1 Bevezetés
Az ipari automatizálásban a mobil járművek és a központi vezérlőtermek közötti adatátvitel vezetékes kommunikációs módszerei kényelmetlenek a kommunikációs kábelek húzásának szükségessége miatt; A vezeték nélküli kommunikációs módszerek viszont az ipari környezet zord körülményei miatt magas hibaaránytól szenvednek. Az indukciós-alapú vezeték nélküli adatkommunikáció (adatátvitel indukciós rádióval) elektromágneses indukciót használ egy kódolt kábel (más néven indukciós busz) és egy indukciós antenna között az információcseréhez. Mivel a vezeték nélküli kommunikációs hatótávolság szigorúan 5–20 cm-re van korlátozva, ez a módszer biztosítja a mozdonyok mozgásának rugalmasságát és a kommunikáció minőségének megbízhatóságát, ugyanakkor lehetővé teszi a mozgó mozdony helyzetének valós idejű nyomon követését a kommunikáció során.
Az ipari környezetben használt elektromos berendezések, különösen a mozgó mozdonyokon lévő változtatható{0}}frekvenciás sebességszabályozó eszközök, erős harmonikusokat hozhatnak létre, amelyek megegyeznek az induktív vezeték nélküli adatkommunikáció vivőfrekvenciájával vagy ahhoz hasonlóak. Ezt a ko-frekvenciás interferenciát nem lehet csillapítani sávszűrőkkel. Ha nem tesznek hatékony intézkedéseket a bemeneten annak elnyomására, az induktív vezeték nélküli adatkommunikáció hibaaránya jelentősen megnő, ami potenciálisan működésképtelenné teheti a rendszert. A Baosteel I. fázisú kokszolókemence elektromos rendszerének felújítása Japánból importált berendezéseket használt. A tényleges működés során "gyakori megszakításokat figyeltek meg az indukciós gyűjtősín kommunikációjában, és az elemzés az okot véletlenszerű erős interferenciának és antennaérzékelési torzulásnak tulajdonította". Következésképpen néhány gyakorlati alkalmazásban az induktív vezeték nélküli technológiát felhagyták az adatkommunikációval, és csak az induktív vezeték nélküli helyzetérzékelési technológiát alkalmazzák.
Az induktív vezeték nélküli adatkommunikáció zavarainak visszaszorítása érdekében a terület szakértői és tudósai kiterjedt kutatásokat végeztek. Az egyik tanulmány egy induktív vezeték nélküli differenciális vevőantenna-konfigurációt javasolt, míg egy másik egy olyan módszert javasolt, amely egyetlen átviteli vonalon keresztül kettős vevőantennát alkalmaz. Az ebben a cikkben bemutatott "egyetlen vevőantennával, egyenlő távolságban lévő keresztezett kettős átviteli vonalak" ko-csatornás interferencia-elnyomási technika az induktív vezeték nélküli adatkommunikációhoz hatékonyan elnyomja a ko-csatornás interferenciazajt, javítja a jel-/{5}}zaj arányt, és alkalmas a földi helyzetérzékelésre{{6}.
2 Az induktív vezeték nélküli adatkommunikáció alapelvei
Az induktív vezeték nélküli adatkommunikációban a ko-csatornás interferencia-elnyomási technológia által a jel-zaj arányt{2}}javító alapelv elemzéséhez először rövid elemzést adunk és bemutatjuk az induktív vezeték nélküli adatkommunikáció alapelveit.
2.1 Kódolt kábel és induktív antenna
A kódolt kábel lapos alakú, és több átviteli vezetékpárt tartalmaz, amelyek meghatározott pontokon keresztezik egymást egy meghatározott kódolási séma szerint. A kódolt kábel a mobil mozdony vágányai mentén van elhelyezve, egyik vége a központi vezérlőteremhez kapcsolódik.
Az indukciós antenna két tekercskészletből áll, -amelyek az egyik adóantennaként, a másik pedig vevőantennaként szolgál,-egy műanyag dobozba zárva, amelyet általában antennadoboznak neveznek. Az antennadoboz a mozgó mozdonyra van felszerelve, és a mozdony vezérlőszekrényéhez kapcsolódik. Az antennadoboz a mozdonnyal együtt mozog, és folyamatosan 5-20 cm távolságot tart a kódolt kábeltől. Lásd az 1. ábrát.
Ha az antennadoboz a kódolt kábel közelében van elhelyezve, a kódolt kábel minden átviteli vezetékpárja választ indukál az antennadobozban lévő tekercsekben, ezáltal egy rövid hatótávolságú vezeték nélküli kommunikációs csatorna jön létre az antennadoboz és a kódolt kábel között.
2.2. Az indukált jel amplitúdójának és fázisának elemzése
A 2. ábra az L átviteli vonal sematikus diagramját mutatja az antennatekercs mellett laposan elhelyezve. A 2. ábrán az antenna szélessége és a kódolt kábelben a két egymást metsző átviteli vonal közötti távolság egyenlő W-vel, ahol W=2r.
Definíció: Az antennatekercs középpontja az antennatekercs pozíciója; az L átviteli vonal két metszéspontja közötti tartományt az L átviteli vonal K tartományának nevezzük (K=I, II, III, …), és a d távolság az antennatekercs x pozíciójának eltérését jelenti a megfelelő K tartomány középvonalától.
Az antennatekercset adótekercsként használva elemezzük a kommunikációs átviteli vonalban keletkező indukált elektromotoros erőt e. Az elektromágneses indukció elmélete szerint, ha i=Imsinωt áram folyik át az antennatekercsen, az átviteli vezetékben indukált emf e e=di/dt. Itt az M kölcsönös induktivitási együttható az antennatekercs helyzetének (x, y, z) függvénye. Feltételezve, hogy y és z állandó marad, amikor az antennatekercs az x-irányban mozog, akkor:
e=f(x)ωImcosωt
Mivel van egy csomópont, az átviteli vonal I. régiójában generált indukált emf eI fázison kívül van a II. régióban generált indukált emf eII-vel. Ha az eI fázisát vesszük referenciaként, akkor legyen
Ha n páros, az átviteli vezetékben indukált emf e fázisban van az eI-vel; ha n páratlan, e fázison kívül van eI-vel, és a fázisegyüttható (–1)n.
Ha az adótekercs és a kódolt kábel közötti z távolság kicsi, az adótekercs által generált mágneses fluxusvonalak közelíthetők úgy, hogy azok egyenletesen oszlanak el az x- irányban, és merőlegesen haladnak át az átviteli vonalon. Ezért a távvezetékben generált e indukált elektromotoros erő A nagysága arányos a távvezeték effektív indukciós területével. A 2. ábrán látható módon, amikor az antennatekercs az 1. pozícióban (d=0) van, az S=W × B effektív indukciós terület a maximumon van, és A=Amax. A 3. antennatekercs d=r pozíciójában az effektív indukciós terület S=0, és A=0. A 2. antennatekercs pozíciójában az S=(W – 2d) × B effektív indukciós terület.
Ezzel szemben, ha áramot vezetnek át a kommunikációs átviteli vonalon, és az antennatekercset használják vevőtekercsként, az (1)–(3) egyenletek továbbra is érvényesek a kölcsönös induktivitás elve alapján.
3 Interferenciazaj-elnyomási technikák
Az interferencia, különösen a ko{0}}csatorna-interferenciazaj elnyomására a leghatékonyabb módszer, ha megakadályozzuk, hogy interferenciazaj kerüljön a vevőoldalra. Ezért a tervezési filozófia a következő: ésszerű tervezéssel a vezérlőteremben lévő vevőoldalra-a kódolt kábeles kommunikációs átviteli vonalra-és a jármű vevővégére-a vevőantenna-interferenciazaj csillapodik, miközben a kommunikációs jelek csillapítása a lehető legkevésbé csillapodik, de nem, de nem is. a jel-za{7}}arány javítása.
3.1 Egy vevőantennát egyenlő távolságban keresztező két átviteli vonal tervezése
A "két, egy vevőantennát egyenlő távolságban keresztező átviteli vonal tervezésében" két pár keresztezett kommunikációs átviteli vonal, L0 és L1 van elrendezve a kódolt kábelen belül. Egyetlen adóantennát és egyetlen vevőantennát használnak; a vevőantennát több menetben keresztezett mintázatban feltekercselt vezetők alkotják, ezért úgy tekinthető, mint amely az 1. vevőtekercsből és a 2. vevőtekercsből áll. A keresztezett átviteli vonalak távolsága, a keresztezett vevőantennák közötti távolság és az adótekercs szélessége mind W. A 3. ábrán látható módon.
A 3(a) ábra a tényleges felépítést és a művelet sematikus diagramját mutatja. a 3(b) ábra az L0 és L1 átviteli vonalak, az adóantenna és a vevőantenna egyszerűsített sematikus diagramja, az elemzés megkönnyítése érdekében laposan elhelyezve; tényleges alkalmazásokban W=20 cm.
3.2. Az átviteli vonali interferencia-elnyomás elemzése
Amikor jeláramot vezetnek a mozdony adóantennájára, a vezérlőközpont a jelet a kommunikációs átviteli vonalakon keresztül veszi. Az interferenciazaj elnyomására az L0 átviteli vonalat szabályos W-os időközönként keresztezik. Távolról nézve ez egy csavart-párú kábelnek tűnik, amely több dB-től 30 dB-ig terjedő interferenciazaj-elnyomást biztosít, átlagosan akár 15 dB-lel.
Kommunikációs jelek esetében a (3) egyenlet szerint az L0 kommunikációs átviteli vonalon indukált jel AL0 amplitúdója az antenna x pozíciójának függvénye. Ha az adótekercs közepe egy vonalban van az L0 bármely metszéspontjával, AL0=0, ami a csatorna holtzónáját eredményezi. Ennek elkerülése érdekében a kódolókábelen belül egy további L1 kommunikációs átviteli vezetékpár van elrendezve, metszéspontjaik el vannak tolva az L0 pontjaitól, amint az a 3. ábrán látható. Legyen d0 és d1 azokat a távolságokat, amelyekkel az adótekercs x helyzete el van tolva az L0 és L1 átviteli vonalak középvonalától. majd r=d0 + d1. Legyen eL0 az L0 átviteli vonal által indukált jel, eL1 pedig az L1 átviteli vonal által indukált jel. A vezérlőterem elektronikus berendezésében az e'L1-jelet, amely 90 fokkal eltolt eL1 -összeadja eL0-val, így megkapjuk az e összetett jelet. A (2) egyenlet szerint a következőket kapjuk:
Ezen a ponton az adóantenna a lehető legrosszabb helyzetben van. Az e vektordiagramja a 4. ábrán látható.
A fenti elemzés azt mutatja, hogy a 3. ábrán látható keresztezett kettős{0}}átviteli-vonalas vevő rendkívül hatékonyan csökkenti az interferenciazajt. A kommunikációs jelek esetében 3 dB-es csillapítás lép fel, amikor az adóantenna a legrosszabb helyzetben van.
3.3 A vevőantenna zavarelnyomásának elemzése
Az interferenciazaj miatt a hagyományos vevőantennák egyetlen tekercsből állnak, keresztcsatolás nélkül, és nem rendelkeznek interferencia-ellenállással. A 3. ábrán látható vevőantenna azonban keresztezett 1 és 2 vevőtekerccsel rendelkezik. A terepen történő működés során a két tekercsben indukált zavaró zaj elektromotoros erők eN1 és eN2 fázison kívül vannak. Ha a zaj elektromágneses hullámai egyenletesen oszlanak el egy kis 2W-os területen a vevőantenna x-iránya mentén, akkor eN1=−eN2, és a vevőantenna által kivont zaj elektromotoros erő, eN, eN1 + eN{14}}
Kommunikációs jelek esetén a központi vezérlőterem által továbbítandó f0 modulált jelet felerősítjük és az L₀ átviteli vonalon továbbítjuk; az f1 jelet (amely 90 fokkal nem fázisban van f0-val) felerősítjük és az L1 átviteli vonalon továbbítjuk. Ez a két jel kombinált elektromágneses mezőt hoz létre a kódolókábel közelében lévő térben, amelyet a kódolókábel közelében elhelyezett vevőantenna érzékel és fogad. Mivel f0 és f1 merőlegesek, elkerüljük a csatorna holtzónáit. A hagyományos vevőantennában előállított indukált jeleket a (6) egyenlet írja le. A 3. ábrán látható módon a vevőantenna e(1) és e(2) indukált elektromotoros erőket hoz létre az 1. és 2. vevőtekercsekben. Az egyenlő távolságú kereszteződés jellemzői miatt a vevőantenna minden helyzetben kielégíti a következőket:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); a (6) egyenlet szerint e(1) és e(2) nagysága egyenlő;
(2) Ha a Li (i=0, 1) átviteli vonal K tartományában generált elektromágneses tér dominál az 1. vevőtekercsen, akkor a K+1 tartományban generált elektromágneses tér dominál a 2. vevőtekercsen. Az átviteli vonalak keresztezése miatt a K+1 tartományban generált elektromágneses tér nincs fázisban a K{ vételi tartományban generálva ezzel a vételi tartományban. Az 1. ábra szerint két fázisfordítás után az e(1) és e(2) fázisa azonos lesz.
Ezért a vevőantenna által a kommunikációs jelből kivont indukált elektromotoros erő e=e(1) + e(2)=2e(1) kétszerese a hagyományos vevőantennáénak.
Ezenkívül, amikor az adótekercs jelet küld, a feszültség az adótekercs mindkét végén 200 Vp{1}}p. Annak elkerülése érdekében, hogy az erős sugárzott jel károsítsa a vevő előerősítő áramkörét, az adótekercset a vevőantenna két tekercse közé kell helyezni. Ily módon az adóantenna jele által a vevőantennában indukált elektromotoros erő megközelítőleg nulla.
3.4. A vevőantenna interferencia-elnyomásának kísérleti elemzése
A kísérleti körülmények a következők voltak: a távvezeték teljes hossza 3 m, Szé=20 mm volt. Valóságos induktív vezeték nélküli adatkommunikációs berendezést használtak, 4800 b/s kommunikációs sebességgel, FSK modulációval és 49 kHz vivőfrekvenciával. Normál működés közben az L0-n áthaladó modulált jel csúcsárama 0,07 A volt; az adóantenna tekercsen áthaladó modulált jel csúcsárama 0,38 A volt.
A kísérlet során az adótekercs és a kódolt kábel közötti z távolságot 200 mm-en tartottuk, és az adótekercs középpontját egy vonalban tartottuk az L0 egy keresztezésével. Ilyen körülmények között az L1 átviteli vonalon az indukált jelfeszültség amplitúdóját VL1=25 mVp-p-nek, a vevőantennán pedig az indukált jelfeszültség amplitúdóját VA=20 mVp-p-nek mérték.
Ha egy jelgenerátort használnak interferenciaforrásként, és egy pár párhuzamos vezetéket használnak az interferenciát okozó csatoláshoz, lásd az 5. ábrát. A jelgenerátor v=Vm sin(2πft) interferenciafeszültséget ad ki, ahol f=49 kHz és R=130 Ω.
Az 5(a) ábrán látható kísérlet egy hagyományos vevőantenna interferenciájának felel meg, míg az 5(b) ábrán látható kísérlet a vevőantenna keresztezett tekercseiben fellépő interferenciának felel meg. Legyen VNm (csúcs-csúcstól-csúcs) a vevőantennából kivont interferencia-indukált elektromotoros erő. Az 1. táblázat mindkét kísérlet adatait mutatja be.
A kísérleti eredmények azt mutatják, hogy a rendszer akár 48 dB-es interferenciazaj-elnyomást is képes elérni. A fent bemutatott elméleti és kísérleti elemzések azt mutatják, hogy az egyenlő távolságra keresztezett vevőantennák használata nemcsak erős interferenciazaj-elnyomást tesz lehetővé, hanem 6 dB-es erősítést is biztosít a kommunikációs jelekben a hagyományos vevőantennákhoz képest, ezáltal jelentősen javítva a jel-/-zaj arányát.
4 Következtetés
Az interferenciacsökkentési technikát, amely magában foglalja a „kettős átviteli vonalak keresztezését egyetlen vevőantennával egyenlő távolságra”, alkalmazták a mobil mozdonyok induktív vezeték nélküli technológiát használó számítógépes{0}}központi vezérlési rendszerében. A gyakorlati alkalmazásokban ez a technika hatékonynak bizonyult az interferenciák elnyomásában ipari környezetben, különösen a változtatható-frekvenciás sebességszabályozó eszközök által keltett ko-csatorna-interferenciák hatékony elnyomásában, ezáltal biztosítva az adatkommunikáció megbízhatóságát. Természetesen az induktív vezeték nélküli adatkommunikációhoz ebben a cikkben javasolt interferenciaszűrő technológia csak a vevőoldali zajelnyomással foglalkozik. A zord ipari környezetben működő elektronikus berendezések esetében további intézkedéseket kell végrehajtani, például földelést és árnyékolást; ezek túlmutatnak e cikk keretein.