用于带三相供电电缆的电力设备的信号传输方法和装置的制作方法

专利名称:用于带三相供电电缆的电力设备的信号传输方法和装置的制作方法
这是关于一种传输信号的方法和设备的发明，用于带三相供电电缆的电力设备，它特别适合将遥控命令传输到这类设备和/或将测量结果和显示信号传输回来。
本发明特别适用于工厂、矿山和采石机或采石设备。
本申请人已在其欧洲专利申请(11/02/1984 84402206.1号)中推荐了一种用于工程机械的直观遥控方法以及一种适于实施此方法的发射机和连收机系统。它非常适用于切削机。
众所周知，工程机械或设备的遥控其主要目的是使操作者或控制者远离危险的工作区域，而处于最佳的工作条件下，上述专利申请的目的在于使操作者处于安全地带的同时，能直观地监视遥控设备的运行。这种直观的监视使得操作者很容易地控制受遥控机械的运行，并且可在操作者携带的发射机和受遥控机械相连的接收机之间，利用电磁辐射连接起来。这种辐射连接可以不用易被砸断或损坏的“柔性电缆”。(Supple Cable)在某些场合下，例如一合切削机在陡峭的工作面上工作时，操作者不能找到一处既能有效地保护自己，同时又能切实观察到受遥控机器的地方;这时只有“盲目”遥控才是可行的。
“盲目”遥控需要有将操作者和他所操作的机器进行双向连接的装置，这是很容易理解的。事实上，操作者在向机器发出指令的时候，必须检查此指令是否已被正确地执行了，以及机器各部件的运行是否满意。
由于操作者不再能保证直观地控制机器，使操作者靠近机器已不再有什么用处;这样，电缆遥控看来是必要的。
例如，在切削机的情况下，可以让操作者位于一驾驶仓(或驾驶台内)，驾驶仓与切削机间保持一定距离，这个距离可达1000米。实际上，此驾驶仓最好(但并不必须)。接近给机器供电的三相电缆。
上述距离对应于两部分机器与“工作台”之间的柔性电缆的长度，可长达200米。“工作台”与驾驶台之间的屏蔽电缆的长度，可长达800米。“工作台”主要使用的是开关，用于对各种工程设备作接通和断开控制。
本发明的目的是为受遥控设备提供信号传输。此信号是沿三相供电电缆传输的。更确切地说，是沿各个相导体传输的，不需接地导体参与，这一点是很容易看出的。然而这种传输的可靠性似乎很难保证，因为有三相导体可用来实现在两报导线间传输确定的信号。
而且实际情况要求不对这些相导体予先加以区分，就能进行信号传输(实际上，应能在不采取任何特殊措施的情况下，更换任何损坏部分的电缆)。
本发明的目的也是为了提供一种合乎要求的高速传输信息的信号传输方法。事实上，如果打算通过遥控传输到一工程机械的指令数较少(例如，6个“有”或“无”指令和1个比例指令)，则所要返回信息数据量可能要大得多，经常是数十个(例如，12个测量结果和24个“有”或“无”的信息数据)。
本发明的目的也是为了提供一种能在驾驶台和受遥控设备间建立双向连接的信号传输装置。此装置包含两个交叉的发射和接收通道，这两个交叉通道的公共元件极少，这样两通道中任何一个发生故障，都不会影响另外一个通道的工作。
本发明提出了一种用于带三相供电电缆的电力设备的对载频调幅的信号传输方法，其特征在于要发射的信号被加到三相电缆任何一个相导体和作为一体的另外两个相导体之间的一点，并在上述电缆的任何一个相导体和作为一体的另外两个相导体之间另一点取出接收信号。
本发明以同样的构思推荐了一种用于带三相供电电缆的电力设备的信号传输装置，它包括一台发射机和一台调谐到载频的接收机。其特征在于发射机和接收机连接在供电电缆上的相距一定距离的两点上，它们各自独立地连在一个相导体和作为一体的另外两个相导体之间。
要指出的是，就实施方案的最普通的形式来说，本发明涉及信号沿三相电缆的单向传输。例如朝一个方向的信号仅供监测予先编好程序的设备，而朝另一方向的信号用于对设备进行遥控，而不在这里提供对设备监测。然而，下面将要指出，将本发明用于三相电缆的两区域间交叉交换信息数据是特别有益的。实际上，本申请人已经注意到让信号在相导体中传输，使得信号具有很好的抗电磁干扰能力，进而获得很高的信噪比。而根据本发明的配置，用供电电缆耦合发射机和接收机，在最不利的情况下，也只使信号损失约6dB，这比根据本发明获得的信噪比要低得多，此信噪比总是保持很高的值。
本发明特别提出，当要发射的信号数量很大时，应分成具有若干位序列的数个周期。实际上，这些序列通常包括16位。根据本发明，如果3位供序列同步，1位供序列周期同步，则还有12位可供传输信息数据。这使本发明符合模块化的要求。目前大多数电子输入/输出插件有12个不同的通道，可以在插件和位序列间建立对应关系。从电子学的观点看，一个插件的信息数据占有一个位序列;从信息的观点看，增加一个新插件意味着在每一周期增加一个新的序列。根据本发明的设想，每一周期的第一序列应具有这样的特征，即它的周期同步位是“1”。从下列事实可得出此特征的意义本申请人通过多次实验观察到，即使虚假信号有时会使信息位从“1”翻转成“0”但这种虚假信号实际上不会使信号同步位产生不期望有的数值“1”，因此，易于可靠地恢复此周期的同步。
本发明的其它目的，特征和优点，将参照附图用范例(不受其限制)加以说明。
图1是根据本发明的三相供电电缆上发射机和接收机的配置的部分透视示意图;
图2是表示图1配置的电气连接图;
图3是根据本发明的“盲目”遥控装置的方框图;
图4是与图3中的驾驶台相关的二进制编码总电路的方框图;
图5是与图3中的切削机相关的二进制编码总电路的方框图;
图6是图4中的二进制编码器的方框图;
图7是图5中的二进制编码器的方框图;
图8是根据本发明的双相编码二进制序列的示意图;
图9是根据本发明的一个周期的第一个双相编码二进制序列的示意图。
图1所例举的电路的示意图主要包括一台发射机E，一台接收机R一条三相电缆CTA，两个同样的耦合器C。耦合器插入发射机和三相电缆端头及接收机和三相电缆端头之间。
根据本发明，每个耦合器用于将相应的发射机或接收机连接到两根导线之间，其一根是相导体1、2、3中的任意一根，其另一根导线是作为一体的另两个相导体。
在图示范例中，每个耦合器包括三个同样的电容器C1，它们分别与一个相导体和电感器L相连。在发射机(或接收机)和三相电缆之间还安置一变压器T，将二者电的隔离是有益的。
此电路的优点是可以很容易地以公知的方式对各种部件的最佳值进行近似计算，使它们成为所选择的信号传输载频的函数以及发射机(或接收机)和三相电缆CTA相对于所考虑的耦合器的视在阻抗的函数。
事实上，频率最好选成三相电缆特性的函数，这样可以使电缆的传输性能最佳。
例如，当切削机的1KV三相电缆的长度约为1000米时，频率的最佳值似乎为300-400Hz，使耦合器调谐到数百千赫，可以使电网的低频(根据不同国家可以是50HZ或60HZ)的影响降低。
在三相电缆的各端，每个耦合器与三个相导体的任意连接有六种可能性。鉴于作为一体的两个相导体与每个耦合器的连接是等效的。因此，上述六种不同的连接缩减为两种不同情况，如图2所示。
图2中实线所示电路的情况，对应于三相电缆CTA两端，当耦合器连接的作为一体的两个相导体是相同的。这是一种有利的情况，(在六种可能的情况中有两种是有利的)，从发射机的输出端分两路经导体1和2的信号，在加到接收机之前就被恢复，接收机收到“完整”的信号。
另一方面，如果在三相电缆两端作为一体的相导体不同(对应于六种可能的情况的另外四种情况)，如图2中虚线所示，与接收机相接的右边耦合器的输入端，相导体2使得两耦合器间短路。这是一种不利的情况，其中，只有大约“一半”的发射机信号到达接收机。然而，这种情况看来信号损失只有6dB左右。由于耦合器能采用最佳值，并且由于在相导体中传输的信号相对来说不受电磁干扰，这6dB的信号损失与最终在接收机处获得的高于40dB的信噪比是一致的。图1和图2中的耦合器C使信号能可靠传输;我们称这些信号是“确定的”信号。
图3用实例给出了一台遥控装置的方框图，此装置，与在矿山工作面上的一台切削机H相连。
众所周知，切削机是一种要定位的机械，它以不同的方式与工作面平行移动，用定向臂带动以滚削去要开采的矿石。切削机运行所需的主要指令包括切削机在工作面前移动的速度和方向的比例指令，和与滚桶各臂的附加向上向下偏移对应的“有”或“无”指令，以及是否合上安全闸的“有”或“无”指令。为了正确控制切削机的运行，实际上需要将遥测得到的测量信号送回，上述臂的位置以及各种偏差精度最好达到1%;发动机的温度及各种液体压力的精度可以稍低(例如3%);而且还需要对运行情况和各部件的状态进行检查(籍远距离的“有”或“无”信号化)，诸如，用信号化的数据对发动机，一些主要的电气阀门(特别是那些与安全闸相连的阀门)，或者位置指示器(Thesigraph)(这是一种用于指示切削机在两个极端位置之间所处位置的装置，通过它可以检测到切削机任何可能的超速运行;而后就可启动安全闸进行检查)。
图3中的装置接在三相供电电缆CTA上，此三相供电电缆将切削机H与电源SA相接(实际上，加到一台500KVA变压器的电压是5KV，加到馈电电缆CTA的电压约为1KV)。
电缆包括一段屏蔽电缆和一段柔性电缆。屏蔽电缆延伸到工作台CCH，柔性电缆从工作台CCH延伸到切削机H。在切削机的各部分中，图中只标出了发动机MH和相关的电子组件BH。电子组件与电气阀门和继电器EV，切削机的仪表盘TBH，以及挖掘装置CH相连。
靠近供电电缆的控制站，包括仪表盘TB，从上面可以看到遥测结果和遥控信号化的过程。上述测量结果和遥控信号化构成遥控信息数据。控制站还包括控制台PC，它由按钮和滑柄组成，用于提供“有”或“无”指令和比例指令。控制台和仪表盘构成相应控制站的电子组件BPP的输入和输出。此电子组件与一分支三相电缆CTD相连，此分支电缆通过一连接盒与动力电缆相连。
电子组件BPP和BH(在靠近切削机H处用放大比例给出)具有类似的总体结构(尽管它们的部件多少有些不同)。这两个组件都包括一个耦合器(分别为CPP和CH)，来与分支电缆CTD和动力电缆CTA连接;一台发射机(分别为EP和EH)和一台接收机(分别为RP和RH);一个总的二进制编码线路(分别为CCBP和CCBH)，它与有关的输入和输出相接。此组件是通过辅助变压器从三相电缆CTD和CTA馈电的。
根据本发明的一个特征，左边的部件EP和RH和右边的部件EH和RP，与二进制编码电路中的相应部分，一起构成独立的传输通道，它们共同包括的部分只有耦合器和三相电缆，这些都是可靠性高的部件。
切削机和控制站的二进制编码电路的详图分别示于图4和图5;它们的上部是遥控命令的传输通道，下部是遥测信息数据的传输通道。这种通道的总体结构与本说明书开始时提到的专利申请中提出的遥控道相似。
控制站的二进制编码电路CCBP(参看图4)的上部包括一个针对要控制的机器的专门逻辑LS。这里，要控制的机器是切削机，由此逻辑“滤出”重新编组并引导由操作者经控制台PC发出的命令，以便只保留可同时传输的兼容指令。任何命令错误，例如不希望有的两个按钮被按下的情况都能加以消除。由专门逻辑保持换成二进制形式的指令，再通过二进制编码器CB。与此同时，此编码器将所需的命令进行编码，使之成为相继的位序列中的相继的逻辑信号。这样获得的顺序信号在被耦合器耦合到分支电缆CTD和电源电缆CTA之前，被传输到发射机EP。发射机随后将此信号调制到一载频上(例如，选择此载频为400KHZ。此频率在这样一个频率范围内，使得沿动力电缆传输引起的衰减降到最低)。
由与切削机相连的耦合器CH接收的电波，被传输到接收机RH。此接收机被调谐到400KHZ的载频上(见图5的上部);由接收机恢复的解调信号，送给二进制译码器CB。此二进制译码器实际上与一译码许可级相连，译码许可级是用来检查予定的正确性准则是否满足的。这样获得的并行二进制指令先由一专门的输出逻辑进行处理，而再由一输出级进行处理。在上述范例中，专门输出逻辑包括线路VIT和线路T/R。线路VIT用于接收与切削机的移动方向和速度相关的可变指令(或比例指令)。线路T/R用于接收“有”或“无”指令。另外还包括线路TEST，用它检查安全闸EV-FI工作是否良好是有益的。事实上，当速度为零时，安全闸也要动作。剩下的选择是控制速度的二进制命令可根据操作者的需要，预先确定一些中间值，它们位于这些命令的极端值之间。线路T/R通过一输出级EB控制可变电气阀门或继电器。为安全起见还设有一紧急停止级AU)能使机器在事故情况下完全停止运行。
图6表示了构成二进制编码器CB的主要元件的配置。它包括一个时钟HG，一个并行串行转换器CPS，一个双相编码器CBF和一选择器S。
时钟HG提供各种信号，其作用将在下面介绍。相对于一预定频率f，可以按 1/2 的比率确定这些信号H0的频率是4f;
H1和H′的频率是2f，且H1′和
H1之间有1/4周期的相位滞后;
H2，H3，H4和H5的频率分别为f，f/2，f/4和f/8。
图7表示了构成二进制译码器DB的主要元件的配置情况。此译码器包括一个整形和幅度标定线路MFC，它用来将接收机提供的解调信号转换成二进制信号。此二进信号实际上与加到发射机EP上的信号并不完全相似;识别电路被置于电路MFC之后，用来检查控制站和切削机之间二进制信号的变化，以便消除这种变化或中断译码步骤。
译码过程的要点是恢复节拍，以便准确确定每个位序列的开始，以及每一位在序列中的位置，来准确控制由串行并行转换器CSP标定的信号的相继翻转。线路RSYN用来从标定的二进制信号中恢复序列的重复频率，并在每一序列的开始触发信号的翻转。线路RSYN与一紧急停止检测线路DAU相连，其原因将在下面说明。此外还有一个RHI线路，用来保证每一序列中各位按一定重复频率同步。
与二进制译码器平行，配置了一个译码允许电路AD，它给转换器CSP提供一个允许信号VAL。在图示范例中，上述电路AD包括一个用于检查已标定信号平均值的可信度的电路VM，以及一个用于检查由RSYN电路提供的信号的序列平均持续时间的可信度的电路DS。电路VM和DS的输出连到一个与门，只有当可信度测试被证实时，才向转换器提供触发信号VAL。反之，已标定的二进制信号就不会翻转。
最好在转换器CSP的输出端加一个附加允许电路(图中未示出)，以利用冗余度。在相继的序列的各位之间通常要有这种冗余。如果在给定数量的连续序列中，经检查，证明这些平行二进制信号属同样重复，译码允许电路不中断转换器CSP的翻转，此允许电路才将平行二进制信号传输到VIT、T/R和TEST各电路。(转换器CSP的输出，在没有触发新的翻转时就被阻塞)。
图8给出了本发明所构思的连续二进制信号序列的范例(与本说明书开始时提到的专利申请的说明有关)。此序列包括16个有效位(选择这个数目是为了与所使用的转换器的平行输入-输出数相等)。实际上，前三位由频率为H0＝4f的同步信号(每位二个矩形波)所占据，剩下的13位可用来传输信息。
根据本发明的一个有益的特征，信息位的编码是双相型的，每一信息位中编码的二进位制状态值，是根据在每一位中间的二进制过度情况转换的。因此，向上的一位中间过渡就是0状态，反之就是1状态。双相编码的意义在于，二进制信号的二进制等于最大值的一半。根据连续的信息的值相同或者不同，出现的中间信号的频率将是2f或f。当信息位的值相同时，中间信号的频率为2f(同步信号频率H0的一半)当信息位的值不同时，中间信号的频率为f(同步信号频率H0的四分之一)。如果考虑到频率为f和2f的矩形信号，仅具奇次谐波，则在频率域内信号位的连续信号频谱成分和同步位的连续信号频谱成分是完全不同的。这一特性使得有可能在接收端从已标定的二进制信号中取出每一序列译码所需的同步信号。这一特性也使通过将同步频率引入信息位，来定义一个紧急停止命令成为可能。这样定义的紧急停止，在译码期间特别容易识别。
图8所示的范例中，同步频率为1700HZ，而序列的重复频率H5为f/8，相当于序列的持续时间为18 87MS。
由二进制编码器(图6所示)对连续二进制信号进行处理的过程如下假如预先给定了时钟信号H0、
H1和H1′，首先产生一原始信号。再取H1′作为序列的前三位，把零电平作为由转换器CPS提供的初始信号的二进制状态0，把最大电平作为此初始信号的二进制状态I。而后，产生一已编码的信号，当原始信号和
H1的电平相同时，此编码信号为最大电平，当原始信号与
H1的电平不同时，此编码信号为最小电平。由这个编码信号构成的输出信号，除非由紧急停止命令代替同步信号H0。
图4和图5下部所示的遥控信息通道与刚描述的遥控通道的结构基本相似，其主要区别在于，由于遥控信号的数据量很大，根据本发明这些数据被分配到若干个序列周期中了(例如10个)。由于遥控命令的传输频率高，信息流动保持高的速度。此外，在编码前应对测量信号的幅值进行标定。
图5下部所示的传输部分自右至左包括一个与信号化(“有”或无，或可变)信号相关的专门逻辑LSS，一个与测量信号相关的专门逻辑LSM(它在标定放大器AMP的输出端)。在重要的信号化信号中，位置指示器(Thesigraph)和超速传感器CTS的状态应该注意。它的能在两个极端位置之间提供切削机的位置。超速传感器可迅速检测出可能出现的任何超速运行，这时，就必须启动安全阀EV-F。切削机的发动机温度属于重要的测量信号的范围内。
鉴于实际使用并行-串行转换器的现有容量，可以触发若干个连续翻转来把各种有用的控制信息信号考虑进去。为了传输所有的数据就需要一个有若干序列的周期。
随后，象前面一样，在二进制信息编码器CBI中对这种序列周期进行双相编码。选择一个与遥控载频不同的载频，例如选为335KHZ。
在接收端，由接收机RRF1提供的解调信号被加到二进制信息译码器DBI，此译码器对解调信号进行标定和整形，经过对节拍的识别，(特别是识别出循环频率)和检查了预定的可信度准则以后，译码器使相继的串行-并行转换得到保证，并将信号在信号化信号处理级SS和测量信号处理级SM之间加以分配，如果需要的话，测量信号可以转换成模拟量，最好加一级SYNC来利用冗余，这种冗余必须由周期同步信号提供。
遥控信息数据在仪表盘TB上显示，然而这些信息也可以通过一延伸到地面的遥控监视电路TV。传输到计算机CLC或显示板VISU，供给有关人员。
图9表示了一个周期中第一个二进制序列的一个范例，此序列与图8中的序列不同点仅在于，在三个同步位之后有一个周期同步位，因此，只有12个信息位。
实际上，本申请人已经注意到，可以通过单独一位来识别周期节拍，对于周期的第一序列，此位的二进制状态是“1”，对于后面的序列，此位的二进制状态是“0”，这样周期节拍的识别就很容易且很可靠，不管做多少次试验，在实验中，从未发现此位出现虚假的“1”，而且很容易利用与这种周期同步位相关的冗余。
很明显，上述说明是参照图解进行的，本领域的技术人员可以在不偏离本发明的范围内提出许多修改，这样一来，耦合器的特殊结构，就可以改变，在将两个导体连接起来作为一体把发射机或接收机连到三相电缆上的方法中，轻微的非对称是允许的，虽然在电缆的两个点上连结两个耦合器时，这种非对称会导致信号损失，在某些不利的场合会超过前面提到的6dB，剩下的选择是根据三相电缆的特性可以选择最佳载频，使得构成耦合器的各种元件阻抗达到最佳值，最后应该提出，在遥控命令和遥测信息命令交叉交换的情况下，标准的和/或模块的元件将介入两个信号传输通道中。实际上，遥测信息通道的元件可以用于遥控通道，最重要的是能把紧急停止信号考虑进去。如果要传输大量的指令，这些元件特别有利。
根据本发明的一个有益的应用，上述信号传输装置可以通过电话与地连接加以完善，以便在与电力设备有一适当距离的地面上安放具有控制台和显示板的编码一译码系统来代替刚在前面介绍的带有控制台和显示板的编码-一译码系统。在图3中，这种配置基本上实现了EP和RP之间的电话连接，以及EP和RP与CCBP的电话连接，而且使用独立的电源供电。
权利要求
1.用于带有三相供电电缆(有三个相导体)的电力设备的一种信号传输方法，这种信号传输是通过对载频进行调幅，其中要传输的信号被加在三相电缆中任何一个相导体和另两个可作为一体的相导体之间的一点上，接收的信号从三相电缆中任何一个相导体和另两个可作为一体的相导体之间的另一点取出。
2.根据权利要求
1的方法，其中要传输的信号在16位序列中被编码成二进制双相型。16位序列的前三位被同步信号占有，此同步信号的周期为序列中一位的持续时间的一半。
3.根据权利要求
2的方法，其中要传输的信号在若干16位序列的周期中被编码成二进制双相型。周期中第1序列的第4位为状态1，而后续序列的第4位为状态0。
4.根据权利要求
1的方法，其中对上述电力设备的遥控命令朝一个方向传输，测量信号和信号化信息数据从上述设备传回。
5.根据权利要求
4的方法，其中遥控命令以编码成位序列的双相形式传输，返回信息数据以编码成一些序列周期的双相形式传输。
6.用于带三相供电电缆(有三个相导体)的电力设备的一种信号传输装置，它包括一台发射机和一台调谐到载频的接收机。发射机和接收机连接到供电电缆相距一定距离的两点上。它们相互独立地连接在三相导体中的任意一个导体和另两个可作为一体的导体之间。
7.根据权利要求
6的装置，其中，在电缆的各端，每个相导体都与同样的电容器相连。在导体和发射机之间以及导体和接收机之间分别配置了隔离变压器;在变压器与导体之间配置了一个电感器。
8.根据权利要求
6的装置，其中一台遥控命令发射机和一台遥测信息接收机被置于与上述电力设备有一段距离的一个驾驶仓内;在电力设备上，安装着一台遥控命令接收机和一台遥测信息发射机。
9.根据权利要求
6的装置，在发射机前，进一步包括一个二进制编码器，此二进制编码器由一个並行-串行转换器和一个双相编码器组成;它在接收机之后，进一步包含一个译码器，此译码器由一个串行-並行转换器和一个控制该串行-並行转换器的译码允许线路组成，后者可检验每个接收到的序列的平均值和平均延续时间的可信度。
10.根据权利要求
9的装置，其中用二进制编码器周期性地触发並行-串行转换器。在接收机后面，配置了一个利用周期信号化信号的冗余的线路。
11.根据权利要求
7的装置，其中一台遥控命令发射机和一台遥测信息接收机被置于与电力设备有一段距离的一个驾驶仓内。在电力设备上，安装着一台遥控命令接收机和一台遥测信息发射机。
12.根据权利要求
11的装置，在发射机之前还包括一个二进制编码器，此二进制编码器由一个並行-串行转换器和一个双相编码器组成;在接收机之后进一步包括一个译码器，此译码器由一个串行-並行转换器和一个控制该串行-並行转换器的译码允许线路组成。译码允许线路可检验每个接收到的序列的平均值和平均延续时间的可信度。
13.根据权利要求
12的装置，其中每一个二进制编码器都可用于周期性地触发並行-串行转换器。在每台接收机的后面，配置了一个利用周期信号化信号的冗余的电路。
专利摘要
为了传输与带有三相供电电缆(它有三个相导体)的电力设备相关的信号，将被传输的信号加到三相电缆的任一相导体和另两个被看成一体的相导体之间的一点，接收信号从三相电缆的任一相导体和另两个可作为一体的相导体之间的另一点取出。在电缆的每端，每个相导体均与同样的电容器相连。在导体和发射机之间以及导体和接收机之间，分别配置了隔离变压器，在变压器与导体之间配置了一个电感器。
文档编号H04B3/54GK85106370SQ85106370
公开日1987年3月18日 申请日期1985年8月24日
发明者马克·诺尔 申请人:法国煤矿研究所导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan