誘導(dǎo)無線定位系統(tǒng)在行移臺(tái)車上的運(yùn)用

摘要：連鑄機(jī)所配備的專用精確誘導(dǎo)無線位置檢測(cè)系統(tǒng)必須具備高精度和高可靠性。文章通過對(duì)某鋼廠實(shí)際工程應(yīng)用，證明誘導(dǎo)無線定位在橫移臺(tái)車上使用，定位準(zhǔn)確，誤差滿足設(shè)計(jì)要求，不大于10mm。
關(guān)鍵詞：誘導(dǎo)無線定位系統(tǒng)；行移臺(tái)車；運(yùn)用

O 引言
    二煉鋼四號(hào)板坯連鑄機(jī)輥道橫向自走式臺(tái)車要運(yùn)輸5流和6流的板坯到D列和E列輥道上，5流與6流間距是6．20米，D列與E列間距是22．60米，臺(tái)車可橫行距離是35．353米。臺(tái)車最大運(yùn)行速度是90m／min，中速是60m／min，低速是9m／min。
    橫移臺(tái)車是二煉鋼四號(hào)連鑄機(jī)作業(yè)線上的關(guān)鍵設(shè)備，四號(hào)連鑄機(jī)的橫移臺(tái)車配置不同于1930和1450連鑄，1930和1450連鑄橫移臺(tái)車配置是兩臺(tái)，而四號(hào)連鑄機(jī)因工程投資因素只設(shè)置一臺(tái)橫移臺(tái)車，鑒于上述原因橫移臺(tái)車的可靠運(yùn)行就顯得非常重要了。因此，它所配備的專用精確誘導(dǎo)無線位置檢測(cè)系統(tǒng)必須具備高精度和高可靠性。

1 格雷母線位置檢測(cè)基本原理
    格雷母線位移傳感器以相互靠近的扁平狀的格雷母線和天線箱之間的電磁耦合來進(jìn)行通信，并在通信的同時(shí)檢測(cè)到天線箱在格雷母線長(zhǎng)度方向上的位置。
1．1 格雷母線的結(jié)構(gòu)
    格雷母線由電纜芯線、模芯和電纜護(hù)套構(gòu)成。電纜芯線有兩種，即基準(zhǔn)線(R線)和地址線(G0線一G9線)，基準(zhǔn)線用于獲取標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，地址線用于檢測(cè)地址。各對(duì)地址線按不同步長(zhǎng)規(guī)律編排，每隔一定長(zhǎng)度(步長(zhǎng))交叉一次，設(shè)格雷母線的最小步長(zhǎng)為W，則G0、G1、G2…G8、G9步長(zhǎng)分別為1W、2W、4W、8W…256W、512W，基準(zhǔn)線R在整個(gè)格雷母線段中不交叉，格雷母線芯線展開如圖1所示。

1．2 格雷母線位置檢測(cè)工作原理
    格雷母線位置檢測(cè)有兩種檢測(cè)地址，即絕對(duì)地址和精密地址。
1．2．1 絕對(duì)地址
    通過GO、G1…等地址線直接解析出的地址叫做絕對(duì)地址，也叫“大地址”。
    格雷母線位置檢測(cè)有兩種工作方式：
    第一種：地上檢測(cè)方式，地址編碼發(fā)射器和天線箱安裝在移動(dòng)站，通過天線箱發(fā)射地址信號(hào)，地址編碼接收器安裝在固定站上，在固定站完成地址檢測(cè)。
    第二種：車上檢測(cè)方式，地址編碼發(fā)射器安裝在固定站，通過格雷母線芯線發(fā)射地址信號(hào)，天線箱、地址編碼接收器安裝在移動(dòng)站上，移動(dòng)站直接檢測(cè)到地址。
    選擇那一種地址檢測(cè)工作方式要根據(jù)控制系統(tǒng)的需求來考慮決定。如果控制系統(tǒng)的重心在移動(dòng)站上，則采用車上檢測(cè)方式較好；如果控制系統(tǒng)的重心在固定站，則采用地上檢測(cè)方式較合適。
1．2．1．1地上檢測(cè)方式工作原理
    如圖2所示，我們通過一個(gè)最小的地址檢測(cè)系統(tǒng)來描述地上檢測(cè)方式工作原理，該系統(tǒng)格雷母線僅由一對(duì)交叉線和一對(duì)平行線組成。

    當(dāng)移動(dòng)站的天線箱線圈中通入交變電流時(shí)，在天線箱附近會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，由于天線箱離格雷母線很近(約80毫米)， 故格雷母線近似處在一個(gè)交變的、均勻分布的磁場(chǎng)中，因此每對(duì)格雷母線芯線會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。
    由移動(dòng)站天線箱發(fā)射的地址信號(hào)通過電磁耦合方式傳送到格雷母線的交叉線和平行線上，并通過交叉線和平行線把信號(hào)傳送到固定站的地址編碼接收器。地址編碼接收器對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行相位比較。
    如圖3中地址“O”的交叉線的信號(hào)相位與平行線的信號(hào)相位相同，那么定義移動(dòng)站地址為“0”；如圖3中地址“1”的交叉線的信號(hào)相位與平行線的信號(hào)相位相反，那么移動(dòng)站地址為“l(fā)”。
1．2．1．2車上檢測(cè)方式工作原理
    如圖3所示，我們以4個(gè)地址的檢測(cè)系統(tǒng)為例來描述車上檢測(cè)方式：

    如圖所示，固定站的地址編碼發(fā)射器以同頻率分時(shí)方式分別將信號(hào)送給格雷母線標(biāo)準(zhǔn)線、交義線l、交叉線2，并通過電磁耦合方式把信號(hào)傳送到移動(dòng)站的天線箱。移動(dòng)站的地址編碼接收器按順序接收信號(hào)后，將兩對(duì)交叉線的信號(hào)分別與平行線(標(biāo)準(zhǔn)線)信號(hào)進(jìn)行相位比較，如果交叉線的信號(hào)相位與平行線的信號(hào)相位相同，那么定義地址為“0”；如果相位相反，定義地址為“l(fā)”。上圖4中地址l的兩對(duì)交叉線的信號(hào)相位與平行線的信號(hào)相位相同，因此地址1為“00”。地址2中的第一對(duì)交叉線的信號(hào)相位與平行線的信號(hào)相位相同，第二對(duì)交叉線的信號(hào)相位與平行線的信號(hào)相位相反，因此地址2為“01”。
    從上面的分析可以看到，格雷母線用一對(duì)地址線可以檢測(cè)到2個(gè)地址，用二對(duì)地址線可以檢測(cè)到4個(gè)地址。實(shí)際上，用n對(duì)地址線可以檢測(cè)到2n個(gè)地址。
    根據(jù)電磁學(xué)理論：
    φ=S*B 其中：φ為磁通量，S為線陶面積，B為電磁強(qiáng)度。
    e=N*dφ／dt其中：e為感應(yīng)電壓，N為線圈的匝數(shù)。
    理論上講，只要將格雷母線最小步長(zhǎng)W取得足夠小，格雷母線定位精度就可以做得很高，但在工程上由于格雷母線芯線、天線箱尺寸誤差、機(jī)車擺動(dòng)，磁場(chǎng)分布不均勻性，以及外界干擾等因素，格雷母線最小步長(zhǎng)W取值受到一定限制。W取得太小，電磁感應(yīng)面積變小，地址檢測(cè)的信噪比低，造成地址不穩(wěn)定。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，W=200毫米較好。
    格雷母線最小步長(zhǎng)W根據(jù)定位精度來確定，電纜長(zhǎng)度由格雷母線芯線的數(shù)量和最小步長(zhǎng)W確定。一般來說：絕對(duì)定位精度μ=W／2 (其中W為格雷母線最小步長(zhǎng))格雷母線長(zhǎng)度L=2n*μ(其中n為格雷母線芯線的數(shù)量)通過上面的分析我們知道當(dāng)格雷母線最小步長(zhǎng)W=200毫米時(shí)，大地址的檢測(cè)精度為：
    μ=W／2=200／2=100毫米。
    如果格雷母線地址線為10對(duì)(G0一G9)，當(dāng)W=200毫米時(shí)，則格雷母線長(zhǎng)度為：
    L=210*100(毫米)=102．4米。
    地址線G0步長(zhǎng)200毫米，在100毫米開始交叉；G1步長(zhǎng)400毫米，在200毫米開始交叉；G2步長(zhǎng)800毫米，在400毫米開始交叉，…；G8步長(zhǎng)51．2米，在25．6米交叉一次，；G9步長(zhǎng)102．4米，在51．2米交叉一次。
1．2．2 精密地址
    在絕對(duì)地址的基礎(chǔ)上，對(duì)大地址進(jìn)行細(xì)分獲得高精密地址。
    精密地址檢測(cè)方法是在格雷母線中增加一對(duì)地址線L0，LO交叉間隔跟G0一樣，只是錯(cuò)開半個(gè)步長(zhǎng)，如圖4所示：

    與絕對(duì)地址一樣，精密地址也分為車上檢測(cè)方式和地上檢測(cè)方式。兩種工作方式原理相同，這里以地上檢測(cè)方式為例。
    如圖5所示，GO，LO兩對(duì)線的交叉間距一致，均為200毫米，且錯(cuò)開100毫米，其中R線為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)線，不交叉。

    當(dāng)移動(dòng)站的天線箱線圈中通入交變電流時(shí)，地址線GO、L0產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)如下：

   
    V0、V1——電纜芯線G0、LO上感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)信號(hào)幅度；
    dφ0、dφ1——通過電纜芯線G0、L0的磁通變化量；
    N—一格雷母線芯線圈數(shù)，在這里N=1；
    B——磁場(chǎng)強(qiáng)度；
    S——磁場(chǎng)作用在電纜芯線G0、LO上的有效面積；
    設(shè)S0是磁場(chǎng)作用在芯線GO上的有效面積，S1是磁場(chǎng)作用在芯線LO上的有效面積，H為電纜的寬度，W為格雷母線芯線的最小步長(zhǎng)。當(dāng)移動(dòng)站上的天線箱按圖5中方式移動(dòng)時(shí)(移動(dòng)距離為X，X<100毫米)。
    則： V0=一dφ0／dt=一BdSO／dt=一Bd(HW一2HX)／dt…(4)
    V1=一dφl(shuí)／dt=一BdSl／dt=一Bd(2HX)／dt ……(5)
    在同一時(shí)間間隔內(nèi)，由(4)／(5)得：
    V0／Vl=W／2X—1 ……(6)
    格雷母線安裝好后，當(dāng)天線箱信號(hào)源不變時(shí)，由式(6)可知，當(dāng)X<100毫米范圍內(nèi)，VO／Vl與X成線性關(guān)系。由于G0、LO的交叉間距相同且錯(cuò)開100毫米，故在100毫米間距的每個(gè)位置總有一個(gè)V0／Vl比值對(duì)應(yīng)，且這個(gè)比值不受環(huán)境噪音和接收信號(hào)電平波動(dòng)的影響。
    理論上如果將VO／V1比值無限細(xì)分，可以獲得非常高的檢測(cè)精度，但是由于工藝條件的限制，地址細(xì)分?jǐn)?shù)不可能很大，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，細(xì)分?jǐn)?shù)取20較好。例如，如果格雷母線得到的大地址精度為100毫米，細(xì)分?jǐn)?shù)為20，則精密地址精度=100／20=5毫米．
1．3 格雷母線數(shù)據(jù)通信工作原理
    格雷母線數(shù)據(jù)通信單元包括發(fā)信機(jī)、天線箱、收信機(jī)、感應(yīng)環(huán)線等部分。
    在格雷母線中增加兩對(duì)感應(yīng)環(huán)線用于數(shù)據(jù)通信，通過電磁耦合在發(fā)信機(jī)和收信機(jī)之間傳送信息，信息使用頻率鍵控(FSK)方式調(diào)制，使用相干解調(diào)，標(biāo)準(zhǔn)通信速率4800bps或9600bps，通信誤碼率：10一7。

2 格雷母線通信定位裝置特點(diǎn)
    (1)非接觸工作方式：非接觸工作方式，無滑脫和磨損等故障；
    (2)絕對(duì)位置檢測(cè)：能夠連續(xù)地、高精度地檢測(cè)絕對(duì)地址，位置檢測(cè)精度達(dá)5毫米，可以實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)車自動(dòng)行走和全自動(dòng)操作；
    (3)通信適用范圍廣：通過電磁耦合來進(jìn)行通信，不受環(huán)境條件限制，接收靈敏度高。例如在隧道內(nèi)空間電磁波便很難傳送，格雷母線能實(shí)現(xiàn)通信；
    (4)不受無管會(huì)管制；數(shù)據(jù)通信的載頻為低頻，所產(chǎn)生的電磁場(chǎng)只限于幾米范圍，不需要向無管會(huì)申請(qǐng)即可使用；

    (5)兼容性好：位置檢測(cè)和數(shù)據(jù)通信可以合用一根格雷母線電纜，施工方便、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單，占空間小，不影響現(xiàn)場(chǎng)外觀，不改變現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備；
    (6)抗干擾能力強(qiáng)：使用交叉扭絞結(jié)構(gòu)及相位檢測(cè)技術(shù)，天線箱與格雷母線兩者間隙從30毫米到300毫米均可正常工作，不受環(huán)境噪音和接收信號(hào)電平波動(dòng)的影響，能夠在諸如鐵礦石場(chǎng)等惡劣環(huán)境條件中長(zhǎng)期可靠的工作；
    (7)適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境：耐酸、堿腐蝕，防護(hù)等級(jí)IP67，使用壽命長(zhǎng)。

3 格雷母線位移傳感器
    格雷母線位置檢測(cè)包括地址編碼發(fā)射器，地址編碼接收器，格雷母線，天線箱四個(gè)部分。格雷母線長(zhǎng)度可依工程需要而定，多根格雷母線可拼接以滿足工程需要。
3．1 地上檢測(cè)方式
    格雷母線地上檢測(cè)方式典型設(shè)備配置如圖5所示。

    地上檢測(cè)方式的特點(diǎn)：
    ①移動(dòng)站天線箱l為地址信號(hào)“發(fā)射天線”，固定站格雷母線芯線為地址信號(hào)“接收天線”；
    ②地址編碼接收器在地面站，由地面站檢測(cè)移動(dòng)站的地址。
3．2 車上檢測(cè)方式
    格雷母線車上檢測(cè)方式典型設(shè)備配置如圖6所示。
    圖6車上檢測(cè)設(shè)備配置圖

    車上檢測(cè)方式的特點(diǎn)：
    ①固定站格雷母線芯線為地址信號(hào)“發(fā)射天線”，移動(dòng)站天線箱1為地址信號(hào)“接收天線”；
    ②地址編碼接收器在移動(dòng)站上，移動(dòng)站直接得到本機(jī)車的地址。

4 定位系統(tǒng)方案及技術(shù)指標(biāo)
4．1 系統(tǒng)方案
    二煉鋼四號(hào)板坯連鑄機(jī)橫移臺(tái)車位置檢測(cè)系統(tǒng)采用先進(jìn)、可靠、成熟的誘導(dǎo)無線電纜(以下簡(jiǎn)稱IR電纜)來實(shí)現(xiàn)橫移臺(tái)車位置檢測(cè)。位置檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備主要由二套地上局控制系統(tǒng)、二套車上局控制系統(tǒng)、二套位置檢測(cè)天線、一套IR電纜、一套始端箱和一套終端箱等組成。發(fā)信裝置的發(fā)振調(diào)制頻率設(shè)計(jì)為46kHz、62 kHz、78 kHz可調(diào)。其發(fā)振頻率不產(chǎn)生對(duì)其他電氣設(shè)備的干擾。IR電纜采用格雷氏碼編制而成，其絕對(duì)地址信息真實(shí)可靠，不會(huì)有誤碼，IR電纜檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)備分辨率±5mm，整個(gè)IR電纜工作溫度達(dá)70℃，IR電纜的規(guī)格長(zhǎng)度考慮了現(xiàn)場(chǎng)的施工條件。天線采用雙天線箱熱備冗余結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如上圖所示：
4．2 系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)
    輸出接口：DEVICE NET、Profi-bus、RS-485、RS-232、I／O
    數(shù)據(jù)傳輸速率：≥9600 BPS；
    等效全向輻射功率(EIRP)≤27dBm；
    發(fā)振調(diào)制頻率：46kHz或62 kHz或78 kHz；
    位置檢測(cè)感應(yīng)距離：水平方向30～300mm：
    上下方向±50mm；
    位置檢測(cè)分辨率： ±5mm：
    位置檢測(cè)精度： ≤10mm；

5 使用效果
    四號(hào)連鑄機(jī)的橫移臺(tái)車使用格雷母線并配置16線、3線模數(shù)化電極移動(dòng)車，于2006年底投入使用，效果非常好，橫移臺(tái)車定位準(zhǔn)確，誤差滿足設(shè)計(jì)要求。