感应无线技术简介

感应无线技术简介

一、    概述

<一>、感应无线技术国内外发展状况

感应无线技术是七十年代末在日本开始发展起来的一项新的工业应用技术。

在国际上，目前仅日本古河、住友等几个公司掌握该技术。

在国内，岳阳电子研究所是唯一掌握该技术的单位，其研究成果已达到国际先进水平，并成功地将该技术应用于焦炉炼焦自动化。其产品已应用在武汉钢铁公司、太原钢铁公司、新疆八一钢铁公司、邯郸钢铁公司、临汾钢铁公司等。

  <二>、感应无线技术主要解决的问题

在现代工业中，若干台大型移动机车（有轨）在中央控制室主计算机统一指挥下，有序地、协调地工作（甚至是全自动的工作），必须解决以下两个问题：

1、移动机车与中央控制室之间、一台移动机车与另一台移动机车之间的

可靠的信息交换————数据通信问题；

2、中央控制室随时都要了解各机车目前所处在的位置————位置检测问题。

感应无线技术采用独特的编码电缆技术，十分成功地同时解决了这两个问题。

二、    感应无线技术的基本原理

<一>、基本原理

1、编码电缆

编码电缆的外形为扁平状态（故又称扁平电缆），内部有若干对电线，按照人们所制定的编码规则，各对线在不同的地方交叉（也有不交叉对线），如图1所示（此图按照格雷码规则交叉）。将各对线重叠在一起，封装在氯丁橡胶压制的护套内，就构成了编码电缆。

 

  ①

 

  ②

 

  ③

 

                        图1

 

 

     扁平电缆安装在移动机车的轨道旁，移动机车的轨道有多长，则需要等长

的扁平电缆。

   2、天线

        天线即一组线圈，当天线线圈中加入信号电流时，在附近空间产生变化规律相同的磁场。

天线安装在移动机车上，随着移动机车的移动而移动。

   3、电磁感应

扁平电缆中任何一对线，当在终端加一个匹配电阻后，都可以看成一个单圈的线圈，如图2所示。

                                                                  R

                                                                  

图2        

当天线与扁平电缆靠近时，就相当于两个耦合的线圈：

①  、在天线中加入信号电流时，在扁平电缆每一对线上，都会产生相应的感生电动势；在扁平电缆任何一对线上加入信号电流时，在天线中也会产生相应的感生电动势。于是，天线与扁平电缆之间，形成了一个通信信号通道。

②    、在天线中加入信号电流时，在扁平电缆每一对线上，都会产生相应的

         感生电动势，由于扁平电缆内部若干对电线按照一定的编码规则交叉，

以及特殊结构，能够从扁平电缆各对线上产生相应的感生电动势的相位、大小中得到反映天线所在位置的信息。

  <二>、应用模型

      在实际应用中，扁平电缆安装在移动机车的轨道旁，天线安装在移动机车上，当移动机车沿着轨道行走时，天线与扁平电缆之间始终保持固定的距离。

图3所示为一应用模型

 

                                A车1          A车2             A车3

              圆电缆            

     中                                   扁平电缆A

    

     央       圆电缆

                                          扁平电缆B

     控

                                  B车1                    B车2

     制

    

     室       圆电缆

                                           扁平电缆C

 

                                  C车1                         C车1

图3      

1、模型说明：

①、  本模型共有3根轨道A、B、C，轨道A上有三台作业车A1、A2、 A3；轨道B上有二台作业车B1、B2；轨道C上有二台作业车C1、C2；

②、  沿着这3根轨道分别安装扁平电缆A、扁平电缆B、扁平电缆C，通过圆电缆将扁平电缆与中控室相连；

③、  A车沿着轨道A运行过程中，A车上的天线始终与扁平电缆A保持一定的距离；

2、工作原理

①、移动机车通过天线发送信号，中控室从扁平电缆接收信号

a、 在某一时刻，一条扁平电缆上，只允许一个天线发送信号。例如，在扁平电缆A，是A1的天线发送信号；在扁平电缆B，是B2的天线发送信号；在扁平电缆C，是C1的天线发送信号。

b、移动机车发送的信号中，反映该车当时的工作状况，中控室接收到这些信息，从而对各机车状况了如指掌。

c、 中控室从接收到的扁平电缆各对线上不同的感生电动势的相位、幅度中，分析得到天线当时（发送信号时）所在位置（代表机车的位置）。按照a中的例如，则可得到A1、B2、C1的位置。

②、中控室向扁平电缆发送信号，移动机车通过天线接收信号

       a、中控室同时向3根扁平电缆A、B、C发送信号，任何一台移动机车都可以通过天线接收到中控室发出的信号;

      b、中控室发出的信号中，包括下述内容：

l 各个机车当时的工作状况，所在位置，从而使各个机车了解其它机车当时的工作状况，以及本机车和其它机车当时的位置；

l      工作指令；

l      根据各方面情况分析，指定各轨道上下一次发送信号的机车。

三、    感应无线数据通信

<一>、感应无线数据通信的特点

在数据通信技术中，按照信道传输媒介可分为：有线通信方式，无线通信方式。对于工业中大型移动机车来说，这两种通信方式都有致命的缺陷。

    移动机车采用有线通信方式，必须拖带一根通信电缆，这样一来，使机车的行走速度受到限制，而且所拖带的通信电缆易磨损、易拉断。

    在环境恶劣的工业现场，无线通信方式易受干扰，从而使通信质量降低,甚至无法工作。

感应无线数据通信方式，既不像有线通信靠电缆直接连接；也不像无线通信远距离天线发射、接收；而是通过安装在移动机车上的天线，与敷设在地面轨道旁的扁平电缆近距离之间电磁耦合传递信息，这样，既克服了有线通信方式的不方便，又克服了无线通信方式的易受干扰。

 

 

<二>、感应无线数据通信基本结构

感应无线数据通信的双方分别称为地上局、机上局，地上局、机上局实质上是调制解调器（MODEN），但其载频为较低的频率，且选择工业现场最不容易受干扰的频率。

      其结构如图4所示

 

终 端 箱

始 端 箱

中央控制室

上 位 机

地 上 局

机  车

机 上 PC

机 上 局

天线

 

                                                           

                                       扁平电缆            

                                                              

                        圆

                      电           

                      缆            

                                                   

                                                 

                                                

                                                     

 

                                  

 

 

                                图4

 

机车上PC将需要发送的信息送到机上局经调制后由天线发送，扁平电缆感应到天线发送的信号后，经圆电缆送到地上局解调后，传给上位机；中控室上位机将需要发送的信息送到地上局经调制后，通过圆电缆送到扁平电缆发送，天线感应到扁平电缆发送的信号后，送到机上局解调后，传给机上PC。

<三>、扁平电缆中通信对线的设计

可以想象，在扁平电缆中，只需要不交叉一对线，即可作为一个单线圈与天线形成电磁耦合。但是，不交叉一对线容易受到空间电磁场的干扰，从而使噪声太大，影响通信质量。

      为了抑制噪声，一个有效的方法是使扁平电缆中的通信对线每隔一定的距离交叉一次（从远距离可把这对线看成双绞线）。根据有关资料，此方法抑制噪声的作用可达几个db至30db。

      由于通信对线存在交叉，当天线位于交叉处时，便形成信道死区。

 

             1                 2                 3

 

                    天线

                                 图5

      天线处于如图5所示位置时，当天线发送信号时，线圈1与线圈2产生的感应电动势大小相等，方向相反，从而相互抵消，使通信对线上的感应电动势为0。同样，当天线接收信号时，线圈1与线圈2产生的空间电磁场，对天线的作用也是大小相等，方向相反，从而相互抵消，使天线上的感应电动势为0。

 

 

为了避免在交叉点形成信道死区，在扁平电缆中布置了相间交叉的第二个通信对线，所以扁平电缆中有两个通信对线，分别称为L₀、L₁。如图6所示

 

         Ⅰ      Ⅱ        Ⅲ       Ⅳ        Ⅰ  

              1         2         3        4        1

   L₁

  

   L₀

      

                                图6

        A   B   C    D

1、当天线发送信号时

地上局从L₀、L₁两个传输回路接收到信号，再将从L₁接收的信号移相90⁰后与从L₀接收的信号求和得到合成信号。

若S₀代表从L₀接收的信号，S₁代表从L₁接收的信号，S₁′代表S₁移相90⁰的信号，S代表合成信号, φ代表合成信号的相位，那么：

S= S₀+ S₁′，

∣S∣=√S₀²+ S₁²               （S₀与S₁要么同相要么反相）

φ= arctg(S₁/S₀)         

 

                           S₁′

                  Ⅱ     1      Ⅰ

               

                 

                 2                  4        S₀ 

                                      

 

              

                  Ⅲ     3       Ⅳ

                         图7

分析如下：

⑴、天线处在图6中A位置（区域Ⅰ），

S₀=S₁，∣S∣=√2 ∣S₀∣，φ=π/4

⑵、天线处在图6中C位置（区域Ⅱ）

    S₀=―S₁，∣S∣=√2 ∣S₀∣，φ=3π/4

⑶、天线从区域Ⅰ向区域Ⅱ移动过程中

a、当L₀的交叉刚在天线宽度W内时，S₀的幅度开始减小，天线继续向右移动过程中，S₀的相位不变幅度不断减小，S₀的相位不变；而S₁保持不变。合成信号S，沿着图7所示正方形边框逆时钟方向旋转，π/4<φ<π/2。

 

b、当L₀的交叉在天线宽度W正中时（图6中B位置，S₀=0。合成信号S= S₁′，处于图7位置1，φ=π/2。

c、天线继续再向右移动过程中，S₀的相位反相且幅度不断增大，而S₁保持不变。合成信号S，沿着图7所示正方形边框逆时钟方向旋转，π/2<φ<3π/4。

d、当L₀的交叉不在天线宽度W范围内时，进入了区域Ⅱ。

从以上分析来看，天线处于扁平电缆任何位置，S≠0，消灭了信道死区。

2、当天线接收信号时

地上局从传输回路L₀发送信号S₀，而将S₀移相90⁰后（S₁）从传输回路L₁发送。L₀和L₁产生的电磁场在空间迭加，在任何位置都不为0，因此，天线处于扁平电缆任何位置总能够接收到信号，消灭了信道死区。

四、    感应无线技术位置检测

<一>、感应无线位置检测的特点及分类

1、  感应无线位置检测的特点

a、 绝对位置检测，重复性好；

b、非接触式检测，可靠性高；

c、 位置连续检测，分辨率高；

d、检测方式多样，适用性强；

e、 与感应无线数据通信融为一体。

2、感应无线位置检测分类

①、按检测精度分类

a、 一般位置检测（APD）；

b、高分辨率位置检测（HRPD）。

②、按检测方式分类

a、地上局检测方式：由地面上中控室的检测设备检测出机车行走的位置；

b、机上局检测方式：由机车上的检测设备检测出本身行走的位置。

<二>、APD检测原理

 1、感应电缆内部位置检测对线结构

感应电缆内部除了通信两对线L₀、L₁外，其余对线都是用于位置检测。

不管是地上局检测方式，还是机上局检测方式，只要是APD检测，感应电

缆内部位置检测对线结构是相同的。在感应电缆内部，关于位置检测，有两类线，称为R线和G线，如图8所示。

                              图8

①、R线结构

  首先说明段结构。实际应用中，需要检测的位置的长度通常是较长的，无论从制造或者运输的角度，都不可能把电缆做的很长，因此，只能按一定长度的标准段（如128米），在现场根据实际需要，将若干段连接起来，段与段之间由段间箱连接。

      R线作为标准信号线，不能交叉。但考虑到外界杂散电磁场的影响，不能太长，故采用R线分段技术，每对R线只在相应的段叉开，而在其余的段双绞，即R。在0段叉开，在1、2等段双绞。显然，有多少段，就有多少对R线。

    ②、G线结构

      在一段内，有若干对G线（G₀、G₁······G_N），N的大小取决于段的长度和分辨率（最小检测精度r），G₀线两交叉间距离为W，W=2r。

各对G线在一段内，按格雷码规则交叉编制。格雷码有一个显著的特点，就是从一个代码变为相邻的另一个代码时其中只有一位码发生变化，因而在感应电缆中任何处不存在两对线同时交叉，避免了天线过交叉点时可能

引起的位置误差o  

2、地上局检测方式

当固定在机车上的发送天线线圈中通入交变电流时，在天线附近产生交变磁场，则感应电缆靠近发送天线的部分每一对线中将产生感应电动势（每一对线两个交叉点间的叉开部分可看作一个单圈线圈）。

①、R线信号检测

当感应天线在R_i段时，只有R_i上的信号幅度最大，R_j(j≠I)线上信号很弱(近似零)，通过比较各对R线上的信号幅度的大小，就能判定机车（天线）在i段。并且用R_i上的信号作为标准信号，与各路G信号与之进行相位比较。

②、G线信号检测

以R线的信号作为标准信号，各路G信号与之进行相位比较，相位相同为“0”，相位相反则为“1”，由于各对G线交叉数不同，所以在电缆端口检测到的信号相位不一。如此得出一组数据则反映了天线(亦即移动机车)所处的位置。

 

 

如图9（图中各对线的虚线为公共端，实线为检测端），当天线处在0号位置时，从端口检测到的各路G线信号与R线信号相位相同，位置为0 0 0；天线处在1号位置时，从端口检测的G₁，G₂信号与R线信号相位相同，而G₀信号则由于经过一个交叉点，所以与R线信号相位相反，位置为0 0 1；······。因G线编制的是格雷码结构，所以得到的位置亦是格雷码数据，但很容易用软件或硬件将其变为二进制码数据。若G线对数为N，则可得到2^N个N位的位置数据，若以图9为例，则可得到2³=8个3位的位置数据。而电缆中G。交叉间距(最小交叉间距)为W，  贝APD检测分辨率为r=W／2。

                          图9

通过以上分析，得到以下计算公式：

         P=L*i+r*G

式中：P——机车所处的位置

i——机车所处的段位号

      L——1段电缆的长度

      G——检测出来的位置数据

地上局位置检测方式，若机车需要知道本身的位置，可通过数据通信，由地上局将检测到的位置“告诉”机车上。

3、机上局检测方式

如果在比较简单的系统，不需要数据通信，则机上能自行检测出本身的位置，从而达到单车的自动控制。

此种方式，信号由地上局以同频分时方式，按一定的顺序将信号分别送给R、G₀、G₁等线，固定在机车上的接收天线中收到的信号，因天线所处的位置不同，在某时刻信号相位也不同，如图10，地上局将同一个信号，在t₀时刻从R线送出，在t₁时刻从G₀线送出，在t₂时刻从G₁线送出；机上局只要把t₁、t₂内收

 

 

到的信号与t₀内收到的信号进行相位比较。则能得出反映天线位置的一组串行格雷码数据。

     

                               图10

  <二>、高分辨率位置检测(HRPD)

APD位置检测方式的分辨率完全依赖于感应电缆的交叉间距。由于交叉间距的过分减小，会使得感应电缆与机车上天线间的耦合减弱，信噪比恶化，故APD分辨率的极限为10cm，虽然在一般工业应用中，这个分辨率已经够了，但象焦化厂炼焦炉的三车连锁控制以及行车等自动控制却要求有更高分辨率的位置检测系统，于是便产生HRPD。

可以看出，APD位置检测，是一种数字处理方式，各路G信号与R信号进行相位比较，相位相同为“0”，相位相反则为“1”。HRPD的基本原理是在APD检测到的位置基础上，再采用模拟处理技术，将APD最小交叉间距分细，得到1cm，甚至更小的分辨率。

HRPD也分地上局检测方式和机上局检测方式。其原理基本相同，这里仅介绍地上局检测方式。在APD感应电缆中，增加一对最小间距对线G₀^＇，与原有的G₀错开半个最小间距布置，并使天线宽度与最小交叉间距W一致，见图11。

 

                              图11

如果考虑到发送天线产生的磁场在一定范围内近似于均匀分布，那么地上局接收到的G₀、G₀’信号幅度M(G₀)、M(G₀’)的大小就由天线在G₀、G₀’对线某

 

 

 

交叉间距内所作用的有效面积来决定，如图12所示，可得下面公式：

式中：    M₀——M(G₀)、M(G₀’)的最大幅度

              r——APD检测分辨率 r=W／2。

                X——天线在G₀’中的有效长度

并且有：HRPD=X/r

以图12为例，设电缆最小交叉间距为20cm，APD的分辨率则为10cm(r=10cm)。设总位置为ADD，实际位置为SADD=ADD*r(cm)。

SADD(cm)          0      5     10      15     20            30

ADD               0     0.5     1      1.5     2            3

APD               0             1              2            3

HRPD              0     0.5     1      0.5     1            1

 

G₀’

G₀

  ①

②

  ③

  ④

  ⑤

 

 

                           图12

1、当天线处在①位置时(原点)， M(G₀)=M₀，M(G₀’)=0， X=0，HRPD=0 

APD=0，ADD=APD+HRPD=0    SADD=ADD*r=0(cm)

2、当天线处在②位置时，从原点向前移动了1／4个交叉间距（5cm），

M(G₀)=0.5M₀，M(G₀’)= 0.5M₀， X=5cm，HRPD=0.5

APD=0，ADD=APD+HRPD=0.5  SADD=ADD*r=5(cm)

3、当天线处在③位置时，从原点向前移动了1／2个交叉间距（10cm），

M(G₀)=0，M(G₀’)= M₀，X=10cm，HRPD=1

  APD为不确定，定义算法如下：

APD=0，ADD=APD+HRPD=1         SADD=ADD*r=10(cm)   APD为偶数

  APD=1，ADD=APD+（1-HRPD）=1   SADD=ADD*r=10(cm)   APD为奇数

 

 

 

之A二3／

4、当天线处在④位置时，从原点向前移动了3／4个交叉间距（15cm），

M(G₀)=0.5M₀，M(G₀’)= 0.5M₀， X=5cm，HRPD=0.5

  APD=1，ADD=APD+（1-HRPD）=1.5  SADD=ADD*r=15(cm)

5、当天线处于⑤位置时，从原点向前移动了1个交叉间距（20cm），这时候，

  HRPD检测完成一个周期。，HRPD的各项参数与天线处在①位置时相同

M(G₀)=M₀，M(G₀’)=0， X=0，HRPD=0

APD为不确定，根据算法：

APD=1， ADD=APD+（1-HRPD）=2    SADD=ADD*r=20(cm)   APD为偶数

APD=2，ADD=APD+HRPD=2          SADD=ADD*r=20(cm)    APD为奇数

由以上分析，不难得到总位置ADD的计算方法：

        ADD=APD+HRPD                  APD=2N

         ADD=APD+（1-HRPD）            APD=2N+1

检测HRPD的方法一般采用：

1、直接法

     利用A/D直接测量出M(G₀)、M(G₀’)的数据，

根据 HRPD=X/r= M(G₀’)/[M(G₀)、M(G₀’)]  得到HRPD。

2、间接法

 采用如图13所示电路

         

                                 图13

G₀、 G₀’信号经图13所示电路处理后，得到A、B两信号，其幅度相等，相位差φ（A信号的相位-B信号的相位）由G₀、 G₀’信号幅度大小之比决定，因而反映了天线的位置。

可以证明，当图13中θ=π/2时，HRPD位置与检测到的相位差φ有如下关系；     HRPD=X/r=tan(φ/2)/[1+ tan(φ/2)]

HRPD检测精度,经过实际证明,可得到1cm的精度，这对于长距离的工业控制来说，已经是相当高的精度。有资料表明，日本使用该技术，检测精度达到了0.5cm。

五、    结束语

由于感应无线技术具有优越的综合指标和实用价值，因此在工业（特别是在钢铁工业）中得到了广泛的应用。岳阳市电子研究所应用感应无线技术，在钢铁厂的原料场自动化、焦炉自动化都取得了一定的成果。其产品已经应用在武钢、太钢、新疆八一钢厂等近十家大型钢铁公司。

随着国内工业生产自动化水平的提高，感应无线技术的应用前景将会更加广阔。感应无线技术的应用并不局限于目前已经应用的领域，还有许多应用领域有待开发。