中國民航機坪特種設備智能停止系統(tǒng)研究與設計

寧立文 黃文禮 彭翔宇 章文婷 狄成福 胡放榮

摘? 要：本文以中國民航特種設備之一的管線加油車為例，設計一種適合于所有民航機坪特種設備的智能停止系統(tǒng)。該系統(tǒng)由PLC控制器、測距模塊、顯示與報警模塊、光學檢測模塊和氣動控制模塊組成，在與原車聯(lián)鎖氣控剎車系統(tǒng)兼容的情況下，而且實現(xiàn)了防撞自動剎車、誤差檢測和系統(tǒng)報錯功能，大大減少了中國民航管線加油車刮碰飛機事故。

關鍵詞：智能停止系統(tǒng)? 防撞自動剎車? 測距模塊? PLC控制器? 氣動控制

中圖分類號：V249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）11（c）-0004-05

Research and Design of Intelligent Stop System for Special Equipment of CAAC Apron

NING Liwen1? HUANG Wenli2? PENG Xiangyu1? ZHANG Wenting1? DI Chengfu1? HU Fangrong2*

（1.South China Bluesky Aviation Fuel Co.， Limited， Nanning Branch， Nanning， Guangxi Zhuang Autonomous Regiom， 530048， China;2.College of Electronic Engineering and Automation， Guilin University of Electronic Technology， Guilin， Guangxi Zhuang Autonomous Regiom， 541004 China）

Abstract： In this paper， an intelligent stop system for special equipment of Civil Aviation Apron is designed， taking the pipeline refueling vehicle as an example. The system is composed of PLC controller， distance measuring module， display and alarm module， optical detection module and pneumatic control module. Compatible with the original interlock pneumatic brake system， the function of automatic anti-collision braking， error detection and system error reporting is realized， which greatly reduces the accident of the aircraft scraped by the refueling vehicle of the civil aviation pipeline of China.

Key Words： Intelligent stop system; Automatic anti-collision brake; Ranging module; PLC controller; Pneumatic control

目前，全國各機場民用飛機供油大部分采用罐式加油車和管線加油車，其中以管線加油車在國內(nèi)大部分機場廣泛使用，可為波音B737、空客A319等系列機型進行加油作業(yè)。近幾年頻繁發(fā)生加油車加油過程中刮碰飛機的事故，對機場安全生產(chǎn)造成重要影響。因此，研發(fā)機坪特種設備智能停止系統(tǒng)，對保障機場安全生產(chǎn)具有重要意義。

1? 研究現(xiàn)狀

防撞控制功能一般采用激光雷達防撞系統(tǒng)，因為它的結構簡單、測量范圍廣，但是易受外界環(huán)境干擾并且報錯率較高。毫米波雷達作為一種不易受環(huán)境條件影響、并且測量穩(wěn)定的技術被引入防撞系統(tǒng)。前幾年，德國奔馳公司利用毫米波雷達設計的“速度-距離控制系統(tǒng)”，可以自動執(zhí)行剎車和速度控制[1];瑞典Celsius Tech電子公司研制的自適應智能駕駛控制系統(tǒng)，可用于高速公路上控制車輛間距離和速度[2]，達到防撞目的。近年來，我國科研人員設計出一種60GHz和77GHz的遠程汽車雷達防撞系統(tǒng)，能實現(xiàn)自動剎車功能[3]，雖然不易受外界環(huán)境影響且報錯率低，但是成本較高，難以推廣應用。在剎車控制方面，大多采用單片機或FPGA作為控制器來執(zhí)行剎車指令[4-5]，但是存在操作性能不穩(wěn)定問題。為了解決長期以來檢測距離數(shù)據(jù)不準確、存在測量盲區(qū)等問題，本文采用PLC作為主控制器，實現(xiàn)中國民航管線加油車的防撞自動剎車功能。

2? 設計原理

2.1 系統(tǒng)整體設計

本防撞自動剎車功能由PLC控制模塊、雷達模塊、紅外傳感模塊、氣控模塊和顯示報警模塊組成[6]，采用雷達和紅外探頭進行雙重測距，提高測量精度。雷達模塊用于加油車與前方障礙物間的距離測量，在顯示屏上顯示并觸發(fā)相應的語音報警提醒。根據(jù)航空公司行業(yè)規(guī)定，當加油車進出機位時，需要以不大于5km/h的速度行進，此時加油車掛一檔，接近開關打開，啟動防撞自動剎車功能。當加油車與前方障礙物的距離達到設定距離時，接近開關傳遞信號到PLC控制器，再驅動控制氣閥進行緊急制動剎車[7]，系統(tǒng)結構如圖1所示。

2.2 雷達模塊

在加油車的外部不同位置安裝四個性能穩(wěn)定、不受障礙物形狀和顏色影響的雷達探頭，每一個雷達模塊主要由發(fā)射機、接收機、天線和顯示器四個部分組成。

雷達發(fā)射機發(fā)出的電磁波到達障礙物后被反射，反射信號到達雷達接收機[8-9]，經(jīng)接收機放大后傳送給PLC控制器，再通過顯示器顯示加油車與前方障礙物的距離，當接近設定距離時，會觸發(fā)語音報警模? ? ? ? ?塊[10]。發(fā)射機發(fā)出的電磁波，經(jīng)過障礙物反射到達接收機所需時間T可以根據(jù)公式S=CT/2計算，其中S為加油車與障礙物間的距離，C為光速[11-12]。雷達模塊工作原理如圖2所示，實物如圖3所示。

2.3 紅外傳感模塊

采用紅外傳感器EQ-34進行障礙物測距，LED為紅外發(fā)射器，兩段光電二極管作為接收器，若紅外光入射角為θ，發(fā)射器和接收器的中心距離為L，通過三角測距原理可以測出加油車距離障礙物的距離D。測量過程中，光電元件將光信號轉換成電信號[13-14]，反饋給PLC控制器和氣控系統(tǒng)，實現(xiàn)緊急剎車。紅外傳感模塊工作原理[15]如圖4所示。

2.4 氣控系統(tǒng)

防撞自動剎車功能的核心部分——氣控系統(tǒng)的工作原理如圖5所示，當加油車距離障礙物小于安全距離0.8m時，氣控系統(tǒng)會收到紅外信號，并依次經(jīng)過氣路3、兩位三通電磁閥G、氣路4、梭閥F、氣路6和剎車氣缸H，執(zhí)行防撞自動剎車功能。此效果制動行程為快排氣急剎車，能第一時間將加油車自動剎停，避免刮碰飛機和機具。此時聯(lián)鎖剎車系統(tǒng)控制進入剎車泵的氣源，實現(xiàn)慢排氣緩剎車功能。因此，兩套剎車系統(tǒng)均獨立工作，且能夠到達預期效果，控制模塊實物如圖6所示。

2.5 主控程序設計

主控制系統(tǒng)采用的是PLC控制器，程序設計流程如圖7所示。

3? 技術難點

3.1 與原車聯(lián)鎖氣控剎車系統(tǒng)的兼容問題

在管線加油車聯(lián)鎖系統(tǒng)，當任何一個聯(lián)鎖功能啟動，電控閥將氣路開啟，進入剎車泵，在到達節(jié)流閥和兩位五通閥排氣。這種制動行程為慢排氣緩剎車，主要是為了避免行車中聯(lián)鎖功能突然開啟，造成急剎車帶來的追尾風險。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性

管線加油車在飛機機翼下加油作業(yè)時，保障作業(yè)人員與機具會多次靠近加油車，且距離小于設定的最低安全值。因此，感應設備會不斷接收信號，造成不間斷地自動剎車。這樣反復多次地無效觸發(fā)，會導致電瓶虧電、剎車泵疲勞磨損等安全隱患。因此，考慮利用原車行車檔位，當掛一檔行駛時防撞自動剎車功能開啟，能有效地排除上述隱患。并且在滿足行業(yè)規(guī)定（進出機位時速不大于5km/h）的條件下，有效地排除了加油機刮碰飛機或機具的風險。

3.3 降低誤報率

當防撞自動剎車功能被報警觸發(fā)后，車輛自動剎車，作業(yè)人員不能隨意復位，通過自主編程觸發(fā)，PLC控制器會形成自鎖，需作業(yè)人員檢查確認車輛周邊無障礙物后，需手動復位才能解除誤報，并將剎車功能復位。另外，通過控制電路加裝了系統(tǒng)超越裝置，當有故障時可隨時超越切換，不影響正常行駛。

4? 工況測試

當管線加油車掛一檔行駛時，接近開關打開，啟動語音播報和防撞檢測功能。當障礙物距離小于設定值1.5m時，距離顯示屏實時顯示距離數(shù)值。當距離小于設定最低安全值0.8m時，車輛自動剎車至停止。當車輛處于自動剎車狀態(tài)時，作業(yè)人員將障礙物移除，并手動退出一檔，即可自動解除剎車，恢復正常行駛狀態(tài)。

由于加油車不同的前進速度具有不同的慣性和不同的剎車時間，導致加油車制動距離不同。因此，以加油車的制動距離來衡量防撞自動剎車功能的穩(wěn)定性。由于本系統(tǒng)是在加油車進站過程中行進車速低于5km/h的行業(yè)標準下設計的，所以分別選取了加油車掛一檔狀態(tài)，且時速為2km/h、4km/h、5km/h和8km/h的剎停距離進行測試，結果如表1所示。

由表1計算出的剎停距離平均值、標準偏差和變異系數(shù)如表2所示。

由表1和表2可知，時速為2km/h、4km/h、5km/h和8km/h這幾組數(shù)據(jù)的標準差偏差都在0.005～0.009范圍內(nèi)，變異系數(shù)都在0.02～0.05之間，說明偏差極小。由表1數(shù)據(jù)得到的制動距離與加油車車速間的關系如圖8所示。

由圖8可知，多次測試車速與制動距離的變化情況大體一致，表明該防撞自動剎車功能很穩(wěn)定、誤差極小。

5? 結語

本文對中國民航機坪特種設備的智能停止系統(tǒng)進行研究，設計了一種基于PLC控制器的民航特種設備之一的管線加油車防撞自動剎車功能，不僅符合行業(yè)標準，而且與原車控制系統(tǒng)兼容性好。該功能采用雷達模塊和紅外光電模塊進行雙重測距，增加了測量精度。這種防撞自動剎車功能在機場飛機加油車上首次應用，安裝簡單，費用低，且不受地域限制，不僅能適用于管線加油車，還能用于民航領域其它特種車輛的防撞。

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