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国内钢厂高炉通信盲区信号解决方案

目前,在国内钢厂的高炉区,铁水的浇灌和运输都是通过无线平面调车系统进行调度指挥作业的,调度台一般距离高炉15公里。因高炉厂房厚实的多层钢架钢板结构,对无线电波的传播形成了严重阻挡,当现场调度人员和机车头深入厂房约10米深后,在靠近高炉铁水出口附近时,一般平调手持机和机车上的机控器还能正常接收到调度台的指挥信号,但调度台无法接收到平调手持机和机车上的机控器发出的上传信号,这无疑给安全生产带来了隐患,同时也影响了生产调度效率。

目前,国内无线平面调车系统使用同频单工进行调车作业的居多,但也有一部分企业使用了异频单工进行调车作业。现就2种方式的调车作业的通信盲区解决方案叙述如下:

一、     同频单工调车作业通信盲区解决方案

高炉下信号屏蔽区

同轴电缆

同轴电缆

泄露电缆

VHF&UHF带通RF放大器

集成放大器

1

全向天线

50Ω负载

220V交流供电

发射天线

接收天线

调度台

 

调车员

 

机控器

如下图1所示,在钢厂的高炉区,由于建筑厂房和高炉所用的材料主要为粗壮的钢梁和厚实的钢板,这无疑对电磁波的传播产生了严重阻挡,加之这些钢质建筑接地良好,对电磁波还有吸附衰减作用。所以,在高炉区下的厂房中心地带,调车员和机控器发出的5W的无线信号调度台接收不到。调度台发射的25W的无线信号通过空间传播,到达厂房附近后通过反射进入高炉区,由于调度台发射功率较大,所以处于高炉下的对讲机和机控器仍能接收到调度台发射的信号。

   

下面我们通过理论计算来验证上述结论,并估算出机控器与调度台分别接收到对方发射的信号场强值。

无线电波在自由空间传播的距离损耗公式:

LsdB=32.45+20Lgf(MHz)+ 20LgdKm);

假设以UHF频段的420 MHz频率代入上述公式计算得到下表:

距离dKm

0.1

0.5

1

2

3

4

5

损耗LsdB

64.9

78.9

84.9

90.9

94.5

97.0

98.9

a)          机控器或平调手持机发射无线信号,调度台接收到的场强值计算公式:EsdBm=机控器(平调手持机)发射功率PcdBm+机控器(平调手持机)发射天线等效增益Tt-自由空间传播损耗Ls-阻挡屏蔽损耗Fd-多路径衰落Lo+调度台天线等效增益Tr

机控器(平调手持机)发射功率Pc一般设置为5W,折合为37 dBm,机控器的车载吸盘天线加上馈线以及平调手持机天线的等效增益Tt一般为1.5dBi左右,假设机控器距离调度台1公里远,故从上表可查得其自由空间传播损耗Ls84.9dB,厂房高炉的金属阻挡屏蔽损耗Fd一般的经验值为55dB左右,钢厂高炉区多路径衰落Lo一般的经验值为25dB左右,调度台天线加馈线的等效增益Tr一般为5dBi左右。将这些数据带入上述调度台接收到的场强值计算公式:

EsdBm=37+1.5-84.9-55-25+5=-121.4

即调度台接收机天线口的接收信号强度为-121.4 dBm,该数值小于-118 dBm调度台接收机天线口的可用灵敏度,同时也小于-120dBm调度台接收机天线口的开启灵敏度,故调度台完全接收不到机控器及平调手持机发射的信号。

b)          调度台发射无线信号,机控器或平调手持机的接收场强值计算公式:

EpdBm=调度台发射功率PcdBm+调度台天线等效增益Tr-自由空间传播损耗Ls-阻挡屏蔽损耗Fd-多路径衰落Lo+机控器(平调手持机)接收机天线等效增益Tt

调度台发射功率Pc一般为25W,折合为44dBm,假设调度台与机控器相距仍为1公里,将上述各项参数的数值带入上述计算公式:

EpdBm=44+5-84.9-55-25+1.5=-114.4

即机控器或平调手持机天线口的接收信号强度为-114.4 dBm,该数值大于-118 dBm的机控器或平调手持机接收机天线口的可用灵敏度,故机控器或平调手持机完全接收到调度台发射的信号。

目前,在济南钢铁厂高炉下的信号屏蔽区已采用了一套UHF带通RF放大装置(如上图1所示),该设备能提供最大不小于88dB的上行放大增益,工作带宽约4MHz,不同频率和制式的机控器或平调手持机均可使用该设备,只要机控器或平调手持机的使用频率落在其通带内即可,不必像中继台那样必须更换相应的工作信道来适应不同频率的机控器或平调手持机,大大简化了操作流程。并且,在临近高炉两个不同频点的机控器或手持机可同时使用该设备而互不干扰。该系统安装架设的关键在于收、发天线之间应具有足够的隔离度而使设备使用时不产生自激。系统稳定工作的必要条件为:收、发天线隔离度+15dB系统实际增益。该套设备在济钢已经过了3个多月的连续工作,性能稳定可靠,使用效果良好。

二、异频单工调车作业通信盲区解决方案

对于使用异频单工频点进行调车作业的单位,解决高炉下信号盲区问题相对比较简单,一般都使用异频双工中继台。但因不按规定使用频率的现象较普遍,中继台可能转发附近同频干扰台的信号,这将干扰正常的调车生产,给安全生产带来隐患。下面介绍一种中继台抗干扰组网的工作模式。

如下图2所示,将中继台安装在高炉厂房的2楼的左侧,用一只1:2功分器接在中继台天线口,将中继台的发射信号一分为二。将功分器另外两个端口的一路用馈线与架设在屋顶上的八木天线上相连,八木天线要对准调度台方向。假设选用中心频率为410 MHz、带宽为20MHz、增益为9dBi、前后比15dB、水平面波瓣宽度为48°、垂直面波瓣宽度为54°、最大承受功率100W、阻抗为50Ω的八木天线。

由此可知八木天线具有较强的方向性,其正方向的增益为9dBi、水平偏离正方向左右24°夹角处的增益为6dBi、正后方增益-6dBi。因2功分器的每路插损为3.5dB,再加上30Φ9mm电缆馈线的插损约3.5dB,故八木天线加上馈线和功分器等效到中继台双工器天线口的增益:正方向为2 dBi,水平左右24°夹角方向处-1 dBi,正后方-13 dBi。八木天线的这种方向性能使有用信号得到正常接收,而其它方向上的无用信号得到较大程度的衰减,相当于增加了接收机的抗干扰能力。反过来,在中继台发射时,在八木天线的正方向向外辐射的电磁波最强,水平左右24°夹角方向处辐射的电磁波场强值会降低3dB,正后方辐射的电磁波场强值会降低15dB以上,这有利于减轻本中继台转发时其电磁波对其它对讲机造成的干扰。

如上图2所示,将天线口的功分器的另一个端口再串接一个2功分器,再用2根电缆馈线将这2路信号引到高炉厂房底层的两侧墙壁上,在高炉下的信号盲区范围内,在底层厂房的两侧墙壁上架设泄露电缆,泄缆距地面约2米高为佳,泄缆终端必须接有50Ω假负载。此处挂在墙壁上的泄缆既起着接收天线的作用,也承担着发射天线的任务。泄缆做为收、发天线用其灵敏度较低,但机控器和平调手持机在与泄缆垂直相交的15米距离的视距范围内均能进行效果良好的通信。

为了进一步减少同频干扰信号对中继台的误启动,可对机控器和平调手持机添加发射CTCSS亚音频,中继台添加接收CTCSS亚音频。这种设置能确保同频干扰不启动中继台转发。但因亚音频的识别会使中继台启动转发产生延时,故要对机控器和平调手持机的程序进行调整,使指令码调制起始时间要滞后PTT控制信号一段合适的时间,以便在中继台刚好建立起转发状态后,机控器和平调手持机才能进行指令码的调制,即中继台开始转发时不能漏转前置码。

END

如果可能有多列机车使用不同的频率进入高炉区进行作业,只要它们不同时进行指令调车作业,就可将中继台也设置相应的多个信道,将中继台安装在图2左侧底层的墙壁上,在机车进入高炉区前,由调车员按下将要使用的信道的信道锁定键即可使用中继台的所需信道进行调车作业。

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