СРЕДСТВО МАРШРУТИЗАЦИИ ДЛЯ ПОДВОДНОГО ЭЛЕКТРОННОГО МОДУЛЯ
ROUTING DEVICE FOR UNDERWATER ELECTRONIC MODULE

Изобретение относится к средству маршрутизации для подводного электронного модуля (SEM).
Подводные электронные модули предпочтительно используются в подводных блоках управления (SCU), например блоках управления скважин (WCU) для исследования и эксплуатации газовых и нефтяных месторождений, расположенных на морском дне. Газовые и нефтяные месторождения, которые исследуются или эксплуатируются с использованием электронной коммуникации со скважинами или с другими подводными блоками управления, иногда называют «электронными месторождениями» (е-месторождениями).
В типовом случае различные подводные блоки управления и различные датчики располагаются вблизи соответствующего газового и нефтяного месторождения и соединяются со станцией управления на поверхности. Для этой цели используется подводная связь. Например, данные процесса передаются между станцией управления на поверхности и подводными блоками управления. Для того чтобы не требовать индивидуальной связи и линий питания для каждого подводного блока управления, подводные блоки управления располагаются на морском дне в сетевой топологии. Один сетевой элемент оснащается модемом для подводной связи со станцией управления на поверхности. Данные процесса маршрутизируются в сети для достижения соответствующего получателя, например либо станции управления на поверхности, либо некоторого подводного электронного модуля. Обычно для сети используется дифференциальная последовательная шина.
В предшествующем уровне техники описаны различные методы для подводной связи. С одной стороны, имеются проводные электрические или оптические соединения, с другой стороны, имеются беспроводные соединения. Проводные соединения могут быть разделены на первую группу, обеспечивающую линии связи для электронных или оптических соединений, отдельно от линий электропитания, и вторую группу, использующую линии питания для электронной связи. В последнем случае, предпочтительным образом, не требуются отдельные линии связи.
Известные подводные блоки управления требуют, по меньшей мере, двух карт интерфейса ввода/вывода (I/O) для сбора и/или вывода цифровых или аналоговых данных процесса. Кроме того, известные подводные блоки управления требуют одной карты маршрутизации для каждого элемента сети/шины, которые должны быть непосредственно соединены с ними. Следовательно, если несколько ведомых (подчиненных) подводных блоков управления должны быть соединены с одним подводным ведущим (главным) блоком управления, содержащим модем, то такое же число карт маршрутизации должно быть установлено в подводный ведущий блок управления. Число требуемых карт возрастает, если данные процесса должны собираться, или если процесс должен управляться. Эти многочисленные карты требуют пространства для размещения и потребляют мощность питания.
Целью настоящего изобретения является специфицировать средство маршрутизации для подводного электронного модуля, в котором можно сэкономить пространство для размещения и мощность внутри подводного электронного модуля.
Эта задача решается средством маршрутизации, содержащим признаки, приведенные в пункте 1 формулы.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения приведены в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно изобретению, средство маршрутизации для подводного электронного модуля содержит, на одной схемной плате, средства для маршрутизации пакетов данных между сегментами дифференциальной последовательной шины и, по меньшей мере, один интерфейс ввода/вывода для цифровых и/или аналоговых значений процесса, причем упомянутые значения процесса доступны через упомянутую дифференциальную последовательную шину. Если такое средство маршрутизации используется в подводном электронном модуле, потребление мощности, а также требуемое пространство значительно сокращаются в сравнении с известной картой маршрутизатора в комбинации с множеством известных карт интерфейса ввода/вывода, поскольку дополнительные карты интерфейса ввода/вывода могут быть опущены. В настоящем изобретении термин «интерфейс ввода/вывода» содержит как однонаправленные, так и двунаправленные интерфейсы, т.е. чисто интерфейсы ввода, чисто интерфейсы вывода и объединенные интерфейсы ввода/вывода.
Был создан опытный образец варианта осуществления установки маршрутизации, содержащий предпочтительным образом всего три интерфейса ввода/вывода, а именно цифровой интерфейс ввода, цифровой интерфейс вывода и аналоговый интерфейс ввода. В таком варианте осуществления две обычные карты интерфейса ввода/вывода могут быть опущены, хотя универсальная связность для обоих типов данных, цифровых и аналоговых, обеспечивается. Поэтому подводный электронный модуль может быть сконструирован очень компактно.
В весьма предпочтительном варианте осуществления средство маршрутизации содержит микроконтроллер, программируемую пользователем матрицу логических элементов (FPGA) и, по меньшей мере, два ресурса маршрутизации в качестве упомянутого средства для маршрутизации, причем каждый ресурс маршрутизации содержит соответствующий локальный приемопередатчик для дифференциальной последовательной шины и соответствующий удаленный приемопередатчик для дифференциальной последовательной шины, причем каждый локальный приемопередатчик соединен с соответствующим удаленным приемопередатчиком и с упомянутой программируемой пользователем матрицей логических элементов, которая способна маршрутизировать пакеты данных между упомянутыми ресурсами маршрутизации.
В частности, упомянутые приемопередатчики могут быть полудуплексными приемопередатчиками для реализации дифференциальной последовательной шины PROFIBUS DP. Альтернативно, дифференциальная последовательная шина может быть шиной CAN.
Высокая отказоустойчивость подводных сетей может быть достигнута в варианте осуществления, где каждый из упомянутых удаленных приемопередатчиков является гальванически изолированным от соответствующего локального приемопередатчика, причем упомянутые удаленные приемопередатчики являются плавающими, а упомянутые локальные приемопередатчики связаны с локальным электрическим заземлением, причем каждый из упомянутых удаленных приемопередатчиков содержит активное средство нагружения шины и средство смещения.
Отказы и дефекты вследствие пиков напряжения, разностей потенциалов или коротких замыканий в подводном кабеле могут быть устранены посредством этого варианта осуществления.
В другом варианте осуществления каждый из упомянутых удаленных приемопередатчиков содержит активное средство нагружения шины и средство смещения. Это также увеличивает отказоустойчивость, поскольку остальная шина/сеть может сохранять работоспособность, даже если один подводный кабель прерван, например если он случайно разрезан.
Предпочтительным образом, упомянутый микроконтроллер и упомянутая программируемая пользователем матрица логических элементов могут соединяться с основным блоком управления подводного электронного модуля через шину управления. Это обеспечивает возможность быстрого обмена данными между основным блоком управления и средством маршрутизации, в частности, для передачи пакетов данных к модему, управляемому основным блоком управления.
Предпочтительным образом упомянутые ресурсы маршрутизации обеспечивают переменную скорость передачи битов. Скорость передачи по дифференциальной шине может, таким образом, настраиваться, например, на скорость передачи линии к станции управления на поверхности. Такая линия может быть, например, линией электропитания. В частности, битовая скорость по дифференциальной шине может быть установлена, чтобы полностью использовать фактическую максимальную скорость передачи по линии связи с поверхностью. В частности, в вариантах осуществления, где микроконтроллер и программируемая пользователем матрица логических элементов могут соединяться с основным блоком управления подводного электронного модуля через шину управления, битовая скорость к любому подсоединенному удаленному подчиненному устройству может настраиваться через средство маршрутизации. Каждый канал маршрутизации является прозрачным по отношению к битовой скорости данных, передаваемых по нему.
В другом варианте осуществления упомянутая шина управления может соединяться с основным блоком управления через штепсельное соединение. Поэтому схемная плата может просто заменяться в случае дефекта или обновления аппаратных средств. В частности, она может проектироваться как наращиваемая плата, как предусмотрено стандартом РС104, тем самым дополнительно сокращая требуемое пространство для размещения.
Разумеется, изобретение также относится к подводному электронному модулю для подводного блока управления, причем подводный электронный модуль содержит средство маршрутизации согласно изобретению.
В последующем описании изобретение описано более подробно со ссылками на чертежи, на которых показано следующее:
фиг.1 - блок-схема первой стороны схемной платы средства маршрутизации,
фиг.2 - схематичное представление вида сбоку схемной платы средства маршрутизации,
фиг.3 - блок-схема обратной стороны схемной платы средства маршрутизации,
фиг.4 - блок-схема ресурса маршрутизатора.
На всех чертежах соответствующие элементы обозначены идентичными ссылочными позициями.
Средство 1 маршрутизации, показанное на виде спереди на фиг.1, представляет собой одну печатную схемную плату 2, содержащую на своей первой стороне микроконтроллер 3, программируемую пользователем матрицу 4 логических элементов и четыре ресурса 5 маршрутизатора рядом с двойным D-Sub штепсельным соединителем 6. Штепсельный разъем 6 размещен на схемной плате 2, включая в себя иллюстративную 104-штырьковую вилку на одной стороне схемной платы 2 и соответствующее гнездо на другой стороне. Например, это наращиваемый соединитель шины согласно стандарту РС104. Это позволяет компоновать в стопку плату средства маршрутизации вместе с другими платами с тем же типом разъема. Такая стопка плат требует минимального пространства в подводном электронном модуле 7 подводного блока управления.
Схемная плата 2 имеет формат, например, согласно стандарту РС104. Через штепсельный разъем 6 она может быть соединена с шиной 8 управления подводного электронного модуля (не показан), в частности, с основным блоком управления (не показан) такого модуля. Шина 8 управления является 8-битовой шиной ISA (архитектура шины промышленного стандарта) в специальном примере.
2
Альтернативно, она может быть, например, расширенной шиной ISA, шиной PCI или шиной IEEE 1394. Однако средство 1 маршрутизации может также использоваться отдельно, без укладки в стопку. Для этой цели оно может альтернативно соединяться с подводным электронным модулем 7 через шину согласно стандарту IC. Средство 1 маршрутизации, в частности микроконтроллер 3, может также соединяться с подводным электронным модулем через последовательный интерфейс RS-232 (не показан) для доступа в целях технического обслуживания. Плата средства 1 маршрутизации, т.е. схемная плата 2, может также использоваться в автономном режиме работы без использования стека PC104. Однако если присутствует соединение РС104, источник питания для средства 1 маршрутизации доступен от него. Можно использовать также другие источники питания, в частности в автономном режиме работы.
Каждый ресурс 5 маршрутизатора содержит один полудуплексный локальный приемопередатчик 9 для дифференциальной последовательной шины и один полудуплексный удаленный приемопередатчик 10 для дифференциальной последовательной шины. Дифференциальная последовательная шина является в изображенном примере шиной RS-485 PROFIBUS DP. Альтернативно, она может быть, например, шиной CAN. Также возможно использовать полнодуплексные приемопередатчики 9, 10. Подводный электронный блок 7 может иметь подчиненный компонент дифференциальной последовательной шины, соединенный с главным компонентом на поверхности, а также он может предусматривать один или более индивидуальных главных компонентов дифференциальной последовательной шины, которые имеют отдельные подчиненные компоненты, связанные с их ресурсами 5 маршрутизатора.
Удаленные приемопередатчики 10 гальванически изолированы от остальных частей средства 1 маршрутизации, в частности от локальных приемопередатчиков 9. Они снабжены активными средствами нагружения шины (не показаны на этом чертеже) и средствами смещения (не показаны на этом чертеже). Каждый удаленный приемопередатчик 10 соединен с различными выводами одной 44-штырьковой вилки 11, обеспечивающей все внешние соединения. В частности, внешние шинные элементы для дифференциальной последовательной шины могут быть соединены через различные выводы вилки 11. Вилка 11 может быть использована для соединения RS-232 с последовательным портом внешнего РС, в частности, в автономном режиме работы средства 1 маршрутизации.
Локальные приемопередатчики 9 соединены с отдельными шинными портами программируемой пользователем матрицы 4 логических элементов. Каждый удаленный приемопередатчик 9 запитывается соответствующим преобразователем постоянного тока в постоянный ток (не показан на этом чертеже), который отдельно может отсоединяться программируемой пользователем матрицей 4 логических элементов. Обычно преобразователь постоянного тока в постоянный ток приводится в действие, только если удаленный шинный элемент соединен с соответствующим ресурсом 5 маршрутизатора, чтобы сэкономить мощность питания.
Возможными шинными элементам, которые могут быть соединены с выводами вилки 11, являются, например, другие подводные блоки управления, например, их электронные модули 7 или датчики (не показаны на этом чертеже), способные выдавать свои данные процесса по дифференциальной последовательной шине. Такие датчики предпочтительно развернуты вне подводного блока управления, например, в арматурах скважин или на трубопроводах. Датчики могут быть, например, датчиками морской воды, датчиками давления или датчиками температуры. Эти датчики контролируют нефте/газо/водный процесс производства.
Микроконтроллер 3 и программируемая пользователем матрица 4 логических элементов непосредственно связаны с шиной 8 управления, посредством которой они доступны, например, из основного блока управления подводного электронного модуля 7, в который вставлена плата средства 1 маршрутизации посредством штепсельного разъема 6. Микроконтроллер 3 служит для установки РС104 адреса в регистре в программируемой пользователем матрице 4 логических элементов и для разрешения РС104 доступа к программируемой пользователем матрице 4 логических элементов. Он дополнительно служит для считывания и записи всех регистров программируемой пользователем матрицы 4 логических элементов и сохранения предварительно определенных условий статуса. Это позволяет вводить предварительно определенный статус после включения питания.
Программируемая пользователем матрица 4 логических элементов имеет программно-аппаратную реализацию всей логики для декодирования РС104 интерфейса. Она содержит физические регистры для команд и откликов. Логика маршрутизатора полностью реализована в программируемой пользователем матрице 4 логических элементов. Имеется четыре экземпляра этой логики в программируемой пользователем матрице 4 логических элементов, каждый из которых соответствует одному из ресурсов 5 маршрутизатора, причем они управляются битами в регистрах команд. Четыре бита в регистре управления маршрутизатора в программируемой пользователем матрице 4 логических элементов включают/отключают ресурсы 5 маршрутизатора. Если один из битов равен нулю, соответствующий ресурс 5 маршрутизатора не будет пропускать данные с любого из направлений. Если программируемая пользователем матрица 4 логических элементов обнаруживает ошибку аппаратных средств в дифференциальной последовательной шине, она автоматически отключает соответствующий ресурс 5 маршрутизатора.
Пакет данных, поступающий в программируемую пользователем матрицу 4 логических элементов либо по шине 8 управления, т.е. от основного блока управления подводного электронного модуля, или от одного из ресурсов 5 маршрутизатора, т.е. от внешнего источника, маршрутизируется программируемой пользователем матрицей 4 логических элементов в соответствующее место назначения шины, указанное в заголовке пакета данных. Для передачи по шине 8 управления пакеты данных дифференциальной последовательной шины упаковываются в пакеты шины 8 управления. Программируемая пользователем матрица 4 логических элементов ответственна за упаковку/распаковку соответствующих пакетов данных, маршрутизируемых к/от шины 8 управления. Так как ресурсы 5 маршрутизатора соединены с индивидуальными портами программируемой пользователем матрицы 4 логических элементов, средство 1 маршрутизации работает как коммутатор, приводя в результате к минимальным коллизиям в шине.
Все ресурсы 5 маршрутизатора могут работать с переменными битовыми скоростями от 9600 бит/с до 10 Мбит/с. Программируемая пользователем матрица 4 логических элементов обеспечивает прозрачную битовую скорость с малой задержкой. Она прослушивает трафик в обоих концах. Сторона, которая обнаруживает трафик первой, соединяется с другой стороной. И поскольку каждый приемопередатчик 9, 10 требует двух микросекунд для выключения своего приемника и включения своего передатчика, программируемая пользователем матрица 4 логических элементов задерживает битовый поток пакета данных на две микросекунды сдвиговым регистром (не показан).
Отдельные ресурсы 5 маршрутизатора могут обслуживать различные секции подчиненной сети с одинаковыми или отличающимися скоростями передачи, т.е. битовыми скоростями. В PROFIBUS DP сети DP главный компонент всегда определяет скорость передачи для всех DP подчиненных компонентов, которые соединены с этим DP главным компонентом. Основной канал связи - это тот, в котором DP главный компонент расположен на поверхности. Этот DP главный компонент на поверхности управляет DP скоростью и параметрами шины DP протокола, которые распространяются ко всем подсоединенным подводным DP подчиненным компонентам вслед за последовательностью запуска DP главного компонента.
Максимальная битовая скорость дифференциальной последовательной шины определяется различными характеристиками кабеля и длиной различных кабелей в каждой сети дифференциальной последовательной шины. Выбранная битовая скорость устанавливается вручную инженером-исследователем при установке конфигурации шины главного компонента. Последовательный перезапуск главного компонента активируется, и соединенные подчиненные компоненты, включая каналы маршрутизатора, будут отвечать в соответствии с новой скоростью передачи DP главного компонента. Если для инженера-исследователя затруднительно планировать скорость передачи, то главный компонент может конфигурироваться с увеличенной битовой скоростью шины с последующими новыми установками линий в исходное состояние. Таким путем возможно найти наивысшую возможную битовую скорость для каждой сети дифференциальной последовательной шины. Эта процедура используется в планируемой деятельности по пуску в эксплуатацию перед полным запуском системы.
В специальных вариантах осуществления, обеспечивающих коммуникацию по линии питания посредством модемов линии питания, модем линии питания может выдать отсчет максимальной возможной битовой скорости через интерфейс диагностики, после того как инициализация модема завершена. Инженер-исследователь может использовать эту информацию для установки наивысшей возможной битовой скорости дифференциальной последовательной шины в установке конфигурации шины главного компонента.
На фиг.2 показан схематичный вид сбоку схемной платы 2, содержащей средство 1 маршрутизации на своей верхней стороне. На второй стороне размещены три специализированных интерфейса 12, 13, 14 ввода/вывода, а именно цифровой интерфейс 12 ввода, цифровой интерфейс 13 вывода и аналоговый интерфейс 14 ввода. Каждый интерфейс 12, 13, 14 имеет множество портов 11 для сбора и вывода данных процесса соответственно.
Интерфейсы 12, 13, 14 ввода/вывода можно лучше видеть на фиг.3, где показано схематичное изображение обратной стороны схемной платы 2. Размещение средства 1 маршрутизации и интерфейсов 12, 13, 14 ввода/вывода на обеих сторонах одной схемной платы 2 приводит к дополнительному снижению потребления мощности и требуемого пространства, так как в известном уровне техники для этой цели требовались три отдельные платы ввода/вывода. С помощью средства 1 маршрутизации согласно данному примеру требуемое число плат может быть уменьшено с четырех (две стандартные платы интерфейса ввода/вывода, одна плата маршрутизатора, одна заказная плата ввода/вывода) до одной. Таким образом, потребление мощности, а также требуемое пространство снижаются до примерно одной четвертой по сравнению с предшествующим уровнем техники. Битовая скорость передачи является переменной, позволяя достигать максимальную скорость передачи данных шины для каждой индивидуальной подводной установки в зависимости от ситуации окружающей среды. Кроме того, ввиду нагружения шины, смещения и гальванической изоляции средство 1 маршрутизации нечувствительно к внешним помехам, таким как разрыв подводного кабеля или внешние короткие замыкания.
Интерфейсы ввода/вывода обеспечивают универсальную связность для источников цифровых и/или аналоговых данных процесса. Источники цифровых/аналоговых сигналов могут быть подсоединены к портам 11. Основной блок управления (не показан на этом чертеже) подводного электронного модуля (не показан на этом чертеже) получает доступ к интерфейсам 12, 13, 14 ввода/вывода через шину 8 управления и микроконтроллер 3, с которым соединены интерфейсы 12, 13, 14. В противоположность ресурсам 5 маршрутизатора, они не соединены непосредственно с шиной 8 управления.
Цифровой интерфейс 12 ввода может быть использован, например, для сбора данных статуса реле, в частности коммутаторов и силовых реле, или статуса схем восприятия мощности питания. Цифровой интерфейс 13 вывода может быть использован, например, для установки/очистки статуса такого реле, в частности повторной установки мощности питания интерфейса удаленного датчика. Аналоговый интерфейс 14 ввода может быть использован, например, для значений, получаемых в результате контроля изоляции подводных электрических кабелей или измерения давления или измерения температуры внутри подводного блока управления или трубопровода. Например, контроль изоляции подводных кабелей питания и дифференциальной последовательной шины может привести в результате к аналоговым напряжениям, соответствующим значениям сопротивления в диапазоне от 100 кОм до 18 МОм. Если изоляция повреждена, значение сопротивления будет заметно падать. Это может быть обнаружено посредством микроконтроллера 3 в оцифрованных значениях напряжения, причем соответствующий ресурс (не показан на этом чертеже) маршрутизатора может быть отключен. Аналоговый интерфейс 14 ввода содержит иллюстративный 16-битовый аналого-цифровой преобразователь. Все входные значения буферизуются для микроконтроллера 3, чтобы считывать их и подвергать дальнейшей обработке. Например, микроконтроллер 3 может отвечать цифровыми/оцифрованными значениями на запросы на временной основе станции управления на поверхности, либо он может сам контролировать значения и сообщать только об отклонениях от предварительно определенных допустимых интервалов значений.
Цифровые/оцифрованные значения могут сохраняться в регистрах программируемой пользователем матрицы 4 логических элементов (не показана на этом чертеже) в форме различных кольцевых контуров посредством микроконтроллера 3. Отсюда значения могут считываться другими элементами шины, в частности станцией управления на поверхности (не показана на этом чертеже).
Фиг.4 показывает один из ресурсов 5 маршрутизатора в форме блок-схемы. Локальный приемопередатчик 9 расположен на правой стороне и соединен с программируемой пользователем матрицей 4 логических элементов. Удаленный приемопередатчик 10 расположен на левой стороне. Три оптрона 15 обеспечивают гальваническую изоляцию для удаленного приемопередатчика 10. Плавающая мощность питания для удаленного приемопередатчика 10 обеспечивается посредством преобразователя 16 постоянного тока в постоянный ток. Локальный приемопередатчик 9 связан с заземлением подводного электронного модуля 7. Приемопередатчики 9, 10 рассчитаны на максимальную битовую скорость 10 Мбит/с. Оптроны 15 рассчитаны на максимальную битовую скорость 25 Мбит/с.
Каждый ресурс 5 маршрутизатора имеет детектор ошибок (не показан), который контролирует уровни входящего напряжения как на локальной стороне, так и на удаленной стороне. Если напряжения двух линий одной стороны отличаются более чем на предварительно определенное разностное значение, более чем 10 битов при самой низкой битовой скорости 9600 бит/с, то соответствующий ресурс 5 маршрутизатора отключается. Один из восьми битов статуса в регистре статуса маршрутизатора в программируемой пользователем матрице 4 логических элементов устанавливается для указания, в каком ресурсе 5 маршрутизатора и на какой стороне (локальной/удаленной) обнаружена проблема. Путем записи '1' в бит статуса, указывающий ошибку, ошибка очищается, и соответствующий детектор ошибки переустанавливается.
Соответствующий бит управления в регистре управления маршрутизатора программируемой пользователем матрицы 4 логических элементов соответствует каждому преобразователю 16 постоянного тока в постоянный ток. Если бит равен нулю, соответствующий преобразователь 16 постоянного тока в постоянный ток отсоединяется, в противном случае он активизируется. Поэтому мощность может экономиться за счет того, что включается только преобразователь 16 постоянного тока в постоянный ток, имеющий в текущий момент присоединенный другой элемент шины.