格雷母线技术详解 - 图文

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格雷母线技术说明书

一、格雷母线位置检测基本原理

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。

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、格雷母线的结构

格雷母线外形如图1所示

图1 格雷母线外形图

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—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2所示。

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图2 格雷母线芯线展开图

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。

2.1、绝对地址

通过格雷母线G0、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。

2.1.1、地上检测方式工作原理

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如图3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。

图3 地上检测方式工作原理

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“0”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

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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“1”。

2.1.2、车上检测方式工作原理

如图4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：

图4车上检测方式工作原理

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、交叉线1、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

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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“1”。上图4中地址1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为线圈面积，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。

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如果格雷母线地址线为10对（G0-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。

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,L0交叉间隔跟G0一样，只是错开半个步长，如图5所示：

图5 精密地址检测方法

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，G0，Ｌ0两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G0、L0产生的感应电动势如下：泙

????????? ?V0＝－Ｎ*ｄΦ0/ｄｔ ....................(1)

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????????? ?V1＝－Ｎ*ｄΦ1/ｄｔ ....................(2) ????????? ???Φ=S*B ..... ... ..........(3) ?????????V0、V1──电缆芯线G0、L0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──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、L0上的有效面积；

????设Ｓ0是磁场作用在芯线G0上的有效面积，Ｓ1是磁场作用在芯线Ｌ0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=-dΦ0/dt=-BdS0/dt=-Bd(HW-2HX)/dt ....(4)

V1=-dΦ1/dt=-BdS1/dt=-Bd(2HX)/dt ....(5)

???? 在同一时间间隔内，由(4)/(5)得：

????????? ???? ?V0／V1＝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, V0／V1与X成线性关系。由于G0、Ｌ0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／V1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。

理论上如果将V0／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.

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二、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。三、格雷母线位移传感器

1、格雷母线位移传感器部件图

? 格雷母线电缆：格雷母线电缆由芯线、模芯和护套构成。护套使用氯丁橡胶材料，格雷母线电缆长度由25.6米、51.2米、102.4米、204.8米多种规格，多根

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格雷母线电缆可通过段间箱连接拼接以满足工程需要。

? 地址编码发射器：产生地址载波信号。内含发振器、功率放大器、阻抗匹配器等，以同频率分时方式分别将地址信号送给格雷母线基准线和地址线。

? 地址编码接收器：完成机车位置检测和数据通信。内含地址检测单元、通信控制单元等，通过可编程逻辑电路全硬件方式实现地址解析，速度快，可靠性高。

? 天线箱：与格雷母线单匝线圈形成互感，完成地址检测和感应通信。格雷母线位移传感器有两类天线箱，天线箱1用于地址检测，天线箱2用于感应通信。

? 感应通信单元：内含发信机、收信器等，实现地面站和移动站之间的双向数据传递。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：10-7。

? 安装辅件：用于现场固定格雷母线电缆

2、格

雷母线技术的应用

2.1、地上检测方式

格雷母线地上检测方式典型设备配置如图6所示。

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图6 地上检测设备配置图。

格雷母线地上检测方式设备清单如下：序号设备名称设备型号安装位置说明 1 地址编码接收器 AFC-DAS01 固定站解析地址信号、通信控制 2 格雷母线 AWC-EC100 固定站接收地址编码的电磁感应信号,长度可变,单根长度可变，多根可用段间箱拼接 3 始端箱 AWC-BS01 固定站格雷母线起始端接线箱 4 终端箱 AWC-BZ01 固定站格雷母线结束端接线箱 AFC-BD01 5 段间箱固定站拼接多根格雷母线，单根时不用 6 格雷母线支架 AFC-ZJ01 固定站固定格雷母线，每2米一个 7 地址编码发射器 AFC-DAF01 移动站合成并放大地址编码信号 8 天线箱 AFC-DTR01 移动站生成并发射地址编码的电磁感应信号地上检测方式的特点：

① 移动站天线箱1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。

2.2、车上检测方式

格雷母线车上检测方式典型设备配置如图7所示。

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图7 车上检测设备配置图。

格雷母线位移传感器车上检测方式设备清单如下：序号设备名称设备型号 1 地址编码发射器 AFC-CAF01 2 格雷母线 AWC-EC100 安装位置说明固定站合成并放大地址编码信号固定站生成并发射地址编码的电磁感应信号,单根长度可变，多根可用段间箱拼接固定站格雷母线起始端接线箱固定站格雷母线结束端接线箱固定站拼接多根格雷母线，单根时不用固定站固定格雷母线，每2米一个移动站接收地址编码的电磁感应信号移动站解析地址信号、通信控制 3 4 5 6 7 8 始端箱终端箱段间箱格雷母线支架天线箱地址编码接收器 AWC-BS01 AWC-BZ01 AFC-BD01 AFC-ZJ01 AFC-CTR01 AFC-CAS01 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。

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3、格雷母线通信定位装置的数据接口

4、格雷母线与天线箱工作时的相对位置

5、格雷母线通信定位装置的主要设备

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四、格雷母线技术的安装图例

4.1格雷母线电缆沿移动机车摩电道安装

4.2格雷母线电缆沿移动机车走行方向拦杆上安装

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4.3格雷母线电缆沿移动机车走行方向用支架安装