因此在井場建立小型局域網(wǎng)，將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時顯示在PC機(jī)上，以便進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和預(yù)警。以太網(wǎng)作為當(dāng)今應(yīng)用最廣的局域網(wǎng)技術(shù)，具有性價比高、靈活性和互操作性強(qiáng)等特點(diǎn)?，F(xiàn)場總線多標(biāo)準(zhǔn)，低速和不易與高層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息集成的缺點(diǎn)在應(yīng)用以太網(wǎng)之后將得到徹底的改變。

以太網(wǎng)具有相當(dāng)高的數(shù)據(jù)傳輸速率，能夠提供足夠的帶寬，工作可靠，便于維護(hù)和故障恢復(fù)，它和TCP/IP很容易集成到信息領(lǐng)域中去，除去它的技術(shù)優(yōu)勢之外，以太網(wǎng)的成本較低。由于目前技術(shù)無法將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)的底層，因此將以太網(wǎng)與其他總線相結(jié)合是一種趨勢[2]。并且使用以太網(wǎng)之后更加方便，使用其他總線轉(zhuǎn)以太網(wǎng)之后，可以把其他總線的接口留在現(xiàn)場，而監(jiān)控計算機(jī)這端只保留一根網(wǎng)線即可。

目前常采用現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)相連或者RS485總線和以太網(wǎng)相連。在現(xiàn)場總線中CAN總線相對于其他現(xiàn)場總線，有明顯的優(yōu)勢，因此現(xiàn)場總線采用CAN總線。下面為CAN總線和RS485各自的特點(diǎn)：

1.CAN總線

CAN是控制器局域網(wǎng)的簡稱，是由德國Bosch公司推出的，是世界上應(yīng)用最廣泛的總線之一。CAN總線屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，與其他通信總線相比，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時性和靈活性[2]。

CAN總線是多主從結(jié)構(gòu)，每個節(jié)點(diǎn)都有控制器，多個節(jié)點(diǎn)發(fā)送時，以當(dāng)時發(fā)送的ID號自動進(jìn)行仲裁，這樣就能完成總線數(shù)據(jù)的整齊，而且一個節(jié)點(diǎn)發(fā)送完畢，另一個節(jié)點(diǎn)可發(fā)現(xiàn)到總線空閑，馬上發(fā)送，省了主機(jī)的詢問，提高了總線速率，增強(qiáng)了快速性。而CAN總線通過CAN收發(fā)器接口芯片82C250的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)，CAN總線有控制器，可以對總線各個錯誤進(jìn)行識別，CAN節(jié)點(diǎn)在錯誤嚴(yán)重的地方下具有自動關(guān)閉輸出功能，這樣總線上其他節(jié)點(diǎn)的工作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)因個別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，使得總線處于癱瘓狀態(tài)。如果檢測到其他節(jié)點(diǎn)錯誤或自身錯誤，都會向總線發(fā)送錯誤幀，來提示其他節(jié)點(diǎn)這個數(shù)據(jù)是錯誤的。這樣CAN總線若一個節(jié)點(diǎn)程序跑飛了，它的控制器自動閉鎖保護(hù)總線。所以對安全性要求高的網(wǎng)絡(luò)，CAN是很強(qiáng)的[3]。CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器芯片及其接口芯片來實(shí)現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短開發(fā)周期。

2.RS-485總線

RS-485是單主從結(jié)構(gòu)，是一個總線上只能有一個主機(jī)，通信由主機(jī)發(fā)起，主機(jī)不發(fā)命令，下面的節(jié)點(diǎn)不能發(fā)送，且需要發(fā)完即答，收到回復(fù)后主機(jī)才向下一個節(jié)點(diǎn)詢問，這樣是為了防止多個節(jié)點(diǎn)向總線發(fā)送數(shù)據(jù)，而造成數(shù)據(jù)錯亂。RS-485只規(guī)定了物理層，沒有數(shù)據(jù)鏈路層，對錯誤無法識別，除非一些短路等物理錯誤。這樣容易造成一個節(jié)點(diǎn)破壞，一直向總線發(fā)數(shù)據(jù)，造成總線網(wǎng)絡(luò)癱瘓。所以RS-485一旦壞一個節(jié)點(diǎn)，這個總線網(wǎng)絡(luò)就會癱瘓。利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進(jìn)行，系統(tǒng)的實(shí)時性、可靠性較差[3]。

二、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸

及時準(zhǔn)確地將收集到的數(shù)據(jù)實(shí)時地傳輸?shù)骄W(wǎng)上共享，領(lǐng)導(dǎo)專家能及時看到井上的生產(chǎn)情況和技術(shù)參數(shù)的實(shí)時變化，及時有效地與現(xiàn)場溝通，預(yù)防和減少很多井下事故的發(fā)生，也根據(jù)實(shí)時傳輸采集現(xiàn)場的地層、巖性、鉆井參數(shù)等數(shù)據(jù)，及時科學(xué)地對該地區(qū)進(jìn)行研究和探討，為以后該地區(qū)的施工提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

不僅如此，隨著油田數(shù)字化進(jìn)程的加快，對現(xiàn)場技術(shù)人員的要求也越來越高，需要技術(shù)人員提供的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)也越來越復(fù)雜，無形中對技術(shù)人員要求也越來越高，也給技術(shù)人員增加了很多工作量，鉆井?dāng)?shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的使用，不僅解決了現(xiàn)場技術(shù)人員手機(jī)資料的復(fù)雜性，也實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場技術(shù)人員在辦公室指揮生產(chǎn)，大大減少了現(xiàn)場技術(shù)人員的工作量，及時監(jiān)督司鉆對技術(shù)參數(shù)的執(zhí)行情況。

由于井場多數(shù)處于邊遠(yuǎn)山區(qū)，不適合進(jìn)行有線傳輸，一般采用無線傳輸，常用的無線遠(yuǎn)程傳輸方式有：

（1）無線超短波。無線超短波是指數(shù)據(jù)通過超短波或微波的方式進(jìn)行空間傳輸?shù)囊环N無線通信方式。其通信距離很遠(yuǎn)通常可達(dá)幾十千米，并可以通過中繼站進(jìn)一步傳輸，布網(wǎng)非常方便，傳輸頻帶較寬。此方式可用于提供標(biāo)準(zhǔn)接口，點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸，可直接與計算機(jī)、RTU、PLC等硬件設(shè)備直接進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)透明傳輸，接收靈敏度較高，技術(shù)相對成熟。超短波受電臺數(shù)量的限制，適合小規(guī)模應(yīng)用，微波通訊需要建立大量數(shù)據(jù)中繼站，建設(shè)站點(diǎn)和維護(hù)成本都很高，同時受電磁和環(huán)境干擾的影響較大。

（2）CDMA/GPRS。CDMA /GPRS

通信速率可以達(dá)到171.2kbps，其通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積廣、系統(tǒng)容量高、所需基站少，同時具有對較強(qiáng)抗風(fēng)險能力，而且組網(wǎng)方便、投資和運(yùn)行費(fèi)用低、數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、安全可靠，時效性和帶寬完全可以滿足井場數(shù)據(jù)的傳輸要求，并且其傳輸速率還在不斷提升中。

（3）衛(wèi)星通信。具有覆蓋面廣泛，不受地域限制，采用數(shù)字傳輸技術(shù)，提高了傳輸效率。利用衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量大，距離遠(yuǎn)，可以說覆蓋了全球每個角落。缺點(diǎn)是兩站間的通信經(jīng)過中繼衛(wèi)星，傳輸時延大。另外由于建設(shè)衛(wèi)星地面主站費(fèi)用過高，且衛(wèi)星的租用費(fèi)用驚人，一般企業(yè)承受不起，目前還不適合在我國油田廣泛應(yīng)用。通過對比，適合井場遠(yuǎn)程傳輸?shù)挠蠧DMA/GPRS和衛(wèi)星通信，而衛(wèi)星費(fèi)用較高，因此一般采用CDMA/GPRS進(jìn)行傳輸，在超遠(yuǎn)距離或不適合CDMA/GPRS方式傳輸時采用衛(wèi)星傳輸。

在鉆井現(xiàn)場常采用的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方式為CDMA/GPRS和衛(wèi)星通信，它們傳輸速率高，準(zhǔn)確穩(wěn)定，無線超短波只適合小規(guī)模通信。由井場端發(fā)送到基地端或通過衛(wèi)星通信是在移動通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上發(fā)展的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，能夠提供端到端和廣域無線IP的連接，通過網(wǎng)絡(luò)控制器可以直接接入Internet，是無線終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化的絕佳方式。當(dāng)前來說，由于井場地處偏遠(yuǎn)或者沙漠戈壁地區(qū)，無線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信為其最好的選擇。

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，移動3G和衛(wèi)星通信將不斷應(yīng)用于石油行業(yè)，這樣在全球范圍內(nèi)都能監(jiān)測現(xiàn)場情況，調(diào)用現(xiàn)場數(shù)據(jù)。對于自動化越來越高的鉆井現(xiàn)場，數(shù)字化井場一定會一步一步實(shí)現(xiàn)。

三、結(jié)語

（1）結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況及現(xiàn)場總線的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了一套更好的數(shù)據(jù)傳輸方式，采用CAN總線+以太網(wǎng)方式，不但數(shù)據(jù)傳輸速度快而且可以應(yīng)對更多的鉆井參數(shù)并且易建立局域網(wǎng)。

（2）結(jié)合數(shù)字化井場的發(fā)展趨勢，提出了適合井場傳輸?shù)南到y(tǒng)，使得井場采集的數(shù)據(jù)可以更快地傳輸?shù)交囟?。這樣可以更快地進(jìn)行事故診斷和遠(yuǎn)程協(xié)同決策，更好地解決井場問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉國強(qiáng)，朱清祥.錄井方法與原理[M].北京：石油工業(yè)出版社， 2011：79—163.

[2]薄芳芳.鉆井工程數(shù)據(jù)實(shí)時采集與遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].上海：上海交通大學(xué)，2011：1—6.

[3]郭永鋒.CAN總線與RS-485總線的技術(shù)優(yōu)勢對比[J].中國新通信，2012（15）.

（作者單位：遼寧市盤錦市雙臺子區(qū)合閘管理處）