5700测井系统的WTS通讯系统原理分析

ECLIPS5700测井系统的WTS通讯系统原理分析1引言：随着现代科学的发展、技术的进步、思维观念的变化，原有落后的信号传输方式已不能适应测井生产的需要。一方面测井电缆要求能承重，有强度、结构简洁并能抗高温、高压，这使得测井电缆缆芯电阻（25/KM）和分布电容（0.1Uf/Km）、分布电感（2uh/KM，信号频率为MHz）大，作为信息传输媒介，其特性极差且频率越高其衰减、失真越大。另一方面沙漠、海洋平台测井的要求、以及现代测井技术的发展尤其是成像测井仪的发展,使测井获得的地层信息量越来越多，上传得数据量也越来越大，这就要求必须提高传输速率，于是具有高速传输效果的遥测通讯系统应运而生，其机制就是选择合理的传输模式并对信号进行编码调制。各大测井仪器公司都发展了自己遥测传输编码技术。传输方式大致相同，编码方式有所区别，其中以斯伦贝谢CSU使用的双相位码和贝克休斯ECLIPS5700使用的曼彻斯特码为主流。这两种编码除了能有效提高传输速度外,它对运放相对带宽要求低、误码率低、维护方便。我公司当前使用就是贝克休斯ECLIPS5700,它采用的是WTS遥测通讯系统。本文着重介绍5700的WTS通讯系统的工作原理，并结合实际，举例说明它在实际工作中的理论指导作用。25700的WTS通讯系统的组成和概述21 5700的介绍ECLIPS5700测井系统（简称“5700”）是美国BakerHughes（贝克休斯）公司于20世纪90年代推出的测井系统，是CLS-3700的换代产品，在其后几年又经过不断发展和更新，是当今世界最先进的测井设备之一。5700地面系统由运载设备、绞车动力系统、电力系统、车载地面处理系统和测井辅助系统构成，其中车载地面处理系统配有两个2021VAC交流供电面板、2010VDC直流供电面板、5756LCP接线控制面板、5750DAPS数字信号采集处理面板、示波器、5711信号模拟面板、UPS不间断电源，及两台绘图仪和两台HP工作站组成（见图 0 各面板信号连线图，及5750DAPS内部结构图）。井下仪不但有常规项目，还配有微电阻率成像仪、超声波成像仪、核磁共振、交叉偶极子等特种仪器，同时具有开发、射孔功能，并兼容所有3700井下仪，组合能力极强。5700的WTS通讯系统则是这种超强组合能力的灵魂。WTS是“Wireline Telemetry Systems”（电缆遥测系统）的英文字母缩写，最快传送速率为230KB（千比特），即每秒传送230 ,000个二进制代码，能很好地完成5700测井时大数据量的传输任务，是当今世界速度最快的测井通讯系统之一，也是5700成为最先进的测井设备之一的一个重要原因。5700WTS通讯就是指地面与井下仪之间的通讯，其中井下仪器负责井下仪器的通讯部分：接收命令、采集数据，数据的初步处理和向地面发送数据；地面系统负责地面通讯部分，向井下仪发送命令，接收井下仪的数据信号，由计算处理记录测井数据并形成曲线和成像图。测井电缆则作为地面与井下仪之间的通讯的传输媒介，并承受仪器重力及仪器井下运行中所遇拉力。通讯结构如图1，原理框图如图2。 图1 WTS通讯框图在 图2中，虚线的左下方为井下仪串，由3514遥测仪和N支WTS井下仪串联而成；虚线的右上方为5756接线控制面板和5750中的电缆信号处理板组成。命令用M2下传，而数据有3种：M2数据、M5数据、M7数据。地面通讯部分和井下仪通讯部分之间是电缆，如图2 WTS通讯原理框图图2中的粗黑线。在后面我们对分别M2、M5、M7通讯模式和信号的编码调制作重点介绍。22 5700通信模式的选择及原理说明前面提到5700能测常规项目，又能测微电阻率成像仪、超声波成像仪、核磁共振、交叉偶极子等特种项目，既能兼容挂接CLS3700所有仪器，又能射孔、取芯。那么5700是如何完成的呢？是如何完成不同规格、不同信号流程控制对不同需求的缆芯进行正确分配控制的呢？这所有功能都由5756LCP执行完成。5756LCP受控于5750DAPS，其强大功能由开关组、继电器组、继电器位置传感器构成，贝克休斯研发人员将5700所能承担各种工作系列分成24类，将继电器（和开关）所能完成的任务按功能分成21个阶（LEVEL），每阶由不同的数量的继电器组组成，以这24类作为继电器功能索引，分别按具体工作需要来置位21阶（LEVEL）中的各组继电器。最后5756LCP内部继电器位置传感器又将继电器位置信息通过RS485总线反馈给5750DAPS与OCT进行对比，若一致则进行下步工作，否则显示错误信息并显示正确开关位置。同时5756LCP内部设置的电压、电流传感器能实时监测各继电器组端点电压及电流情况，在继电器端点有大电压、大电流状态5756LCP能自动识别并阻止错误的继电器开合动作指令，防止继电器端头烧坏，造成不必要的损失。本文主要讲述WTS通讯工作方式，那么以该功能为索引（见附录1：功能索引定义），查知WTS工作方式为10，通过功能索引表（见附录2）可查出索引10所在行的21阶继电器组中各继电器的状态（见附录3：阶继电器定义）。继电器功能可查寻阶功能定义表（见附录3：阶的定义）。按此方式继电器置位5756LCP，然后通过电缆与3514连接最终就形成图3所示的WTS通讯接线方式，既：M2、M5、M7的通讯模式，该模式电缆横切面的缆芯示意图（见图4）。图3 WTS通讯的电缆的缆芯分配示意图图4 WTS通讯中电缆横切面的缆芯示意图那么什么是M2、M5、M7？什么是模式？这种模式是否有效是否可行呢？简单说就是用于信号传输中缆芯的组合方式就是模式。7芯电缆有很多组合方式（见图：8），5700则使用M2，M5，M7作为传输方式，但为什么选这几种？从图4知，根据7根缆芯在电缆横切面中的排列结构，2、5缆芯和3、6缆芯对称排列，使得2、5和3、6芯在传输M2命令和M2数据时对其它缆芯的影响较小。而M5数据使用2、5芯中心抽头和3、6芯中心抽头，M2数据和M5数据同时工作时，两者的相互干扰从理论分析为零以2、5芯为例，先分析M2数据对M5数据的影响。在某一时刻，M2数据的电压如图5。图5 M2数据对M5数据的影响示意图由于变压器的中心抽头两侧的电压相等，并且不考虑电缆的电阻，则可得等式： U1=U2=U3=U4则： Uab =U1-U3 =0从而可知，M2数据传输时，2、5芯对M5数据的影响为零，同理，可知3、6芯对M5数据的影响为零。因而得出，M2数据对M5数据的影响为零。再以2，5芯为例，分析M5数据对M2数据的影响，如图6。图6 M5数据对M2数据的影响示意图从图6可知，由于变压器的中心抽头的对称性，从M5变压器流到2，5芯的电流相等。观察T1变压器的左边绕组，该绕组的上半部和下半部的电流大小相等（为I），而方向相反，则感应到T1变压器右边绕组的电压大小相等，但极性相反，故等效电压为零。同理，M5信号的电流感应到T2变压器左边绕组的电压等效也为零。对3，6芯的分析和2，5芯相同。这样可知，M5数据对M2数据的影响也是为零。那么实际效果如何呢？通过实验得出的电缆信号衰减-频率图（图7）以及电缆传输模式电缆使用分配图（图8）可以发现电缆效率最高且信号衰减最小的是M5，M6，M7。从图8知，在5756和3514中，M2命令和M2数据都共用一个变压器，都占用电缆中的2、3、5、6芯。而M5数据占用2、5芯变压器的中心抽头和3、6芯变压器的中心抽头，即将2，5缆芯等效为一根缆芯，将3，6缆芯等效为一根缆芯。而M7占用M5的变压器的中心抽头和电缆的7芯，即将2、3、5、6芯等效为一根缆芯。M2效果虽说不好，但M5、M7可以充分利用其缆芯，M6传输信号效果虽好，但缆芯占用最多，而且仪器电源线很不好安排。其综合效果反不如使用M2、M5、M7。运用上述分析方法可知：M5数据和M7数据的相互影响为零；M2数据和M7数据的相互影响为零。有了信号传输模式，那么下面就是信号的具体编码调制方式了。图7 电缆信号衰减-频率图图 8 电缆传输模式电缆使用分配图23 5700WTS的编码方式及其优点5700WTS遥测系统调制编码方式采用曼切斯特码。在一个位的时间中央，电压从高变低为代码1，而电压从低变高为代码0。命令同步和数据同步都占3位的时间宽度，都在第2位的时间中央有变化，电压从低变高为代码0，而电压从高变低为代码1。其格式如图9： 图9 曼切斯特码格式示意图WTS的M2通讯分为M2命令和M2数据，其M2命令传输速度为20.83KB，而M2数据为41.66KB。它们的编码格式是每个字为20位，其中前3位为同步信号，而后的16位是数据位，最后第20位是奇偶校验位。M2命令和M2数据的曼切斯特码如图10和图11。 图10 M2命令的曼切斯特码格式 图11 M2数据的曼切斯特码格式 而在电缆上传输的信号是AMI曼切斯特码。 AMI曼切斯特码相当于将曼切斯特码进行一次“微分”，即在曼切斯特码的上升沿处为正脉冲，而在下降沿处为负脉冲，该正、负脉冲被处理为圆润的“正弦波”形状，如图12。图12 AMI曼切斯特码的波形示意图AMI曼切斯特码有两个优点。首先，AMI曼切斯特码的电压不全在高值状态，故较曼切斯特码的功率小。其次，由于测井电缆是几千米长，缆芯存在明显的分布电容和分布电感，使得电缆在传输交流信号时，信号的频率越高，则衰减越大。如果直接将曼切斯特码在电缆上传输，由于曼切斯特码的方波信号的高频谐波成分较大，故信号畸变很大，这样信号在接收电路中被恢复整形时容易出错，从而造成解码错误，即本来为“1”的信号解码出来为“0”，而应为“0”的信号解码为“1”，使得数据的误码较高。而AMI曼切斯特码的波形接近正弦波，这样使得信号中的高频谐波成分较曼切斯特码大大减少，因而信号的畸变较小，所以误码率较曼切斯特码低，这是AMI曼切斯特码的第二个优点。M5数据和M7数据的传输速度都为93.75KB，是M2数据的传输速度的2倍。按用途而言，M5数据和M7数据用于传输数据量很大的信息，如微电阻率成像，超声波成像，自然伽玛能谱等，这些测井信息的数据量非常大，一次要传输上千乃至上万个二进制代码。而M2数据传输的是数据量小的信息，如温度，电压值，中子的长短道计数率等。M5数据和M7数据的曼切斯特码格式为如下：8个0 + 3个数据同步位 + 16位数据 + + 16位数据M5数据和M7数据的曼切斯特码的波形如图13。 图13 M5数据（M7数据）的曼切斯特码的波形示意图和M2命令，M2数据的AMI曼切斯特码一样，M5数据和M7数据的AMI曼切斯特码也是该曼切斯特码的“微分”，其波形如图6。根据以上的分析和仪器的实际设计，M2数据，M5数据，M7数据可以同时传输而互相不影响，这样WTS的数据传输速度为：41+93+93230 KB。具体数据在时间轴的传播示意图参见图14。编码信号通过M2、M5、M7经5756LCP进入5750DAPS。24 地面系统信号处理面板解码原理5750DAPS（WTS通讯中电缆横切面的缆芯示意图）是信号处理的核心，信号分配板SDB板（Signal Distribution Board）和WSP板（WIRELINE SIGNAL PROCESSOR）则是核心的核心，信号分配板SDB是WSP和LCP（LINE CONTROL PANEL）进行通讯硬件接口，功图14 时间轴的传播示意图能多、可软件设置。由输入、输出多路选通、增益放大、滤波器、衰减器、阻抗匹配网络组成，受控于MVME162板（RAP），主要功能用于信号放大，整形、滤波，使之符合WSP板的电平需要，同时一部分型号输出至示波器及示波器Z轴信号。WSP板是曼彻斯特编解码的核心，它由2个WSP板四个DSP（DIGITAL ACQUISITION SYSTEM）通道组成，每个DSP通道有自己的I/O口以及512Kbit（128K*32）数据RAM，和192Kbit（32K*48）程序RAM，无论是数据RAM 或是程序RAM 都是零等待状态RAM，能充分发挥利用ADSP21020改进了的哈佛结构。在软件的支持下可以处理各种电缆信号如：脉冲、直流电平，3506遥传信号，曼彻斯特遥传信号。一般来说输出直接来自计算机信号几乎没有失真，处理相对简单。而输入信号来自DSB板，虽然信号经DSB板处理过，但信号本身经电缆后发生的畸变，相位沿迟及拖曳和死时影响是通过放大、滤波、衰减不可能完全纠正的，DSP板强大功能就在于通过软件予置的算法来分辨处理解调出计算机所能识别、利用的二进制码，一般有四个步骤：1、 死时监测命令信号幅度高其尾部易产生拖尾（既信号铃振）可能对上传数据产生影响，DSP在SEND命令发出后就监视此信号，并待其消失后才开始监测采集上传数据，若有信号大于0.2伏，DSP从此信号的前30个采样点开始同步监测。2、 同步监测DSP依次对240个采样点进行相关滤波，一次20个采样点。若发现采样信号大于根据TRAINING得出的门槛值，DSP则在下两个数据单元搜寻反转点，如果该反转点符合曼彻斯特准则，就将此值当作同步并进行下步工作，否则对后续的240个采样点进行监测。3、 位解码同步监测出后DSP根据TRAINING得出的GAP值+同步值，然后在数据单元内对曼彻斯特进行相关滤波：T=-（2）-（3）-（4）+（7）+（8）+（9）负为1，0或正为0例：判断右图位二进制置值T=-(0.75)-(0.9)-(1.0)+(-0.5)+(-0.75)+ (-0.9) =-4.80此BIT位的二进制值为14、 奇偶效验奇偶校验位与16位数据之和为奇数，则认为数据有效，否则视为无效数据。5、 变化监测若信号在数据单元的25%-75%时域内无变化则认为解码出错，数据无效，重新在来。3井下仪的WTS通讯部分31 井下仪的总线通讯方式的介绍井下仪的WTS通讯和地面的WTS通讯是相似的。既地面发送M2命令到井下仪并接收井下仪的M2数据，M5数据，M7数据；井下仪接收地面的M2命令，发送M2数据，M5数据，M7数据到地面。地面向井下仪发送的命令是针对具体的某一支井下仪，即该命令只能对该支井下仪起作用，而对其它的井下仪不起作用。于是，在M2命令字的16个数据位中，将高8位设计为仪器的地址位，即该8位二进制代码表示一种WTS井下仪的地址。每种WTS井下仪都有一个唯一的地址，不同WTS井下仪的地址相互不一样。 井下仪的WTS通讯部分由3514的通讯和WTS井下仪通讯构成，如图15和图16。图15 3514的通讯结构示意图从图15和图16可知，地面来的M2命令经过整形电路后有两个输出。一个输出是M2 UDI信号，输送到3514的编译码器进行译码，译码后送到单片机（“单片型计算机”的简称）。另一个输出送到驱动电路，再经变压器传到仪器下端的27，28芯，再经27，28芯传给3514下面所有WTS井下仪的通讯接口。从上可知，地面下发的每一个M2命令经3514整形后，都被3514和其它所有的WTS井下仪接收。但是，每支仪器接收后，仪器中的单片机都要检测命令中的8位地址码与本仪器的地址是否一致。如果一致，则执行后8位的命令内容；如果图16 WTS井下仪的通讯接口示意图不一致，则对该命令不做响应，而是等待下一个新命令。从图15和图16知，3514的M2数据通道的M2数据有两个来源。一个是3514产生的M2数据，由3514的编译码器编码产生；另一个是由3514下面的WTS井下仪经M2数据总线送到3514下端的29，30芯，再经变压器和整形电路，也到达驱动器。最后，M2数据都经变压器由2#、3#、5#、6#缆芯送到地面。但具体到每一时刻，只有一支仪器的M2数据在传输，例如3514的M2数据在传输时，其它所有WTS井下仪的M2数据就不传输。在图15中有个控制器，它的作用是防止M2数据对M2命令的干扰。当传输M2数据时，由于2、5和3、6缆芯相连的变压器是同芯的，则M2数据信号能从M2数据的“驱动”输出端感应到M2命令的“整形”输入端，M2数据信号会被M2命令的“整形”电路处理，但由于控制器对M2命令的“整形”的控制，M2命令的“整形”没有输出，即 M2 UDI和27、28芯上都没信号。因此，由于控制器的作用， M2数据传输时不会对M2命令造成干扰。M5数据和M7数据只能由3514下面的WTS井下仪提供，3514没有M5和M7数据。WTS井下仪的M5数据和M7数据分别经M5数据总线M7数据总线到达3514下端，再经整形和驱动到变压器，其中M5数据由25和26缆芯传到地面，而M7数据由2356和7缆芯传到地面。41 WTS通讯原理对实际维修工作的指导41 1329伽玛能谱仪的M2数据正常而M5数据失败的维修实例在2001年57小队反映一只3514XBM2工作正常，M5工作不正常，换另外一只后一切正常，据此分析说明该3514M5通讯存在问题。该仪器返回仪修后，通电测试后M5数据已经上传但测试系统却显示没采集到数据，根据3514仪器原理可知：M2命令通过2#，5#下传，数据通过3#，6#上传，但由于所用变压器T1，T2是同一变压器，通过互感是说M2的命令也能通过3#，6#下传到仪器，同样仪器数据也能通过2#，5#上传到地面系统，（这也就说明3514XB仍属半双工通讯方式，）但M5则通过2#，5#和3#，6#变压器中心抽头形成幻像工作方式，若2#，3#，5#，6#中任何一根缆芯不通，此幻像工作方式不成立，也就是说M5通讯就有可能工作不正常，经测量分析发现航空插头中2#断开，重新焊接后M5通讯正常。42 5721测试系统对1515感应仪测试时接受不到1515感应仪的数据的维修实例一次在工房用5721测试系统（与5756和5750构成的WTS系统功能类似专用于5700井下仪器测试检修用）检修1515HDIL阵列感应时发现系统显示通讯失败（而1515HDIL仪器先前工作正常本次测试属正常检修）用示波器测量27#，28#两端发现测试系统没有发出采集命令，但用系统测试1329XB数字伽玛信号一切正常由此可知测试系统信号的硬件通道正常，测试1515HDIL失败的唯一解释就是测试软件存在问题，经查阅资料发现由于重装WINDOWS系统时config.sys设置发生改变少了一条接口板设置语句，而该语句有恰与1515HDIL有关，重新设置config.sys后一切工作正常。5结束语本文对5700WTS通讯原理作了说明，叙述了工作原理，在具体的工作中感到虽然WTS也有故障发生 但相比3700的3506PCM而言，还是稳定可靠，通讯误码率大大降低，并且由于通讯的模块化设计给维修工作带来了方便。6参考文献：1、Integrated Maintance Training Volume 3 Odessa Training Center2、3514 WTS Common Remote Operations/Maintenance Manual Baker Atlas3、地球物理测井仪器 石油工业出版社 胡澍图 0图附录1 索引定义0 Reset All Relays to Position 01 Modal-ZDL2 Modal-ZDL-3506 (*)3 Modal-ZDL-M24 Modal-3506-3508-M2 (*)5 Modal-3506 (*)6 Modal-3506-M2 (*)7 Modal-3506-M2-35168 3508-1016/10199 Modal-3508-3506 (*)10 WTS11 WTS-351612 WTS-3516-DLL13 MLR14 MRIL15 RCI OR RCOR16 Analog-3506 (*)17 Analog18 1 Conductor PCM(3504)19 1 Conductor Analog 20 Single Conductor PCM21 Single Conductor Analog22 Single Conductor CCL-PFC-PREF23 Multi CCL-PFC-PREF-CORE24 NSC-FMT注：(*)说明此索引不设置LEVEL 11 （泥浆地/井下地MUD GROUND/DOWNHOLE GROUND）而有用户根据以上设置来设定。附录2 功能索引表索引1234567891011121314151617181920210XXXXXXXXX0000000000001312112XXX0010010000002312112XXX1X10010000003312112XXX2010010000004312112XXX3X10010000005312112XXX3X10010000006312112XXX3X10010000007312112XXX3010010000008312112XXX0010000000009312112XXX4X100100000010312112XXX40100000000011312112XXX4010000000012312112XXX40100000100013312112XXX50200000000014312112XXX40100000010015312112XXX40150000000016312212XXX7X100000000017312212XXX60100000000018312312XXX80000000010019311312XXX000000000100204X2X12XXX80000000010021412X12XXX000000000100224X2XXXXXX000000000000233X25XXXXX00000000000024422533XXX000000000000附录3 阶继电器的定义LEVEL DEFINITIONSlevel 1INPUT1=TEST2=PATCH3=MULT14=SNGLLevel 2LOG/PREF1=LOG2=PERFLevel3MOTORING1=HV AC2=STD3=HV DCLevel 4SERVICE1=MODAL2=ANALOG3=IC SVC4=NSC5=COR/PERFLevel 5PERF1=CCL2=PFC3=PERF4=PERF/EBWLevel 6PERF PWR1=REV+2=OFF3=NORMLevel 70=Program Plug Installed1=Program Plug Not InstalledLevel 8Not UsedLevel 9Not UsedLevel 100=Reset Modal/ZDL1=M2/35062=M23=Modal/3506/3508/M24=WTS5=MLR6=ANALOG7=ANALOG8=3504Level 110=Mud Ground1=Downhole GroundLevel 120=Motor OFF1=Tool Power On2=MLR Toll PowerLevel 130=Motor OFF1=PCM DC Motoe2=PCM AC Motor3=Not Used4=Analog Motor5=MRIL MotorLevel 140=+DC1=-DCLevel 150=Standar Log-Zero-Cal1=Modal Log-Zero-CalLevel 160=OFF1=Log2=Zero3=Cal4=Acoustic Gain Increase5=Acoustic Gain IncreaseLevel 170=OFF1=T5-2=T5+Level 180=DC Float1=DC GroundLevel 190=1C Severice DC OFF1=1C Severice DC ONLevel 200=OFF1=MRIL-DC-GND REFLevel 21