網絡化測井井下儀器主從節點的製作方法
2023-07-14 10:30:51
網絡化測井井下儀器主從節點的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種網絡化測井井下儀器主從節點，屬於石油勘探領域，包括：用於接收並下發上位機發送的控制指令並通過向各從節點發送所述控制指令來請求數據，以及建立與維護井下網絡連接的主節點；根據所述控制指令完成對測井數據的採集操作的從節點；與所述主節點及從節點相連，用於實現所述主節點與從節點的連結以及從節點間的無順序級聯的井下交換電路。本實用新型採用基於TCP/IP面向連接的乙太網協議，且網絡通信速率為10Mbps/100Mbps兩種，與傳統總線通訊方式相比，在提高通訊的可靠性的基礎上，提升了通訊速率。
【專利說明】網絡化測井井下儀器主從節點
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及石油勘探領域，特別涉及網絡化測井井下儀器主從節點。
【背景技術】
[0002]乙太網技術是一種產生較早、使用相當廣泛的區域網技術，最初是由Xerox公司研製而成，並且在1980年由DEC公司和Xerox公司的共同努力下，使之形成規範。後來，乙太網被作為802.3標準為電氣與電子工程師協會(IEEE)所採納。
[0003]乙太網技術從傳輸速率上來講，可以分為1Mbps標準乙太網、10Mbps快速乙太網及100Mbps高速乙太網。作為早期乙太網技術，1Mbps乙太網所使用的是CSMA/⑶(帶有衝突檢測的載波偵聽多路訪問)技術。隨著網絡技術的發展，傳統的標準乙太網技術已難以滿足日益增長的數據流量速度需求，1995年3月IEEE宣布了 802.3u 100Base-T快速乙太網標準。由於快速乙太網仍是基於CSMA/CD技術的，所以，當網絡負載較重時，會造成通信效率的降低，為了彌補這一缺陷，與網絡技術相配套的交換式乙太網技術應運而生。
[0004]在交換式乙太網中，交換機根據收到數據幀中的源MAC地址建立該地址同交換機埠的映射關係，並將其寫入MAC地址表中。交換機將數據幀中的目的MAC地址同已建立的MAC地址表進行比較，以決定當前數據幀經由哪個埠進行轉發。如果數據幀中的目的MAC地址不在MAC地址表中，則會以廣播幀的形式向所有埠進行轉發。交換機主要包括三方面功能:1、學習，乙太網交換機了解每一埠相連設備的MAC地址，並將地址同相應的埠映射起來存放於交換機緩存中的MAC地址表中；2、轉發/過濾，當一個數據幀的目的地址在MAC地址表中有映射時，它將被轉發到連接目的節點的埠上而非所有埠 ；3、消除迴路，當交換機包括一個冗餘迴路時，乙太網交換機通過生成樹協議避免迴路的產生，同時，允許存在後備路徑。
[0005]此外，乙太網可以採用多種連接介質，包括同軸電纜、雙絞線及光纖。其中雙絞線多用於從主機到交換機的連接；光纖則主要用於交換機間的級聯以及交換機到路由器間的點到點鏈路上；同軸電纜作為早期的主要傳輸介質，目前已經逐步被淘汰。
[0006]目前，乙太網技術的使用範圍大都局限於商業領域，這是由於在商業領域中，網絡設備所處的工作環境良好，在空間上的限制較小，溫度壓力等外部環境因素對網絡性能的影響幾乎可以忽略不計；而在工業應用中，特別在石油測井系統中，其工作環境往往十分惡劣，高溫、高壓等外部環境因素往往會對網絡通信造成毀滅性打擊，同時，由於石油測井儀器均安裝在密閉狹小的桶狀金屬腔體內部，所以，無法像普通的乙太網那樣，將所有從節點都通過雙絞線與單一一臺多埠交換機進行星型連接，以實現區域網平臺的搭建與配置。
[0007]在石油測井過程中，井下工作的各支儀器會對地層信息進行實時的採集與處理工作，這些數據從不同方面反映了當前地層所具有的特性，是指導石油勘探開發的重要信息。目前，在石油測井儀器內部，遙測短節主節點與各井下儀器從節點間實現通訊的方式仍舊採用傳統的總線通信模式，總線上從節點個數有著嚴格的限制，系統的可擴充性很低，同時，總線技術傳輸在傳輸速率及傳輸距離上能力有限，當節點間距離變大時，會導致傳輸速率的降低，更嚴重的，將會導致節點間通信的失敗。因此，總線通訊方式無論在傳輸速度、傳輸距離及傳輸可靠性上都遜色於網絡通信。
實用新型內容
[0008]有鑑於此，本實用新型的目的在於提供一種網絡化測井井下儀器主從節點，用於將乙太網絡技術用於測井儀器內部通信領域，以構建高效可靠的測井區域網。
[0009]本實用新型提供了一種網絡化測井井下儀器主從節點，包括:
[0010]用於接收並下發上位機發送的控制指令並通過向各從節點發送所述控制指令來請求數據，以及建立與維護井下網絡連接的主節點；所述主節點具體包括:用於接收上位機發送的控制指令，以及向上位機上傳採集到的測井數據及測井儀器從節點工作狀態數據的採集接口模塊，採用CY7C026A雙埠 RAM晶片；與所述採集接口模塊相連，用於根據所述控制指令主動連結、斷開相應的測井儀器從節點，並在連結狀態下完成測井數據採集的乙太網控制及主控處理模塊，採用SmartFus1n集成電路晶片；與所述乙太網控制及主控處理模塊相連，用於與測井儀器從節點間的數據傳輸的物理鏈路層接口驅動模塊，採用KSZ8041NLJ軍事溫度乙太網物理層晶片；
[0011]根據所述控制指令完成對測井數據的採集操作的從節點；所述從節點具體包括:用於實現網絡通信所必須的編碼解碼及同步的物理鏈路層接口驅動模塊，採用KSZ8041NLJ軍事溫度乙太網物理層晶片；與所述物理鏈路層接口驅動模塊相連，用於實現對主節點的操作做出正確的響應的乙太網控制及採集處理模塊，採用軍事級SmartFus1n集成電路晶片;
[0012]與所述主節點及從節點相連，用於實現所述主節點與從節點的連結以及從節點間的無順序級聯的井下交換電路；所述井下網絡交換電路具體包括:用於完成封裝轉發數據包的井下交換電路核心模塊，採用軍事溫度乙太網絡交換晶片；與所述井下交換電路核心模塊相連，用於將要發送的數據封裝為幀並發送到網絡上去；接收幀並將幀重新組合成數據，傳遞到本地井下網絡設備上的物理鏈路層接口驅動模塊，採用KSZ8041NLJ軍事溫度乙太網物理層晶片。
[0013]進一步地,所述主節點進一步包括:
[0014]用於實現網絡節點間的隔離保護作用隔離保護模塊，採用lO/lOOBase-T擴展溫度網絡變壓器100B-1001X。
[0015]進一步地,所述從節點進一步包括:
[0016]用於實現網絡節點間的隔離保護作用的隔離保護模塊，採用lO/lOOBase-T擴展溫度網絡變壓器100B-1001X。
[0017]進一步地，所述井下網絡交換電路進一步包括:
[0018]用於實現網絡節點間的隔離保護作用的隔離保護模塊，採用擴展溫度乙太網絡變壓器 100B-1001X。
[0019]本實用新型解決了井下儀器內部總線通訊距離的限制，打破了原來總線傳輸方式下，整串儀器組合測井最大長度40米的限制，將儀器間最大長度擴展為100米，極大地解決了地面調試過程中，距離對測井結果造成的影響；其次，由於採用基於TCP/IP面向連接的乙太網協議，且網絡通信速率為lOMbps/lOOMbps兩種，與傳統總線通訊方式相比，在提高通訊的可靠性的基礎上，提升了通訊速率，使得原來單只儀器大數據上傳需要化整為零，分時分次進行傳輸的問題徹底得到解決。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1為本實用新型實施例中網絡化測井儀器主節點的結構圖；
[0021]圖2為本實用新型實施例中網絡化測井儀器從節點的結構圖；
[0022]圖3為本實用新型實施例中井下網絡交換電路的結構圖。
【具體實施方式】
[0023]為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面結合附圖對本實用新型作進一步的詳細描述。
[0024]本實用新型實施例首先解決了井下儀器內部總線通訊距離的限制，打破了原來總線傳輸方式下，整串儀器組合測井最大長度40米的限制，將儀器間最大長度擴展為100米，極大地解決了地面調試過程中，距離對測井結果造成的影響；其次，由於採用基於TCP/IP面向連接的乙太網協議，且網絡通信速率為1Mbps/1OOMbpS兩種，與傳統總線通訊方式相比，在提高通訊的可靠性的基礎上，提升了通訊速率，使得原來單只儀器大數據上傳需要化整為零，分時分次進行傳輸的問題徹底得到解決。
[0025]圖1是網絡化測井儀器主節點的結構圖，主節點就整個測井區域網而言，應該算作一個中間節點，首先，對於測井地面系統計算機來說，它是一個從節點，用於接收測井地面系統計算機下發的命令包；對於井下乙太網絡而言，一方面，主節點用於輪詢調度各乙太網從節點，通過向各從節點發送命令來請求數據，從而實現數據的收集與整理工作；另一方面，主節點用於井下網絡連接的建立與維護工作，保證主節點與各從節點之間建立穩定可靠的點對點連接。主節點具體包括:
[0026]採集接口模塊，用於接收上位機發送的控制指令，以及向上位機上傳採集到的測井數據及從節點工作狀態數據。採集接口模塊採用Cypress公司生產的CY7C026A雙埠RAM晶片。上位機是測井地面系統計算機，在測井地面系統計算機上，安裝有採集軟體，可以通過乙太網口向下發送控制指令。
[0027]乙太網控制及主控處理模塊，用於根據接收到的上位機控制指令主動連結、斷開相應的測井儀器從節點，並在連結狀態下完成測井數據採集。採用Actel公司生產的SmartFus1n集成電路晶片。
[0028]物理鏈路層接口驅動模塊，用於與從節點間的數據傳輸。採用Micrel公司生產的KSZ8041NLJ軍事溫度乙太網物理層晶片。
[0029]隔離保護模塊，用於實現網絡節點間的隔離保護作用。任何CMOS工藝的集成電路晶片在工作的時候產生的信號電平總是大於OV的(取決於晶片的製程和設計需求)，將PHY輸出信號送到100米甚至更長的地方會有很大的直流分量的損失。而且如果外部網線直接和晶片相連的話，電磁感應(打雷)和靜電，很容易造成晶片的損壞。同時，設備接地方法不同，電網環境不同也會導致雙方的OV電平不一致，這樣信號從A傳到B，由於A設備的OV電平和B點的OV電平不一樣，可能會導致很大的電流從電勢高的設備流向電勢低的設備。網絡變壓器把PHY送出來的差分信號用差模耦合的線圈耦合濾波以增強信號，並且通過電磁場的轉換耦合到連接網線的另外一端。這樣不但使網線和PHY之間在沒有物理連接的情況下能夠傳遞信號，隔斷了信號中的直流分量，還可以在不同OV電平的設備中傳送數據。網絡變壓器本身就是設計為耐2KV?3KV的電壓的，也起到了防雷保護作用。這就是網絡變壓器的隔離保護作用。該模塊主要採用Pulse公司生產的lO/lOOBase-T擴展溫度網絡變壓器100B-1001X。
[0030]圖2是網絡化測井儀器從節點的結構圖，具體包括:
[0031]隔離保護模塊，用於實現網絡節點間的隔離保護作用。主要採用Pulse公司生產的10/100Base-T擴展溫度網絡變壓器100B-1001X。
[0032]物理鏈路層接口驅動模塊，用於實現網絡通信所必須的編碼解碼及同步工作。主要採用Micrel公司生產的KSZ8041NLJ軍事溫度乙太網物理層晶片。
[0033]乙太網控制及採集處理模塊，用於實現對主節點的操作做出正確的響應。主要採用Actel公司生產的軍事級SmartFus1n集成電路晶片。
[0034]當主節點下發一個採集命令，從節點通過網絡接收後，上傳通過片外AD已經採集好的片外模擬信息量，從而實現數據採集功能。片外AD使用ADI公司的AD7606，該AD晶片是一款 8 通道 AD,與下面的 SmartFus1n 晶片的 EMC (external memory controller)接口相連，從而實現對八道模擬信號進行同時採集，當Smartfus1n晶片完成模擬信號採集後，可通過EMC接口將採集到的模擬信號數字量讀出，並通過SmartFus1n晶片的網口上傳至主節點。
[0035]基於TCP/IP協議的單線程10/100BASE-T乙太網測井從節點在網絡化井下儀器中的作用有兩個:1，作為各測井儀器內部採集模塊，實現對測井數據的採集操作；2、在由一個主節點，若干從節點構成的測井區域網中，充當Server角色,作為網絡中的服務單元,根據主節點下發的控制命令執行相應的操作。
[0036]圖3是井下網絡交換電路結構圖，具體包括:
[0037]井下網絡交換電路是實現網絡化井下儀器主從節點進行溝通的橋梁。井下網絡交換電路是實現主節點與從節點儀器連結、從節點儀器間無順序級聯的重要設備。
[0038]井下交換電路核心模塊，用於完成封裝轉發數據包功能。該模塊工作在乙太網的數據鏈路層，在同一時刻可進行多個埠對之間的數據傳輸，基於MAC地址識別，能完成封裝轉發數據包功能。交換晶片可以「學習"MAC地址，並把其存放在內部地址表中，通過在數據幀的始發者和目標接收者之間建立臨時的交換路徑，使數據幀直接由源地址到達目的地址的一種核心通訊設備。該模塊採用Micrel公司生產的軍事溫度乙太網絡交換晶片，該晶片可以再-40°?+125°的溫度環境中穩定可靠地提供網絡通信所需的交換保障，此外，該晶片功耗很低，能夠滿足在密閉儀器腔體內長時間工作所帶來的熱耗散等問題。
[0039]隔離保護模塊，用於提供隔離保障。主要採用Pulse公司生產的擴展溫度乙太網絡變壓器100B-1001X。
[0040]物理鏈路層接口驅動模塊，將要發送的數據封裝為幀，並將數據發送到網絡上去；接收幀並將幀重新組合成數據，傳遞到本地網絡設備上。物理鏈路層接口驅動模塊能接收所有在網絡上傳輸的信號，但正常情況下只接受發送到本地網絡設備的幀和廣播幀，將其餘的幀丟棄；然後，傳送到本地CPU做進一步處理。當本地網絡設備發送數據時，物理鏈路層接口驅動模塊等待合適的時間將分組插入到數據流中；在接收端，接收系統會通知本地節點消息是否完整地到達，如果出現問題，將要求對方重新發送。該模塊採用Micrel公司生產的KSZ8041NLJ軍事溫度乙太網物理層晶片。
[0041]主從節點的設計使得整個系統可以實現底層協議的透傳功能，對於測井地面系統計算機而言，需要下發各支儀器的指令以實現控制，而井下乙太網絡則是面向連接的點對點架構。為了保證協議的透傳機制，測井地面系統計算機可以按照需求採用任何方式將控制信息傳到井下網絡主節點；主節點作為井下與地面的中繼，對地面下發的控制指令進行二次解碼，並下發至各支儀器，同時，主節點也承擔著井下區域網主控節點的作用，它將井下各從節點通過TCP/IP協議及交換電路組織成一個井下區域網，保證了各指令與數據的可靠到達與回傳，並在傳輸速率及傳輸可靠性上進一步得到提升。此外，主從節點結構便於進行儀器的地面調試工作，此時，由於主從節點間使用的是標準的TCP/IP協議，所以，在進行地面調試時，直接可以用測井地面計算機代替網絡化井下主節點，連接至井下區域網中，採用TCP/IP協議直接進行數據的採集與讀取，高效快捷，便於系統調試與平臺驗證。
[0042]本實用新型實施例主要用於實現各石油測井儀器內部網絡從節點與遙測短節內部網絡主節點間的高速、高可靠性網絡化通信功能。遙測短節內部網絡主節點與各石油測井儀器內部網絡從節點間，通過乙太網建立高速、可靠的通訊鏈路，主從節點間通過井下交換電路進行連接，從而形成了一個緊湊的井下測井區域網。本實用新型適用於遙測短節與各井下儀器之間測井通訊，由於是將最新的網絡通訊技術應用於石油測井行業，所以應用前景廣泛。
[0043]總之，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並非用於限定本實用新型的保護範圍。
【權利要求】
1.一種網絡化測井井下儀器主從節點，其特徵在於，包括: 用於接收並下發上位機發送的控制指令並通過向各從節點發送所述控制指令來請求數據，以及建立與維護井下網絡連接的主節點；所述主節點具體包括:用於接收上位機發送的控制指令，以及向上位機上傳採集到的測井數據及測井儀器從節點工作狀態數據的採集接口模塊，採用CY7C026A雙埠 RAM晶片；與所述採集接口模塊相連，用於根據所述控制指令主動連結、斷開相應的測井儀器從節點，並在連結狀態下完成測井數據採集的乙太網控制及主控處理模塊，採用SmartFus1n集成電路晶片；與所述乙太網控制及主控處理模塊相連，用於與測井儀器從節點間的數據傳輸的物理鏈路層接口驅動模塊，採用KSZ8041NLJ軍事溫度乙太網物理層晶片； 根據所述控制指令完成對測井數據的採集操作的從節點；所述從節點具體包括:用於實現網絡通信所必須的編碼解碼及同步的物理鏈路層接口驅動模塊，採用KSZ8041NLJ軍事溫度乙太網物理層晶片；與所述物理鏈路層接口驅動模塊相連，用於實現對主節點的操作做出正確的響應的乙太網控制及採集處理模塊，採用軍事級SmartFus1n集成電路晶片; 與所述主節點及從節點相連，用於實現所述主節點與從節點的連結以及從節點間的無順序級聯的井下交換電路；所述井下網絡交換電路具體包括:用於完成封裝轉發數據包的井下交換電路核心模塊，採用軍事溫度乙太網絡交換晶片；與所述井下交換電路核心模塊相連，用於將要發送的數據封裝為幀並發送到網絡上去；接收幀並將幀重新組合成數據，傳遞到本地井下網絡設備上的物理鏈路層接口驅動模塊，採用KSZ8041NLJ軍事溫度乙太網物理層晶片。
2.根據權利要求1所述的網絡化測井井下儀器主從節點，其特徵在於，所述主節點進一步包括: 用於實現網絡節點間的隔離保護作用隔離保護模塊，採用lO/lOOBase-T擴展溫度網絡變壓器100B-1001X。
3.根據權利要求1或2所述的網絡化測井井下儀器主從節點，其特徵在於，所述從節點進一步包括: 用於實現網絡節點間的隔離保護作用的隔離保護模塊，採用lO/lOOBase-T擴展溫度網絡變壓器100B-1001X。
4.根據權利要求3所述的網絡化測井井下儀器主從節點，其特徵在於，所述井下網絡交換電路進一步包括: 用於實現網絡節點間的隔離保護作用的隔離保護模塊，採用擴展溫度乙太網絡變壓器100B-1001X。
【文檔編號】E21B47/12GK204119258SQ201320765647
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年11月27日 優先權日:2013年11月27日
【發明者】張晗, 王煒, 武向萍, 孫欽濤, 程剛, 楊晶 申請人:中國石油天然氣集團公司, 中國石油集團測井有限公司