СКАЧАТЬ:  rrrrr.zip [258,92 Kb] (cкачиваний: 64)

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему «Передача информации по каналу связи в приборе PLT-6»

по дисциплине «Телеизмерения при исследовании скважин»

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ. 4

I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 5

1.1 Общие сведения..................................................................................

1.2. Принцип работы составных частей прибора. 8

II. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ. 9

 2.1 Расчет основных параметров одножильного бронированного геофизического кабеля. 9

 2.2 Расчет основных параметров трехжильного бронированного геофизического кабеля. 11

 Расчет пропускной способности канала связи. 14

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.. 18

Приложение……………………………………………………………………………………………………………….19
      ВВЕДЕНИЕ 

Современная научно-техническая революция отличается бурным развитием и широким внедрением автоматического управления во всех отраслях производства.

Автоматизированные системы управления предусматривают не  только замену мускульной энергии человека при выполнении различных операций на технологических объектах, но и освобождение человека от выполнения производственных функций, связанных с его умственной деятельностью. Такими операциями являются сбор, запоминание и переработка информации, в том числе выполнение вычислительных операций и выработка управляющих сигналов. Кроме того, к таким операциям относится контроль над ходом технологического процесса.

Следовательно, важнейшее условие нормального функционирования системы автоматического управления — получение информации, правильно отражающей состояние объекта управления, ход технологического процесса.

Успехи в развитии отечественной нефтяной и газовой промышленности в значительной степени стали возможны вследствие создания и развития отечественного нефтяного приборостроения.

Существующие в настоящее время приборы исследования, регулирования и контроля разработки и эксплуатации нефтяных и газовых месторождений позволили перейти к созданию и внедрению информационно-измерительных систем для нефтедобывающих и газодобывающих предприятий.

В данной курсовой работе рассматривается скважинный прибор PLT-6.Он предназначен для исследования нагнетательных и эксплуатационных скважин при контроле над  разработкой нефтегазовых месторождений.

I. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ. 

Прибор PLT-6 

Аппаратурный комплекс PLT-6 предназначен для проведения исследований в действующих скважинах в процессе контроля за разработкой нефтегазовых месторождений.

Комплекс PLT-6 обеспечивает проведение исследований в скважинах при температуре окружающей среды до + 125°С и гидростатическом давлении до 60 МПа с компьютеризированными каротажными станциями и трехжильным  бронированным геофизическим кабелем.

При разработке данной аппаратуры, кроме улучшения точностных характеристик приборов, перед разработчиками была поставлена задача максимально повысить надежность и удобство в работе по сравнению с аналогичной аппаратурой для контроля за разработкой месторождений. Был проведен анализ эксплуатации других приборов этого класса, в результате чего было решено отказаться от "модульного" построения данной аппаратуры и разработать два прибора различного назначения, что существенно упростило их конструкцию и повысило надежность.

 Способ передачи информации двунаправленная фазоимпульсная модуляция до  100 кБод. Протокол обмена прибора с наземным оборудованием предусматривает контроль ошибок и обеспечивает надежную передачу информации. Все регулировки в приборе осуществляются программно с использованием энергонезависимой памяти. Это позволяет проводить настройку и калибровку без разбора прибора с широкими возможностями автоматизации.

Настройка прибора осуществляется программным способом при помощи интерфейсного блока, без вскрытия прибора и перепайки подстроечных компонентов.

В прибор PLT введены дополнительные каналы, повышающие их эксплуатационные и сервисные характеристики. Кроме того, в приборе установлен счетчик времени его работы, введено его описание (габариты, каналы, точки привязки), эту информацию можно получить, используя интерфейсный блок.

Прибор скважинный PLT может эксплуатироваться с собственным интерфейсным блоком и программой регистрации, что обеспечивает большее разрешение данных по каналам.

Прибор также может работать в режиме эмуляции сигнала скважинного прибора АККИС со стандартной наземной панелью «АККИС», станцией МКС «САМОТЛОР» с использованием сменного блока «АККИС», станцией «ОНИКС» и другими каротажными станциями, регистрирующими телеметрию формата «АККИС» или КСАТ - 6.                                                                             Современная элементная база обеспечивает высокую надежность работы в жестких условиях эксплуатации (табл.1).

Таблица 1

Характеристики используемых каналов 

Прибор PLT6 предназначен для привязки интервалов и включает в себя следующий набор датчиков:
- датчик термометра;
- датчик давления;
- локатор муфт;
- датчик уровня естественного гамма-излучения.                                        Конструкция  прибора предусматривает подключение к себе одного дополнительных модулей, позволяющих измерять:
- расход жидкости PLT-01;
- водонасыщенную пористость горных пород (2ННК-Т) PLT-02;
- плотность флюида - PLT- 03;
- плотность флюида в межтрубном пространстве - PLT-031.

Таблица 2

Характеристики различных моделей прибора

Кабельный интерфейс приборов может работать как в режиме двухстороннего обмена, так и в режиме односторонней передачи данных с прибора на станцию. Для использования при работе на скважине режима двухстороннего обмена                                                                                                                                  необходимо применение поставляемого в комплекте интерфейсного блока или каротажной станции, способной формировать программные запросы скважинному прибору. Режим двухстороннего обмена позволяет менять режим работы прибора на скважине (скорость передачи данных по каналам, коэффициент усиления локатора муфт, время накопления для канала гамма-каротажа и т.д.).                                  Скважинный прибор содержит (приложение 1):                                                  составной корпус 1, датчик 2 ЛМ, датчик 3 ГК, датчик 4 Р, датчик 5 Т, датчик 6 W и датчик 7 СТИ и датчик 8 РИ, причем составной корпус 1 содержит герметичную часть 9, в которой последовательно сверху вниз размещены датчики 3, 2 и 4, а чувствительная мембрана датчика 4 соединена с окружающей средой гидропроводным каналом 10, и негерметичную часть 11 составного корпуса 1, где в герметичных полостях установлены датчики 5, 6, 7 и 8, причем датчики 5 и 6 расположены в одном месте и смещены относительно продольной оси прибора на равные расстояния, здесь же расположены две взаимноперпендикулярные пары, разных по ширине, окон 12 и 13, 14 и 15, снабженные поперечными перемычками 16 и 17, которые с одной стороны предохраняют корпус 1 прибора от воздействия изгибающих моментов сил, возникающих при прохождении прибора в местах искривления скважины, а с другой стороны предотвращают от влияния эффекта шунтирования корпуса и колонны труб в скважине на датчик 6, установленный в данном окне; амортизирующий наконечник 18 и приборную головку 19 под кабельный наконечник.

1.2. Принцип работы составных частей прибора.

 Канал локации муфт.

Нормирующий преобразователь локатора муфт смонтирован на плате локатора муфт. Первичным датчиком канала локации муфт служит магнитоэлектрическая система, состоящая из постоянных кольцевых магнитов и катушки, намотанной на сердечнике из магнитомягкой стали.  При прохождении муфт прибором в катушке наводится электрический сигнал, который поступает на вход пикового детектора.

Коэффициент передачи детектора за счет обратной связи больше единицы.   Напряжение заряда хранится в течение времени, необходимого для преобразования

 сигнала в цифровой код. С выхода пикового детектора напряжение сигнала поступает на вход микроконтроллера. Питание пикового детектора осуществляется напряжением +5В.

 Канал измерения температуры, канал термоиндикации притока и канал измерения давления.

Нормирующие преобразователи каналов представляют собой двухкаскадные усилители постоянного тока.

В канале измерения температуры первичным датчиком  служит термодатчик. Датчик  и резисторы  образуют мост постоянного тока. Питание моста осуществляется от источника опорного напряжения + 27В.

В канале термоиндикации притока жидкости первичным датчиком  также является термодатчик. Подогревателем является, собранные в параллель, три резистора номиналом 1,2 кОм и мощностью 0,25Вт. Эти резисторы подключены к цепи питания +27В.

В канале измерения давления первичным датчиком, преобразующим давление жидкости в электрический сигнал, является тензометрический датчик давления П - 100. Генераторы тока должны обеспечивать ток через датчики 1 мА. Электрические сигналы с датчиков поступают на АЦП.

 Канал гамма-каротажа (ГК). 

Первичным датчиком канала ГК, преобразующим излучение в импульсы напряжения, служит сцинтилляционный детектор, состоящий из фотоумножителя ФЭУ и кристалла NaI. Импульсы напряжения поступают на вход импульсного усилителя, выполненного на транзисторе (первый каскад). На плате формирователя ГК размещены второй каскад импульсного усилителя и формирователь импульсов. С нагрузки первого каскада импульсы напряжения положительной полярности поступают на вход  второго каскада и с его выхода - на вход формирователя импульсов. С выхода формирователя импульсов сигнал поступает на вход микроконтроллера.

На плате стабилизатора ГК смонтированы стабилизатор и высоковольтный преобразователь напряжения питания ФЭУ. Преобразователь напряжения выполнен по двухтактной схеме с внешним возбуждением. В качестве задающего генератора служит мультивибратор.

II. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Расчет основных параметров трёхжильного бронированного геофизического кабеля 

Для передачи данных используется трёхжильный бронированный геофизический кабель марки КГ3-60-180, который предназначен для промыслово-геофизических исследований в скважинах, с номинальным разрывным усилием 60 кН,  при температуре 180ºС. Изоляция типа фторопласт. 

Таблица 3

Характеристики элементов конструкции кабеля

     Основные параметры:

Механические:

Масса кабеля в воздухе 345 кг/км

Масса кабеля в воде 273,1 кг/км

Максимальная рабочая температура 180ºС

Разрывное усилие, не менее 35 кН

Коэффициент линейного удлинения 0,3 м/км/Кн

Наружный диаметр 8,85

Электрические:

Электрическое сопротивление токопроводящей жилы, 34 Ом/км

Сопротивление изоляции, не менее 20000 Мом·км

Погонная емкость 137 пФ/м

Волновое сопротивление на частоте 50 кГц, 70 Ом

Коэффициент затухания на частоте 50 кГц, не более 8 дБ/км

Расчет основных параметров кабеля:

Активное сопротивление цепи определяется:

где  R₀ – сопротивление цепи на постоянном токе.

р – коэффициент, учитывающий потери на вихревые токи в жилах второй цепи элементарной группы, для звездной скрутки р=5;

а – расстояние между центрами жил, а=1,58 мм;

r₀ – радиус токопроводящей жилы, мм, r₀ = 0,375 мм;

k – коэффициент вихревых токов, мм^-1;

F(k·r₀), G(k·r₀), H(k·r₀) – функции, учитывающие потери на вихревые токи вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости.

Находим значение коэффициента вихревых токов на частоте 250 кГц

Находим соответствующие значения F(k·r₀), G(k·r₀), H(k·r₀):

Составляющая активного сопротивления R_М, обусловленная потерями в окружающих металлических массах (соседних группах и металлической оболочке), на частоте работы прибора f=250  кГц

                                                     Определим активное сопротивление цепи:

Рассчитаем индуктивность цепи:

где Q(k·r₀) – функция поверхностного эффекта

µ-относительная магнитная проницаемость, µ=1

Рассчитаем емкость цепи

где  ε_э – эквивалентное значение диэлектрической проницаемости изоляции, ε_э =2

Поправочный коэффициент ψ, характеризующий близость проводов цепи к заземленной оболочке и другим проводникам, при звездной структуре определяется по формуле:

Емкость цепи:

Проводимость изоляции находится по формуле:

При частоте 250 кГц значение

Проводимость изоляции:

Расчет вторичных параметров передачи кабельной сети:

Волновое сопротивление может быть определено экспериментально по результатам измерений входных сопротивлений кабеля в режимах холостого хода Zxx и короткого замыкания

С увеличением частоты тока волновое сопротивление монотонно убывает, начиная с частоты f≈20 кГц остается практически постоянным.

Затухание измеряется в неперах (Нп) или децибелах (дБ) на 1 км. Затухание, соответствующее 1 Нп, происходит в кабельной линии длиной 1 км, у которой ток и напряжение в начале линии больше по величине, чем ток и напряжение в конце линии в 2,718 раза. Затухание в децибелах рассчитывается по формуле:

где l – протяженность кабельной линии,– напряжение, ток и мощность в начале кабельной линии, а  - напряжение, ток и мощность в конце кабельной линии.

2.2. Расчет пропускной способности канала связи 

Проведем расчет пропускной способности реального канала связи используемого в геофизике. Связь организованна с помощью кабеля ГК3-60-180, который имеет следующие характеристики:

- сопротивление R = 34 Ом/км.

- емкость С = 150.10^-9 Ф/км.

- протяженность l = 4,5км.

Длительность посылки по геофизическому кабелю:

 T _c =9.934∙10^-6                              

Спектральная плотность помехи:

    N₀=10^-5                                                                                                                                                                 

Мощность сигнала на выходе приемника:

  P_c=2.013 Вт                                                                                                                    

Решение:

Найдем полосу пропускания канальных фильтров:

    ∆f=                                                                                                                                 

Отношение сигнал/шум определяется соотношением:

Определим вероятность появления ошибки на выходе приемника при когерентном приеме сигнала:

Найдем аргумент функции:  = 1.414      

По таблице находим значение функции Крампа при данном аргументе:

    Ф = 0.994817                                                                                                                      

Получим значение Pош:

Вероятность ошибочного приема символа p_kk кодовой комбинации, состоящей из    n_k – разрядной комбинации, при трехразрядном повторении и посимвольном сравнении не превышает величины, определяется из выражения:

    p_kk=3∙n_k∙P²_ош                                                                                                                                                                       

где P_ош – вероятность ошибочного приема единичного элемента, n_k = 17.

При поразрядном сравнении принимаемых символов состоящих, из n_k бит, вероятность ошибочной регистрации кодовой комбинации при трех кратном повторении:

    p_kk=3∙n_k∙P²_ош                                                                                                                                                                       

Для увеличения помехоустойчивости передаваемых сообщений  используется код с проверкой на четность. Код с проверкой на четность - один из простых кодов, позволяющий обнаруживать одиночные ошибки. Он образуется путем добавления к передаваемой комбинации, состоящей из k информационных символов неизбыточного кода, одного контрольного бита так, чтобы общее количество единиц в передаваемой комбинации было четным. В итоге общее количество элементов в передаваемой комбинации n=k+1. На приемной стороне производят проверку на четность. При четном числе единиц предполагается, что ошибок нет, и потребителю выдается k бит, а контрольный бит отбрасывается. Вероятность необнаруженных ошибок для кода с проверкой на четность зависит от длины блока n и вероятности ошибочного приема единичного элемента P₀.

Определим избыточность кода.

k = 17 – число символов в помехоустойчивом коде;

n = 16 – число символов без избыточности.

Найдем число ошибочных комбинаций:

    Найдем вероятность необнаруженной кодом ошибки при независимых однократных ошибках:

Однородный симметричный канал связи полностью определяется алфавитом передаваемого сообщения, скоростью передачи элементов и вероятностью ошибочного приема элемента сообщения P(вероятностью ошибки). Определим пропускную способность канала:

В частном случае для двоичного канала (m = 2) получим выражение:

В результате пропускная способность геофизического кабеля составляет ≈ 100 Кбод

III. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Код Манчестер-II является биполярным двухуровневым кодом. Логическому нулю соответствует переход на верхний уровень в центре тактового интервала с возвратом на нижний по концу тактового интервала, если следующий бит также нулевой. Соответственно, логической единице – переход на нижний уровень с возвратом на верхний по концу интервала, если следующий бит также 1. Бит обозначен переходом в центре тактового интервала, по которому и выделяется синхросигнал. Первая несущая частота кода соответствует чередованию нулей и единиц. Вторая несущая частота – последовательности нулей или единиц, и в 2 раза больше первой. При передаче произвольных последовательностей нулей и единиц более 50%  энергии сигналов сосредоточено в области этих частот и между ними. Несомненное достоинство кода – отсутствие постоянной составляющей при передачах длинных последовательностей нулей или единиц.

Первый этап работы состоит в моделировании и исследовании прохождения кодированного сигнала через имитированную линию связи (имитатор кабеля), при скорости передачи 100 кбод. Моделирование осуществлялось с помощью электронной лаборатории на ЭВМ "Electronics Work Bench 5.0". Посредством простого интерфейса в программу вводилась схема исследуемой установки и производилось моделирование с интерпретацией результатов в графическом виде.

Сначала необходимо было смоделировать кодированный сигнал. Результаты моделирования представлены на рис..

В реальности передача сигнала по кабелю осуществляется пачками через интервал времени. Каждая пачка состоит из 20 бит. На рис. показана одна пачка

 смоделированного сигнала. Первые три бита являются синхронизирующими, а остальные носителями полезной информации, за исключением последнего, который является битом четности.

Для генерации кода использовался программный 16 разрядный генератор слова, который с определенной длительностью выдает 0 или 1. Длительность синхроимпульсов соответствует частоте F=26.7кГц, импульсы двойной длительности соответствуют частоте F=40кГц, импульсы одинарной длительности соответствуют тактовой частоте Fт=80кГц или скорости передачи информации. Преобразование выходной последовательности с генератора слова в двуполярный код «Манчестер II» осуществляется через схему приведенную на рис..

Далее полученный кодированный сигнал должен проходить через имитатор кабеля. В литературе приводится простая электрическая схема эквивалента кабеля представленная на рис.

Как видно из рисунка имитатор кабеля представляет собой каскадное соединение RC цепочки, где каждый каскад соответствует 1км реального кабеля. Понятно, что в данном случае имитатор представляет ничто иное, как фильтр.

На рис. и рис. представлены АЧХ и ФЧХ смоделированного имитатора кабеля.

Следующим шагом является подача смоделированного сигнала на имитатор кабеля.

Результаты такого процесса моделирования представлены на рис.4.6.

На представленном рисунке: верхний сигнал – это сигнал, который подаётся на имитатор кабеля, а нижний представляет собой выходной сигнал с имитатора кабеля. Очень хорошо видно, что сигнал, прошедший по кабелю сильнейшим образом исказился, т.е. в такой форме он является не пригодным для процесса декодирования. Вызвано это параметрами линии связи, которые влияют на форму сигнала.

Для ослабления влияния параметров линии связи на искажение сигнала предлагается использовать фильтр, но с обратной АЧХ. В итоге сигнал должен быть восстановлен. Фильтр с требуемой АЧХ можно сделать на базе операционного усилителя фирмы Analog Devices (AD711). Типичная схема такого фильтра (нелинейного дифференциатора) представлена на рис, а его АЧХ на рис..

Но одного такого звена схемы фильтра не достаточно большую роль играет порядок фильтра, поэтому используется каскадное соединение звеньев, приводящее соответственно к увеличению порядка фильтра и расширению динамического диапазона.

Для хороших результатов фильтрации необходимо чтобы частотная характеристика была линейной в полосе частот от 10кГц до 100кГц, т.е. в этой полосе частот коэффициент ослабления k=1. Т.е. частота среза фильтра на

уровне –3дБ должна быть не меньше 100кГц.

Это осуществляется путём подбора элементов фильтра (сопротивлений и емкостей).

На рис.4.9 представлены результаты моделирования восстановления искаженного сигнала.

Из рисунка можно увидеть, что происходит довольно точное восстановление сигнала.

Самое главное и важное, что можно отметить, это то, что не происходит изменения длительности импульсов.

Второй этап работы состоит в проверке результатов моделирования на реально существующем макете (экспериментальной установке) исследуемой системы. Для этого мной были собраны, по схемам моделирования, макетные платы:

1. Плата имитатора линии связи (кабеля)

2. Плата фильтрации.

Экспериментальные результаты прохождения сигнала через имитатор кабеля представлены на рис., а результаты восстановления на рис..

Регистрация сигналов осуществлялась с помощью цифрового осциллографа.

Если увеличить скорость передачи (тактовую частоту) информации с 80кбод до требуемой 500кбод, то результаты эксперимента практически не изменятся. Так же будет происходить качественное восстановление сигнала, но очень сильно усложниться и увеличится, по числу звеньев, схема фильтрации сигнала. Подбор параметров фильтра будет чрезвычайно сложным. Конечный результат эксперимента восстановления сигнала, при скорости передачи 500кбод, приведен на рис..

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

В данной курсовой работе рассматривался скважинный прибор для гидродинамических исследований – PLT6. Этот прибор предназначен для исследования нагнетательных и эксплуатационных скважин при контроле над  разработкой нефтяных  месторождений.

Эффективное применение интегральных микросхем, особенно аналогового типа, невозможно без знания принципов их действия и основных параметров, а также теории электронных цепей.

Особенность компьютеризованных станций в том, что они обеспечивают высокоэффективную цифровую регистрацию данных ГИС, автоматическое управление процессами измерений и спускоподъемных операций, интерпретацию получаемых данных и т.д. Полученная в результате обработки информация передается на хранение. Результирующая информация должна передаваться на более высокие иерархические уровни.

В расчетной части были рассчитаны основные параметры геофизических кабелей. Геофизический кабель предназначен для спускоподъемных операций различных глубинных приборов и является каналом связи между наземной аппаратурой и глубинным прибором, и одновременно несет механическую нагрузку. В связи с этим должен обладать достаточной гибкостью, иметь, возможно, низкое электрическое сопротивление токопроводящих жил, достаточно широкую полосу пропускания частот и т.д.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алаева Н.Н. «Автоматизация технологических процессов промысловых исследований». – Альметьевск: Альметьевский государственный нефтяной институт, 2009г.
2. Алаева Н.Н. «Телеизмерения при исследовании скважин». – Альметьевск: Альметьевский государственный нефтяной институт, 2010г.
3. Габдуллин Т.Г. «Техника и технология оперативных исследований скважин» - Казань: Плутон, 2005г.
4. Ильин В.А. Телеуправление и телеизмерение. – М.: Энергоиздат, 1982г.
5. Томус Ю.Б., Алаева Н.Н. «Автоматизация технологических процессов промысловых исследований». – Альметьевск: Альметьевский государственный нефтяной институт, 2009г.

 
                                                Приложение

PLT6