一種管道通信的方法
2023-05-03 15:24:11
專利名稱：一種管道通信的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用管道通信的方法。
背景技術：
在油田和天然氣田，需要將分散在一定區域內多個生產點(如抽油井或採氣井)的工況數據傳送到監控室進行監控和數據處理，目前信號傳輸大多採用無線通信方式，而無線通信的缺點是如果礦區地形複雜，會給無線傳輸通道的建造帶來很大的投資和運行上的不便。而採用架空明線、架空電纜、地下電纜、電力供電線路或通信電纜將造成更大的建造投資。
發明內容
本發明的目的是提供一種管道通信的方法，它節省投資、施工方便，能充分利用已有資源。
本發明的目的是這樣實現的，一種管道通信的方法，它由連接在通信介質一端的前端機、接在通信介質另一端的終端機組成，其方法特徵是接在前端機與終端機之間的通信介質是管道。
所述的管道兩端有埋於地下大於15米的接地點構成地線，管道的兩端和兩端的地線分別與前端機與終端機連接。
所述的前端機和終端機分別由數字埠和模擬埠組成。
前端機的數字埠與監控室的數字設備埠相連接，線路終端的機數字埠與各生產站場的通信設備口相連接；前端機和終端機的模擬埠接管道及所述的地線。
本發明中利用管道通信的方法主要是針對埋地管網的礦山和油氣田傳輸生產數據而設計的。在油田和天然氣田，需要將分散在一定區域內多個生產點(如抽油井或採氣井)的工況數據傳送到監控室進行監控和數據處理，利用各井站到集輸站的埋地管道完成生產數據的傳輸，其特點是節省投資、施工方便、根據不同的地質條件和氣候條件設計成不同的發送功率和接收信號靈敏度使通信可靠、通道整體故障率低等特點。同時，尤其在油田和天然氣田，社會環境比較複雜，利用管道通信機進行數據傳輸，可將整機埋地處理，避免了無線通信存在的設備偷盜和破壞等問題。管道通信機不但可用於油氣田，還可以應用於具有地下管網系統而地面情況複雜的城市、企業、生活小區等進行數傳通信。綜上所述，該機可視為新型的通信設備，具有良好的市場前景。
下面結合實施例附圖對本發明作進一步說明
圖1是油田的油井和計量站的分布圖。
圖2利用管道通信機進行數據通信連接管線結構示意圖。
圖3是圖2的簡化圖。
圖4是管道通信等效電路圖。
圖5是前端機與終端機電路原理圖。
具體實施例方式如圖1，在油田，油井抽油機的工作狀況監控是通過監測分析其示功圖來完成，因此，要將安裝在井場的監控遠程終端RTU採集的監控數據傳送到計量站或接轉站的計算機系統，才能進行抽油機工況分析。以計量站為例，每個計量站轄井3-15個不等，各井的產液由埋地單管道通過井口抽油機產生的壓力輸送到計量站計量和轉輸處理，井和計量站的分布。
如圖2所示，它是在抽油機數據採集監控系統中，利用管道通信機進行數據通信安裝接線示意圖。
利用單管道進行數據傳輸，其基本設計思想是用管道和大地作為通信介質來傳輸信號。管道通信線路前端機和終端機均有兩個埠D口(數字口)和A口(模擬口)，線路前端機的D口接SCADA系統或DCS系統的計算機數據埠，A口接管道前端和大地，即A口的一端接在管道上，另一端接在距管道埋地點大於30米的接地極上；線路終端機的D口接現場RTU的數字埠，A口接管道和大地，即A口的一端接管道末端，另一端接距管道埋地點大於30米的接地極上，前端機和終端機A口的接地極接地電阻要求小於3Ω。
現將圖2簡化為圖3，闡述其通信原理。監控室計算機或現場RTU發送信號時，線路端機將D口切換為輸入端，A口切換為輸出端，數位訊號經處理調製成載頻信號，自A口發送到管線和接地極上，A口的負載電阻是埋地管線和接地極間的地電阻，由於管道埋地，其接地電阻是很小的，A口發送出的電流被埋地管道吸收，電流密度在管道的發送端最大。假設在管道埋地的地域內地電阻是均勻的，則管道上的電流密度在管道的長度方向上按一定的梯度下降，那麼在管道末端線路終端機的A口上有一個微小的信號壓降，這個信號壓降經線路終端機濾波放大解調整形後，從數字埠D輸出，完成了數位訊號的傳輸。這種傳輸和接收是雙向的，受數字設備的埠協儀控制。在線路端機的設計時，不分前端機和終端機，前端機和終端機只是安裝位置上的區分，功能上是相同和對稱的，同一個線路端機即可安裝在線路前端又可安裝在線路終端，信號的發送和接收是雙向的。當現場監測點是多點時(如多個油井的信號採集和監控)，用RS-485協議可完成多個站場的數據採集和監控。
如圖4，管道通信機的關鍵設計思想是利用埋地管道和大地作為通信介質，這是突破常規的一種思想。按照常規工程設計思想，管道埋地，接地極也埋地，工程上認為兩者之間是短路的。但是，對其作一理論分析，兩者之間存在著一微小的阻抗，其集中參數等效電路如圖4。圖中L是把管道看作明線時的電感，C是管道與地之間的電容，R是管道與接地極之間的電阻。三個參數中L比明線時小，C隨著管道的粗細而定，一般地講均比架空明線大。如果合理地選擇傳輸系統的載波頻率，則L和C可忽略不計，起決定作用的參數是R。R是接地極的接地電阻R1和管道的接地電阻RG的串聯，即R＝RJ+RG管道的接地電阻RG在數值上等於從管道埋地端開始與接地極間單位長度上的接地電導沿管道長度1方向上積分的倒數，即RG＝1/∫ρ』(x)dx式中ρ(x)是一個非常複雜的函數，與土壤性質、天氣、管道直徑及長度、地下管網結構、管道是否防腐處理、以及施工質量等因素都有關係，經粗略估算R的值是很小的，因此當在管道前端與接地極間發送一個一定功率的信號時，在管道末端信號電平是相當小的。經試驗，對於DN60的無縫鋼管，在甘肅黃土高塬地區管道無防腐處理深一米，管道長度為2公裡時管道前端信號為1瓦時，管道末端能獲得大約2mV的信號，這一信號強度已用音頻設備得到測試。
圖5是前端機與終端機電路原理圖，前端機與終端機均包括限幅放大電路、濾波電路、選頻放大電路、自動增益控制電路、解調電路、整形放大電路、模擬量電子開關、數字量電子開關、功率放大器、調製電路、載頻發生電路、收發控制電路組成，模擬量電子開關輸入端一方面經管道和大地接收管道送來的信息，另一方面向管道發送經功率放大器放大的調製信號，調製信號由載頻發生電路、整形放大電路控制，接收與發送由收發控制電路控制，從管道上接收的信息經限幅放大電路、濾波電路、選頻放大電路、自動增益控制電路、解調電路、整形放大電路分別處理後，送入數字量電子開關輸入端，數字電子開關接收外部控制裝置的命令或信息，將外部控制裝置的命令或信息通過整形放大電路整形後分兩路，一路控制收發控制電路打開模擬電子開關用於向管道發送數位訊號，另一路由調製電路、載頻發生電路、功率放大器處理通過模擬電子開關向管道發送命令和信息。
在油田抽油井數據採集監控系統中，地下管道是連接在一起的，管網相當龐大，因此接地電阻比單管情況更小，這就需要抬高發送數據時的發送功率。對於特定的管網系統，使用地下管道和地作為通信介質時，要進行現場測試，以確定端機的發送功率。
權利要求
1.一種管道通信的方法，它由連接在通信介質一端的前端機、接在通信介質另一端的終端機組成，其方法特徵是接在前端機與終端機之間的通信介質是管道。
2.根據權利要求1所述的一種管道通信的方法，其方法特徵是所述的管道兩端有埋於地下大於15米以下的接地點構成地線，管道的兩端和兩端的地線分別與前端機與終端機連接。
3.根據權利要求1所述的一種管道通信的方法，其方法特徵是所述的前端機和終端機分別由數字埠和模擬埠組成。
4.根據權利要求1所述的一種管道通信的方法，其方法特徵是前端機的數字埠與監控室的數字設備埠相連接，線路終端的機數字埠與各生產站場的通信設備口相連接；前端機和終端機的模擬埠接管道及所述的地線。
5.根據權利要求1所述的一種管道通信的方法，其方法特徵是前端機與終端機均包括限幅放大電路、濾波電路、選頻放大電路、自動增益控制電路、解調電路、整形放大電路、模擬量電子開關、數字量電子開關、功率放大器、調製電路、載頻發生電路、收發控制電路組成，模擬量電子開關輸入端一方面經管道和大地接收管道送來的信息，另一方面向管道發送經功率放大器放大的調製信號，調製信號由載頻發生電路、整形放大電路控制，接收與發送由收發控制電路控制，從管道上接收的信息經限幅放大電路、濾波電路、選頻放大電路、自動增益控制電路、解調電路、整形放大電路分別處理後，送入數字量電子開關輸入端，數字電子開關接收外部控制裝置的命令或信息，將外部控制裝置的命令或信息通過整形放大電路整形後分兩路，一路控制收發控制電路打開模擬電子開關用於向管道發送數位訊號，另一路由調製電路、載頻發生電路、功率放大器處理通過模擬電子開關向管道發送命令和信息。
6.根據權利要求1所述的一種管道通信的方法，其方法特徵是前端機和終端機A口的接地極接地電阻要求小於3Ω。
7.根據權利要求1所述的一種管道通信的方法，其方法特徵是管道通信線路前端機和終端機均有兩個埠D口(數字口)和A口(模擬口)，線路前端機的D口接SCADA系統或DCS系統的計算機數據埠，線路終端機的D口接現場RTU的數字埠。
全文摘要
本發明涉及一種利用管道通信的方法。它由連接在通信介質一端的前端機、接在通信介質另一端的終端機組成，其方法特徵是接在前端機與終端機之間的通信介質是管道。所述的管道兩端有埋於地下大於15米的接地點構成地線，管道的兩端和兩端的地線分別與前端機與終端機連接。所述的前端機和終端機分別由數字埠和模擬埠組成。前端機的數字埠與監控室的數字設備埠相連接，線路終端的機數字埠與各生產站場的通信設備口相連接；前端機和終端機的模擬埠接管道及所述的地線。
文檔編號H04B3/50GK1592138SQ0313455
公開日2005年3月9日 申請日期2003年8月28日 優先權日2003年8月28日
發明者常益民 申請人:西安長慶科技工程有限責任公司