诱导无线定位系统在行移台车上的运用

O 引言
    二炼钢四号板坯连铸机辊道横向自走式台车要运输5流和6流的板坯到D列和E列辊道上，5流与6流间距是6．20米，D列与E列间距是22．60米，台车可横行距离是35．353米。台车最大运行速度是90m／min，中速是60m／min，低速是9m／min。
    横移台车是二炼钢四号连铸机作业线上的关键设备，四号连铸机的横移台车配置不同于1930和1450连铸，1930和1450连铸横移台车配置是两台，而四号连铸机因工程投资因素只设置一台横移台车，鉴于上述原因横移台车的可靠运行就显得非常重要了。因此，它所配备的专用精确诱导无线位置检测系统必须具备高精度和高可靠性。

1 格雷母线位置检测基本原理
    格雷母线位移传感器以相互靠近的扁平状的格雷母线和天线箱之间的电磁耦合来进行通信，并在通信的同时检测到天线箱在格雷母线长度方向上的位置。
1．1 格雷母线的结构
    格雷母线由电缆芯线、模芯和电缆护套构成。电缆芯线有两种，即基准线(R线)和地址线(G0线一G9线)，基准线用于获取标准信号，地址线用于检测地址。各对地址线按不同步长规律编排，每隔一定长度(步长)交叉一次，设格雷母线的最小步长为W，则G0、G1、G2…G8、G9步长分别为1W、2W、4W、8W…256W、512W，基准线R在整个格雷母线段中不交叉，格雷母线芯线展开如图1所示。

1．2 格雷母线位置检测工作原理
    格雷母线位置检测有两种检测地址，即绝对地址和精密地址。
1．2．1 绝对地址
    通过GO、G1…等地址线直接解析出的地址叫做绝对地址，也叫“大地址”。
    格雷母线位置检测有两种工作方式：
    第一种：地上检测方式，地址编码发射器和天线箱安装在移动站，通过天线箱发射地址信号，地址编码接收器安装在固定站上，在固定站完成地址检测。
    第二种：车上检测方式，地址编码发射器安装在固定站，通过格雷母线芯线发射地址信号，天线箱、地址编码接收器安装在移动站上，移动站直接检测到地址。
    选择那一种地址检测工作方式要根据控制系统的需求来考虑决定。如果控制系统的重心在移动站上，则采用车上检测方式较好；如果控制系统的重心在固定站，则采用地上检测方式较合适。
1．2．1．1地上检测方式工作原理
    如图2所示，我们通过一个最小的地址检测系统来描述地上检测方式工作原理，该系统格雷母线仅由一对交叉线和一对平行线组成。

    当移动站的天线箱线圈中通入交变电流时，在天线箱附近会产生交变磁场，由于天线箱离格雷母线很近(约80毫米)， 故格雷母线近似处在一个交变的、均匀分布的磁场中，因此每对格雷母线芯线会产生感应电动势。
    由移动站天线箱发射的地址信号通过电磁耦合方式传送到格雷母线的交叉线和平行线上，并通过交叉线和平行线把信号传送到固定站的地址编码接收器。地址编码接收器对接收到的信号进行相位比较。
    如图3中地址“O”的交叉线的信号相位与平行线的信号相位相同，那么定义移动站地址为“0”；如图3中地址“1”的交叉线的信号相位与平行线的信号相位相反，那么移动站地址为“l”。
1．2．1．2车上检测方式工作原理
    如图3所示，我们以4个地址的检测系统为例来描述车上检测方式：

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    如图所示，固定站的地址编码发射器以同频率分时方式分别将信号送给格雷母线标准线、交义线l、交叉线2，并通过电磁耦合方式把信号传送到移动站的天线箱。移动站的地址编码接收器按顺序接收信号后，将两对交叉线的信号分别与平行线(标准线)信号进行相位比较，如果交叉线的信号相位与平行线的信号相位相同，那么定义地址为“0”；如果相位相反，定义地址为“l”。上图4中地址l的两对交叉线的信号相位与平行线的信号相位相同，因此地址1为“00”。地址2中的第一对交叉线的信号相位与平行线的信号相位相同，第二对交叉线的信号相位与平行线的信号相位相反，因此地址2为“01”。
    从上面的分析可以看到，格雷母线用一对地址线可以检测到2个地址，用二对地址线可以检测到4个地址。实际上，用n对地址线可以检测到2n个地址。
    根据电磁学理论：
    φ=S*B 其中：φ为磁通量，S为线陶面积，B为电磁强度。
    e=N*dφ／dt其中：e为感应电压，N为线圈的匝数。
    理论上讲，只要将格雷母线最小步长W取得足够小，格雷母线定位精度就可以做得很高，但在工程上由于格雷母线芯线、天线箱尺寸误差、机车摆动，磁场分布不均匀性，以及外界干扰等因素，格雷母线最小步长W取值受到一定限制。W取得太小，电磁感应面积变小，地址检测的信噪比低，造成地址不稳定。根据工程经验，W=200毫米较好。
    格雷母线最小步长W根据定位精度来确定，电缆长度由格雷母线芯线的数量和最小步长W确定。一般来说：绝对定位精度μ=W／2 (其中W为格雷母线最小步长)格雷母线长度L=2n*μ(其中n为格雷母线芯线的数量)通过上面的分析我们知道当格雷母线最小步长W=200毫米时，大地址的检测精度为：
    μ=W／2=200／2=100毫米。
    如果格雷母线地址线为10对(G0一G9)，当W=200毫米时，则格雷母线长度为：
    L=210*100(毫米)=102．4米。
    地址线G0步长200毫米，在100毫米开始交叉；G1步长400毫米，在200毫米开始交叉；G2步长800毫米，在400毫米开始交叉，…；G8步长51．2米，在25．6米交叉一次，；G9步长102．4米，在51．2米交叉一次。
1．2．2 精密地址
    在绝对地址的基础上，对大地址进行细分获得高精密地址。
    精密地址检测方法是在格雷母线中增加一对地址线L0，LO交叉间隔跟G0一样，只是错开半个步长，如图4所示：

    与绝对地址一样，精密地址也分为车上检测方式和地上检测方式。两种工作方式原理相同，这里以地上检测方式为例。
    如图5所示，GO，LO两对线的交叉间距一致，均为200毫米，且错开100毫米，其中R线为标准信号线，不交叉。

    当移动站的天线箱线圈中通入交变电流时，地址线GO、L0产生的感应电动势如下：

   
    V0、V1——电缆芯线G0、LO上感应电动势信号幅度；
    dφ0、dφ1——通过电缆芯线G0、L0的磁通变化量；
    N—一格雷母线芯线圈数，在这里N=1；
    B——磁场强度；
    S——磁场作用在电缆芯线G0、LO上的有效面积；
    设S0是磁场作用在芯线GO上的有效面积，S1是磁场作用在芯线LO上的有效面积，H为电缆的宽度，W为格雷母线芯线的最小步长。当移动站上的天线箱按图5中方式移动时(移动距离为X，X<100毫米)。
    则： 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)
    在同一时间间隔内，由(4)／(5)得：
    V0／Vl=W／2X—1 ……(6)
    格雷母线安装好后，当天线箱信号源不变时，由式(6)可知，当X<100毫米范围内，VO／Vl与X成线性关系。由于G0、LO的交叉间距相同且错开100毫米，故在100毫米间距的每个位置总有一个V0／Vl比值对应，且这个比值不受环境噪音和接收信号电平波动的影响。

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    理论上如果将VO／V1比值无限细分，可以获得非常高的检测精度，但是由于工艺条件的限制，地址细分数不可能很大，根据工程经验，细分数取20较好。例如，如果格雷母线得到的大地址精度为100毫米，细分数为20，则精密地址精度=100／20=5毫米．
1．3 格雷母线数据通信工作原理
    格雷母线数据通信单元包括发信机、天线箱、收信机、感应环线等部分。
    在格雷母线中增加两对感应环线用于数据通信，通过电磁耦合在发信机和收信机之间传送信息，信息使用频率键控(FSK)方式调制，使用相干解调，标准通信速率4800bps或9600bps，通信误码率：10一7。

2 格雷母线通信定位装置特点
    (1)非接触工作方式：非接触工作方式，无滑脱和磨损等故障；
    (2)绝对位置检测：能够连续地、高精度地检测绝对地址，位置检测精度达5毫米，可以实现移动机车自动行走和全自动操作；
    (3)通信适用范围广：通过电磁耦合来进行通信，不受环境条件限制，接收灵敏度高。例如在隧道内空间电磁波便很难传送，格雷母线能实现通信；
    (4)不受无管会管制；数据通信的载频为低频，所产生的电磁场只限于几米范围，不需要向无管会申请即可使用；

    (5)兼容性好：位置检测和数据通信可以合用一根格雷母线电缆，施工方便、安装维护简单，占空间小，不影响现场外观，不改变现场设备；
    (6)抗干扰能力强：使用交叉扭绞结构及相位检测技术，天线箱与格雷母线两者间隙从30毫米到300毫米均可正常工作，不受环境噪音和接收信号电平波动的影响，能够在诸如铁矿石场等恶劣环境条件中长期可靠的工作；
    (7)适用于恶劣的工业环境：耐酸、碱腐蚀，防护等级IP67，使用寿命长。

3 格雷母线位移传感器
    格雷母线位置检测包括地址编码发射器，地址编码接收器，格雷母线，天线箱四个部分。格雷母线长度可依工程需要而定，多根格雷母线可拼接以满足工程需要。
3．1 地上检测方式
    格雷母线地上检测方式典型设备配置如图5所示。

    地上检测方式的特点：
    ①移动站天线箱l为地址信号“发射天线”，固定站格雷母线芯线为地址信号“接收天线”；
    ②地址编码接收器在地面站，由地面站检测移动站的地址。
3．2 车上检测方式
    格雷母线车上检测方式典型设备配置如图6所示。
    图6车上检测设备配置图

    车上检测方式的特点：
    ①固定站格雷母线芯线为地址信号“发射天线”，移动站天线箱1为地址信号“接收天线”；
    ②地址编码接收器在移动站上，移动站直接得到本机车的地址。

4 定位系统方案及技术指标
4．1 系统方案
    二炼钢四号板坯连铸机横移台车位置检测系统采用先进、可靠、成熟的诱导无线电缆(以下简称IR电缆)来实现横移台车位置检测。位置检测系统设备主要由二套地上局控制系统、二套车上局控制系统、二套位置检测天线、一套IR电缆、一套始端箱和一套终端箱等组成。发信装置的发振调制频率设计为46kHz、62 kHz、78 kHz可调。其发振频率不产生对其他电气设备的干扰。IR电缆采用格雷氏码编制而成，其绝对地址信息真实可靠，不会有误码，IR电缆检测系统设备分辨率±5mm，整个IR电缆工作温度达70℃，IR电缆的规格长度考虑了现场的施工条件。天线采用双天线箱热备冗余结构。系统的结构图如上图所示：
4．2 系统技术指标
    输出接口：DEVICE NET、Profi-bus、RS-485、RS-232、I／O
    数据传输速率：≥9600 BPS；
    等效全向辐射功率(EIRP)≤27dBm；
    发振调制频率：46kHz或62 kHz或78 kHz；
    位置检测感应距离：水平方向30～300mm：
    上下方向±50mm；
    位置检测分辨率： ±5mm：
    位置检测精度： ≤10mm；

5 使用效果
    四号连铸机的横移台车使用格雷母线并配置16线、3线模数化电极移动车，于2006年底投入使用，效果非常好，横移台车定位准确，误差满足设计要求。