感应无线技术在工业移动机车自动化中的应用.docx

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感应无线技术在工业移动机车自动化中的应用

感应无线技术在工业移动机车自动化中的应用

计算机应用

3ottouterADDlication

'自动化技术与应用}2006年第25卷第4期

感应无线技术在工业移动机车自动化中的应用

陈进

（湖南理工学院计算机与信息工程系,湖南岳阳414000）

*

摘要:

感应无线技术能够解决计算机对工业移动机车集中管理控制所存在的两大难题一一可靠的数据通信和位置检测,因而得到

广泛的应用.本文综合介绍了感应无线技术的基本原理及特点,感应无线技术在工业移动机车自动化中两种基本应用模

式,应用中能够达到的五种基本功能.

关键词:

感应无线技术;移动机车;自动化

中图分类号:

1V29文献标识码:

B文章编号:

1003—7241（2006）04-0033—04

ApplicationofInductiveWirelessTechnology

inMobileVehicleAutomation

a田腼

（TheDepartmentofComputerandInformationEngi,,HunanInstituteofScienceandTechnology,Yueyang414000.China）

Abstract:

Inductivewirelesstechnologyiswidelyusedbecauseofitsabilitytosolvetheproblemsofreliabledatatransmissionandpositiondetection,

thatexistinthecentralizedmanagementofmobilevehicles.Thispaperpresentsthebasicprinciplesofinductivewirelesstechnologyandthe

basicappliedmodesinthemobilevehicleautomation.

Keywords:

Inductivewirelesstechnology;Moabilevehicle;Automation

1引言

感应无线技术是上世纪七十年代在日本开始兴起来的一项

新的工业应用技术.感应无线技术采用一条独特的编码电缆

（又称诱导母线）.成功地同时解决工业移动机车实现计算机集

中管理控制的两大难题:

中央控制室与移动机车之间可靠的数

据通信;移动机车所在的位置检测.因而在移动机车自动控制

中得到了广泛的应用.目前国际上应用感应无线技术已经达到

了移动机车无人化操作状态…-7].

2感应无线技术的基本原理和特点

2.1感应无线技术系统的基本结构

感应无线技术系统由中央控置室部分,车上部分,编码电缆

部分构成,图2—1,图2—2,图2—3分别表示系统基本结构图,

中控室结构图,机上局结构图.

*基仝项目:

湖南省自然科学基金资助项目（编号:

0~JJ30203）

收稿日期:

20O5—10一l8

■一

豳2—2系统中控宣结构示意圈

编码电缆的外形为扁平状态,内部有若干对传输线,按用途

分为通信传输对线类和地址传输对线类,按照一定的编码规则

在不同的位置交叉.图2—4是为了方便观察所画的平铺图,实

际上各对传输线是叠放在一起的,其中Go,u兼作是通信传输

对线.在终端,每一对线之间加匹配电阻,始端用连接电缆连接

到中央控制室.从电磁感应的角度来看,任何一对传输线可以

认为是一个单圈线圈.

'自动化技术与应用'2006年第25卷第4期计算机应用

~puterApplieation

圈2—4编码电缆传输对线与APD位置检测示意圈

天线箱内有两组线圈,一组作为发送线圈,一组作为接收线

圈.两组线圈装在矩形塑料箱内.

编码电缆沿着移动机车轨道安装,始端用圆电缆连接到中

控室地面局.天线箱安装在移动机车上,并用圆电缆将天线箱

与机车上控制柜连接.天线箱随着机车移动而移动,并始终与

编码电缆保持5—20cm的距离,实现天线与编码电缆传输对线

之间近距离电磁感应.

2.2感应无线数据通信基本原理和特点

对于移动机车和中央控制室之间的数据通信,若采用有线

通信方式,则由于移动机车必须拖带通信电缆而不方便;若采用

无线通信方式,则由于工业现场环境恶劣,而造成误码率高.

感应无线数据通信方式J,是通过安装在移动机车上的天

线与敷设在地面轨道旁的编码电缆的通信对线之间5—20cm近

距离电磁耦合传递信息,即天线箱与编码电缆之间——也就是

移动机车与中控室之间——形成了一个距离很短的无线信号通

道.其特点在于:

因为有且仅有5—20cm的无线通信距离,所以

既能保证机车移动的灵活性又确保了通信质量的可靠,从而克

服了有线通信和无线通信的缺点,实现中央控制室与移动机车

之间可靠的数据通信.

感应无线数据通信的过程是:

机上局PIE将需要发送的信

息送到通信器调制放大后,由天线箱中发送线圈发出,编码电缆

中通信对线感应耦合到发送线圈发送的信号后,经连接电缆送

到地上局通信器放大解调,最终传给主控计算机;中控室主控计

算机将需要发送的信息送到地上局经通信器调制放大后,通过

连接电缆送到编码电缆中通信对线发送,天线箱中接收线圈感

应耦合到编码电缆通信对线发送的信号后,送到机上局通信器

放大解调后,传给机上局PLC.

感应无线数据通信载波频率一般取50KHz一80KHz,以避开

工业现场干扰噪声.通信传输线Go,Ll每隔一定的距离错开交

叉一次（图2—4）,从远距离看这是一对双绞线,既使抑制通信

传输线上的干扰噪声,又避免当发送线圈中心对准任何一个交

叉点时出现信道死区.接收线圈也要采用相应的措旗抑制干扰

噪声.

2.3感应无线位置基本原理和特点

感应无线位置检测由APD位置检测和HRPD位置检测组

成_4].编码电缆中R线作为位置检测基准信号线,G线（图2—4

中G2,G1,GO）按格雷码（GrayC0de）规则交叉.机上局通过发送

线圈发送信号时,编码电缆中各地址对线也会感应耦合到发送

线圈发送的信号,以R线所感应信号作为基准信号,各路G线

感应信号与之进行相位比较,相位相同为"0",相位相反为"1",

由此得到发送线圈的所处APD位置,其分辨率为两个交叉之间

距离w（一般10cm）.检测co,L1感应信号的幅度进行比较运

算,可以将间距w划分若干等份,得到HRPD位置,其分辨率可

达到5mm.

感应无线位置检测的特点是:

①检测到的位置是绝对位置,重复性好.

②检测到的位置是连续的位置,检测的距离可长达几km.

③位置检测分辨率高.目前国内外已达到的分辨率为

5mm.

④非接触式检测,抗干扰性强,可靠性高,适应恶劣的工业

环境.

⑤检测方式多样,既可以在地面检测移动机车的位置,也可

以在移动机车上检测自身的位置.

⑥与感应无线数据通信融为一体.

3工业移动机车感应无线技术基本应

用模式

现代工业中,各种不同的行业具有各种各样的移动机车.

但是,无论何种工业移动机车应用感应无线技术,都是为了解决

中央控制室与移动机车之间可靠的数据通信与移动机车所在的

位置检测问题,所要达到的目的都是实现用计算机集中管理控

制多台工艺相关的工业移动机车.根据实际应用情况,可以分

为两种基本应用模式.

3.1两种基本应用模式

（1）模式1——一维位置检测应用模式

模式1是工艺相关的各移动机车只有一维位置,并且在多

数情况下具有平行轨道.例如,在炼焦生产过程中,有推焦车,

拦焦车,熄焦车,装煤车,除尘车5中不同类型的车,5条平行轨

道,每根轨道上分别有l一3台作业机车.

图3—1示意图中,共有A,B两种类型的车,分别运行在I,

Ⅱ,2根轨道上,每根轨道上分另0有2台,3台作业机车,地面局

I,Ⅱ,分别对应A,B两种车.例如地面局I,采取分时或分频

的方法,与A车1,A车2进行感应无线数据通信,并检测A车

1,A车2所处的位置.

计算机应用

COmDuterApplications

'自动化技术与应用）2006年第25卷第4期

（1）模式2——三维位置检测应用模式

模式2是天车作业模式,具有三维位置.大车轨道之间为

一

个跨,在一个跨中可以有多台天车,图3—2示意图中只画l

台天车,一个中控室可以控制多个工艺相关的跨（相应有多个地

面局）.采用感应无线位置检测技术,地面局检测每一台大车的

位置（x坐标）;机上局检测小车的位置（Y坐标）;机上局采用其

他技术（例如绝对旋转编码器）检测吊钩垂直位置（z坐标）.实

现三维位置检测.

图3—2三维位置检测应用模式示意圈

3.2应用中的信息传递

（1）信息上传

①移动机车上的PLC将检测自身工作状态（模式2中包括

Y位置和Z位置）,通过感应无线数据通信,传送给对应地面局

PLC.

②各地面局PLC控制地址检测器检测到对应的工作机车

的位置;通过PLC数字输入点检测地面相关开关信号;通过PLC

模拟输入点检测地面相关模拟信号.

③各地面局PLC综合本单元所有信息通过有线通信传送

给主控计算机.

这样,中央控制室主控计算机就汇集了所有参与工作的移

动机车的各种相关信息和地面相关信息,然后,根据生产计划,

各机车工作状况,所处的位置,综合分析后,形成对各个机车的

工作指令和控制信息.并能在中央控制室主控计算机上用动画

的形式实时地反映各机车的位置和工作状况,使领导和调度人

员对生产情况一目了然.

（2）信息下传

中控室主控计算机将所有参与工作的各个机车的工作状

态,当前所处的位置和对本单元工作机车的当前生产计划,工作

指令,控制信息通过有线通信传送给每一个地面局PLc;地面局

PLC通过感应无线数据通信,将这些信息传送给对应车上PIE.

这样,在各个机车的触摸屏就能够显示:

①本车当前的生产

计划,工作指令,控制信息;②本车当前的所处的位置和工作状

态;③其它车当前的所处的位置和工作状态.通过这些信息指

导和提示机车操作人员进行工作.机车PLC并能够按照主控计

算机发来的控制信息,对该车进行自动控制.

4工业移动机车应用感应无线技术可

以实现的基本功能

4.1指导和提示车上操作人员正确作业

工业移动机车应用感应无线技术控制系统,车上操作人员

作业根据车上的触摸屏显示的信息,了解当前本车的生产任务,

执行任务的时间;了解当前其它相关作业车的位置（在有些生产

场合是不能够看到其它车的）和工作状态.这些信息能够指导

和提示车上操作人员正确作业.

在有些情况下,移动机车需要根据不同的生产任务准确到

达若干指定地点作业,而是否准确地到达,人眼是观察不到的,

例如,炼焦生产中,装煤车的下煤斗是在车身下面,下煤斗是否

对准了焦炉的下煤孔,原先只能凭操作经验.应用感应无线技

术后,车上的触摸屏给出了目标位置,本车当前位置,并且在对

准后给出标志,这样,操作就方便了.在实际应用中,还设计了

装煤车下煤与装煤位置的安全联锁.即:

若装煤车下煤斗没有对

准焦炉的下煤孔,机车PLC给出控制信号,不允许下煤.

4.2移动机车自动定位

移动机车自动定位,是指在整个生产过程中,控制系统能随

时判断机车下一个需要作业的目标位置;在当前作业完成后,自

动地控制该机车朝目标位置行走;并最终精确定位于目标位置

（允许误差范围内）.

采用感应无线技术的控制系统能够连续地即时地检测到移

动机车的位置,因而能够实现移动机车自动走行和自动定位.

控制系统根据移动机车当前位置与目标位置的距离,自动控制

移动机车的速度,当接近目标位置时,以最低速行走.并且在离

目标位置距离为时,机车PLC发出停止命令,进行刹车.停止

后,若发现距目标位置有偏差,控制系统自动进行调整机车位置

来达到准确对位.但是,从工业应用来说,如果要多次自动调整

机车位置才能对准,则影响了工作效率.因此,人们总是希望当

移动机车一停止就精确地达到目标位置,即一次精确定位.提

高移动机车一次到位率,是移动机车自动定位的关键问题.

'自动化技术与应用2006年第25卷第4期计算机应用

~orntauterA~lications

4.3整体安全联锁控制

为了确保生产安全,安全联锁控制是十分必要的.实际上,

现代工业中每一种移动机车都具有安全联锁控制.但是,这种

安全联锁控制仅仅只是局限于车内的机车自身状态的安全联锁

控制,而与生产计划,本车的位置,其它车的位置和工作状态无

关.由于采用感应无线技术的控制系统对参与工作的每一台机

车工作状况,所处的位置都十分清楚,故能够根据生产计划和所

有参与工作的机车状况,位置进行整体安全联锁控制.

以炼焦过程控制系统中推焦安全联锁控制为例说明].如

图4—1所示,推焦车操作人员观察不到拦焦车和熄焦车,当推

焦杆前进进行推焦时,若拦焦车的导焦槽没有挡住出焦炉孔两

侧,或者熄焦车接焦罐没有接着红焦,都会使得上千度高温的红

焦落地,造成重大安全事故,因此推焦安全联锁控制是生产厂家

十分重视的问题.实行推焦安全联锁,控制系统允许推焦杆前

进进行推焦的条件是:

①三车到位,即:

推焦车的推焦杆中心,拦

焦车的导焦槽中心,熄焦车接焦斗都对准生产计划指定的炉号

中心;②各车准备好,即:

拦焦车导焦槽到位;熄焦车车身门关.

③在生产计划规定的时间内,不允许提前作业.只有当满足上

述条件时,控制系统才给出允许推焦命令,才允许推焦杆前进.

否则,即使人工操作推焦,推焦杆也不会前进.

4.4工业库房管理

现代工业中的库房,是工业生产的一部分,库房管理不但包

括入库,出库,还可能包括原料上线,成品下线等生产工序.采

用感应无线技术的控制系统,实现三维立体定位,能达到计算机

对整个库区天车吊运生产流程全过程集中控制,对进出库区的

物品相关信息进行管理.

当有原料由汽车或火车运送入库时,在中控室输入入库单.

计算机根据库房容积,现有库存原料堆放状况,需要入库的原料

品种类型,库房堆放规则等信息优化设计,确定入库原料的堆放

位置.并由此产生多条入库计划,控制系统按优化调度的原则.

将计划下达到指定的天车执行.当原料入库后,对入库原料的

品种类型,库存位置进行记录.

当有成品需要由火车运送出库时,根据出库单,在计算机中

输入需要出库的成品的型号,个数,车皮号.控制系统自动在库

房中查找到需要出库的成品的位置,并由此产生多条出库计划,

按优化调度的原则,将计划下达到指定的天车执行.当成品出

库后,修改库存记录.

4.5作业机车优化调度

采用感应无线技术的控制系统对参与工作的每一台机车工

作状况,所处的位置都十分清楚,因而能够十分方便地根据生产

计划安排,合理安排工作车辆执行计划任务,发挥各机车协同工

作效应,缩短工作流程,提高工作效率.优化调度的原则是:

①根据各机车当前工作状况,指定较空闲的机车执行计划

任务.

②根据各机车运行线路的远近,以及不受其他机车阻挡的

情况,指定最佳位置的机车执行计划任务.

③合理地分配各机车工作任务.

5结束语

由于感应无线技术具有多种应用模式,能够实现多种应用

功能,因此在工业移动机车的自动化控制中得到了广泛的应用.

目前,最高应用水平已经达到移动机车无人执守.在其它领域,

感应无线技术也有应用,例如,在磁悬浮列车应用感应无线数据

通信J.

随着工业生产自动化水平的提高,感应无线技术的应用前

景将会更加广阔.感应无线技术的应用并不局限于目前已经应

用的领域.还有许多应用领域有待开发.

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作者简介:

陈进（1955一）.男.副研究员.从事感应无线技术研究与应用工作