罐笼实时位置动态检测技术在矿井提升安全中的研究与应用技术研究报告.doc

罐罐笼笼实实时时位位置置动动态态检检测测技技术术 在在矿矿井井提提升升安安全全中中的的研研究究与与应应用用 技术研究报告技术研究报告 山东黄金矿业（沂南）有限公司山东黄金矿业（沂南）有限公司 武汉利德测控技术股份有限公司武汉利德测控技术股份有限公司 20132013 年年 9 9 月月 目目 录录 第一章 概述 .4 1.1 课题来源 4 1.2 研究的目的和意义 5 第二章 罐笼实时位置动态检测技术研究9 2.1 常见定位技术的分析与研究9 2.2 格雷母线基本原理的研究15 2.3 基于格雷母线感应通信功能的延伸研究29 2.4 基于格雷母线语音通信功能的延伸研究42 第三章 系统设计 .57 3.1、系统设计方案 57 3.2、系统实现目标 58 3.3、系统功能 58 3.4 技术性能参数 60 第四章 系统研制的技术创新点62 4.1 定位方式的创新 62 4.2 控制与通讯方式的创新.62 4.3 语音通信的创新 62 第五章 系统调试和试运行情况63 第六章 系统存在的问题和改进措施64 第七章 系统的推广应用前景65 第第一一章章 概概述述 1.1 课课题题来来源源 地下矿山的提升系统分为斜井提升和竖井提升两种类型,尤其是竖井 提升系统主要是通过罐笼在井筒内沿垂直方向实现矿物和人员的提升,提 升人员数量一般在9人至20人之间，因此在提升人员过程中，一旦发生罐 笼坠罐事故,就会发生重大人身伤亡,造成严重的财产损失和人员伤亡。因 此,必须对提升事故进行科学分析,找出事故发生的主要原因,提出改进措 施,运用科学的安全管理方法来避免事故的发生。 矿山竖井提升系统主要包括拖动电动机、减速器、滚筒、制动系统、 电控系统、天轮、罐笼、平衡锤等装置。其中罐笼有罐笼和箕斗两种,罐 笼主要用于人员、材料和设备的提升,而箕斗主要用于矿石和废石的提升。 目前常用的矿井提升机有单绳缠绕式和多绳摩擦式。竖井提升设备一般比 较复杂而庞大,电控系统复杂，特别是近几年变频调速技术的发展，矿井 提升已经达到全自动无人值守的运行模式，矿井提升高效运行状态，担负 了繁重的矿物与人员的提升。 提升系统安全管理是矿山安全管理的重点，直接与工人的人身安全 息息相关。竖井提升系统发生事故的主要因素包括过卷、松绳、断绳、卡 罐、闸力丢失等。近几十年来，国内矿井坠罐事故频发，针对山东某铁矿 3.15坠罐事故，为进一步完善提升系统安全保护和杜绝提升安全事故的发 生，研究罐笼位置动态检测与保护是有效避免罐笼蹲罐或断绳事故的重要 安全措施。 目前国内提升机罐笼位置的测量都是根据卷筒旋转带动深度指示器或 编码器来间接计算和判断罐笼的位置。当前，国内最先进的电控系统也无 法检测罐笼的实际运行位置，当罐笼在井筒内运行过程中出现瞬间的卡罐 后，因处理不当导致罐笼突然滑落时，会因钢丝绳严重松弛,在重力加速 度的作用下产生巨大的破断拉力导致罐笼坠井事故的发生。而当前提升电 控系统应用的松绳保护因为钢丝绳的自重问题只能保护罐笼在井口区域内 罐笼位置的异常，无法判断和保护罐笼在井筒内的实际位置异常。 因此如何实时正确的指示罐笼在矿井中的实际位置，是有效避免因意 外因素导致卡罐引起的断绳事故，避免发生重大矿井提升安全事故的重要 安全措施。 1.2 研研究究的的目目的的和和意意义义 1.2.1 研研究究目目的的 在地下矿山作业中，竖井主要是通过罐笼在井筒内沿垂直方向实现 矿物和人员的提升。在提升过程中，罐笼经常会由于某种状况，而导致出 现蹲罐或卡罐的隐患，如果电控系统不能及时做出判断和处理可能带来严 重的后果，甚至导致乘罐人员的伤亡。 当出现蹲罐或卡罐现象时，目前现有的技术无法正确指示罐笼的位 置和状态，因而可能导致提升系统误判，卷筒正常旋转，提升钢丝绳过放， 当过放一定程度后，同时罐笼在自身重力的作用下突然下降，钢丝绳会在 绷直的瞬间产生巨大的张力，导致钢丝绳发生断绳事故，罐笼抓捕器一旦 失效，将导致严重的罐笼坠罐事故发生，乘罐人员在罐笼高速坠落至井底 时，导致大量人员重伤甚至死亡。 本项目主要研究的目的：找到一种合适的技术，能够实时准确的指 示罐笼的位置和状态，并且能长期在矿井这种恶劣的工况环境下稳定工作。 1.2.2 项项目目研研制制的的意意义义和和必必要要性性 随着经济的发展和对资源需求量的增加，采矿业迅猛发展，然而与 此同时，矿山事故出现的频率也明显多了起来。全国金属矿山事故死亡人 数仅次于道路与煤矿事故，居全国各行各业的第三位，给社会的稳定带来 了许多不安定因素。据资料显示，2001年金属矿山企业共发生伤亡事故 1313起，死亡1932人，同比增加604起，增加978人，分别上升85.2 %和 102.5 %。其中，一次死亡39人的重大事故114起，死亡479人，同比增 加48起，增加218人，分别上升72.7 %和83.5 %；一次死亡10人以上的特 大事故9起，死亡214人，同比增加5起，增加139人，分别上升125.0 %和 185.3 %；一次死亡30人以上的特大事故1起，死亡81人。由此可见矿山安 全问题已经相当突出 。 其中罐笼坠井事故占到一定比例，而往往在罐笼坠井事故中，伤亡人 数都比较多。因此，矿山提升系统的安全是矿山企业安全正常生产的立根 之本，而对于提升系统中重要组成部分的罐笼的安全与研究，是非常有意 义和必要的。 1.2.3 主主要要解解决决问问题题和和关关键键技技术术 由于当前罐笼检测技术都无法绝对的检测罐笼在矿井中的准确位置， 设计一种全新的检测技术迫在眉睫，彻底解决罐笼在矿井中的准确位置 的问题，是提高提升系统安全可靠性的有力途径。本项目需要解决的几 个关键技术： 能精确的对罐笼位置进行实时检测，且检测位置为绝对位置，上电 即能恢复； 实现罐笼与地面的通信，能够实时将罐笼的状态信息传送给地面系 统； 实现罐笼与地面的语音相互通话； 能够在恶劣的矿井环境中长期稳定工作。 1.2.4 项项目目研研制制的的进进度度 序号 研制内容进度 1 沂南金矿现场考察2011-4-10 至 2011-4-27 2 完成编制系统可行性研究报告、预算2011-4-27 至 2011-6-15 3 完成项目方案的总体设计2011-6-15 至 2011-10-15 4 完成项目方案的详细设计2011-10-15 至 2011-12-30 5 采购设备及元器件，机械加工，2011-12-30 至 2012-5-105 6 现场施工2012-5-15 至 2012-6-27 7 系统联调2012-7-1 至 2012-9-30 8 试运行2012-10-1 至 2012-12-31 9 正式投运、推广使用2013-1-1 至今 第第 2 章章 罐罐笼笼实实时时位位置置动动态态检检测测技技术术研研究究 2.1 常常见见定定位位技技术术的的分分析析与与研研究究 以下是目前国内外用于工况环境比较多的几种定位技术： 2.1.1 限限位位开开关关或或接接近近开开关关定定位位技技术术 限位开关又称行程开关，用于控制机械设备的行程及限位保护。在实 际生产中，将限位开关安装在预先安排的位置，当移动机车上的模块撞击 限位开关时，通过机械力的传递使其内部的微动开关动作，它的作用原理 与按钮类似，是一种间歇式的绝对定位方式。 图表图表 1 限位开关 接近开关与限位开关的区别在于它是非接触工作方式，由磁场变化引 起触点的动作和复位。 图表图表 2 接近开关 这类技术的优点是成本低，缺点是在使用过程中容易点蚀，容易磨损， 使用寿命短。可靠性差，易失灵，受温度、电压波动、外界物体靠近等影 响而产生误动作导致控制系统紊乱。移动机车在走行过程中的震动、抖动 和外界环境的影响都会导致其失灵或误动作。而且这类开关在使用中的维 护量大，给生产带来极大不便。 这类技术早期主要应用在国内钢铁行业，由于自动化程度要求较低， 在设计中普遍采用此种定位方式。这类技术在使用过程中发现，只要有一 个（几个）点的信号丢失就造成位置错位，易失灵，维护量大，可靠性差， 影响了设备的正常运转，而且误工率大大增加，严重时甚至导致生产事故 和安全事故。所以目前国内钢铁企业内的大部分定位系统都采用人工干预 来进行控制，当初的设计由于不能可靠地解决位置检测问题而大都处于瘫 痪或半瘫痪状态。 而矿井属于高潮湿、高腐蚀环境，且对定位可靠性要求较高，但井内 工况复杂，因此这类技术不适用于矿井定位，因而在此技术基础上延伸研 究开发适合矿井定位技术的意义不大。 2.1.2 旋旋转转编编码码器器位位置置检检测测 旋转编码器位置检测是：在被检测物体的旋转轴上安装旋转编码器， 通过测量出的轴转动的圈数乘以周长从而得到被检测物体的位置。根据其 刻度方法及信号输出形式，分为增量式、绝对式。不管属于哪一类型的旋 转编码器，它都是一种相对定位的机械接触工作方式。 图表图表 3 旋转编码器 增量式缺点是存在零点累计误差，抗干扰较差，易丢脉冲，掉电会丢 失零点，开机应找零或参考位。 绝对型旋转编码器的每个位置是唯一的，无需记忆，无需找参考点， 而且不用连续计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。 这样数据可靠性大大提高。由于绝对型旋转编码器是由一套精密机械完成 位置计数，在使用中也存在易错码易损坏的缺陷。 由于编码器测量位移固有的特点，总避免不了由于被检测物体自身频 繁启停所导致的滑动累积误差，实践应用表明这种误差程度已严重威胁到 了其所提供的位置信息的合理性，无法利用其位置信息进行相关控制。 在实际应用中采用较多的是每隔一定的距离加以校正，有些甚至每隔 几米就使用一个校正板，由于校正开关的不可靠经常导致校正错误，本质 上又变成了增量式位置检测，效果仍旧不尽人意。 目前，这种技术广泛应用于矿井罐笼位置检测系统中，编码器主要优 点是成本低，但当罐笼出现卡罐的时候，目前还无法正确的指示其实际位 置，2011 年在山东某矿山发生的 3.15 罐笼坠井事故就是很好的案例。 矿井罐笼定位研究可以在此技术基础上进行延伸开发，还需要有很好 的思路和技术支持，同时在此基础上如何传送罐笼状态到地面，还有待研 究。 2.1.3 激激光光定定位位技技术术 激光定位：就是发射一个激光信号，根据收到从物体反射回来的信号 的时间差来计算这段距离，然后根据发射激光的角度来确定物体和发射器 的角度，从而得出物体与发射器的相对位置。 图表图表 4 激光定位原理 测量距离一般在 200 米内，精度在 2mm 左右。这是目前使用范围最广 的激光测距仪。在功能上除能测量距离外，一般还能计算测量物体的体积； 测量距离一般在 600-3000 米左右，这类测距仪测量距离比较远，但精度 相对较低，精度一般在 1 米左右。 这种测距方式对环境依赖程度高，尤其是灰尘、高雾等环境就不能准 确测量距离，而且对反光的角度等都要求较高。 对于矿井内的环境，激光测量的方法不太合适，井筒内潮湿，障碍物 较多，利用激光测量技术无法实现罐笼的实际位置检测。 2.1.4 格格雷雷母母线线定定位位技技术术 格雷母线技术采用电磁感应原理和格雷编码原理来进行位置检测，是 一种连续的非接触式绝对位置检测方式。格雷母线沿移动设备轨道方向安 装,地址编码发射器和天线箱安装在移动输送设备上，地址编码发射器给 天线箱发射信号，天线箱此时会形成一个交变磁场，格雷母线在天线箱位 置会接受到磁感应信号，格雷母线将此信号传送给地址编码接收器，其就 可以将移动输送设备的位置信息解析出来。 图表图表 5 格雷母线位置检测 由于感应天线箱与格雷母线之间靠电磁感应原理工作，可以穿过任何 非金属物体，它可以在强粉尘、高温（最高 800）的环境下稳定可靠工 作，不受酸、碱、油污等的影响。实用表明格雷母线埋于地下、长期浸泡 在水中或浇注在水泥混凝土内依然能正常可靠工作，不受天气环境影响 （具有全天候工作特性），在露天环境更能显示出其得天独厚的工业应用 优势。 感应天线箱与格雷母线之间工作距离保持在 30mm 到 300mm，抗电气干 扰能力强，宽容度比较大，可以用于直线或环形及其他不规则位移的位置 检测，定位精度 5mm，输出频率 20 毫秒，安装简单方便（无需改变现场环 境），地址稳定可靠，无重码误码现象。系统基本不受现场电气环境的影 响，已成功应用在铁矿石场等恶劣环境下并长期稳定工作。 其非接触式工作方式没有任何磨损存在，所以使用寿命也极长。不怕 大型有轨机械在行走过程中的震动和抖动问题，实用中还没有发生过丢失 地址现象。 通过对这种技术的了解，将格雷母线顺着矿井垂直方向敷设，可以全 程检测罐笼在井筒内运行的实时位置，同时采用无摩擦的电磁检测原理， 寿命长，同时还可以携带电磁感应信息，很好的符合了需要解决的关键技 术难题。在此技术基础延伸开发，课题成功的可能性较大。 2.1.5 定定位位技技术术的的分分析析与与总总结结 分析总结，在目前现有的定位技术上，格雷母线定位技术比较符合目 前研究方向。 2.2 格格雷雷母母线线基基本本原原理理的的研研究究 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。 2.2.1、格格雷雷母母线线 的的结结构构 格雷母线外形如图 6 所示 图表图表 6 格雷母格雷母线线外形外形图图 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、G2G8、G9 步 长分别为 1W、2W、4W、8W256W、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 7 所示。 图表图表 7 格雷母格雷母线线芯芯线线展开展开图图 2.2.2、格格雷雷母母线线位位置置检检测测工工作作原原理理 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。 2.2.2.1、 、绝对绝对地址地址 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上， 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。 A、地上、地上检测检测方式工作原理方式工作原理 如图 8 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。 图表图表 8 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 80mm），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 8 中地址“0”的交叉线的信号相位与平行线的信号相位相同， 那么定义移动站地址为“0”；如图 8 中的地址“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”。 B、 、车车上上检测检测方式工作原理方式工作原理 如图 9 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： 图表图表 9 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 9 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： =SB 其中: 为磁通量，S 为线圈面积，B 为电 磁强度。 e=Nd/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=200mm 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 =W/2 （其中 W 为格雷母线最小步长） 格雷母线长度 L=2n （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=200mm 时，大地址的 检测精度为： =W/2=200/2=100mm。 如果格雷母线地址线为 10 对（G0-G9），当 W=200mm 时，则格雷母线 长度为: L=210100(mm)=102.4 米。 地址线 G0 步长 200mm，在 100mm 开始交叉；G1 步长 400mm，在 200mm 开始交叉；G2 步长 800mm，在 400mm 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。 2.2.2.2、 、精密精密地址地址 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 10 所示： 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。 图表图表 10 精密精密地址地址检测检测方法方法 如图10所示，G0，0两对线的交叉间距一致，均为200mm，且错开 100mm，其中线为标准信号线，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： V00/d (1) V11/d (2) =SB . . (3) V0、V1电缆芯线G0、L0上感应电动势信号幅度； 0、1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； B磁场强度； S磁场作用在电缆芯线G0、L0上的有效面积 ； 设0是磁场作用在芯线G0上的有效面积，1是磁场作用在芯线0 上的有效面积，为电缆的宽度，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，X100mm）。 则: V0=-d0/dt=-BdS0/dt=-Bd(HW-2HX)/dt (4) V1=-d1/dt=-BdS1/dt=-Bd(2HX)/dt (5) 在同一时间间隔内，由(4)/(5)得： V0V1W/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 X100mm范围内, V0V1与X成线性关系。由于G0、0的交叉间距相同且 错开100mm，故在100mm间距的每个位置总有一个V0V1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 V0V1 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 100mm, 细分数为 20，则精密地址精度=100/20=5mm。 2.2.3 格格雷雷母母线线通通信信定定位位装装置置特特点点 （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 5mm，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）不受无线电联合会管制；数据通信的载频为低频，所产生的电 磁场只限于几米范围，不需要向无线电联合会申请即可使用； （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 30mm 到 300mm 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。 2.2.4、格格雷雷母母线线 位位移移传传感感器器 2.2.4.12.2.4.1、格雷母线、格雷母线 、外、外观观及材及材质质 格雷母线采用整体热压工艺生产，一次成型，防护等级 IP67，用在直 线或环形位移检测，抗污染能力强，防水、油、灰尘、蒸汽等，电缆由芯 线、模芯和护套构成。护套使用氯丁橡胶材料，格雷母线电缆长度有 25.6 米、51.2 米、102.4 米、204.8 米多种规格，多根格雷母线电缆可通过段 间箱连接拼接以满足工程需要。工作温度:25120；1.5Kg/m 尺寸： 宽 107mm厚 17mm 或宽 147mm厚 17mm。 图表图表 11 格雷母线格雷母线 、外形尺寸、外形尺寸图图 图表图表 12 外形尺寸图外形尺寸图 2.2.4.22.2.4.2、天线箱、天线箱 、外、外观观及材及材质质 天线箱采用玻璃钢材料整体脱模而成，箱体线型光顺、优美、大方。 玻璃钢是用不饱和树脂固化玻璃纤维布而形成的一种复合材料，具有以下 特点： A. 质量轻、强度高，抗拉强度 315MPa，抗弯强度 290MPa； B. 耐腐蚀性强。玻璃钢材料不会像金属那样容易氧化锈蚀，也不会 像木材那样容易腐烂，而且耐水、耐油及其它药品性，也比塑料 材料更好。 天线箱抗干扰设计:双线圈结构。主线圈与副线圈参数一样，同相连 接，对地址感应信号来说，两个线圈接收的信号强弱有差异；对干扰信号 来说，两个线圈接收的信号强弱相当。既能够消除电磁干扰，又不降低位 置检测天线的接收灵敏度。 图表图表 13 天线箱天线箱 使用工作频率：31KHz；39KHz；46KHz；62KHz；工作温度： 25120； 天线箱尺寸为：高宽深=20014030(mm)；安装方式：悬挂式。 、外形尺寸、外形尺寸图图 图表图表 14 外形尺寸图外形尺寸图 2.2.4.32.2.4.3、地址编码发生器、地址编码发生器 、外观及材质、外观及材质 地址编码发生器外壳采用工业铝型材，外壳采用粉末静电喷涂，材料 不仅强度高，塑性好，通过 IEC-60077-1999 抗震动和抗冲击试验。工作 频率：31KHz；39KHz；46KHz；62KHz；功率：5w。 图表图表 15 地址编码发生器地址编码发生器 2.2.4.4、地址解码器、地址解码器 、外观及材质、外观及材质 地址解码器外壳采用工业铝型材，材料不仅强度高，塑性好，通过 IEC-60077-1999 抗震动和抗冲击试验。铝型材参数见上表。输出接口： RS232/485 适应速度：200M/min。 图表图表 16 地址解码器地址解码器 2.3 基基于于格格雷雷母母线线感感应应通通信信功功能能的的延延伸伸研研究究 2.3.1 感感应应通通信信的的需需求求分分析析 基于格雷母线载波通信功能主要是：以格雷母线作为载体，实现 罐笼与地面控制系统的通信，将罐笼上的状态信息能实时有效的反馈 给地面控制系统，地面系统利用反馈的信息做安全保障措施，有效的 提高提升系统的安全性，保障人员设备的安全。 需要解决的关键问题： 1、格雷母线作为一个有效载体，是否需要对原有母线线体内部 结构进行改进； 2、感应通信的研发，能够利用格雷母线作为载体，实现罐笼和 地面控制系统间的通信； 2.3.2 感感应应通通信信的的构构架架设设计计 数字频率调制是数据通信使用较早的一种通信方式。由于这种调制解 调方式容易实现，抗噪声和抗衰减性能较强，因此在中低速数据通信系统 中得到了广泛的应用。 2.3.2.12.3.2.1 一般原理与实现方法一般原理与实现方法 数字频率调制又称频移键控（FSK），二进制频移键控记作 2FSK。数 字调频信号可以分相位离散和相位连续两种情形。若两上振荡器频率分别 由不同的独立振荡器提供，它们之间相位互不相关，这就叫相位离散的数 字调频信号；若两上振荡频率由同一振荡信号源提供，只是对其中一个载 波进行分频，这样产生的两个载频就是相位连续的数字调频信号。 数字频移键控是用载波的频率来传送数字消息，即用所传送的数字 消息控制载波的频率。2FSK 信号便是符号“1”对应于载频，而符号 “0”对应于载频（与不同的另一载频）的已调波形，而且与之间 的改变是瞬间完成的。从原理上讲，数字调频可用模拟调频法来实现，也 可用键控法来实现。模拟调频法是利用一个矩形脉冲序列对一个载波进行 调频，是频移键控通信方式早期采用的实现方法。2FSK 键控法则是利用受 矩形脉冲序列控制的开关电路对两个不同的独立频率源进行选通。键控法 的特点是转换速度快、波形好、稳定度高且易于实现，故应用广泛。2FSK 信号的产生方法及波形示例如图 1.1 所示。图中 s(t)为代表信息的二进制 矩形脉冲序列， 即是 2FSK 信号。 图表图表 17 2FSK2FSK 信号的产生方法及波形示例信号的产生方法及波形示例 根据以上 2FSK 信号的产生原理，已调信号的数字表达式可以表示为 （1-1） 其中，s(t)为单极性非归零矩形脉冲序列 （1-2） （1-3） g(t)是持续时间为 、高度为 1 的门函数 ； 为对 s(t)逐码元取反 而形成的脉冲序列，即 （1-4）是的反码，即若 =0，则 =1；若 =l ，则 =0， 于是 （1-5）分别是第 n 个信号码元的初 相位。一般说来，键控法得到的 与序号 n 无关，反映在 上， 仅表现出当与改变时其相位是不连续的；而用模拟调频法时，由于 与改变时的相位是连续的，故不仅与第 n 个信号码元有关， 而且之间也应保持一定的关系。 由式（1-1）可以看出,一个 2FSK 信号可视为两路 2ASK 信号的合成， 其中一路以 s(t)为基带信号、 为载频，另一路以 为基带信号、 为载频。 下图给出的是用键控法实现 2FSK 信号的电路框图，两个独立的载波 发生器的输出受控于输入的二进制信号，按“1”或“0”分别选择一个载 波作为输出。 图表图表 18 用键控法实现用键控法实现 2FSK2FSK 信号的电路框图信号的电路框图 2FSK 的的典型时域波形： S2FSK(t) A -A 0 0 Ts 2Ts 3Ts 4Ts 1 0 1 1 ar2 t t 图表 19 2FSK 的典型时域波形图 2.3.2.22.3.2.2 FSKFSK 信号的解调信号的解调 数字调频信号的解调方法很多，如鉴频法、相干检测法、包络检波法、 过零检测法、差分检测法等。 1. 包络检波法 包络检波法可视为由两路 2ASK 解调电路组成。这里，两个带通滤波 器（带宽相同，皆为相应的 2ASK 信号带宽；中心频率不同,分别为（、 ）起分路作用，用以分开两路 2ASK 信号，上支路对应 ，下支路对应，经包络检测后分别取 出它们的包络 s(t)及；抽样判决器起比较器作用，把两路包络信号同 时送到抽样判决器进行比较，从而判决输出基带数字信号。若上、下支路 s(t)及 的抽样值分别用表示，则抽样判决器的判决准则为 图表图表 20 包络检波法原理框图包络检波法原理框图 2. 相干检测法 相干检测的具体解调电路是同步检波器，原理方框图如图 21 所示。 图中两个带通滤波器的作用同于包络检波法，起分路作用。它们的输出分 别与相应的同步相干载波相乘，再分别经低通滤波器滤掉二倍频信号，取 出含基带数字信息的低频信号，抽样判决器在抽样脉冲到来时对两个低频 信号的抽样值进行比较判决（判决规则同于包络检波法），即可还原 出基带数字信号。 图表 21 相干检测法原理框图 3. 过零检测法 单位时间内信号经过零点的次数多少，可以用来衡量频率的高低。数 字调频波的过零点数随不同载频而异，故检出过零点数可以得到关于频率 的差异，这就是过零检测法的基本思想。2FSK 输入信号经放大限幅后产生 矩形脉冲序列，经微分及全波整流形成与频率变化相应的尖脉冲序列，这 个序列就代表着调频波的过零点。尖脉冲触发一宽脉冲发生器，变换成具 有一定宽度的矩形波，该矩形波的直流分量便代表着信号的频率，脉冲越 密，直流分量越大，反映着输入信号的频率越高。经低通滤波器就可得到 脉冲波的直流分量。这样就完成了频率幅度变换，从而再根据直流分量 幅度上的区别还原出数字信号“1”和“0”。 图表图表 22 过零检测法原理框图过零检测法原理框图 4. 差分检测法 差分检波法基于输入信号与其延迟 的信号相比较，信道上的失真 将同时影响相邻信号，故不影响最终鉴频结果。实践表明，当延迟失真为 0 时，这种方法的检测性能不如普通鉴频法，但当信道有较严重延迟失真 时，其检测性能优于鉴频法。 2.3.2.32.3.2.3 单元电路设计单元电路设计 1.1.FSKFSK 调制系统调制系统 调制系统主要由主载波振荡器、分频器、序列发生器、调制器、相 加器和有源带通滤波器等构成。其调制电路的组成框图如图 2.4 所示： 主载波振荡器 主要提供 2FSK 的载波和信码的定时信号，可用集成电路（555）构成 多谐振荡器，产生的振荡频率为 11800Hz 载波，要求输出频率可调。 序列产生电路 序列发生器用 D 触发器构成四级移位寄存器组成，形成长度为 23- 1=7 位码长的伪随机码序列，码率约为 400bit/s。 图表图表 23序列产生图序列产生图 分频器 将主载波按设计要求，一般用 D 触发器构成适当的分频电路，获得载 频 f1、f2 和序列所需的时钟信号。 图表图表 24 八分频八分频 图表图表 25 四分频四分频 调制器 调制器可以采用直接选用集成模拟开关 图表图表 26 调制部分电路调制部分电路 2 2. . 2FSK2FSK 解调系统解调系统 本次设计采用非相干解调法，其电路原理图如图所示： 对于非相干检测法，其系统电路构成如图所示。在了解与掌握了 2FSK 非相干检测法系统电路的基础上，进行自己的设计与实验。需要设计的单 元电路有： 图表图表 27 解调部分电路图解调部分电路图 高通滤波器 要求采用 RC 无源电路，构成三阶高通滤波器。已知 2FSK 的中心频率： f=,且滤波器的通带频率：f =，所以有： C=,R= 2 21 ff H kRC2 1 fR 1 fC 1 低通滤波器 低通滤波器为一般 RC 滤波器电路，电路元件参数计算请参阅高频 电子线路中检波器相关章节。 电压比较器 电压比较器用运算放大器构成迟滞比较器，参考电压给定为 0.22V。 3 3. .总体电路图设计总体电路图设计 图表 28 总体电路图 4 4. .仿真结果仿真结果 将示波器分别连接 P1,P2 点，可得 M 序列与 2FSK 信号的波形图： 图表图表 29 2FSK2FSK 信号波形仿真图信号波形仿真图 将示波器分别连接 P1,P3 点，可得 M 序列与 2FSK 信号解调后的波形 图： 图表 30 2FSK 信后就解调后波形仿真图 2.3.3 感感应应通通信信的的工工作作原原理理 2.3.3.12.3.3.1 感应通信系统组成感应通信系统组成 基于格雷母线的感应通信系统包括车上控制单元、地上控制单元、格 雷母线、感应天线箱、阻抗匹配终端箱组成。实现地上主控 PLC(或其他控 制器)和车上 PLC（或其他控制器）相互间高速、可靠的感应通信。 感应通信控制器的系统结构见图 图表图表 31 感应通信控制器的系统结构感应通信控制器的系统结构 2.3.3.22.3.3.2 地面控制单元地面控制单元 “写写”罐笼上的控制单元罐笼上的控制单元 地上控制单元接收主控 PLC 的写通信帧（不同的 PLC 的不同的帧 格式），并对该帧信号进行压缩转换成感应通信帧，再通过 FSK 调制、 功放，然后通过变压器输出至格雷母线，进行阻抗匹配和隔离，实现 感应信号的发射；车上天线箱接收来自格雷母线的感应信号，送至罐 笼控制单元，经滤波、放大、解调出感应帧，经过数据校验后再转换 成 PLC 的数据帧送至车上 PLC 接收。 2.3.3.32.3.3.3 地面控制单元地面控制单元 “读读”罐笼上的控制单元罐笼上的控制单元 罐笼控制单元模拟 PLC 帧命令，以 10ms 定时读取罐笼上的相关 数据，并缓存于控制单元中。由天线箱送至的感应信号解调出的感应 帧是 PLC 的“读取”帧时，直接对缓存中的数据进行压缩转换成感应 帧，再通过 FSK 的调制、功放至天线箱实现感应信号的发射；地上控 制单元接收来自格雷母线的感应信号，经滤波、放大、解调出感应帧， 再转换成 PLC 的数据帧送至主控 PLC 供其“读取”。 2.3.4 感感应应通通信信的的技技术术参参数数 工作电源：地上+12V/25W，车上+24V/30W 感应通信频率： 132.5Khz、86KHZ、76KHZ、66KHZ PLC 通信速度： 9600bps、19200bps、38400bps 感应通信速度：4800bps 或 9600bps 通信接口： RS232/RS485 自适应 工作温度： 0-70 2.4 基基于于格格雷雷母母线线语语音音通通信信功功能能的的延延伸伸研研究究 2.4.1 语语音音通通信信功功能能的的需需求求分分析析 基于格雷母线语音通信功能主要是：以格雷母线作为载体，实现罐笼 与地面上的语音通信，当罐笼出现异常情况时，能第一时间通知地面操作 人员，进行及时有效的保障措施，避免发生重大安全事故。当出现重大事 故后，也能有效解决地面和罐笼中人员的沟通，为后期救援工作提供有效 的帮助。 需要解决的关键问题： 1、 格雷母线作为一个有效载体，是否需要对原有母线线体内部结构进行改 进； 2、语音控制器的研发，能够利用格雷母线作为载体，实现罐笼和地面控制系 统间的语音通信； 2.4.2 语语音音通通信信功功能能的的构构架架设设计计 2.4.2.12.4.2.1 系统框架图系统框架图 本系统由语音信号调制发射及调频信号接收与解调两大部分组成。 a)语音信号调制部分由音频放大模块,高频振荡与调频模块,缓冲隔离模块,高 频功放等四个模块组成。 信号在模块间传送路线如下: 高频振荡 与 频率调制 音频放大 缓冲 隔离 高频 功放 调制信号 图表 32 信号在模块间传送路线图 b)调频信号接收与解调部分由 STC89C52 控制模块 TEA5767FM 解 调模块低频语音信号放大模块组成模块关系图如下： 调制信 号+噪声信 号 TE A5767 解调模 块 语 音放 大模 块 S TC89C 2 控制 模块 图表 33 低频语音信号放大模块关系图 2.4.2.22.4.2.2 调制发射部分具体原理调制发射部分具体原理 为了实现信息的远距离传输，在发信端通常采用调制的方法对 信号进行调制，收信端接收到信号后必须进行解调才能恢复原信号。 所谓的调制就是用携带信息的输入信号 ui 来控制载波信号 uC 的参 数，使载波信号的某一个参数随输入信号的变化而变化。载波信号 的参数有幅度、频率和位相，所以，调制有调幅（AM）、调频 （FM）和调相（PM）三种。调幅波的特点是频率与载波信号的频率 相等，幅度随输入信号幅度的变化而变化；调频波的特点是幅度与 载波信号的幅度相等，频率随输入信号幅度的变化而变化；调相波 的特点是幅度与载波信号的幅度相等，相位随输入信号幅度的变化 而变化。调幅波和调频波的示意图如图所示。 图表 34 调幅波和调频波的示意图 上图的（a）是输入信号，又称为调制信号；图（b）是载波信 号，图（c）是调幅波和调频波信号。解调是调制的逆过程，它可将 调制波 VO 还原成原信号 Vi。 2.4.2.32.4.2.3 变容二极管的调频原理变容二极管的调频原理 实现调频的方法很多，大致可分为两类，一类是直接调频，另 一类是间接调频。直接调频是用调制信号电压直接去控制自激振荡 器的振荡频率（实质上是改变振荡器的定频元件），变容二极管调 频便属于此类。间接调频则是利用频率和相位之间的关系，将调制 信号进行适当处理（如积分）后，再对高频振荡进行调相，以达到 调频的目的。两种调频法各有优缺点。直接调频的稳定性较差，但 得到的频偏大，线路简单，故应用较广；间接调频稳定性较高，但 不易获得较大的频偏。 常用的变容二极管直接调频电路如图 2.4 所 示。图中 D 为变容二极管，C2、L1、和 C3 组成低通滤滤器，以保证 调制信号顺利加到调频级上，同时也防止调制信号影响高频振荡回 路，或高频信号反串入调制信号电路中。调制级本身由两组电源供 电。 图表图表 35 变容二极管调频电路变容二极管调频电路 图表图表 36 变容调频原理图变容调频原理图 对高频振荡信号来说，L1 可看作开路，电源 EB 的交流电位为 零，R1 与 C3 并联；如果将隔直电容 C4 近似看作短路，R2 看作开 路，则可得到图（b）所示的高频等效电路。不难看出，它是一个电 感三点式振荡电路。变容二极管 D 的结电容 Cj，充当了振荡回路中 的电抗元件之一。所以振荡频率取决于电感 L2 和变容二极管的结电 容的值，。变容二极管的正极直流接地（L2 对直流 j C j CL f 2 2 1 可视为短路），负极通过 R1 接+EB，使变容二极管获得一固定的反 偏压，这一反偏压的大小与稳定，对调频信号的线性和中心频率的 稳定性及精度，起着决定性作用。对调制信号来说，L2 可视为短路， 调制信号通过隔直流电容 C1 和 L1 加到变容二极管 D 的负极，因此， 当调制信号为正半周时，变容二极管的反偏电压增加，其结电容减 小，使振荡频率变高；调制信号为负半周时，变容二极管的反偏压 减小，其结电容增大，使振荡频率变低。 由上可见，变容二极管调频的原理是，用调制信号去改变加在 变容二极管上的反偏压，以改变其结电容的大小，从而改变高频振 荡频率的大小，达到调频的目的。由变容二极管结电容 Cj 变化实现 调频。 2.4.3 语语音音通通信信功功能能的的设设计计 原原理理 图表图表 37 原理图原理图 2.4.3.12.4.3.1 音频放大模块音频放大模块 图表图表 38 音频放大模块图音频放大模块图 音频放大模块的作用是通过 MICROPHONE 把音频信号转换 为电压信号。然后将通过三极管以甲类工作方式进行放大。 实验结果及数据分析 1）三极管 T4 的静态工作点为： Vb=2.7v Vc=6.2v Ve=2.0v 本级的电源来自经 R14 连接的最上面这条“电源线”，经测试约 8。1V 左右。 由上图可知三级管的电压为“电源线”电压经 R16，R17 分压 后所得，R16：R17=1：2 易得基级电压约为 2.7V，测试数据与理论分析相符。 2）放大倍数测试经测试，放大倍数约为 10 左右。 2.4.3.22.4.3.2 高频振荡与调频模块高频振荡与调频模块 1) 其中高频振荡部分的高频等效电路图为： 图表图表 39 高频等效电路图高频等效电路图 此时的振荡频率为1/21( 2/3/4)6( 5/1)FLCCCCCCx 实验中，我们制作的振荡频率为：F=94.1MHz 2) 调频部分的功能是将音频信号从电容 C18，通过变容二极管进行 调频，即将音频信号调制到高频上去。最终的已调信号将在电容 C8 端输出。 3）三极管 T1 的静态工作点为：Vb=2.9v Vc=6.8v Ve=2.2v， 基级电压由 9V 电源电压经 R1，R2 分压所得，R1：R2=1：2，所 以基级电压约为 3V，测试电压与理论值分析基本相同。另外本 原理图最右边语音放大级输入点的静态电压由 R6，R8 分压所得。 正常情况应为 98/（10+8）=4V，如果变容二级管反接将被钳位 在 0.7V 4）本级电路的振荡类型为电容式三端式振荡器。其交流等效电 路如下所示： 图表图表 40 交流等效电路图交流等效电路图 其中 C3，C2，构成了三端式振荡器 BE，CE 极的电容元素。另 外 L1，C6，Cx,C5,C4 共同构成 BE 极的电感元素。其中 Cx 的电容值 受语音性号控制。从而使该振荡器的电感元素受音频控制。最终使 得整个电路的振荡频率受音频信号控制。 图表 41 缓冲隔离模块图 2.4.3.32.4.3.3 缓冲隔离模块缓冲隔离模块 1） 该电路为射极跟随器，作用是隔断振荡器的输出端与功率放大 级的输入端的直接，减少了功率放大级对振荡器的影响，提 振荡器的稳定性。由于是射随电图信号输入输出基本不会产 生变化。峰峰值 270mV 左右 2） 三极管 T2 的静态工作点为： Vb=5.4v Vc=9v Ve=4.8v 基级电压由电源电压经 R7，R8 分压所得， 912/（12+8）=5.4V， 测试数据与理论分析相符。 2.4.3.42.4.3.4 高频功放模块高频功放模块 图表图表 42 高频功放图高频功放图 1) 此模块电路为甲类功率放大电路，作用是将之前的已调信号 进行功率放大，以保证发射足够远的距离。信号在基级输入,C11 为 旁路电容,C19 为偶合电容,L3 与 C10 构成