Трубопроводная система связи

 

Изобретение относится к технике связи. Технический результат состоит в обеспечении передачи и контроля оборудования трубопровода. Трубопроводная система связи, в которой используется трубопровод и расположенный рядом с ним грунт и которая содержит разветвления. В данной системе модули регулятора и трансформатор с выпрямителями образуют часть сети связи. Блоки контроля периодически передают информацию на сетевой контроллер. Система управления получает информацию через внешнюю станцию для обеспечения дуплексной связи и управления, используя трубопровод и расположенный рядом с ним грунт в качестве проводников. Обычно такая информация передается в виде быстрой частотной манипуляции с наложением данных на систему катодной защиты трубопровода. 2 с. и 22 з.п.ф-лы, 8 ил.

Изобретение относится к трубопроводной системе связи для обеспечения контроля и/или управления оборудованием трубопроводов.

В имеющихся патентных документах WO-A-9326115 и FP-A-2097265 раскрываются подводные трубопроводные системы, взаимодействующие с морской буровой платформой через линию связи.

Настоящее изобретение относится к наземной системе.

Согласно изобретению предусмотрена трубопроводная система связи для электропроводящего трубопровода, изолированного от расположенного рядом грунта, включающая: средство передатчика для передачи информации от удаленной станции с использованием трубопровода и расположенного рядом с ним грунта в качестве проводников, средство приемника для приема информации на удаленной станции с использованием трубопровода и расположенного рядом с ним грунта и средство, использующее метод восстановления, для усиления сигналов, ослабленных вследствие их прохождения по трубопроводу и расположенному рядом с ним грунту.

Кроме того, изобретение раскрывает способ связи, основанный на использовании электропроводящего трубопровода, изолированного от расположенного рядом с ним грунта, включающий передачу информации от удаленной станции с использованием трубопровода и расположенного рядом с ним в качестве проводников.

Изобретение ниже описывается на примере его осуществления со ссылками на чертежи, на которых представлено следующее: фиг. 1 - пример трубопроводной сети, использующей изобретение; фиг. 2 - передатчик для осуществления связи по трубопроводу с использованием частотной манипуляции; фиг. 3 - другой вариант осуществления передатчика, в котором сигнал усиливается и подается непосредственно на трубу; фиг. 4 - приемник, используемый для приема переданных сигналов, полученных от трубопровода; фиг. 5 - устройство восстановления синхросигнала для использования на выходе приемника, показанного на фиг. 4; фиг. 6 - другой вариант аналогового некогерентного приемника, показанного на фиг. 4, обладающий некоторыми конструктивными преимуществами; фиг. 7 - иллюстрация выполнения корреляционной обработки с использованием цифрового варианта осуществления приемника, представленного на фиг. 4; фиг. 8 - цифровое устройство для восстановления тактового синхросигнала с выхода приемника, представленного на фиг. 6.

На фиг. 1 показана типовая система трубопровода, в которой может быть использовано изобретение. Трубопровод 10 включает разветвления 11 и 12. Такие блоки, как регулирующие модули 14 и трансформаторы/выпрямители (Т/В) 15, образуют часть сети связи. Ряд датчиков, включая расходомеры 16, блок контроля 17 регулятора и блок контроля 18 аварийной сигнализации 18, периодически передают информацию на сетевой контроллер 20. Эта информация может быть передана на систему управления 22 через внешнюю станцию 21 с использованием телеметрического канала, работающего по обычным, например телефонным, каналам связи, с доступом по радиоканалу. Для связи с контроллером 20 блоки контроля используют трубопровод в качестве проводника. Для использования грунта в качестве обратного провода металлическая труба изолируется от него. Хотя передаваемые сигналы могут непосредственно подаваться на трубу, обычно они прикладываются к существующей системе катодной защиты трубопровода.

В дополнение к сигналам текущего контроля контроллер 20 может посылать управляющие сигналы для управления регуляторами, трансформаторами, выпрямителями или другими соответствующими установками. Таким образом осуществляется двухсторонняя связь.

В системе связи используется низкочастотная модуляция ширины полосы (как правило, с частотой 5-20 Гц, которая может быть повышена до 200 Гц). Модуляция обычно осуществляется в виде быстрой частотной манипуляции (БЧМ). Из-за значительной длины трубопроводной линии, обычно до 50 км, сигналы могут быть значительно ослаблены и сопровождаться помехами, ухудшая соотношение "сигнал-шум". При этом интенсивность помех может быть настолько высокой, что отношение сигнал/шум будет очень низким, порядка 5 дБ. Для преодоления этого недостатка используются методы восстановления сигнала, обычно с помощью согласованных фильтров. Могут быть также использованы повторители 23 для усиления уровней сигналов, а сами устройства могут быть выполнены в достаточной степени интеллектуальными для контроля передаваемых в сигнале присвоенных адресов и, следовательно, определения необходимости в селективном восстановлении. В передатчике используется БЧМ с тональным сигналом одной частоты, представляющим входной бит со значением данных "1" и тональным сигналом второй частоты, представляющим входной бит со значением данных "0". Эти биты данных тактируются частотой передачи данных, как правило, 10 битов в секунду. Система не ограничена двумя тональными сигналами. Могут использоваться дополнительные тональные сигналы для параллельной передачи множества битов данных.

На фиг. 2 показана схема передатчика, предназначенного для участков трансформатора/выпрямителя. Передатчик 30 включает генераторы сигналов специальной формы 31-34, причем передатчик получает данные по своему входу 35 и с помощью селектора 36 выбирает тоновую посылку частотой 10 Гц, как признак данных "1" и 15 Гц, как признак данных "0". При использовании быстрой частотной манипуляции (БЧМ) и при скорости передачи 10 бод модулированный сигнал данных прикладывается путем модуляции части тока, протекающего по трубе (переключатель тока 37), который обеспечивает катодную защиту (КЗ) в результате использования активного электрического сопротивления трубы. Сигналы имеют цифровую форму с многоступенчатым представлением двух модулирующих тоновых посылок. Каждое состояние этих тоновых посылок представляет собой уровни коммутации трубопроводных узлов на участке "трансформатор/выпрямитель". Ширина полосы пропускания сигналов, проходящих по трубе, такова, что гармоники переключения значительно уменьшаются при их прохождении через трубу и такого рода помехи не оказывают большого влияния на приемник.

Там где используются автономные контролируемые участки, сигнал данных усиливается и подается непосредственно на трубу с использованием передатчика 40, как показано на фиг. 3. Передатчик содержит генераторы сигналов 41-44, от которых передатчик получает данные на своем входе 45 и выбирает тоновые посылки 10 Гц или 15 Гц, как описано выше. Сигналы подаются на трубопровод через фильтры нижних частот 46, 47 и усилитель 48. Все сигналы представляют собой цифровые сигналы, но прикладываются к системе катодной защиты трубы в виде аналоговых сигналов.

Приемник должен обрабатывать сигналы с отношением сигнал/шум всего 5 дБ для типовой длины трубы порядка 40 км. Соответствующий приемник показан на фиг. 4. Приемник 50 представляет собой некогерентный БЧМ приемник с согласованным фильтром. Приемник 50 содержит усилитель 51, фильтр нижних частот 52, цепь автоматической регулировки усиления 53 и полосовой фильтр 54. Выходной сигнал фильтра через усилитель 55 подается на детектор 56. Такое устройство позволяет принимать аналоговый сигнал от трубы и восстанавливать цифровые данные с образованием потоков F1 и F2. Согласованные фильтры 57 и 58 и сумматор 59 обеспечивают получение восстановленных (асинхронных) данных на выходе сумматора. Отдельные каналы согласованных фильтров используются для каждой тоновой посылки и принятие решения для принятых данных осуществляется путем сравнения результирующей энергии на выходе каждого фильтра. Восстановление символов обеспечивается из потока выбранных данных. Каждый согласованный фильтр реализует комбинацию поступающего потока данных, умноженного на синусоидальное колебание на соответствующей поднесущей частоте на каждом последовательном периоде анализа символа. Этот процесс представляет собой аналоговую автокорреляцию каждой тональной посылки с принятым потоком данных. Для восстановления переданного тактового синхросигнала, сопровождающего передаваемые данные, используется схема, представленная на фиг. 5. Схема восстановления тактового синхросигнала 60 включает схему задержки 61 дискретизации и дискретизатор 62 данных. Система также включает в себя управляемый напряжением цифровой генератор 63, схему фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) 64 и удвоитель 65. Восстановление тактового синхросигнала осуществляется путем слежения за пиками автокорреляционных потоков для формирования новых потоков синхросигналов, полученных из мгновенного значения каждого из коррелированных потоков. Этот поток синхросигналов восстанавливается с тактовой частотой.

Практически аналоговый некогерентный приемник может быть модифицирован как показано на фиг. 6. Он содержит фильтр нижних частот (ФНЧ) 70 и линию задержки 72 дискретизации в одном канале и ФНЧ 71 и усилитель 73 в другом канале, оба указанных канала соединены с сумматором 74 и, следовательно, с линией задержки 61. Другие каналы включают линию задержки 75 и смеситель 76. Выходной сигнал смесителя 76 поступает на полосовой фильтр 77 и затем на усилитель 78 перед подачей на компаратор 79.

Если требуется цифровое выполнение, то приемник может быть выполнен как показано на фиг. 7. В нем используются согласованные фильтры и ряд корреляторов. Выходной сигнал первой аналоговой ступени подается на суммирующий усилитель 81 и преобразуется в цифровую форму с помощью аналого-цифрового преобразователя 82. Здесь, как и описано выше, предусмотрена фильтрация по двум каналам с помощью фильтров 57 и 58, но в цифровой форме. Как показано на чертеже, верхний (расширенный) канал содержит дискретизатор 83, линии задержки 84, сумматоры 85, делители 86 и сумматор 87, соединенные с усилителем канала 88 и компаратором 89. Следовательно, принятый аналоговый сигнал усиливается, фильтруется и подается в цепь автоматической регулировки усиления. Как правило, фильтр нижних частот имеет отсечку порядка 3 дБ на частоте 20 Гц. В АРУ используется полосовой фильтр с точками отсечки -3 дБ на частотах 7.5 Гц и 17.5 Гц для выбора соответствующей полосы для детектирования. Вход детектора уровня используется для регулировки усиления контура так, чтобы выход сигнала переменного тока двойной амплитуды наиболее точно соответствовал размаху колебаний в пределах полной шкалы обработки сигнала аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Как правило, АЦП обеспечивает разрешение порядка 10 битов. Каналы F1 и F2 связаны с соответствующими согласованными фильтрами каждый.

Восстановление тактового синхросигнала, связанного с передаваемой информацией, осуществляется путем выделения из принятых данных на основе корреляционной обработки с использованием регистров данных, как показано на фиг. 8.

Как описано выше, предусмотрены блоки 61-65, причем цифровые данные в регистрах 90 с соответствующими сумматором 91 и компаратором 92 используют выборки из потоков данных в каналах F1 и F2.

Характер канала связи, используемого этой системой, таков, что обычно требуется соответствующая коррекция для получения приемлемых характеристик. Если одно и то же оборудование использовать с различными типами труб, размеров и защитных покрытий, то частотные и фазовые характеристики труб могут изменяться в широких пределах. Поэтому используется автоматическая коррекция для компенсации нелинейностей полной амплитуды в зависимости от частоты на расчетном уровне земли порядка ±15 дБ в полосе модуляции для принятой схемы модуляции. Если будет использована другая схема модуляции, можно применить другие виды коррекции сигнала. Новая схема коррекции может соответственно потребовать различного объема фиксированной или автоматической коррекции.

Описанная система передачи данных образует сеть передачи данных для дистанционного контроля между контроллером на каждой секции электрически изолированной трубы и блоками контроля. В описываемой здесь сети передачи данных для дистанционного контроля (СПДК) используется метод многоуровневого приоритетного доступа, использующий множественный доступ с обнаружением несущей (МДОН) с N-повторными запусками. В настоящем устройстве используются два приоритетных уровня высокого приоритета (ВП) и низкого приоритета (НП). Однако в будущем может возникнуть необходимость в использовании большего количества уровней в зависимости от требований пользователя. В настоящее время всем контрольным сообщениям НП разрешается "М" попыток доступа, а всем сообщениям аварийной сигнализации и управляющим сообщениям обеспечивается "N" попыток доступа, где "М", "N " и "P" выбраны статистически, чтобы обеспечить успешное прохождение сообщений более высокого приоритета, а также процент Q прохождения сообщений низкого приоритета, приемлемый для пользователя.

Система была разработана для передачи данных по каналу связи на расстояния, при которых отношение "сигнал-шум" лучше чем 5 дБ, а уровень сигнала на входе приемника превышает 100 мВ. Эти параметры были выбраны как компромисс между имеющейся на рынке технологией и приемлемой стоимостью покупного изделия. В будущем можно будет рассмотреть работу оборудования с более высокими характеристиками по порогу чувствительности и отношения "сигнал/шум" в зависимости от тенденций на рынке оборудования.

В системе предусмотрена функция усиления сигналов с помощью повторителей, размещенных между узлами передачи и приема сигналов, причем эти повторители физически разделены расстоянием, превышающим максимальное расстояние между узлами. Описываемая здесь система может поддерживать до 512 повторителей, обеспечивая сеть длиной от 1 до 10220 м в электрически изолированной секции. Максимальная пригодная к эксплуатации длина выбранного здесь трубопровода была выбрана из расчета типовых магистральных трубопроводов, используемых в мире в настоящее время. Протокол может быть изменен, чтобы обеспечить безаварийную работу более длинных трубопроводов в будущем, однако в настоящее время маловероятно, что это будет экономически оправдано.

В сети дистанционного контроля используется защищенный правом собственности протокол для передачи данных между блоком контроля и управляющим узлом системы. Этот протокол предназначен для оптимальной передачи данных в системе путем согласования способа передачи данных с каналом связи, образованным трубой.

В системе используется до 5 предварительно определенных размеров пакетов данных и до 16 типов сообщений данных, определяемых пользователем, в каждом пакете. Каждый пакет имеет функцию прямого исправления ошибок (ПИО) и чередования битов, используемую при передаче. Проверка ошибок выполняется с использованием стандартного контроля избыточным циклическим кодом (ИЦК). В системе также используется стандартное выполнение операций при вводе данных и побайтовая синхронизация. Используемое слово синхронизации состоит из 32 битов, при этом используются 5 различных слов, каждое из которых идентифицирует один из различных типов пакетов данных.

Количество пакетов и пользовательских сообщений было выбрано с таким расчетом, чтобы удовлетворить требованиям существующего рынка природного газа. Однако эти параметры могут быть приспособлены для другого рынка в будущем. В каждом пакете данных используются два поля маршрутизации для адресации пакетов через узлы-повторители.

Формула изобретения

1. Трубопроводная система связи для электропроводного трубопровода, изолированного от расположенного рядом с ним грунта, содержащая средство передатчика для передачи информации от удаленной станции с использованием трубопровода и расположенного рядом с ним грунта в качестве проводников, при этом средство передатчика включает средство для наложения информации на систему катодной защиты трубы, передатчик для подачи сигналов данных непосредственно к трубопроводу, средство приемника для приема информации от удаленной станции с использованием трубопровода и расположенного рядом с ним грунта, и средство для восстановления, обеспечивающее усиление принятых сигналов, ослабленных в результате их прохождения по трубопроводу и грунту.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что средство приемника содержит некогерентный приемник, включающий в себя средство для приема и восстановления информации и средство для восстановления информации тактовой синхронизации из принятой информации.

3. Система по п.2, отличающаяся тем, что содержит средство определения автокорреляции для восстановления информации для создания потока тактовых выборок.

4. Система по п. 2, отличающаяся тем, что средство для восстановления информации включает в себя некогерентный согласованный фильтр для восстановления информации тактовой синхронизации.

5. Система по n. 1, отличающаяся тем, что средство приемника содержит некогерентный приемник, содержащий детектор для детектирования принятой информации, средство восстановления данных автокоррелятора для восстановления данных, полученных из принятой информации, и средство восстановления синхронизации для восстановления информации синхронизации путем отслеживания информации, полученной от упомянутого средства автокоррелятора.

6. Система по п.5, отличающаяся тем, что содержит средство коррекции для компенсации нелинейности в зависимости от выбранной частоты.

7. Система по п.5 или 6, отличающаяся тем, что средство приемника включает в себя средство преобразования входного сигнала перед его вводом в детектор, а средство автокоррелятора включает в себя первый и второй согласованные фильтры, соединенные со средством сумматора.

8. Система по любому из пп.1-7, отличающаяся тем, что первый передатчик выполнен с возможностью модуляции информации на низкочастотной несущей с использованием частотной манипуляции.

9. Система по любому из пп.1-8, отличающаяся тем, что первый передатчик включает в себя средство фильтра нижних частот для подачи аналогового выходного сигнала на трубопровод.

10. Система по любому из пп.1-9, отличающаяся тем, что содержит станции-повторители, имеющие средство для контроля передаваемых в сигнале адресов для селективного восстановления сигналов в трубопроводе.

11. Система по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что содержит множество блоков контроля для периодической выдачи информации на сетевой контроллер.

12. Система по п.11, отличающаяся тем, что содержит контроллер дистанционной системы, имеющей линию связи с сетевым контроллером.

13. Система по любому из пп.1-10, отличающаяся тем, что содержит сетевой контроллер, причем управляющая информация может быть передана для обеспечения дуплексной связи и запуска удаленного оборудования, соединенного с трубопроводом, с использованием трубопровода и расположенного рядом с ним грунта в качестве канала передачи сигналов.

14. Система по п.13, отличающаяся тем, что содержит модуль управления трубопроводом, причем упомянутый сетевой контроллер выполнен с возможностью корректировки работы модуля управления.

15. Система по п.13 или 14, отличающаяся тем, что содержит расходомер для периодической выдачи информации о состоянии системы в сетевой контроллер.

16. Система по п.13, или 14, или 15, отличающаяся тем, что сетевой контроллер выполнен с возможностью регулирования трансформатора-выпрямителя.

17. Способ связи, основанный на использовании электропроводящего трубопровода, изолированного от расположенного рядом грунта, причем указанный способ включает следующие этапы: осуществляют передачу информации о удаленной станции с использованием трубопровода и расположенного рядом с ним грунта в качестве проводников, осуществляют наложение информации на систему катодной защиты трубы, передают данные, поданные непосредственно к трубопроводу, осуществляют прием информации на удаленной станции с использованием трубопровода и расположенного рядом с ним грунта, и используют методы восстановления для усиления ослабленных принятых сигналов для восстановления содержащейся в них информации.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что при восстановлении осуществляют фильтрацию информации и детектирование информации тактовой синхронизации, содержащейся в принятой информации.

19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что отслеживают информацию из первого и второго потоков корреляции для извлечения синхросигнала.

20. Способ по п.17, или 18, или 19, отличающийся тем, что при передаче информации в первом режиме осуществляют модуляцию низкочастотной несущей и используют частотную манипуляцию.

21. Способ по п.17, отличающийся тем, что в первом режиме передачи осуществляют фильтрацию фильтром нижних частот для выдачи аналогового выходного сигнала на трубопровод.

22. Способ по п.17, отличающийся тем, что включает прием некогерентной информации, детектирование упомянутой информации, определение автокорреляции для восстановления содержащихся в ней данных и восстановления информации тактовой синхронизации путем отслеживания информации, полученной в результате определения автокорреляции.

23. Способ по любому из пп.17-23, отличающийся тем, что включает контроль передаваемых в сигнале адресов для селективного восстановления сигналов, проходящих вдоль трубопровода.

24. Способ по любому из пп.17-23, отличающийся тем, что включает выдачу информации управления в станцию управления для изменения работы трансформатора-выпрямителя, соединенного с трубопроводом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8