1 Uvod
V industrijski avtomatizaciji so žične komunikacijske metode za prenos podatkov med mobilnimi vozili in centralnimi nadzornimi sobami neprijetne zaradi potrebe po vleki komunikacijskih kablov; metode brezžične komunikacije po drugi strani trpijo zaradi visokih stopenj napak zaradi težkih pogojev v industrijskih okoljih. Brezžična-podatkovna komunikacija na osnovi indukcije (prenos podatkov z indukcijskim radiom) za izmenjavo informacij uporablja elektromagnetno indukcijo med kodiranim kablom (znanim tudi kot indukcijsko vodilo) in indukcijsko anteno. Ker je domet brezžične komunikacije strogo omejen na 5–20 cm, ta način zagotavlja tako fleksibilnost premikanja lokomotive kot tudi zanesljivost kakovosti komunikacije, hkrati pa omogoča-sledenje v realnem{5}}času položaja premikajoče se lokomotive med komunikacijo.
Električna oprema v industrijskih okoljih, zlasti naprave za krmiljenje hitrosti-s spremenljivo frekvenco na premikajočih se lokomotivah, lahko ustvari močne harmonike, ki so enaki ali podobni nosilni frekvenci induktivne brezžične podatkovne komunikacije. Teh ko-frekvenčnih motenj ni mogoče oslabiti s pasovnimi filtri. Če se na vhodu ne sprejmejo učinkoviti ukrepi za njegovo zatiranje, se bo stopnja napak induktivne brezžične podatkovne komunikacije znatno povečala, kar lahko povzroči nedelovanje sistema. Pri obnovi električnega sistema prve faze koksarne v Baosteelu je bila uporabljena oprema, uvožena iz Japonske. Med dejanskim delovanjem so "opažene pogoste prekinitve komunikacije indukcijske zbiralke, pri čemer je analiza vzrok pripisala naključnim močnim motnjam in popačenju zaznavanja antene." Posledično je bila v nekaterih praktičnih aplikacijah induktivna brezžična tehnologija opuščena za podatkovno komunikacijo in sprejeta je bila samo induktivna brezžična tehnologija zaznavanja položaja.
Da bi preprečili motnje v induktivni brezžični podatkovni komunikaciji, so strokovnjaki in učenjaki na tem področju izvedli obsežne raziskave. Ena študija je predlagala konfiguracijo induktivne brezžične diferencialne sprejemne antene, medtem ko je druga predlagala metodo z uporabo dvojnih sprejemnih anten z enim prenosnim vodom. Tehnika »prekrižanih dvojnih oddajnih linij z eno sprejemno anteno v enakem razmiku« za zatiranje ko-kanalnih motenj za induktivno brezžično podatkovno komunikacijo, predstavljena v tem prispevku, lahko učinkovito zatre -kanalne motnje, izboljša razmerje med signalom-in-šumom in je primerna za zemeljsko-odkrivanje položaja.
2 Osnovna načela induktivne brezžične podatkovne komunikacije
Za analizo načela, po katerem tehnologija za zatiranje med-kanalnih motenj izboljša razmerje med-in-šumom pri induktivni brezžični podatkovni komunikaciji, najprej podajamo kratko analizo in uvod v osnovna načela induktivne brezžične podatkovne komunikacije.
2.1 Kodirani kabel in induktivna antena
Kodirani kabel je ploščate oblike in vsebuje več parov prenosnih vodov, ki se križajo na določenih točkah v skladu z definirano shemo kodiranja. Kodiran kabel je nameščen vzdolž tirov mobilne lokomotive, z enim koncem pa je povezan s centralno komandno sobo.
Indukcijska antena je sestavljena iz dveh nizov tuljav-, ki služita kot oddajna antena in druga kot sprejemna antena-, ki sta v plastični škatli, običajno imenovani antenska škatla. Antenska omarica je nameščena na premikajoči se lokomotivi in povezana s krmilno omarico lokomotive. Antenska škatla se premika skupaj z lokomotivo in ves čas ohranja razdaljo 5–20 cm od kodiranega kabla. Glej sliko 1.
Ko je antenska škatla nameščena blizu kodiranega kabla, vsak par prenosnih linij v kodiranem kablu inducira odziv v tuljavah znotraj antenske škatle, s čimer se vzpostavi brezžični komunikacijski kanal kratkega-razdalje med antensko škatlo in kodiranim kablom.
2.2 Analiza amplitude in faze induciranega signala
Slika 2 prikazuje shematski diagram prenosnega voda L, ki je položen vzdolž antenske tuljave. Na sliki 2 sta širina antene in razmik med dvema sekajočima se prenosnima linijama v kodiranem kablu enaka W, kjer je W=2r.
Opredelitev: središčna točka antenske tuljave je definirana kot položaj antenske tuljave; območje med dvema presečiščema prenosnega voda L se imenuje območje K prenosnega voda L (K=I, II, III, …), razdalja d pa predstavlja odstopanje položaja antenske tuljave x od središčnice ustreznega območja K.
Z uporabo antenske tuljave kot oddajne tuljave analiziramo inducirano elektromotorno silo e, ki nastaja v komunikacijskem daljnovodu. V skladu s teorijo elektromagnetne indukcije je, ko skozi antensko tuljavo teče tok i=Imsinωt, inducirana emf e v prenosnem vodu e=di/dt. Tu je koeficient medsebojne induktivnosti M funkcija položaja antenske tuljave (x, y, z). Ob predpostavki, da sta y in z konstantna, ko se antenska tuljava premika vzdolž smeri x-, potem:
e=f(x)ωImcosωt
Ker obstaja stičišče, je inducirana emf eI, ustvarjena v regiji I prenosnega voda, v nasprotju s fazo inducirane emf eII, ustvarjene v regiji II. Če za referenco vzamemo fazo eI, naj
Ko je n sodo, je inducirana emf e v prenosnem vodu v fazi z eI; ko je n liho, je e izven faze z eI, fazni koeficient pa je (–1)n.
Ko je razdalja z med oddajno tuljavo in kodiranim kablom majhna, je mogoče črte magnetnega pretoka, ki jih ustvari oddajna tuljava, približati tako, da so enakomerno porazdeljene vzdolž smeri x- in potekajo pravokotno skozi prenosni vod. Zato je velikost A inducirane elektromotorne sile e, ki nastane v daljnovodu, sorazmerna z efektivno indukcijsko površino daljnovoda. Kot je prikazano na sliki 2, ko je antenska tuljava na položaju 1 (d=0), je efektivna indukcijska površina S=W × B največja, A=pa Amax. Na položaju d=r antenske tuljave 3 efektivno indukcijsko območje S=0 in A=0. Na položaju antenske tuljave 2 efektivno indukcijsko območje S=(W – 2d) × B. Dobimo:
Nasprotno, če teče tok skozi komunikacijski prenosni vod in se antenska tuljava uporablja kot sprejemna tuljava, enačbe (1) do (3) še vedno veljajo na podlagi načela medsebojne induktivnosti.
3 Tehnike za zatiranje motenj
Za zatiranje motenj, zlasti -kanalnega interferenčnega hrupa, je najučinkovitejši pristop preprečiti interferenčnemu šumu, da vstopi v sprejemni konec. Zato je filozofija oblikovanja naslednja: z implementacijo razumne zasnove za sprejemni konec v nadzorni sobi-kodirani kabelski komunikacijski prenosni vod-in sprejemni konec na vozilu-sprejemna antena-motenje so oslabljene, medtem ko so komunikacijski signali čim manj oslabljeni, sploh niso oslabljeni ali celo ojačeni, s čimer se doseže cilj izboljšanja razmerje-in-šumom.
3.1 Zasnova dveh oddajnih vodov, ki prečkata eno samo sprejemno anteno v enakem razmaku
Pri "zasnovi dveh prenosnih linij, ki prečkata eno samo sprejemno anteno v enakih razmikih," sta dva para križanih komunikacijskih prenosnih linij, L0 in L1, razporejena znotraj kodiranega kabla. Uporabljata se ena oddajna in ena sprejemna antena; sprejemna antena je oblikovana z navijanjem vodnikov v prekrižanem vzorcu v več obratih in jo je zato mogoče obravnavati kot sestavljeno iz sprejemne tuljave 1 in sprejemne tuljave 2. Razmik med prekrižanimi prenosnimi linijami, razmik med prekrižanimi sprejemnimi antenami in širina oddajne tuljave so vsi W. Kot je prikazano na sliki 3.
Slika 3(a) prikazuje dejansko strukturo in shematski diagram delovanja. Slika 3(b) je poenostavljen shematski diagram prenosnih vodov L0 in L1, oddajne antene in sprejemne antene, položenih ravno za lažjo analizo; v dejanskih aplikacijah W=20 cm.
3.2 Analiza zatiranja motenj v daljnovodu
Ko na oddajno anteno na lokomotivi teče signalni tok, krmilni center sprejme signal preko komunikacijskih prenosnih vodov. Za zatiranje hrupa motenj se prenosna linija L0 prečka v rednih intervalih W. Od daleč je to videti kot kabel s prepleteno-žico, ki zagotavlja dušenje hrupa motenj v razponu od nekaj dB do 30 dB, s povprečjem do 15 dB.
Za komunikacijske signale je v skladu z enačbo (3) amplituda AL0 induciranega signala na komunikacijskem prenosnem vodu L0 funkcija položaja antene x. Ko je središče oddajne tuljave poravnano s katero koli presečiščem na L0, AL0=0, je posledica mrtvo območje kanala. Da bi se izognili tej situaciji, je dodaten par komunikacijskih prenosnih linij, L1, razporejen znotraj kodirnega kabla, pri čemer so njihove presečišča odmaknjene od tistih na L0, kot je prikazano na sliki 3. Naj d0 in d1 predstavljata razdalji, za katere je položaj x oddajne tuljave zamaknjen od središčnic prenosnih linij L0 oziroma L1; potem r=d0 + d1. Naj eL0 predstavlja signal, ki ga inducira prenosni vod L0, eL1 pa signal, ki ga inducira prenosni vod L1. V elektronski opremi kontrolne sobe se signal e'L1-, ki je eL1 premaknjen za 90 stopinj, sešteje z eL0, da dobimo sestavljeni signal e. V skladu z enačbo (2) imamo:
Na tej točki je oddajna antena v najslabšem možnem položaju. Vektorski diagram e je prikazan na sliki 4.
Zgornja analiza kaže, da je sprejemnik z dvojnim-odnosom-, prikazan na sliki 3, zelo učinkovit pri zatiranju motenj. Za komunikacijske signale je slabljenje 3 dB, ko je oddajna antena v najslab-položaju.
3.3 Analiza zatiranja motenj s sprejemno anteno
Za hrup motenj so tradicionalne sprejemne antene sestavljene iz enojnih tuljav brez navzkrižne-spoje in nimajo odpornosti proti motnjam. Sprejemna antena, prikazana na sliki 3, pa ima sprejemni tuljavi 1 in 2, ki sta prekrižani. Med delovanjem v polju elektromotorni sili motenj eN1 in eN2, inducirani v obeh tuljavah, nista v fazi. Če so šumni elektromagnetni valovi enakomerno porazdeljeni znotraj majhnega območja 2W vzdolž smeri x-sprejemne antene, potem je eN1=−eN2 in je elektromotorna sila šuma, ki jo izloči sprejemna antena, eN, eN1 + eN2=0.
Za komunikacijske signale se modulirani signal f₀, ki ga oddaja centralna nadzorna soba, ojača in prenese preko prenosnega voda L₀; signal f₁ (ki je 90 stopinj izven faze s f₀) se ojača in prenese preko prenosnega voda L1. Ta dva signala ustvarjata kombinirano elektromagnetno polje v prostoru blizu kodirnega kabla, ki ga zazna in sprejme sprejemna antena, ki se nahaja blizu kodirnega kabla. Ker sta f₀ in f₁ pravokotni, se mrtvim conam kanala izognemo. Inducirani signali, ustvarjeni v tradicionalni sprejemni anteni, so opisani z enačbo (6). Kot je prikazano na sliki 3, sprejemna antena ustvarja inducirane elektromotorne sile e(1) in e(2) v sprejemnih tuljavah 1 oziroma 2. Zaradi značilnosti ekvidistančnega križanja sprejemna antena na katerem koli položaju izpolnjuje naslednje:
(1) d0(1)=d0(2), d1(1)=d1(2); v skladu z enačbo (6) sta velikosti e(1) in e(2) enaki;
(2) Če elektromagnetno polje, ustvarjeno v območju K prenosnega voda Li (i=0, 1), prevladuje nad sprejemno tuljavo 1, potem elektromagnetno polje, ustvarjeno v območju K+1, prevladuje nad sprejemno tuljavo 2. Zaradi križanja prenosnih vodov elektromagnetno polje, ustvarjeno v območju K+1, ni v fazi s poljem, ustvarjenim v območju K. Ker je sprejemna tuljava 2 prekrižana s sprejemno tuljava 1 po dveh faznih inverzijah postaneta fazi e(1) in e(2) enaki.
Zato je inducirana elektromotorna sila e=e(1) + e(2)=2e(1), ki jo izloči sprejemna antena iz komunikacijskega signala, dvakrat večja od običajne sprejemne antene.
Poleg tega, ko oddajna tuljava pošlje signal, je napetost na obeh koncih oddajne tuljave 200 Vp-p. Da bi preprečili, da bi močan oddani signal poškodoval predojačevalno vezje sprejemnika, je oddajna tuljava nameščena med obema tuljavama sprejemne antene. Na ta način je elektromotorna sila, ki jo v sprejemni anteni inducira signal oddajne antene, približno enaka nič.
3.4 Eksperimentalna analiza zatiranja motenj sprejemne antene
Eksperimentalni pogoji so bili naslednji: skupna dolžina daljnovoda je bila 3 m in W=20 mm. Uporabljen je bil nabor dejanske induktivne brezžične podatkovne komunikacijske opreme s komunikacijsko hitrostjo 4800 b/s, FSK modulacijo in nosilno frekvenco 49 kHz. Med normalnim delovanjem je bil najvišji tok moduliranega signala, ki poteka skozi L0, 0,07 A; vršni tok moduliranega signala, ki poteka skozi tuljavo oddajne antene, je bil 0,38 A.
Med poskusom je bila razdalja z med oddajno tuljavo in kodiranim kablom vzdrževana pri 200 mm, središče oddajne tuljave pa je bilo poravnano z enim križiščem L0. Pod temi pogoji je bila izmerjena amplituda inducirane signalne napetosti na prenosnem vodu L1 VL1=25 mVp-p, amplituda inducirane signalne napetosti na sprejemni anteni pa je bila izmerjena na VA=20 mVp-p.
Če se kot vir motenj uporablja generator signala in se par vzporednih žic uporablja za sklopitev za povzročanje motenj, glejte sliko 5. Generator signala oddaja interferenčno napetost v=Vm sin(2πft), kjer je f=49 kHz in R=130 Ω.
Poskus, prikazan na sliki 5(a), ustreza motnjam v običajni sprejemni anteni, medtem ko poskus, prikazan na sliki 5(b), ustreza motnjam v prekrižanih tuljavah sprejemne antene. Naj VNm (peak-to-peak) označuje-elektromotorno silo, povzročeno z motnjami, izločeno iz sprejemne antene. Tabela 1 prikazuje podatke za oba poskusa.
Eksperimentalni rezultati kažejo, da sistem doseže dušenje motenj do 48 dB. Zgoraj predstavljene teoretične in eksperimentalne analize kažejo, da uporaba ekvidistančnih križanih sprejemnih anten ne zagotavlja le močnega dušenja motenj, ampak ponuja tudi 6 dB pridobitev komunikacijskih signalov v primerjavi s tradicionalnimi sprejemnimi antenami, s čimer se bistveno izboljša razmerje med signalom-in-šumom.
4 Zaključek
Tehnika zatiranja motenj, ki vključuje "prečkanje dvojnih prenosnih linij z eno samo sprejemno anteno na enakih razdaljah", je bila uporabljena v računalniško-temeljenem centraliziranem nadzornem sistemu za upravljanje mobilnih lokomotiv, ki uporabljajo induktivno brezžično tehnologijo. V praktičnih aplikacijah se je ta tehnika izkazala za učinkovito pri zatiranju motenj v industrijskih okoljih, zlasti pri učinkovitem zatiranju med-kanalnih motenj, ki jih ustvarjajo naprave za nadzor hitrosti s spremenljivo-frekvenčnostjo, s čimer se zagotavlja zanesljivost podatkovne komunikacije. Seveda tehnologija za zatiranje motenj za induktivno brezžično podatkovno komunikacijo, predlagana v tem dokumentu, obravnava samo zatiranje šuma na sprejemnem koncu. Za elektronsko opremo, ki deluje v težkih industrijskih okoljih, je treba izvesti dodatne ukrepe, kot sta ozemljitev in zaščita; to presega obseg tega dokumenta.