1 Ievads
Rūpnieciskajā automatizācijā vadu sakaru metodes datu pārraidei starp mobilajiem transportlīdzekļiem un centrālajām vadības telpām ir neērtas, jo ir nepieciešams vilkt sakaru kabeļus; No otras puses, bezvadu sakaru metodes cieš no augsta kļūdu īpatsvara skarbo rūpnieciskās vides apstākļu dēļ. Uz indukcijas{1}} balstītu bezvadu datu saziņu (Datu pārraide ar indukcijas radio) informācijas apmaiņai tiek izmantota elektromagnētiskā indukcija starp kodētu kabeli (pazīstama arī kā indukcijas kopne) un indukcijas antenu. Tā kā bezvadu sakaru diapazons ir stingri ierobežots līdz 5–20 cm, šī metode nodrošina gan lokomotīves kustības elastību, gan sakaru kvalitātes uzticamību, vienlaikus ļaujot{5}}reāllaikā izsekot kustīgās lokomotīves atrašanās vietai sakaru laikā.
Elektriskās iekārtas rūpnieciskos apstākļos, jo īpaši mainīgas{0}}frekvences ātruma kontroles ierīces uz kustīgām lokomotīvēm, var radīt spēcīgas harmonikas, kas ir identiskas vai līdzīgas induktīvās bezvadu datu sakaru nesējfrekvencei. Šos ko-frekvences traucējumus nevar mazināt joslas caurlaides filtri. Ja ieejā netiek veikti efektīvi pasākumi, lai to apspiestu, induktīvās bezvadu datu komunikācijas kļūdu līmenis ievērojami palielināsies, iespējams, padarot sistēmu nedarbojamu. Baosteel koksa krāsns elektriskās sistēmas I fāzes modernizācijā tika izmantotas no Japānas importētas iekārtas. Faktiskajā darbībā tika novēroti "bieži pārtraukumi indukcijas kopņu komunikācijā, un analīzē cēlonis tika attiecināts uz nejaušiem spēcīgiem traucējumiem un antenas noteikšanas traucējumiem". Līdz ar to dažos praktiskos lietojumos induktīvā bezvadu tehnoloģija ir atmesta datu saziņai, izmantojot tikai induktīvās bezvadu pozīcijas noteikšanas tehnoloģiju.
Lai novērstu traucējumus induktīvā bezvadu datu pārraidē, eksperti un zinātnieki šajā jomā ir veikuši plašus pētījumus. Vienā pētījumā tika ierosināta induktīva bezvadu diferenciāla uztveršanas antenas konfigurācija, savukārt citā tika ierosināta metode, kurā izmantotas dubultās uztveršanas antenas ar vienu pārraides līniju. Šajā rakstā aprakstītās "krustošas dubultās pārraides līnijas ar vienu uztveršanas antenu vienādās atstarpēs" kop-kanālu traucējumu slāpēšanas paņēmiens induktīvai bezvadu datu komunikācijai var efektīvi nomākt kop-kanāla traucējumu troksni, uzlabot signāla-un{5}}trokšņu attiecību un ir piemērota zemes pozīcijas noteikšanai{6}.
2 Induktīvās bezvadu datu komunikācijas pamatprincipi
Lai analizētu principu, ar kuru kop{0}}kanālu traucējumu slāpēšanas tehnoloģija uzlabo signāla-un-trokšņu attiecību induktīvajā bezvadu datu saziņā, vispirms sniedzam īsu analīzi un ievadu induktīvās bezvadu datu komunikācijas pamatprincipos.
2.1. Kodēts kabelis un induktīvā antena
Kodētais kabelis ir plakanas formas un satur vairākus pārvades līniju pārus, kas krustojas noteiktos punktos saskaņā ar noteiktu kodēšanas shēmu. Kodētais kabelis ir uzstādīts pa mobilās lokomotīves sliedēm, vienu galu savienojot ar centrālo vadības telpu.
Indukcijas antena sastāv no diviem spoļu komplektiem,{0}}viens kalpo kā raidītāja antena un otrs kā uztvērēja antena, Antenas kārba ir uzstādīta uz kustīgās lokomotīves un savienota ar lokomotīves vadības skapi. Antenas kaste pārvietojas kopā ar lokomotīvi un vienmēr saglabā 5–20 cm attālumu no kodētā kabeļa. Skatīt 1. attēlu.
Kad antenas kārba ir novietota tuvu kodētajam kabelim, katrs kodētā kabeļa pārvades līniju pāris izraisa reakciju antenas kārbā esošajās spoles, tādējādi izveidojot neliela-attēluma bezvadu sakaru kanālu starp antenas kārbu un kodēto kabeli.
2.2. Inducētā signāla amplitūdas un fāzes analīze
2. attēlā ir parādīta pārvades līnijas L shematiska diagramma, kas novietota plakaniski blakus antenas spolei. 2. attēlā antenas platums un atstatums starp divām krustojošām pārraides līnijām kodētajā kabelī ir vienādi ar W, kur W=2r.
Definīcija: antenas spoles viduspunkts ir definēts kā antenas spoles pozīcija; apgabals starp diviem pārvades līnijas L krustpunktiem tiek saukts par pārvades līnijas L reģionu K (K=I, II, III, …), un attālums d apzīmē antenas spoles stāvokļa x novirzi no attiecīgā apgabala K viduslīnijas.
Izmantojot antenas spoli kā raidīšanas spoli, mēs analizējam sakaru pārvades līnijā radīto inducēto elektromotora spēku e. Saskaņā ar elektromagnētiskās indukcijas teoriju, strāvai i=Imsinωt plūstot caur antenas spoli, pārvades līnijā inducētā emf e ir e=di/dt. Šeit savstarpējais induktivitātes koeficients M ir funkcija no antenas spoles stāvokļa (x, y, z). Pieņemot, ka y un z paliek nemainīgi, antenas spolei pārvietojoties pa x -virzienu, tad:
e=f(x)ωImcosωt
Tā kā ir krustojums, pārvades līnijas I reģionā radītais inducētais emf eI ir ārpus fāzes ar inducēto emf eII, kas ģenerēts II reģionā. Ja par atskaiti ņemam eI fāzi, pieņemsim
Ja n ir vienmērīgs, pārvades līnijā inducētais emf e ir fāzē ar eI; ja n ir nepāra, e ir ārpus fāzes ar eI, un fāzes koeficients ir (–1)n.
Ja attālums z starp raidīšanas spoli un kodēto kabeli ir mazs, pārraides spoles ģenerētās magnētiskās plūsmas līnijas var tuvināt kā vienmērīgi sadalītas x- virzienā un iet perpendikulāri caur pārvades līniju. Tāpēc pārvades līnijā radītā inducētā elektromotora spēka e lielums A ir proporcionāls pārvades līnijas efektīvajam indukcijas laukumam. Kā parādīts 2. attēlā, kad antenas spole atrodas 1. pozīcijā (d=0), efektīvais indukcijas laukums S=W × B ir maksimālais, un A=Amax. Antenas spoles 3 pozīcijā d=r efektīvais indukcijas laukums S=0 un A=0. Antenas spoles 2 pozīcijā efektīvais indukcijas laukums S=(W – 2d) × B. Iegūstam:
Un otrādi, ja strāva tiek laista caur sakaru pārvades līniju un antenas spole tiek izmantota kā uztveršanas spole, vienādojumi (1) līdz (3) joprojām ir spēkā, pamatojoties uz savstarpējās induktivitātes principu.
3 Traucējumu trokšņu slāpēšanas metodes
Lai novērstu traucējumus, jo īpaši līdz{0}}kanālu traucējumus, visefektīvākā pieeja ir novērst traucējumu trokšņa iekļūšanu uztveršanas galā. Tāpēc dizaina filozofija ir šāda: ieviešot saprātīgu uztveršanas galu vadības telpā-kodētā kabeļa sakaru pārraides līnijas-un transportlīdzekļa-uztvērēja gala-uztvērēja antenas-traucējumu troksnis tiek vājināts, bet sakaru signāli tiek novājināti pēc iespējas mazāk, nevis pastiprinot, nevis pat vājinot. uzlabot signāla-un-trokšņu attiecību.
3.1. Divu pārvades līniju, kas šķērso vienu uztveršanas antenu, projektēšana vienādā attālumā
"Divu pārvades līniju projektā, kas šķērso vienu uztveršanas antenu ar vienādu atstarpi", divi šķērsotu sakaru pārvades līniju pāri, L0 un L1, ir izvietoti kodētajā kabelī. Tiek izmantota viena raidīšanas antena un viena uztveršanas antena; uztvērēja antenu veido tinumu vadītāji krustojumā vairākos apgriezienos, un tāpēc to var uzskatīt par tādu, kas sastāv no uztveršanas spoles 1 un uztveršanas spoles 2. Attālums starp šķērsotajām pārraides līnijām, attālums starp šķērsotajām uztveršanas antenām un raidītās spoles platums ir W. Kā parādīts 3. attēlā.
Attēlā 3(a) ir parādīta operācijas faktiskā struktūra un shematiska diagramma. Attēlā 3(b) ir vienkāršota shematiska diagramma pārvades līnijām L0 un L1, raidīšanas antenai un uztveršanas antenai, kas ir novietota plakani, lai atvieglotu analīzi; faktiskajos lietojumos W=20 cm.
3.2. Pārvades līniju traucējumu novēršanas analīze
Kad lokomotīves raidīšanas antenai tiek pievadīta signāla strāva, vadības centrs saņem signālu pa sakaru pārraides līnijām. Lai novērstu traucējumu troksni, pārvades līnija L0 tiek šķērsota ar regulāriem W intervāliem. No attāluma tas izskatās kā vītā-pāra kabelis, kas nodrošina traucējumu trokšņu slāpēšanu diapazonā no vairākiem dB līdz 30 dB, vidēji pat 15 dB.
Sakaru signāliem saskaņā ar (3) vienādojumu inducētā signāla amplitūda AL0 sakaru pārraides līnijā L0 ir funkcija no antenas stāvokļa x. Ja raidīšanas spoles centrs ir izlīdzināts ar jebkuru krustpunktu uz L0, AL0=0, kā rezultātā veidojas kanāla mirušā zona. Lai izvairītos no šādas situācijas, kodēšanas kabelī ir izvietots papildu sakaru pārvades līniju pāris L1, kuru krustošanās punkti ir novirzīti no L0 punktiem, kā parādīts 3. attēlā. Ļaujiet d0 un d1 apzīmēt attālumus, par kuriem raidītās spoles pozīcija x ir novirzīta attiecīgi no L0 un L1 pārvades līniju viduslīnijām; tad r=d0 + d1. Ļaujiet eL0 apzīmēt signālu, ko inducē pārvades līnija L0, un eL1 apzīmē signālu, ko inducē pārvades līnija L1. Vadības telpas elektroniskajā iekārtā signāls e'L1-, kas ir eL1 nobīdīts par 90 grādiem - tiek summēts ar eL0, lai iegūtu salikto signālu e. Saskaņā ar (2) vienādojumu mums ir:
Šajā brīdī raidīšanas antena atrodas vissliktākajā iespējamajā stāvoklī. e vektoru diagramma ir parādīta 4. attēlā.
Iepriekš sniegtā analīze liecina, ka 3. attēlā parādītais krustoto divu{0}}pārraides-līniju uztvērējs ir ļoti efektīvs traucējumu trokšņu slāpēšanā. Sakaru signāliem ir 3 dB vājināšanās, kad raidīšanas antena ir sliktākajā{5}}gadījuma pozīcijā.
3.3. Uztvērēja antenas traucējumu novēršanas analīze
Traucējumu trokšņu novēršanai tradicionālās uztvērēja antenas sastāv no atsevišķām spolēm bez šķērssavienojuma{0}}un nav traucējumu pretestības. Tomēr uztvērēja antenai, kas parādīta 3. attēlā, ir šķērsotas uztveršanas spoles 1 un 2. Darbības laikā abās spoles radītie traucējumu trokšņa elektromotoriskie spēki eN1 un eN2 ir ārpus fāzes. Ja trokšņa elektromagnētiskie viļņi ir vienmērīgi sadalīti nelielā 2 W apgabalā gar uztverošās antenas x-virzienu, tad eN1=−eN2 un uztverošās antenas izdalītais trokšņa elektromotora spēks eN ir eN1 + eN{14}}
Sakaru signāliem modulētais signāls f₀, kas jāpārraida no centrālās vadības telpas, tiek pastiprināts un pārraidīts pa pārvades līniju L₀; signāls f₁ (kas ir 90 grādu fāzē ar f₀) tiek pastiprināts un pārraidīts pa pārvades līniju L1. Šie divi signāli rada kombinētu elektromagnētisko lauku telpā pie kodēšanas kabeļa, ko uztver un uztver uztverošā antena, kas atrodas netālu no kodēšanas kabeļa. Tā kā f₀ un f₁ ir ortogonāli, tiek novērstas kanāla mirušās zonas. Tradicionālā uztvērēja antenā radītie inducētie signāli ir aprakstīti vienādojumā (6). Kā parādīts 3. attēlā, uztvērēja antena ģenerē inducētus elektromotora spēkus e(1) un e(2) attiecīgi uztveršanas spolēs 1 un 2. Vienāda attāluma šķērsošanas īpašību dēļ uztverošā antena jebkurā pozīcijā apmierina:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); saskaņā ar (6) vienādojumu e(1) un e(2) lielumi ir vienādi;
(2) Ja elektromagnētiskais lauks, kas ģenerēts pārvades līnijas Li (i=0, 1) reģionā K, dominē 1. uztveršanas spolē, tad K+1 reģionā ģenerētais elektromagnētiskais lauks dominē 2. uztveršanas spolē. Pārvades līniju krustošanās dēļ reģionā K+1 radītais elektromagnētiskais lauks ir ārpus fāzes uztveršanas reģionā ar to. 1, pēc divām fāzu inversijām e (1) un e (2) fāzes kļūst vienādas.
Tāpēc inducētais elektromotora spēks e=e(1) + e(2)=2e(1), ko uztverošā antena iegūst no sakaru signāla, ir divreiz lielāks nekā parastajai uztvērējai antenai.
Turklāt, kad raidīšanas spole nosūta signālu, spriegums abos raidīšanas spoles galos ir 200 Vp-p. Lai spēcīgais raidītais signāls nesabojātu uztvērēja priekšpastiprinātāja ķēdi, raidīšanas spole tiek novietota starp divām uztverošās antenas spolēm. Tādā veidā raidošās antenas signāls uztverošajā antenā inducē elektromotora spēku, kas ir aptuveni nulle.
3.4. Uztveres antenas traucējumu slāpēšanas eksperimentālā analīze
Eksperimenta apstākļi bija šādi: elektropārvades līnijas kopējais garums bija 3 m un W=20 mm. Tika izmantots faktisko induktīvo bezvadu datu sakaru iekārtu komplekts ar sakaru ātrumu 4800 b/s, FSK modulāciju un nesējfrekvenci 49 kHz. Normālas darbības laikā modulētā signāla maksimālā strāva, kas iet cauri L0, bija 0,07 A; modulētā signāla maksimālā strāva, kas iet caur raidīšanas antenas spoli, bija 0,38 A.
Eksperimenta laikā attālums z starp raidīšanas spoli un kodēto kabeli tika saglabāts 200 mm, un raidīšanas spoles centrs tika saglabāts vienā virzienā ar vienu L0 krustojumu. Šādos apstākļos inducētā signāla sprieguma amplitūda uz pārvades līnijas L1 tika mērīta kā VL1=25 mVp-p, un inducētā signāla sprieguma amplitūda uz uztverošās antenas tika mērīta kā VA=20 mVp-p.
Ja signāla ģenerators tiek izmantots kā traucējumu avots un paralēlu vadu pāris tiek izmantoti savienošanai, lai radītu traucējumus, skatiet 5. attēlu. Signāla ģenerators izvada traucējumu spriegumu v=Vm sin(2πft), kur f=49 kHz un R=130 Ω.
5. (a) attēlā parādītais eksperiments atbilst traucējumiem parastajā uztvērēja antenā, savukārt eksperiments, kas parādīts 5. (b) attēlā, atbilst traucējumiem uztverošās antenas krustotajās spoles. Ļaujiet VNm (pīķa-līdz-maksimumam) apzīmē traucējumu-izraisīto elektromotora spēku, kas iegūts no uztverošās antenas. 1. tabulā ir parādīti abu eksperimentu dati.
Eksperimentālie rezultāti liecina, ka sistēma panāk traucējumu trokšņu slāpēšanu līdz 48 dB. Iepriekš sniegtās teorētiskās un eksperimentālās analīzes parāda, ka vienādā attālumā šķērsotu uztveršanas antenu izmantošana nodrošina ne tikai spēcīgu traucējumu trokšņu slāpēšanu, bet arī nodrošina sakaru signālu pieaugumu par 6 dB salīdzinājumā ar tradicionālajām uztveršanas antenām, tādējādi ievērojami uzlabojot signāla -pret{4}}trokšņu attiecību.
4 Secinājums
Traucējumu novēršanas paņēmiens, kas ietver "divu pārraides līniju šķērsošanu ar vienu uztveršanas antenu vienādos attālumos" ir izmantota datorizētā{0}}mobilo lokomotīvju centralizētās vadības vadības sistēmā, kurā tiek izmantota induktīva bezvadu tehnoloģija. Praktiski šis paņēmiens ir izrādījies efektīvs, lai novērstu traucējumus rūpnieciskās vidēs, jo īpaši efektīvi nomācot līdz{2}}kanālu traucējumus, ko rada mainīgas-frekvences ātruma kontroles ierīces, tādējādi nodrošinot datu komunikācijas uzticamību. Protams, šajā rakstā piedāvātā traucējumu novēršanas tehnoloģija induktīvai bezvadu datu komunikācijai attiecas tikai uz trokšņu slāpēšanu uztveršanas galā. Elektroniskām iekārtām, kas darbojas skarbos rūpniecības apstākļos, ir jāievieš papildu pasākumi, piemēram, zemējums un ekranēšana; tie ir ārpus šī raksta darbības jomas.