U ovom radu je prikazana implementacija i algoritam za komunikaciju između telemetrijske sonde i senzora u bušotinskim mernim instrumentima. Ta komunikacija se odvija po SIPLOS-ovom protokolu (Simultaneous Production Logging String) i koristi se u kompaniji Hotwell [1] kao deo većeg sistema za ispitivanje bušotina. Detaljnije će biti prikazana komunikacija između telemetrijske sonde i površinske jedinice sa sondom za merenje prečnika i brzine protoka fluida u zacevljenim bušotinama (Calliper-Fullbore Flowmeter – CFF).
Uvod
Digitalni sistem za ispitivanje bušotina SIPLOS sastoji se od: površinske jedinice, telemetrijske sonde i drugih međusobno povezanih sondi. Telemetrijska sonda se nalazi na vrhu povezanih sondi i obavlja merenje šest parametara kao i slanje sinhronizacionih bita za ostale sonde. Na dnu telemetrijske sonde nalazi se konektor (sa linijskim naponom sprovedenim sa površinske jedinice) na koji se priključuju ostale sonde.
CFF sonda sadrži u istom kućištu merač prečnika cevi (calliper) u dve ose (X-Y) i merač protoka fluida (flowmeter). Prečnik cevi se meri u opsegu 21/2”–7” na principu promene koeficijenta magnetne sprege namotaja transformatora. Mehaničkom spregom X i Y krakova merača prečnika cevi sa induktivnim senzorima obezbeđena je linearna zavisnost dužine prečnika cevi sa promenom koeficijenta magnetne sprege. Merač protoka fluida u cevi obavlja merenje brzine protoka fluida u oba smera, merenjem brzine i smera okretanja impelera [2]. Konstrukcija CFF–a je takva da je omogućeno nezavisno pomeranje X i Y krakova merača prečnika, kao i da se impeler okreće nezavisno od položaja X i Y krakova. Na Slici 1. prikazana je skica telemetrijske i CFF sonde.
Slika 1.Telemetrijska i CFF sonda
Cilj ovog projekta je da se obezbedi pouzdana i efikasna komunikacija CFF sonde kako sa telemetrijskom sondom, tako i sa površinskom jedinicom u veoma teškim uslovima merenja u bušotini. Osnovni problem je velika i promenljiva temperatura (do 180 ºC) fluida u bušotini, koja prouzrokuje značajan pad frekvencije takta u mikrokontroleru, kao i promene karakteristika pojedinih poluprovodničkih elemenata.
Obrada podataka sa senzora CFF sonde
Pozicija krakova merača prečnika cevi je određena položajem metalne šipke unutar transformatorskog jezgra kog čine dva spregnuta namotaja. Promenom prečnika cevi pomera se metalna šipka unutar transformatorskog jezgra, što ima za posledicu promenu koeficijenta magnetne sprege između namotaja primara i sekundara transformatora. Na primar transformatora se dovodi naponski impuls fiksne amplitude, a koeficijent magnetne sprege određuje amplitudu signala na sekundaru transformatora. Ta vrednost signala je proporcionalna prečniku cevi. Mikrokontroler PIC 16F876 kontroliše: vreme pobuđivanja primara transformatora, period odabiranja signala na sekundaru transformatora i digitalizaciju odmeraka A/D konvertorom, što se vidi na slici 2. Nakon pobuđivanja primara, napon na sekundaru naglo skoči, a zatim opada sa određenom brzinom koja zavisi od koeficijenta magnetne sprege transformatora. Ako se opadajući deo signala precizno odabire u njegovom linearnom delu, amplituda odbiraka će biti linearno proporcionalna poziciji metalne šipke. Vrednosti odbiraka se šalju na komunikacioni uređaj CFF-a preko standardnog serijskog RS232 porta (1 start bit, 8 bita podataka i 1 stop bit) brzinom 115,2 Kbauda.
Slika 2. Blok dijagram senzorskog dela merača prečnika cevi
Merač protoka fluida u senzorskom delu se sastoji od pet fiksiranih Holovih senzora i magneta koji se okreće, što je prikazano na slici 3. Oba pola magneta utiču na Holove senzore i uzrokuju 10 impulsa po jednom obrtaju impelera. Brzina obrtanja impelera, a samim tim i brzina protoka fluida se određuje na osnovu broja impulsa sa Holovih senzora, dok se smer obrtanja impelera određuje na osnovu rasporeda Holovih senzora u kućištu. Sa senzorskog dela merača protoka fluida šalju se signali brzine i smera protoka fluida, preko mikrokontrolera PIC 16F876 na komunikacioni uređaj CFF-a.
Slika 3. Blok dijagram senzorskog dela merača protoka fluida
Sve sonde koje su međusobno povezane šalju pakete obrađenih podataka sa senzora svakih 200 ms. Prvi deo bloka od 200 ms čini pauza koja traje 16.667 ms (50ms/3) i za to vreme nema promene na komunikacionom signalu (LINE), videti slika 9. Drugi deo bloka, koji traje 183.333 ms (550ms/3) čine podaci koji se šalju na LINE u obliku negativnih impulsa.
Podaci se šalju u blokovima osmobitnih reči, a u svakom paketu podataka ima 20 reči (slika 4). Osmobitna reč koja traje 9.167 ms (55ms/6) sastoji se od start bita, 8 bita podataka i 2 stop bita. Svaki bit traje 833.333 μs (5ms/6). Ceo paket, od 200 ms koji ima 240 bita, podeljen je na pauzu od 20 bita i 20 reči podataka koji traju 220 bita (slika 5).
Slika 4. Paket podataka koji se šalje sa sondi
Slika 5. Jedna reč podataka
Start biti kao i biti podataka (DATA) su prikazani na LINE kao negativni impulsi. Svaki od njih počinje sa sinhronizacionim impulsom SYNC, koji traje 52,083 μs (5ms/96). Na slikama 6. i 7. je prikazan izgled jednog bita signala podataka za vrednost logičke 1 i 0. STOP biti se predstavljaju kao pauza koja traje 2*833.333 μs i tokom tog vremena nema impulsa na LINE. Prvi bit podataka nakon START bita je LSB, dok je osmi bit MSB.
Slika 6. DATA bit=1
Slika 7. DATA bit=0
Telemetrijska sonda sadrži u sebi senzore za merenje: unutrašnje temperature (T-un), CCL-a, spoljašnje temperature (T-sp), pritiska (P), parametara fluida (PF) i gama zračenja (GZ). Na slici 8. je prikazan raspored, veličina i pozicija u stringu podataka sa senzora u telemetrijskoj sondi. Svi vremenski periodi koje generiše telemetrijska sonda su nastali iz istog generatora takta, tako da svaka promena njenog sistemskog takta (npr. zbog visoke temperature), izaziva linearnu promenu svih vremenskih intervala kod signala koje ona generiše. Ako se frekvencija takta smanji za 10%, onda će trajanje impulsa biti 57.2 μs, a trajanje celog paketa podataka 220 ms. Ovo je najveći problem pri komunikaciji telemetrije sa površinskom jedinicom i priključenom CFF sondom. Ovaj problem se rešava softverski, kako u površinskoj jedinici, tako i u komunikacionom uređaju CFF-a. Ako neki senzor nije prisutan u stringu ili je u kvaru, svi DATA biti trebali bi da budu 0.
Telemetrijska sonda šalje sledeće signale:
- Sve podatke sa njenih šest senzora na LINE
- START bite za svih 20 reči na LINE
- SYNC impulse za sve DATA bite svih 20 reči na LINE
Slika 8. Paket podataka sa telemetrijske sonde
Komunikacioni uređaj CFF-a
Na slici 9. prikazan je blok dijagram praktične realizacije dela CFF sonde koja dobija podatke sa senzorskog dela CFF-a, obrađuje ih i šalje (po SIPLOS protokolu) ka površinskoj jedinici, u skladu sa impulsima dobivenim od telemetrijske sonde.
Slika 9. Blok dijagram komunikacionog uređaja CFF-a
Za realizaciju komunikacionog uređaja CFF-a korišćen je mikrokontroler PIC 16F627 (μC1 i μC2) [3], zato što ima: veliki broj programabilnih pinova, serijski port, interne pull-up – ove i što je najvažnije na visokim temperaturama radi pouzdano, što je utvrđeno eksperimentalno.
LINE je bi-direkcioni komunikacioni signal koji se sastoji od linijskog jednosmernog napona (70 V) sa površinske jedinice i negativnih impulsa sa telemetrijske sonde (START, STOP i SYNC) i komunikacionog uređaja CFF-a (DATA biti). Na osnovu START, STOP i SYNC impulsa, koje telemetrijska sonda šalje svim drugim sondama, one šalju DATA bite ka površinskoj jedinici. LINE DRIVER je uređaj koji smanjuje linijski napon na radni napon CFF sonde (12 V) i na 5 V potrebnih za napajanje CMOS kola, razdvaja impulse sa LINE i pravi signal LINE_IN. LINE_IN signal sadrži START, STOP i SYNC impulse koji određuju vremenske intervale za slanje podataka sa CFF sonde ka površinskoj jedinici. LINE DRIVER prima LINE_OUT signal sa μC2, cije DATA impulse postavlja u sredinu između dva SYNC impulsa i ograničava njihovo trajanje na 50 μs ± 10%, nakon cega ih šalje ka površinskoj jedinici. CONTROL_OUT su signali koji imaju verifikacionu namenu, i sadrže signal greške i dva signala za proveru sinhronizacije. μC1 prima signale CALL_OUT, DIR_FLOW i FLOW sa senzorskog dela CFF-a. CALL_OUT signal sadrži informaciju o prečniku cevi, koja je utisnuta u RS232 protokol. Signali DIR_FLOW i FLOW sadrže informaciju o brzini i smeru okretanja impelera u obliku impulsa.
Algoritmi za programe oba mikrokontrolera uzimaju u obzir moguće smetnje i promene vremenskih intervala usled visoke temperature. Na slici 10. prikazan je algoritam za program u mikrokontroleru μC1.
Slika 10. Algoritam za program mikrokontrolera μC1
Nakon inicijalizacije i detektovanja sinhronizacione pauze, dolazi glavni deo programa koji se ponavlja. Zatim se vrši prijem dva bajta podataka serijskom komunikacijom iz signala CALL_OUT, dok se brojanje impulsa signala FLOW obavlja kontinualno tokom celog programa. Kada impeler promeni smer okretanja, odbrojani impulsi se sumiraju, brojač se inicijalizuje i započinje brojanje impulsa za novi smer okretanja. Kada se dobije zahtev sa μC2 da se pošalju podaci, oni se sumiraju i šalju svakih 200 ms. Na slici 11. prikazan je algoritam za program u mikrokontroleru μC2. Nakon inicijalizacije, program čeka sinhronizacionu pauzu od 16,667 ms. Zbog promenljivog takta telemetrijske sonde i internog takta μC2, u nicijalnom modulu se obavlja (tokom 200 ms) merenje vremenskih intervala signala LINE_IN brojanjem impulsa i računanjem inicijalnih parametara. Inicijalni parametri su vremenski intervali pojavljivanja START, STOP i DATA impulsa na komunikacionoj liniji LINE. Ako postoji previše ili premalo impulsa ili njihovo trajanje znatno odstupa od očekivanog, μC2 se restartuje pomoću Watchdog tajmera i izvršava program iz početka. U prvom modulu algoritma se obavlja računanje parametara bez modulacije, tj. bez utiskivanja DATA impulsa po SIPLOS protokolu. U ustaljenom modulu algoritma, za razliku od prvog se određuje i adresa gde treba da se utisnu podaci, kao i samo slanje. Adresa je određena kratkospojnikom ADDR (videti sliku 9.), a slanje se može izvršiti na adrese 11 do 18 ili 13 do 20. Taj podatak je potrebno uneti i u program za ispis rezultata merenja površinske jedinice.
Slika 11. Algoritam za program mikrokontrolera μC2
Rezultati
Simuliranje rada mikrokontrolera PIC 16F627 obavljeno je pomoću programskog paketa MPLAB IDE, korišćenjem opcije Simulator Stimulus [4]. Signali DIR_FLOW, ADDR i HANDSHAKING su simulirani asinhrono, tj. moguće je menjanje stanja pina tokom simulacije. Izgled signala CALL_OUT i LINE_IN je zadat programiranjem, pre početka simulacije. FLOW signal je predstavljen kao periodičan signal impulsa jednakog trajanja. Tokom simulacije posmatrani su izlazni signali, sadržaj SFR registara i RAM memorije. Svi ulazni signali su simulirani za idealne i najgore moguće temperaturne uslove i dobijeni su očekivani izlazni signali. Uređaj za komunikaciju CFF-a je testiran korišćenjem odgovarajućih ulaznih signala sa serijskog i paralelnog porta PC računara, dok su izlazni signali posmatrani digitalnim osciloskopom. Ti ulazni i izlazni signali su bili slični onim dobijenim softverskom simulacijom. Nakon toga, kompletna CFF sonda je priključena na telemetrijsku sondu, a ona na površinsku jedinicu. Testiranje se obavljalo tako što se CFF sonda postavljala u cevi poznatog prečnika a impeler se pokretao uz pomoć kompresora sa vazduhom pod pritiskom, dok su se izlazni podaci u grafickom obliku posmatrali na monitoru površinske jedinice. Dobijeni su korektni rezultati na temperaturama od 20 °C do 180 °C. Ostaje još da se sonda testira i u kombinaciji sa nekim drugim sondama, kao i da se obave merenja u različitim bušotinama.
Zaključak
SIPLOS protokol se koristi u digitalnim sistemima za ispitivanje bušotina. Digitalni sistemi u poređenju sa analognim imaju mogućnost merenja više parametara u isto vreme. Zbog toga je postupak merenja mnogo kraći i jeftiniji. Digitalni sistemi su manji, pouzdaniji i praktičnijii za obradu i čuvanje izmerenih podataka nego analogni.
Na osnovu rezultata simulacije i merenja može se zaključiti da uređaj za komunikaciju CFF sonde dobro radi u temperaturnom opsegu od 20 °C do 180 °C i zadovoljava zahteve SIPLOS protokola.
Literatura
[1] Website: www.hotwell.at
[2] V. Bilas, D. Vasic, D. Ambruš, “SIPLOS Flowmeter – technical documentation”, Hotwell Ges.m.b.H, Austria, 2003.
[3] N. Matic, “PIC mikrokontroleri” Beograd, MikroElektronika, 2002.
[4] Microchip Technology Inc., “MPLAB IDE User’s Guide”, 2001.
[2] V. Bilas, D. Vasic, D. Ambruš, “SIPLOS Flowmeter – technical documentation”, Hotwell Ges.m.b.H, Austria, 2003.
[3] N. Matic, “PIC mikrokontroleri” Beograd, MikroElektronika, 2002.
[4] Microchip Technology Inc., “MPLAB IDE User’s Guide”, 2001.
Autori:
Fakultet tehnickih nauka Novi Sad, Katedra za elektroniku
- Krešimir Knapp,
Hotwell Ges.GmbH Klingenbach, Austria
