誘導無線定位系統(tǒng)在行移臺車上的運用

摘要：連鑄機所配備的專用精確誘導無線位置檢測系統(tǒng)必須具備高精度和高可靠性。文章通過對某鋼廠實際工程應用，證明誘導無線定位在橫移臺車上使用，定位準確，誤差滿足設計要求，不大于10mm。
關鍵詞：誘導無線定位系統(tǒng)；行移臺車；運用

O 引言
    二煉鋼四號板坯連鑄機輥道橫向自走式臺車要運輸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，臺車可橫行距離是35．353米。臺車最大運行速度是90m／min，中速是60m／min，低速是9m／min。
    橫移臺車是二煉鋼四號連鑄機作業(yè)線上的關鍵設備，四號連鑄機的橫移臺車配置不同于1930和1450連鑄，1930和1450連鑄橫移臺車配置是兩臺，而四號連鑄機因工程投資因素只設置一臺橫移臺車，鑒于上述原因橫移臺車的可靠運行就顯得非常重要了。因此，它所配備的專用精確誘導無線位置檢測系統(tǒng)必須具備高精度和高可靠性。

1 格雷母線位置檢測基本原理
    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行通信，并在通信的同時檢測到天線箱在格雷母線長度方向上的位置。
1．1 格雷母線的結(jié)構(gòu)
    格雷母線由電纜芯線、模芯和電纜護套構(gòu)成。電纜芯線有兩種，即基準線(R線)和地址線(G0線一G9線)，基準線用于獲取標準信號，地址線用于檢測地址。各對地址線按不同步長規(guī)律編排，每隔一定長度(步長)交叉一次，設格雷母線的最小步長為W，則G0、G1、G2…G8、G9步長分別為1W、2W、4W、8W…256W、512W，基準線R在整個格雷母線段中不交叉，格雷母線芯線展開如圖1所示。

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

    當移動站的天線箱線圈中通入交變電流時，在天線箱附近會產(chǎn)生交變磁場，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交變的、均勻分布的磁場中，因此每對格雷母線芯線會產(chǎn)生感應電動勢。
    由移動站天線箱發(fā)射的地址信號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傳送到固定站的地址編碼接收器。地址編碼接收器對接收到的信號進行相位比較。
    如圖3中地址“O”的交叉線的信號相位與平行線的信號相位相同，那么定義移動站地址為“0”；如圖3中地址“1”的交叉線的信號相位與平行線的信號相位相反，那么移動站地址為“l(fā)”。
1．2．1．2車上檢測方式工作原理
    如圖3所示，我們以4個地址的檢測系統(tǒng)為例來描述車上檢測方式：

    如圖所示，固定站的地址編碼發(fā)射器以同頻率分時方式分別將信號送給格雷母線標準線、交義線l、交叉線2，并通過電磁耦合方式把信號傳送到移動站的天線箱。移動站的地址編碼接收器按順序接收信號后，將兩對交叉線的信號分別與平行線(標準線)信號進行相位比較，如果交叉線的信號相位與平行線的信號相位相同，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的兩對交叉線的信號相位與平行線的信號相位相同，因此地址1為“00”。地址2中的第一對交叉線的信號相位與平行線的信號相位相同，第二對交叉線的信號相位與平行線的信號相位相反，因此地址2為“01”。
    從上面的分析可以看到，格雷母線用一對地址線可以檢測到2個地址，用二對地址線可以檢測到4個地址。實際上，用n對地址線可以檢測到2n個地址。
    根據(jù)電磁學理論：
    φ=S*B 其中：φ為磁通量，S為線陶面積，B為電磁強度。
    e=N*dφ／dt其中：e為感應電壓，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、機車擺動，磁場分布不均勻性，以及外界干擾等因素，格雷母線最小步長W取值受到一定限制。W取得太小，電磁感應面積變小，地址檢測的信噪比低，造成地址不穩(wěn)定。根據(jù)工程經(jīng)驗，W=200毫米較好。
    格雷母線最小步長W根據(jù)定位精度來確定，電纜長度由格雷母線芯線的數(shù)量和最小步長W確定。一般來說：絕對定位精度μ=W／2 (其中W為格雷母線最小步長)格雷母線長度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格雷母線最小步長W=200毫米時，大地址的檢測精度為：
    μ=W／2=200／2=100毫米。
    如果格雷母線地址線為10對(G0一G9)，當W=200毫米時，則格雷母線長度為：
    L=210*100(毫米)=102．4米。
    地址線G0步長200毫米，在100毫米開始交叉；G1步長400毫米，在200毫米開始交叉；G2步長800毫米，在400毫米開始交叉，…；G8步長51．2米，在25．6米交叉一次，；G9步長102．4米，在51．2米交叉一次。
1．2．2 精密地址
    在絕對地址的基礎上，對大地址進行細分獲得高精密地址。
    精密地址檢測方法是在格雷母線中增加一對地址線L0，LO交叉間隔跟G0一樣，只是錯開半個步長，如圖4所示：

    與絕對地址一樣，精密地址也分為車上檢測方式和地上檢測方式。兩種工作方式原理相同，這里以地上檢測方式為例。
    如圖5所示，GO，LO兩對線的交叉間距一致，均為200毫米，且錯開100毫米，其中R線為標準信號線，不交叉。

    當移動站的天線箱線圈中通入交變電流時，地址線GO、L0產(chǎn)生的感應電動勢如下：

   
    V0、V1——電纜芯線G0、LO上感應電動勢信號幅度；
    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——磁場強度；
    S——磁場作用在電纜芯線G0、LO上的有效面積；
    設S0是磁場作用在芯線GO上的有效面積，S1是磁場作用在芯線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。當移動站上的天線箱按圖5中方式移動時(移動距離為X，X<100毫米)。
    則： V0=一dφ0／dt=一BdSO／dt=一Bd(HW一2HX)／dt…(4)
    V1=一dφl／dt=一BdSl／dt=一Bd(2HX)／dt ……(5)
    在同一時間間隔內(nèi)，由(4)／(5)得：
    V0／Vl=W／2X—1 ……(6)
    格雷母線安裝好后，當天線箱信號源不變時，由式(6)可知，當X<100毫米范圍內(nèi)，VO／Vl與X成線性關系。由于G0、LO的交叉間距相同且錯開100毫米，故在100毫米間距的每個位置總有一個V0／Vl比值對應，且這個比值不受環(huán)境噪音和接收信號電平波動的影響。
    理論上如果將VO／V1比值無限細分，可以獲得非常高的檢測精度，但是由于工藝條件的限制，地址細分數(shù)不可能很大，根據(jù)工程經(jīng)驗，細分數(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，細分數(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、天線箱、收信機、感應環(huán)線等部分。
    在格雷母線中增加兩對感應環(huán)線用于數(shù)據(jù)通信，通過電磁耦合在發(fā)信機和收信機之間傳送信息，信息使用頻率鍵控(FSK)方式調(diào)制，使用相干解調(diào)，標準通信速率4800bps或9600bps，通信誤碼率：10一7。

2 格雷母線通信定位裝置特點
    (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)絕對位置檢測：能夠連續(xù)地、高精度地檢測絕對地址，位置檢測精度達5毫米，可以實現(xiàn)移動機車自動行走和全自動操作；
    (3)通信適用范圍廣：通過電磁耦合來進行通信，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，格雷母線能實現(xiàn)通信；
    (4)不受無管會管制；數(shù)據(jù)通信的載頻為低頻，所產(chǎn)生的電磁場只限于幾米范圍，不需要向無管會申請即可使用；

    (5)兼容性好：位置檢測和數(shù)據(jù)通信可以合用一根格雷母線電纜，施工方便、安裝維護簡單，占空間小，不影響現(xiàn)場外觀，不改變現(xiàn)場設備；
    (6)抗干擾能力強：使用交叉扭絞結(jié)構(gòu)及相位檢測技術，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)境噪音和接收信號電平波動的影響，能夠在諸如鐵礦石場等惡劣環(huán)境條件中長期可靠的工作；
    (7)適用于惡劣的工業(yè)環(huán)境：耐酸、堿腐蝕，防護等級IP67，使用壽命長。

3 格雷母線位移傳感器
    格雷母線位置檢測包括地址編碼發(fā)射器，地址編碼接收器，格雷母線，天線箱四個部分。格雷母線長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 地上檢測方式
    格雷母線地上檢測方式典型設備配置如圖5所示。

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

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

4 定位系統(tǒng)方案及技術指標
4．1 系統(tǒng)方案
    二煉鋼四號板坯連鑄機橫移臺車位置檢測系統(tǒng)采用先進、可靠、成熟的誘導無線電纜(以下簡稱IR電纜)來實現(xiàn)橫移臺車位置檢測。位置檢測系統(tǒng)設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)制頻率設計為46kHz、62 kHz、78 kHz可調(diào)。其發(fā)振頻率不產(chǎn)生對其他電氣設備的干擾。IR電纜采用格雷氏碼編制而成，其絕對地址信息真實可靠，不會有誤碼，IR電纜檢測系統(tǒng)設備分辨率±5mm，整個IR電纜工作溫度達70℃，IR電纜的規(guī)格長度考慮了現(xiàn)場的施工條件。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)技術指標
    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；
    位置檢測感應距離：水平方向30～300mm：
    上下方向±50mm；
    位置檢測分辨率： ±5mm：
    位置檢測精度： ≤10mm；

5 使用效果
    四號連鑄機的橫移臺車使用格雷母線并配置16線、3線模數(shù)化電極移動車，于2006年底投入使用，效果非常好，橫移臺車定位準確，誤差滿足設計要求。