1 Inngangur
Í sjálfvirkni í iðnaði eru þráðlausar samskiptaaðferðir fyrir gagnaflutning milli fartækja og miðlægra stjórnstöðva óþægilegar vegna þess að þörf er á að draga samskiptasnúrur; þráðlausar samskiptaaðferðir þjást hins vegar af mikilli villutíðni vegna erfiðra aðstæðna í iðnaðarumhverfi. Innleiðslu-þráðlaus gagnasamskipti (Data Transmission by Induction Radio) notar rafsegulinnleiðslu á milli kóðaða snúru (einnig þekkt sem induction bus) og innleiðsluloftnets til að skiptast á upplýsingum. Vegna þess að þráðlausa fjarskiptasviðið er stranglega takmarkað við 5–20 cm, tryggir þessi aðferð bæði sveigjanleika hreyfingar eimreiðar og áreiðanleika samskiptagæða, á sama tíma og hún gerir kleift að fylgjast með-rauntíma stöðu eimreiðar á hreyfingu meðan á samskiptum stendur.
Rafbúnaður í iðnaðarumhverfi, einkum breytileg-tíðnihraðastýringartæki á hreyfanlegum eimreiðum, geta myndað sterka harmoniku sem eru eins og eða svipaðar burðartíðni innleiðandi þráðlausra gagnasamskipta. Þessi sam-truflun er ekki hægt að dempa með bandpass síum. Ef árangursríkar ráðstafanir eru ekki gerðar við inntakið til að bæla það, mun villuhlutfall þráðlausra gagnasamskipta aukast verulega, sem getur hugsanlega gert kerfið óstarfhæft. Áfanga I kókofn rafkerfi endurnýjunar í Baosteel notaði búnað sem fluttur var inn frá Japan. Við raunverulegan rekstur sáust "tíðar truflanir í samskiptum innleiðslustrautar, þar sem greining rekur orsökina til tilviljunarkenndra sterkra truflana og röskunar á loftnetsskynjun." Þar af leiðandi, í sumum hagnýtum forritum, hefur inductive þráðlaus tækni verið yfirgefin fyrir gagnasamskipti, þar sem aðeins inductive þráðlausa stöðugreiningartækni hefur verið tekin upp.
Til að bæla truflun í innleiðandi þráðlausum gagnasamskiptum hafa sérfræðingar og fræðimenn á þessu sviði framkvæmt umfangsmiklar rannsóknir. Ein rannsókn lagði til inductive þráðlausa mismunadrifsmóttökuloftnetsstillingu, á meðan önnur lagði til aðferð sem notar tvöfalt móttökuloftnet með einni flutningslínu. „Krossaðar tvískiptur flutningslínur með einu móttökuloftneti á jöfnu bili“ sam-truflubælingartækni fyrir inductive þráðlaus gagnasamskipti sem kynnt er í þessari grein getur í raun bælt sam-rás truflunarhljóð, bætt merki-til-hljóðshlutfalls og er hentugur fyrir jarðstöðu{6}}.
2 Grunnreglur um innleiðandi þráðlaus gagnasamskipti
Til að greina meginregluna þar sem sam-truflubælingartækni bætir merki-til-suðs í innleiðandi þráðlausum gagnasamskiptum, gefum við fyrst stutta greiningu og kynningu á grunnreglum þráðlausra innleiðandi gagnasamskipta.
2.1 Kóðuð kapall og innleiðandi loftnet
Kóðaði kapallinn er flatur að lögun og inniheldur nokkur pör af flutningslínum sem fara yfir á ákveðna staði samkvæmt skilgreindu kóðakerfi. Kóðaði kapallinn er settur upp meðfram brautum færanlegu eimreiðarinnar, með annar endinn tengdur við miðlæga stjórnklefann.
Innleiðsluloftnetið samanstendur af tveimur settum af spólum-annar sem þjónar sem sendiloftnet og hitt sem móttakaraloftnet-hjúpað í plastkassa, almennt nefnt loftnetsboxið. Loftnetsboxið er fest á hreyfanlegu eimreiðinni og tengt við stjórnskáp eimreiðarinnar. Loftnetsboxið hreyfist með eimreiminni og heldur 5–20 cm fjarlægð frá kóðaða kapalnum á hverjum tíma. Sjá mynd 1.
Þegar loftnetsboxið er staðsett nálægt kóðuðu snúrunni, framkallar hvert par af flutningslínum í kóðuðu snúrunni svörun í spólunum innan loftnetsboxsins og kemur þar með á þráðlausri- skammdrægri fjarskiptarás milli loftnetsboxsins og kóðuðu kapalsins.
2.2 Greining á amplitude og fasa framkallaðs merkis
Mynd 2 sýnir skýringarmynd af flutningslínu L sem er flatt við hlið loftnetsspólunnar. Á mynd 2 er breidd loftnetsins og bilið milli tveggja skerandi flutningslína í kóðuðu kapalnum bæði jöfn W, þar sem W=2r.
Skilgreining: Miðpunktur loftnetsspólunnar er skilgreindur sem staðsetning loftnetsspólunnar; svæðið á milli tveggja skurðpunkta flutningslínunnar L er nefnt svæði K flutningslínunnar L (K=I, II, III, …), og fjarlægðin d táknar frávik loftnetsspólunnar x frá miðlínu samsvarandi svæðis K.
Með því að nota loftnetsspóluna sem sendispólu greinum við framkallaðan rafkraft e sem myndast í samskiptaflutningslínunni. Samkvæmt kenningunni um rafsegulinnleiðslu, þegar straumur i=Imsinωt flæðir í gegnum loftnetsspóluna, er framkallað emf e í flutningslínunni e=di/dt. Hér er gagnkvæmi inductance stuðullinn M fall af staðsetningu loftnetsspólunnar (x, y, z). Að því gefnu að y og z haldist stöðugir þegar loftnetsspólan hreyfist eftir x-stefnunni, þá:
e=f(x)ωImcosωt
Vegna þess að það eru mót, er framkallað emf eI sem myndast á svæði I í flutningslínunni úr fasa við framkallað emf eII sem myndast á svæði II. Ef við tökum áfanga eI sem viðmiðun, skulum við
Þegar n er jafnt er framkallað emf e í flutningslínunni í fasa með eI; þegar n er odda er e úr fasa með eI og fasastuðullinn er (–1)n.
Þegar fjarlægðin z á milli sendispólunnar og kóðuðu kapalsins er lítil, er hægt að áætla að segulflæðislínurnar sem sendispólinn myndar séu jafnt dreift eftir x-stefnunni og fara hornrétt í gegnum flutningslínuna. Þess vegna er stærð A framkallaðs raforkukrafts e sem myndast í flutningslínunni í réttu hlutfalli við virkt innleiðslusvæði flutningslínunnar. Eins og sýnt er á mynd 2, þegar loftnetsspólan er í stöðu 1 (d=0), er virkt innleiðslusvæði S=W × B í hámarki og A=Amax. Í stöðu d=r á loftnetsspólu 3, virka innleiðslusvæðið S=0 og A=0. Í stöðu loftnetsspólunnar 2, virka innleiðslusvæðið S=(W – 2d) × B. Við fáum:
Aftur á móti, ef straumur fer í gegnum fjarskiptalínuna og loftnetsspólan er notuð sem móttökuspólu, gilda jöfnur (1) til (3) enn á grundvelli meginreglunnar um gagnkvæma inductance.
3 Aðferðir til að draga úr truflunum hávaða
Til að bæla truflun, sérstaklega sam-truflunarhljóð, er áhrifaríkasta aðferðin að koma í veg fyrir að truflunarhljóð berist inn í móttökuenda. Þess vegna er hönnunarhugmyndin sem hér segir: með því að innleiða sanngjarna hönnun fyrir móttökuendann í stjórnklefanum-kóðuðu kapalsamskiptaflutningslínunni-og móttökuendanum á ökutækinu-móttökuloftnetinu-dempast truflunarhljóð á meðan samskiptamerki eru dempuð, jafnvel ekki eins lítil, jafnvel minnkuð eins og hægt er. að ná því markmiði að bæta merki-til-suðs.
3.1 Hönnun tveggja flutningslína sem fara yfir eins móttökuloftnet með jöfnu bili
Í „hönnun á tveimur flutningslínum sem fara yfir eitt móttökuloftnet með jöfnu bili,“ er tveimur pörum af krossuðum fjarskiptalínum, L0 og L1, komið fyrir í kóðuðu kapalnum. Notað er eitt sendiloftnet og eitt móttökuloftnet; móttökuloftnetið er myndað af vafningaleiðurum í krosslagðri mynstri yfir mörgum snúningum, og má því líta á það sem samanstanda af móttökuspólu 1 og móttökuspólu 2. Bilið milli krosslagnanna, bilið milli krossaðra móttökuloftneta og breidd allra sendispólunnar eru sýnd á mynd W.
Mynd 3(a) sýnir raunverulega uppbyggingu og skýringarmynd af aðgerðinni. Mynd 3(b) er einfölduð skýringarmynd af flutningslínum L0 og L1, sendiloftnetinu og móttökuloftnetinu, flatt út til að auðvelda greiningu; í raunverulegum forritum, B=20 cm.
3.2 Greining á truflun á sendingarlínu
Þegar merkjastraumur er settur á sendiloftnetið á eimreiminni tekur stjórnstöðin á móti merkinu í gegnum samskiptaflutningslínurnar. Til að bæla truflunarhljóð er flutningslína L0 farið yfir með reglulegu millibili W. Frá fjarlægð birtist þetta sem snúinn -parsnúra, sem veitir truflunarhávaðabælingu á bilinu frá nokkrum dB til 30 dB, með að meðaltali allt að 15 dB.
Fyrir samskiptamerki, samkvæmt jöfnu (3), er amplitude AL0 fyrir framkallaða merkið á samskiptaflutningslínunni L0 fall af loftnetsstöðu x. Þegar miðja sendispólunnar er í takt við einhvern skurðpunkt á L0, AL0=0, sem leiðir til dauðasvæðis rásar. Til að koma í veg fyrir þessar aðstæður, er viðbótarpari af samskiptaflutningslínum, L1, komið fyrir innan kóðunarkapalsins, með skurðpunktum þeirra á móti skurðpunktum L0, eins og sýnt er á mynd 3. Látum d0 og d1 tákna þær fjarlægðir sem staðsetning x sendispólunnar er frá miðlínum L0 og L1 flutningslínanna, í sömu röð; þá, r=d0 + d1. Látum eL0 tákna merkið sem framkallað er af flutningslínu L0 og eL1 tákna merkið sem framkallað er af flutningslínu L1. Í rafeindabúnaði stjórnklefans er merkið e'L1-sem er eL1 fært um 90 gráður samanlagt með eL0 til að fá samsett merkið e. Samkvæmt jöfnu (2) höfum við:
Á þessum tímapunkti er sendiloftnetið í verstu mögulegu stöðu. Vigurritið af e er sýnt á mynd 4.
Greiningin hér að ofan gefur til kynna að móttakari með tvískiptri-sendingu-línu sem sýndur er á mynd 3 sé mjög áhrifaríkur til að bæla truflunarhljóð. Fyrir samskiptamerki er 3 dB dempun þegar sendiloftnetið er í versta-stöðu.
3.3 Greining á truflunarbælingu með móttökuloftneti
Fyrir truflunarhljóð samanstanda hefðbundin móttökuloftnet af stökum spólum án krosstengingar og skortir truflunarviðnám. Móttökuloftnetið sem sýnt er á mynd 3 er hins vegar með móttökuspólum 1 og 2 sem eru yfir. Við notkun á vettvangi eru truflunarhljóð rafkraftar eN1 og eN2 framkallaðir í spólunum tveimur úr fasa. Ef hávaða rafsegulbylgjurnar dreifast jafnt innan lítið 2W svæði meðfram x-stefnu móttökuloftnetsins, þá er eN1=−eN2, og hávaða rafkrafturinn sem dregur út af móttökuloftnetinu, eN, er eN1=eN{1=eN
Fyrir samskiptamerki er stýrða merkið f₀ sem miðstýringarherbergið sendir, magnað og sent um flutningslínu L₀; merkið f₁ (sem er 90 gráðu úr fasa með f₀) er magnað og sent um flutningslínu L1. Þessi tvö merki mynda samsett rafsegulsvið í rýminu nálægt kóðunarsnúrunni, sem er greint og tekið á móti af móttökuloftnetinu sem er staðsett nálægt kóðunarsnúrunni. Þar sem f₀ og f₁ eru hornrétt, eru dauð svæði rásar forðast. Framleiðslumerkjunum sem myndast í hefðbundnu móttökuloftneti er lýst með jöfnu (6). Eins og sýnt er á mynd 3, myndar móttökuloftnetið framkallaða rafkrafta e(1) og e(2) í móttökuspólum 1 og 2, í sömu röð. Vegna eiginleika yfirferðar í jafnfjarlægð uppfyllir móttökuloftnetið eftirfarandi á hvaða stað sem er:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); samkvæmt jöfnu (6) eru stærðir e(1) og e(2) jöfn;
(2) Ef rafsegulsviðið sem myndast á svæði K á flutningslínunni Li (i=0, 1) ræður ríkjum í móttökuspólu 1, þá ræður rafsegulsviðið sem myndast á svæði K+1 móttökuspólu 2. Vegna þess að flutningslínurnar fara yfir er rafsegulsviðið sem myndast á svæðinu K+1 úr fasa á eftir móttökusvæði K2, þar sem móttökusvæði K2 er myndað í móttöku K2. tvær fasabreytingar, fasar e(1) og e(2) verða eins.
Þess vegna er framkallaður rafkrafturinn e=e(1) + e(2)=2e(1) sem dreginn er út af móttökuloftnetinu úr samskiptamerkinu tvöfalt meiri en venjulegt móttökuloftnet.
Að auki, þegar sendispólan sendir merki, er spennan yfir báða enda sendispólunnar 200 Vp-p. Til að koma í veg fyrir að sterk send merki skemmi formagnara hringrás móttakarans, er sendispólunni komið fyrir á milli tveggja spóla móttökuloftnetsins. Þannig er raforkukrafturinn sem framkallaður er í móttökuloftnetinu af sendiloftnetsmerkinu um það bil núll.
3.4 Tilraunagreining á truflun á móttökuloftneti
Tilraunaskilyrðin voru sem hér segir: heildarlengd flutningslínunnar var 3 m og W=20 mm. Notað var sett af raunverulegum innleiðandi þráðlausum gagnasamskiptabúnaði, með samskiptahraða 4800 b/s, FSK mótun og burðartíðni 49 kHz. Við venjulega notkun var hámarksstraumur mótaðs merkis sem fór í gegnum L0 0,07 A; hámarksstraumur mótaðs merkis sem fór í gegnum sendiloftnetsspóluna var 0,38 A.
Meðan á tilrauninni stóð var fjarlægð z milli sendispólunnar og kóðuðu kapalsins haldið í 200 mm og miðju sendispólunnar var haldið í takt við einn kross L0. Við þessar aðstæður mældist amplitude framkallaðrar merkisspennu á flutningslínu L1 vera VL1=25 mVp-p, og amplitude framkallaðrar merkisspennu á móttökuloftnetinu mældist vera VA=20 mVp-p.
Ef merkjagjafi er notaður sem truflunargjafi og par af samsíða vírum er notað til að tengja til að framkalla truflun, sjá mynd 5. Merkjagjafinn gefur frá sér truflunarspennu v=Vm sin(2πft), þar sem f=49 kHz og R=130 Ω.
Tilraunin sem sýnd er á mynd 5(a) samsvarar truflunum í hefðbundnu móttökuloftneti, en tilraunin sem sýnd er á mynd 5(b) samsvarar truflunum í krossuðum spólum móttökuloftnets. Látið VNm (hámark-til-hámarks) tákna truflun-afleiddan raforkukraft sem dreginn er út úr móttökuloftnetinu. Tafla 1 sýnir gögnin fyrir báðar tilraunirnar.
Tilraunaniðurstöður sýna að kerfið nær allt að 48 dB truflunarhljóðbælingu. Fræðilegu og tilraunagreiningarnar sem kynntar eru hér að ofan sýna fram á að notkun krossmóttökuloftneta í sömu fjarlægð veitir ekki aðeins sterka truflunarhávaðabælingu heldur býður einnig upp á 6 dB aukningu á samskiptamerkjum samanborið við hefðbundin móttökuloftnet, og bætir þar með marktækt-til-hljóðhlutfallsins.
4 Niðurstaða
Truflunarbælingartæknin sem felur í sér að „fara yfir tvær flutningslínur með einu móttökuloftneti í jöfnum fjarlægð“ hefur verið beitt í-tölvubundnu miðstýrðu stjórnunarkerfi fyrir hreyfanlegar eimreiðar sem nota þráðlausa inductive tækni. Í hagnýtum forritum hefur þessi tækni reynst árangursrík við að bæla truflun í iðnaðarumhverfi, sérstaklega við að bæla á áhrifaríkan hátt sam-rásatruflun sem myndast af breytilegum-tíðnihraðastýringartækjum og tryggja þannig áreiðanleika gagnasamskipta. Að sjálfsögðu tekur truflunarbælingartæknin fyrir inductive þráðlaus gagnasamskipti sem lögð er til í þessari grein aðeins á hávaðabælingu við móttökuendann. Fyrir rafeindabúnað sem starfar í erfiðu iðnaðarumhverfi verður að gera viðbótarráðstafanir eins og jarðtengingu og hlífðarvörn; þetta eru utan gildissviðs þessa blaðs.