感应无线技术及其应用.docx
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感应无线技术及其应用.docx
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感应无线技术及其应用
感应无线技术及其应用
一、概述
1.感应无线技术国内外发展状况
感应无线技术是七十年代末在日本开始发展起来的一项新的工业应用技术。
在国际上,目前仅日本古河、住友、三菱等几个公司掌握该技术。
在国内,岳阳市电子研究所最早开发应用感应无线技术。
在此基础上,岳阳千盟电子有限公司对感应无线技术进行了深入的研究,采用PLC与感应无线技术结合进行了重大改进,目前已经达到国际先进水平。
并且开发了“千盟炼焦过程自动化管理控制系统”,“移动机车自动走行与精确定位技术”,“库房自动存取管理控制系统“。
2.感应无线技术主要解决的问题
在现在工业中,许多生产场合中有多台大型作业机车按照一定的生产计划和工艺要求,相互配合,有序地工作。
例如:
原料场的堆料机、取料机、堆取料机;焦化厂的推焦车、拦焦车、熄焦车、加煤车;轧钢厂的多台天车;等等。
要实现计算机对作业机车的集中管理控制,就必须解决两个基本问题:
移动机车所在的位置检测。
要对移动机车实现集中控制,必须随时了解移动机车的行走位置。
地面中央控制室与移动机车之间可靠的数据通信问题。
对于移动机车的通信,有线通信方式存在着移动机车拖带通信电缆不方便;而无线通信方式由于工业现场环境恶劣,误码率高。
感应无线技术采用独特的编码电缆技术,十分成功地同时解决了这两个问题。
二、感应无线技术理论
1.基本原理
1.1.1.编码电缆与感应无线天线
编码电缆的外形为扁平状态,内部有若干对电线,按照一定的编码规则各对线在不同的位置交叉,将各对线重叠在一起封装在氯丁橡胶压制的护套内。
编码电缆沿着移动机车的轨道安装,编码电缆的终端对每一对线加一个匹配电阻,始端用圆电缆连接到中控室。
编码电缆中任何一对线,相当于一个单圈线圈。
感应天线就是两组线圈,一组作为发送线圈,一组作为接收线圈,分别谐振在相应频率。
两组线圈装在矩形塑料箱内,称为感应天线箱。
天线箱安装在移动机车上,并用圆电缆将天线箱与机车上控制柜连接。
天线箱随着机车移动而移动,并始终与编码电缆保持5-20cm的距离。
见图2-1。
当天线箱与编码电缆靠近时,编码电缆中每一对线所构成的单圈线圈与天线箱中的线圈,相互感应信号,于是天线箱与编码电缆之间(也就是移动机车与中控室之间)形成了一个通信信号通道。
在发送线圈中加信号电流时,由于编码电缆内部各对线是按一定编码规则交叉的,所以能够从编码电缆各对线中产生相应的感应电动势,检测其相位和幅度就得到了反映天线箱中发送线圈所在位置的信息。
1.1.2.编码电缆中一对线信号幅度与相位分析
天线箱的长度A是编码电缆的宽度B的2-3倍(见图2-1),天线箱随着移动机车沿x方向行走时,天线箱沿y方向始终是覆盖编码电缆的。
因此,编码电缆中一对线接收的信号S是天线箱位置x、z的函数S=f(x,z)。
当发送线圈与编码电缆之间距离z较小(5-20cm)时,发送线圈产生的磁力线可以近似垂直,在编码电缆中磁力线也可以近似均匀分布。
若发送线圈宽度与编码电缆两交叉间距相等,都为W,W=2r。
如图2-2所示,设编码电缆中一对线接收信号为S,分析如下。
.编码电缆中一对线接收信号的幅度
是z的函数,z越大,
越小。
与编码电缆有效感应面积成正比。
当发送线圈中心对准两个交叉中间时,图2-2所示发送线圈位于最左边位置,有效感应面积=W
B为最大,设此时信号的幅度
=M(z)。
当发送线圈中心偏离两交叉中心d(d
r)时,图2-2所示发送线圈位于中间位置,Ⅱ区域的感应面积为(W-d)
B;Ⅲ区域的感应面积为d
B且与Ⅱ区域的感应信号反相,抵消后有效感应面积为(W-2d)
B。
这时
显然,发送线圈中心对准任何一个交叉点时,
=0。
.编码电缆中一对线接收信号的相位
假定发送信号为F。
若发送线圈位于Ⅰ区域时S与F同相,位于Ⅱ区域时,由于有一个交叉,S与F反相。
发送线圈位于n区域时,若n为偶数,S与F同相;若n为偶数,S与F反相。
由以上分析,得到:
2.感应无线数据通信技术
2.1.1.感应无线数据通信的特点
在数据通信技术中,按照信道传输媒介可分为:
有线通信方式,无线通信方式。
对于工业中大型移动机车来说,这两种通信方式都有致命的缺陷。
移动机车采用有线通信方式,必须拖带一根通信电缆,这样一来,使机车的行走速度受到限制,而且所拖带的通信电缆易磨损、易拉断。
在环境恶劣的工业现场,无线通信方式易受干扰,从而使通信质量降低,甚至无法工作。
感应无线数据通信方式,既不像有线通信靠电缆直接连接;也不像无线通信远距离天线发射、接收;而是通过安装在移动机车上的天线,与敷设在地面轨道旁的扁平电缆之间5-20cm近距离电磁耦合传递信息。
感应无线数据通信因为有且仅有5-20cm的无线通信距离,所以既能保证机车移动的灵活性又确保了通信质量的可靠,从而克服了有线通信和无线通信的缺点。
2.1.2.抗干扰措施
移动机车发出的串行数据是经过调制从发送线圈发出,由编码电缆通信对线感应接收而送往中控室;中控室发出的串行数据是经过调制从编码电缆上发出,由接收线圈感应接收送往移动机车。
工业现场的同频干扰,是无法用带通滤波滤掉的,要保证通信质量必须抑制同频干扰。
.中控室接收信号的抑制干扰
中控室是通过编码电缆中通信对线接收信号的,为了抑制干扰,将通信对线L0每隔一定的距离W交叉一次,从远距离看这是一对交叉线,从而能够较好地抑制干扰信号。
为了避免发送线圈中心对准任何一个交叉点时
=0出现信道死区,在编码电缆中安排另外一对通信对线L1,其交叉点错开。
见图2-4。
若S0代表从L0接收的信号,S1代表从L1接收后且移相90°的信号,S0与S1正交。
令接收信号S=S0+S1。
根据公式
(1):
其中:
、
分别是发送线圈中心与所在L0对线、L1对线中一个间隔W内交叉中心的距离。
r=
+
。
由于S0、S1的幅度不可能同时为0,且S0与S1正交,可知:
S幅度
≠0,故不会出现信道死区。
.移动机车接收信号的干扰抑制
为了避免信道死区,中控室也要将发送信号一路从L0对线发出,移相90°后的另一路从L1对线发出,这两路信号在编码电缆附近空间产生电磁场合成,被靠近编码电缆的接收线圈接收。
接收线圈中若接收了同频的干扰信号,将是破坏性的。
为此,岳阳千盟电子有限公司设计了《感应无线抗干扰天线》(国家专利,专利号:
ZL03248487.9)成功地解决了同频干扰问题。
感应无线数据通信误码率低,经过测试,在较强同频干扰情况下能达到<10-7。
3.感应无线位置检测技术
3.1.1.感应无线位置检测的特点
感应无线位置检测的特点是:
绝对位置检测,重复性好;非接触式检测,可靠性高;位置连续检测,分辨率高;检测方式多样,适用性强;与感应无线数据通信融为一体。
3.1.2.各种位置检测技术比较
检测技术
感应无线技术
拉绳位移传感器
激光测距
编码器
条形码
位置形式
连续绝对位置
连续绝对位置
连续绝对位置
绝对/相对位置
定点绝对位置
测量距离
长
短
长
绝对短/相对长
长
精度
高
高
高
高
不确定
环
境
影
响
光
无影响
无影响
测量距离受影响
无影响
受影响
电磁
影响小
无影响
无影响
无影响
无影响
粉尘
无影响
无影响
受影响
无影响
受影响
振动
无影响
无影响
受影响
无影响
无影响
变形
无影响
无影响
受影响
无影响
无影响
温度
无影响
无影响
受影响
无影响
无影响
安装要求
不高
不高
精确
不高
不高
维护
维护少
维护少
定期校正
定期校正
维护少
3.1.3.一般位置检测(APD)原理
1)、编码电缆中检测位置对线
编码电缆中检测位置对线有如下几类:
R线、G线
.R线
若一段编码电缆长度为L,实际需要将n段编码电缆连接,编码电缆中R对线有R0、R1、…Rn-1。
R对线中只有一对为叉开,其余为双绞。
二段电缆连接如图2-3所示。
R线的作用有2个。
一个作用是确定天线箱位于第几段。
若天线箱位于第i(i=0、1、2…n-1)段,则从Ri接收信号幅度较大,从Rj(j≠i)接收信号幅度约等于0。
于是确定移动机车位于哪一段。
R线的另一个作用,作为基准信号线。
由于R线在一段内不交叉,故将R线上检测信号相位作基准相位,检测原理如后所叙。
.G线
编码电缆中G对线有G0、G1、G2……Gn,n的大小取决于一段编码电缆的长度L和任意两G线最小交叉距离r。
各对G线在一段内,按格雷码规则交叉编制(见图2-4)。
格雷码有一个显著的特点,就是从一个代码变为相邻的另一个代码时只有一位发生变化,因而在编码电缆中任何位置不存在两对G线同时交叉,避免了天线在交叉点时可能造成的误差。
3.1.4.APD检测原理
APD位置检测的分辨率取决于r,r为G线中任意两交叉间距,一般r=10cm。
图2-4
以R线的信号作为基准信号,各路G信号与之进行相位比较,相位相同为“0”,相位相反为“1”。
由于各对G线交叉次数不同,所以在电缆端口检测的信号相位数据反映了发送线圈的所处位置。
因G线编制的是格雷码结构,所以得到的位置亦是格雷码数据,但很容易用软件或硬件将其变为二进制码数据。
若G线对数为N,则可得到2n个n位的位置数据,若以图2-4为例,则可得到23=8个3位的位置数据。
如图2-4所示(图中各对线的虚线为公共端,实线为检测端),当发送线圈中心在0号位置时,从端口检测到的各路G线信号与R线信号相位相同,则检测各对G线的格雷码G格雷码=G2G1G0=000,G=0(G为格雷码对应的十进制数);当发送线圈中心在1号位置时G2、G1信号与R信号同相,而G0信号由于经过一个交叉,与R信号反相,则G格雷码=G2G1G0=001,G=1。
若发送线圈中心对准G0一个交叉点(假定位置2与位置3之间)时,则G0信号幅度为0,故检测的相位或为0或为1,即G格雷码=G2G1G0=011,G=2,或G格雷码=G2G1G0=010,G=3。
由于处于2、3交界处,故无论为2或为3都认为正确。
综合分析:
得到以下公式:
式中:
i——机车所处的段
L——1段电缆的长度
G——检测出的位置数据
APD——一般位置
3.1.5.高分辨率位置检测(HRPD)
APD位置检测方式的分辨率完全依赖于编码电缆G线两个交叉的间距。
这是一种数字处理方式。
交叉间距的过分减小,会使得编码电缆与感应天线间耦合减弱,信噪比恶化。
所以编码电缆中G线两个交叉的间距一般不超过10cm。
也就是说APD位置检测的分辨率为10cm。
在有些的工业应用中要求检测位置分辨率非常小。
因此,必须采取高分辨率位置检测技术。
HRPD检测是采用模拟处理技术。
其基本原理是利用通信对线L0、L1,检测L0、L1两对线上信号幅度进行比较,从而得到更高的分辨率。
图2-5
如前所述,若发送线圈宽度与编码电缆对线L0、L1两交叉间距相等,都为W,W=2r。
根据公式
(2)及
,在中控室检测到的L0对线上的信号幅度M(L0),L1对线上的信号幅度M(L1)。
分别为
令:
.P0、P1仅与天线沿X轴位置有关
从式(9)、(10)可以看出P0、P1仅与d0、d1有关,而与发送天线与编码电缆间距离Z无关。
所以发送天线沿编码电缆移动过程中Z有可能发生变化,从而引起M(L0)、M(L1)大小发生变化,但P0、P1是不会改变的。
.
、
就是高分辨率地址
由于L0、L1交叉点错开,且发送线圈宽度与编码电缆对线L0、L1两交叉间距相等,都为W,W=2r。
所以发送线圈的中心所处的位置只有3种可能性:
a、发送线圈的中心位于L0两交叉间左半部,如图2-4位置2时所示。
这时候,检测出的位置数据G为奇数,
就是发送线圈的中心与L0左交叉点的距离。
HRPD=
=
=P0×r。
b、发送线圈的中心位于L1两交叉间左半部,如图2-4位置3时所示。
这时候,检测出的位置数据G为偶数,
就是发送线圈的中心与L1左交叉点的距离。
HRPD=
=
=P1×r。
c、发送线圈的中心位于L0或L1的交叉点上,如图2-4位置4时所示。
这时候,检测出的位置数据G或为奇数或为偶数,若G为奇数,HRPD=
=
=P0×r;若G为偶数,HRPD=
=
=P1×r。
由此,得到高分辨率地址HRPD的公式和综合地址ADD的公式:
HRPD=
=P0×rG为奇数时
HRPD=
=P1×rG为偶数时
ADD=APD+HRPD
.图2-5几种情况分析
设r=10cm。
我们假定在移动过程中Z保持不变,在最大有效感应面积=W
B时,接收信号最大幅度为
=M(z)=M。
显然M(L0)+M(L1)=M。
a、在位置1,发送线圈中心地址为:
10cm,正对着G0的交叉。
M(L0)=0M(L1)=MP0=0P1=1
由于M(L0)=0,无法判断G0的相位,故检测的APD地址有两种可能性。
若检测G格雷码=G2G1G0=000G=0APD=G×r=0×10cm=0
HRPD=P1×r=10cmADD=APD+HRPD=10cm
若检测G格雷码=G2G1G0=001G=1APD=G×r=1×10cm=10cm
HRPD=P0×r=0ADD=APD+HRPD=10cm
无论哪种情况,综合地址都是10cm。
b、在位置2,发送线圈中心地址为:
15cm。
M(L0)=M(L1)=0.5MP0=0.5P1=0.5
G格雷码=G2G1G0=001G=1APD=G*r=1*10cm=10cm
HRPD=P0*r=0.5cmADD=APD+HRPD=15cm
c、在位置3,发送线圈中心地址为:
22.5cm。
M(L0)=0.75MM(L1)=0.25MP0=0.75P1=0.25
G格雷码=G2G1G0=011G=2APD=G*r=2*10cm=20cm
HRPD=P1*r=2.5cmADD=APD+HRPD=22.5cm
三、感应无线技术应用
1.应用模型
在实际应用中,扁平电缆安装在移动机车的轨道旁,天线安装在移动机车上,当移动机车沿着轨道行走时,天线与扁平电缆之间始终保持固定的距离。
图3所示为一应用模型
A车1A车2A车3
圆电缆
中扁平电缆A
央圆电缆
扁平电缆B
控
B车1B车2
制
室圆电缆
扁平电缆C
C车1C车2
图3-1
1.1.模型说明:
本模型共有3根轨道A、B、C,轨道A上有三台作业车A1、A2、A3;轨道B上有二台作业车B1、B2;轨道C上有二台作业车C1、C2;
沿着这3根轨道分别安装扁平电缆A、扁平电缆B、扁平电缆C,通过圆电缆将扁平电缆与中控室相连;
A车沿着轨道A运行过程中,A车上的天线始终与扁平电缆A保持一定的距离;
1.2.工作原理
①、移动机车通过天线发送信号,中控室从扁平电缆接收信号。
移动机车发送的数据信息中,反映该车当时的工作状况。
在移动机车通过天线发送信号的同时,中控室从接收到的扁平电缆各对线上不同的感生电动势的相位、幅度中,检测得到发送天线所在位置(代表机车的位置)。
于是,中控室主控计算机对各机车工作状况、所处的位置了如指掌。
②、中控室主控计算机根据生产计划,各机车工作状况、所处的位置,下达工作指令给相关的机车。
中控室所要发送的信息是通过扁平电缆发送信号,移动机车通过天线接收信号。
中控室同时向3根扁平电缆A、B、C发送信号,任何一台移动机车都可以通过天线接收到中控室发出的信号。
中控室发出的信号中,包括下述内容:
a、各个机车当时的工作状况,所在位置,从而使各个机车了解其它机车当时的工作状况,以及本机车和其它机车当时的位置;b、工作指令。
、移动机车接收到中控室发来的信号后,根据相关命令进行工作。
2.应用中的相关技术
2.1.移动机车自动走行
移动机车自动走行,是指在整个生产过程中,控制系统能随时判断机车下一个需要作业的目标位置;在当前作业完成后,自动地控制该机车朝目标位置行走;并最终精确定位于目标位置。
由于感应无线技术能够连续地、精确地检测移动机车的位置,并能够实现移动机车与中控室之间的可靠的通信,因此,在控制系统指挥下,能够实现移动机车自动走行和精确定位。
控制系统根据移动机车当前位置与目标位置的距离,自动控制移动机车的速度,当接近目标位置时,以最低速行走。
只要检测位置的分辨率足够高,总是可以准确的对位,因为自动控制系统可以经过多次调整来达到准确对位。
但是,从工业应用来说,这是存在问题的。
据济南钢铁公司焦化厂工人介绍,引进芬兰的四大移动机车连锁自动走行设备,经常要多次自动调整机车位置,才能对准,甚至不如人工操作迅速,由于影响了工作效率,工人不愿意使用。
因此,我们总是希望当移动机车一停止就精确地达到目标位置,即一次定位。
由于地面上检测的地址传送给移动机车需要一定的时间,且由于机车PLC发出停止命令后到执行刹车需一定的时间,况且刹车后由于机车的惯性,仍可能前进一小段距离。
因此,必须在距目标位置λ时,机车PLC发出停止命令。
要比较精确地达到一次定位,关键是找到正确的λ值。
影响入值有诸多因素,例如轨道各处的不平整度不同,各处的摩擦系数不同,不同的移动机车本身的质量不同,相同的移动机车在执行不同任务时的附加质量不同,不同的移动机车抱闸灵敏度不同,天晴与下雨摩擦系数不同,等等。
因此,我们采用现代自适应控制技术,来提高移动机车一次到位率。
2.2.整体安全联锁控制
为了确保生产安全,安全联锁控制是十分必要的。
实际上,现代工业中每一种移动机车都具有安全联锁控制。
但是,这种安全联锁控制仅仅只是机车自身状态的安全联锁控制。
由于采用感应无线技术的控制系统对参与工作的每一台机车工作状况、所处的位置都十分清楚,因而能够对整个生产过程进行整体安全联锁控制。
例如,在炼焦控制系统中,推焦安全联锁控制是指:
当推焦车、拦焦车、熄焦车都到达指定的计划炉号,并且拦焦车导焦槽到位;熄焦车车身门关条件成立,才允许推焦。
2.3.作业机车优化调度控制
由于采用感应无线技术的控制系统对参与工作的每一台机车工作状况、所处的位置都十分清楚,因而能够十分方便地根据生产计划安排,合理安排工作车辆执行计划任务,发挥各机车协同工作效应,缩短工作流程,提高工作效率。
优化调度的原则是:
、根据各车当前工作状况,指定较空闲的机车执行计划任务。
、根据各车运行线路的远近,以及不受其他车阻挡的情况,指定最佳位置的机车执行计划任务。
3.感应无线技术在炼焦过程中的应用
感应无线技术在炼焦过程中的应用,是利用感应无线技术的特点,对炼焦过程中的推焦车、拦焦车、熄焦车、装煤车、除尘车等实现计算机集中控制管理。
系统具有如下功能:
、生产计划编排功能
可根据5-2或9-2串序的生产工艺,结合出焦时间间隔、检修分段、倒班顺序,自动编排推焦计划。
可以手工编排和随时修改推焦计划
、炉号识别及方向判断
根据所检测的机车位置,自动识别机车所处的炉号。
根据所检测的机车位置和计划推焦炉号的位置,判断机车应正确运行的方向。
、安全联锁控制
、推焦联锁控制
一级允推产生条件:
●推焦车、拦焦车、熄焦车对准计划炉号;
●导焦槽到位;
●熄焦车车身门关;
●在允许时间误差范围内。
二级允推产生条件:
●一级允推条件成立;
●拦焦车人工允推确认;
●熄焦车人工允推确认。
当且仅当二级允推信号产生的条件下,系统给出允许推焦命令,才允许推焦杆前进。
在熄焦车和拦焦车操作台上装有紧急停止按钮,若在推焦过程中熄焦车或拦焦车发生故障要求停止推焦时,熄焦车或拦焦车司机可按下紧急停止按钮,推焦杆立即停止前进。
、摘炉门联锁控制
允许摘炉门条件:
●推焦车、拦焦车摘门机对准计划出焦碳化室的中心位置;
●当前时间离计划出焦时间在允许误差范围内。
只有满足允许摘炉门条件时,系统给出允许摘炉门命令,摘门机才允许动作;
、装煤联锁控制
允许装煤条件:
●装煤车对准计划装煤炉号;
●计划装煤炉号机侧、焦侧炉门已关好。
只有满足允许装煤条件时,系统给出允许装煤命令,给料机才允许动作;
、取煤联锁控制
允许下煤条件:
●装煤车对准任何一个下煤口;
●装煤车料位仪未满。
只有满足允许取煤条件时,系统给出允许取煤命令,煤塔才允许下煤。
、自动走行、自动定位功能
根据生产计划,以及当前计划完成情况,自动确定机车下一步应该行走的目标位置。
执行计划任务的机车,在车上按“自动走行”按键后,自动朝目标位置走行。
并能根据距目标位置的远近,自动控制机车的速度。
在自动走行中到达目标位置时自动停止、自动对位。
采用自适应控制技术,确保自动对位准确,其自动定位精度达到0.5cm。
为确保安全,采用手动优先原则,即任何时候人工扳动走行手柄,自动走行立即取消,进入手动走行状态。
、机车驾驶室提示功能
工作中的显示屏
显示
在机车驾驶室,用数字显示屏显示:
●系统和机车工作状态
●当前计划推焦炉号和计划推焦时间。
●当前系统统一标准时间。
●当前各车所处炉号。
●推焦杆深入碳化室的长度。
●推焦过程中的最大推焦电流。
●各车到位指示和运行方向
●一级允推信号,拦焦车和熄焦车的人工允推信号,二级允推信号
●拦焦槽到位信号
●熄焦车车身门关信号
、语音提示
在机车驾驶室,语音器用语音提示机车操作人员:
●当推焦车对准计划推焦炉号,并有一定的停留时间,提示“推焦车已到计划炉号,准备工作完毕”。
●当拦焦车对准计划推焦炉号,并有一定的停留时间,且焦槽到位,提示“拦焦车已到计划炉号,准备工作完毕”。
●当熄焦车对准计划推焦炉号,并有一定的停留时间,且熄焦车车门关,提示“熄焦车已到计划炉号,准备工作完毕”。
●当前时间与计划推焦时间相差5分钟时,提示“推焦时刻快到,请各车加快准备”。
●当判断推焦开始时,提示“推焦开始,如有紧急情况,请按停止推焦按钮”。
●当判断推焦结束时提示“推焦顺利完成,请到新炉号推焦”。
●推焦被停止时提示“推焦被紧急停止,请查明原因”。
●当装煤车对准计划装煤炉号,并有一定的停留时间,提示“装煤车已到装煤炉号”。
●当推焦车操作员按下允许装煤按钮时提示“推焦车允许装煤”。
当拦焦车操作员按下允许装煤按钮时提示“拦焦车允许装煤”。
●当装煤车操作员按下请求平煤按钮时提示“请求平煤”。
、动画功能
在以动画方式实时跟踪显示全炉区俯视图
动画全炉区俯视图
、记录、统计、打印功能
●在生产过程中,自动记录每一个碳化室的装煤时间、出焦时间、推焦电流和平煤电流、出焦时焦饼的温度等,在推焦结束后,自动形成一条记录。
●可随时查询记录。
●根据记录自动计算生产序数值K1,K2,K3。
●能自动生成班组统计报表。
●能自动生成日、月、年统计报表。
●能打印上述报表。
、网络功能
预留数据接口,以方便与其它软件实现数据交换。
数据系统可升级到MicrosoftSQLserver2000(网络版),便于与焦化厂局域网连接。
4.感应无线技术在库房自动存取管理控制中的应用
现代工业物流的解决离不开自动化库区管理,而库区的自动化管理其关键是能对移动的机车实现精确定位和可靠地数据通信。
感应无线技术在库房自动存取管理控制中的应用,是利用感应无线技术的特点,实现计算机对整个吊
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