CN103339870A - 用于远程电子器件的电力和通信 - Google Patents
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Abstract
一种用于部署于诸如井孔的远程位置的电子器件（4）包括：用于通过两个电气耦合（6）与远程电源和通信组件（2）连接的两个主器件端子（26）；具有两个电力输入端子（20）的电力存储装置（C1）；具有两个器件通信端子（24）的器件通信装置（22）；用于选择性连接两个电力输入端子（20）中的每一个或两个器件通信端子（24）中的每一个与各主器件端子（26）的器件开关装置（S2）；和用于控制开关装置的操作的器件控制器（28）。电源和通信组件（2）还被设置和装置为与器件（4）中的一个或多个耦合。
Description
背景技术
在石油工业以及其它类似的工业中，有时要求远距离从任何现有的电力源操作设备。这意味着电力和通信必须分别通过电缆或无线电链接被配置。由于长电缆具有高的成本并且还具有导致高的电压降的高电阻，这意味着设备起作用需要非常高的电压，因此，这是有问题的。由于长导线的电阻，通信也存在问题。
一种替代性方法是在本地用电池向器件供电，但是，由于高温下的电力泄漏和性能衰减，电池的电力输出趋于削弱。
当前很少有供电器件被部署到井下环境中，但是，已通过以下的方式解决了以上的问题：
1.使用高电压以克服电缆的电阻，以给予井下器件足够的电力；
2.通过板上电池向仅短期部署或者仅“一步”操作的***供电，但是这些***在较高的温度条件下会劣化。
发明内容
本发明提供一种用于部署于远程位置的电子器件，该电子器件包括：
用于通过两个电气耦合与远程电源和通信组件连接的两个主器件端子；
具有两个电力输入端子的电力存储装置；
具有两个器件通信端子的器件通信装置；
用于选择性连接两个电力输入端子中的每一个或两个器件通信端子中的每一个与各主器件端子之一的器件开关装置；和
用于控制开关装置的操作的器件控制器。
器件因此能够在其电力存储装置中接收用于存储的电力，并且通过用于两种功能的电气耦合接收和/或发送用于其通信装置的通信信号。这提供几种优点，在后面讨论这些优点。
优选地，器件的电力存储装置包含电容型电力存储装置。
器件控制器可包含用于监视主器件端子两端的电压的传感器，使得器件控制器被配置为当主器件端子两端的电压低于预定的阈值时导致开关装置从主器件端子断开电力输入端子。以这种方式，器件能够检测操作的电力供给阶段什么时候停止并且作为响应从主器件端子断开器件的电力输入端子。
优选地，在器件通信端子之间耦合过电压保护装置。这避免例如在损失器件的开关装置与相关的控制器之间的同步化的情况下损伤器件的通信电路。例如，可以以连接于器件通信端子两端的齐纳二极管的形式实现这一点。
在优选的应用中，器件可适于加入部署于井中的油管柱中。
本发明还提供一种具有用于通过两个电气耦合与远程电子器件连接的两个主组件端子的电源和通信组件，该电源和通信组件包括：
具有两个电力输出端子的电源；
具有组件通信端子的组件通信装置；
用于选择性连接两个电力输出端子中的每一个或两个组件通信端子中的每一个与各主组件端子的组件开关装置；和
用于控制开关装置的操作的组件控制器。
根据另一方面，本发明提供组合的以上限定的电源和通信组件与电子器件，其中，各主组件端子通过相应电气耦合与相应主器件端子之一连接。
从远程器件送回组件的信号可包含诸如通过器件上的一个或多个传感器取得的测量的遥测数据。
电源和通信组件、远程电子器件和/或包含组件和器件的组合可包含用于将存储于在组件与器件之间延伸的电气耦合中的电荷放电的放电装置。
并且，提供一种这种组合的操作方法，该方法包括以下的步骤：
通过电气耦合将电力从电源传送到电力存储装置；
切换组件与器件开关装置，使得组件通信装置通过电气耦合与器件通信装置连接；和
通过电气耦合从组件向器件发送控制信号。
方法优选包括在电力传送步骤之后和切换步骤之前将存储于电气耦合中的电荷放电的步骤。
方法还包括监视主器件端子两端的电压并且当主器件端子两端的电压低于预定的阈值时从主器件端子断开电力输入端子的步骤。
电力和通信组件的主器件端子可与多个远程电子器件电气耦合。组件通信装置可被配置为通过识别分配来自组件的随后的信号的器件中的选择的一个的组件通信端子传送信号。
以这种方式，可以使用一对电气耦合以寻址几个远程器件。在这种配置中，可以适当地首先至少部分地将器件充电，使得可以激活板上电子。组件可然后关于接收通信向器件传送识别些器件中的一个或多个的信号。组件开关装置然后耦合其电力输出端子与主组件端子，并进一步使选择的器件（多个器件）充电。一旦完成的阶段，组件就然后重新连接其通信端子与主组件并然后向选择的器件传送通信信号。
各远程器件被配置为在该次序中适当地关于从组件接收电力或指令或向组件传送响应在其电力和通信模式之间切换。
另外，本发明提供与多个电子器件组合的组件的操作方法，该方法包括以下的步骤：
通过电气耦合从电源向各器件的电力存储装置传送电力；
切换组件与器件开关装置，使得组件通信装置通过电气耦合与各器件的器件通信装置连接；和
通过识别分配来自组件的随后的信号的器件中的选择的一个的电气耦合，从组件向器件发送选择信号。
如果需要的话，进一步通过组件将选择的器件充电。它然后切换为通信模式以从组件接收一个或多个命令。
附图说明
现在，参照附图作为例子描述本发明的实施例，其中，
图1是代表根据本发明的实施例的与远程电子器件组合的电源和通信组件的框图；
图2是示出图1所示的组合的一系列的操作的定时图。
具体实施方式
本发明提供通过电子井下器件（以下，称为DHD）供电和通信的方式，该方式向器件供给足够的能量，同时可能仅使用三个导线。通过在电力充电和通信循环之间切换，在图示的实施例中实现这一点。
在图1中，电源和通信组件2位于地面之上，并且，DHD4适于部署于地下，例如，部署于油井下。在这两个装置之间铺设形成地面井下电缆的一组连接器或导线6。
组件2包含具有两个电力输出端子10的DHD电源8。它还包括具有两个相关的组件通信端子14的差动通信装置12。为了选择性地耦合电力端子10或通信端子14与导线6，配置开关S1。开关S1的操作由表面组件2内的控制器16掌控。组件具有两个主端子18，每个主端子与相应导线6耦合。
DHD包含电容器（电容器的触排）C1的形式的电力存储装置。电容器的每个边与相应电力输入端子20耦合。DHD还包含与两个器件通信端子24耦合的差动通信装置22。DHD的两个主器件端子26分别与相应导线6耦合。
开关S2被配置为选择性地连接两个电力输入端子20或一对通信端子24与主器件端子26。开关的设置由器件控制器28控制。DHD还包含用于监视由表面组件2向DHD4施加的电压的电压传感器30。二极管D1以允许从端子向电容器流动电流的方式电气耦合于电力输入端子20中的一个与电容器组C1的一个边之间。
还在组件2和DHD4的相应接地端子34和36之间延伸第三接地导线32。这确保组件与DHD的电路接地点处于相同的电势。这避免DHD的接地电势的漂移，这种漂移会导致通信失败。
为了使两个***同步化，两者之间的定时是十分关键的。在图2中作为例子表示定时次序。现在参照附图描述该次序。图2分别表示主组件端子18和器件输入端子26两端的电压随时间变化的两个示意图40和42。
在待机模式中，两个开关（S1和S2）处于图1所示的位置，并且，表面电源被设为0V。当DHD4需要执行功能时，电源被设为48V，并且，电容器组C1充电。DHD然后变得活动。一旦完成电力循环，电源电压就再一次被设为0V。在该点上，DHD中的电压传感器30检测S2上的电力的损失，并将S2切换到通信模式。表面电子组件2同时还切换S1。这然后允许表面电子向DHD转送命令并使其作用于命令，并然后向表面电子回送相关的数据。在该点上，完成循环，并且，S1和S2被重新切换到待机模式。
***必须是可靠的，并且，如果S1和S2是继电器，那么使它们避免切换高电压（这防止作为继电器失效的主要原因的电弧放电）是十分重要的。***通过仅在DHD电压低于阈值（例如，5V）时切换继电器并限制充电循环中的可用电流（这防止在电缆中出现大的电容充电电流）实现这一点。
电力循环被用于将DHD上的电容器（C1）充电。通过已闭合开关S1和S2施加电源电压（实际的电压依赖于器件的电力需要）。在设定的时间（这将依赖于C1的值）之后，电容器被完全充电。
电源现在被关断，并且，任何跨着线的电容（主要在表面电子内去耦合）通过跨着线开关的放电电阻器（未示出）被放电，比方说10ms。一旦该放电时间结束，表面电子就接通开关S1，从而连接差动通信与井下控制***。
DHD使用该下降电压以确定电力循环什么时候结束，并且，一旦被检测，就在例如10ms的延迟之后接通开关S2（通过确保延迟具有足以使线电压在延迟周期结束之前下降为低于DHD阈值的时间，这允许表面电子和DHD同步化）。DHD开关S2上的延迟允许表面控制***板上的实际电容的实际值从零变为200%，没有同步化失败。这还随温度和时效允许DHD的时钟漂移。
既然开关S1和S2均被切换到差动通信，就存在反跳延迟（比方说20～25ms）以允许继电器触头稳定化。定时被设定，使得表面电子在DHD之前就绪。在该点（“等待确认”）上，表面电子等待DHD发送两个确认字节。第一字节执行“表面电子自动波特”（以补偿DHD处理器内的内部时钟的温度变化），并且，第二个确保差动通信正确地工作。
一旦通过表面电子接收确认信号，就已建立通信。如果表面电子在该点上拾取任何误差，那么它就中止通信循环。
在存在与共用的地面上组件耦合的多个DHD的实施例中，由于只需要与选择的DHD建立通信，因此可以省略从DHD发送确认信号。
一旦命令被发送，表面电子就对于来自DHD的回复等待比方说100ms。如果在该时间内没有接收回复，那么表面电子就假定通信已丢失并离开通信循环。在DHD向表面电子发送回复时，DHD将进入关电模式。
一旦通信循环结束，开关S1和S2就被关断，并且，将从线路隔离差动通信。
在该点上，电容器组C1仍被充电，并且DHD仍然活动。DHD将然后关断所有的不必要的电力器件，并且等待新的电力循环开始，或者直到电容器组C1被充分地放电，以使得DHD处理器进入复位。
该配置的优点包括：
1.使用低电压，因此，它们没有危险；
2.不需要长时间存储电力，因此，可以使存储器件成本最小化；
3.井下温度可较高，从而导致减少电力存储时间。这种“充电并使用”***的方法得到这种效果；
4.通过出于电力供给和通信的目的使用相同的导线减少通向器件的导线的数量，这降低布线的成本；
5.在许多应用中，可用于容纳电缆的空间受到限制。减少需要的导线的数量使得能够与其它情况相比使用更大直径、更低电阻的单个导线，从而允许在需要时通过增加导线的直径在更长的距离上传送信号；
6.井下器件一般具有的大的距离一般意味着，由于电缆两端的高的电压降，直接驱动器件是十分困难的，但是，本配置通过其充电和使用方法克服这一点。
7.由于DHD仅在需要被供电，因此，可以使由DHD耗散的电力最小化。
Claims (22)
1.一种用于部署于远程位置的电子器件，包括：
用于通过两个电气耦合与远程电源和通信组件连接的两个主器件端子；
具有两个电力输入端子的电力存储装置；
具有两个器件通信端子的器件通信装置；
用于选择性连接两个电力输入端子中的每一个或两个器件通信端子中的每一个与相应主器件端子之一的器件开关装置；和
用于控制开关装置的操作的器件控制器。
2.根据权利要求1的器件，其中，电力存储装置包含电容型电力存储装置。
3.根据权利要求1或2的器件，其中，器件控制器包含用于监视跨主器件端子的电压的传感器，并且，器件控制器被配置为当跨主器件端子的电压低于预定的阈值时导致开关装置从主器件端子断开电力输入端子。
4.根据任何前面的权利要求之一的器件，包括耦合于器件通信端子之间的过电压保护装置。
5.根据任何前面的权利要求之一的器件，其中，器件通信装置能够通过器件通信端子接收信号。
6.根据任何前面的权利要求之一的器件，其中，器件通信装置能够通过器件通信端子传送信号。
7.根据任何前面的权利要求之一的器件，适于部署为油井中的油管柱的一部分。
8.一种具有用于通过两个电气耦合与远程电子器件连接的两个主组件端子的电源和通信组件，包括：
具有两个电力输出端子的电源；
具有两个组件通信端子的组件通信装置；
用于选择性连接两个电力输出端子中的每一个或两个组件通信端子中的每一个与相应主组件端子之一的组件开关装置；和
用于控制开关装置的操作的组件控制器。
9.根据权利要求8的组件，其中，组件通信装置能够通过组件通信端子发送信号。
10.根据权利要求8或9的组件，其中，组件通信装置能够通过组件通信端子接收信号。
11.一种与权利要求8～10中的任一项的组件组合的权利要求1～7中的任一项的器件，其中，每个主组件端子通过相应电气耦合与相应主器件端子连接。
12.根据权利要求1～7中的任一项的器件或权利要求8～10的组件，包括用于将存储于所述电气耦合中的电荷放电的放电装置。
13.根据权利要求8～10和12中的任一项的组件，其中，主组件端子能与多个远程电子器件连接，并且，组件通信装置被配置为通过识别分配来自组件的随后的信号的器件中的选择的一个的组件通信端子传送信号。
14.组合权利要求13的组件、权利要求1～7中的任一项的多个器件和两个电气耦合，其中，一个主组件端子通过一个耦合与各器件的一个主器件端子连接，并且，另一主组件端子通过另一耦合与各器件的另一主器件端子连接。
15.权利要求11或14的组合，包括用于将存储于所述电气耦合中的电荷放电的放电装置。
16.一种权利要求11的组合的操作方法，包括以下的步骤：
通过电气耦合将电力从电源传送到电力存储装置；
切换组件与器件开关装置，使得组件通信装置通过电气耦合与器件通信装置连接；和
通过电气耦合从组件向器件发送控制信号。
17.根据权利要求16的方法，包括在电力传送步骤之后和切换步骤之前将存储于电气耦合中的电荷放电的步骤。
18.根据权利要求16或17的方法，包括监视跨主器件端子的电压并且当跨主器件端子的电压低于预定的阈值时从主器件端子断开电力输入端子的步骤。
19.一种权利要求14的组合的操作方法，包括以下的步骤：
通过电气耦合从电源向各器件的电力存储装置传送电力；
切换组件与器件开关装置，使得组件通信装置通过电气耦合与各器件的器件通信装置连接；和
通过识别分配来自组件的随后的信号的器件中的选择的一个的电气耦合，从组件向器件发送选择信号。
20.一种基本上参照附图如本文所描述的电子器件。
21.一种基本上参照附图如本文所描述的电源和通信组件。
22.一种基本上参照附图如本文所描述的电源和通信组件与电子器件的组合。
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| PB01 | Publication | ||
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
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