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(guó)民航特種設(shè)備之一的管線加油車(chē)為例，設(shè)計(jì)一種適合于所有民航機(jī)坪特種設(shè)備的智能停止系統(tǒng)。該系統(tǒng)由PLC控制器、測(cè)距模塊、顯示與報(bào)警模塊、光學(xué)檢測(cè)模塊和氣動(dòng)控制模塊組成，在與原車(chē)聯(lián)鎖氣控剎車(chē)系統(tǒng)兼容的情況下，而且實(shí)現(xiàn)了防撞自動(dòng)剎車(chē)、誤差檢測(cè)和系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)功能，大大減少了中國(guó)民航管線加油車(chē)刮碰飛機(jī)事故。

關(guān)鍵詞：智能停止系統(tǒng)? 防撞自動(dòng)剎車(chē)? 測(cè)距模塊? PLC控制器? 氣動(dòng)控制

中圖分類(lèi)號(hào)：V249? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：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(guó)各機(jī)場(chǎng)民用飛機(jī)供油大部分采用罐式加油車(chē)和管線加油車(chē)，其中以管線加油車(chē)在國(guó)內(nèi)大部分機(jī)場(chǎng)廣泛使用，可為波音B737、空客A319等系列機(jī)型進(jìn)行加油作業(yè)。近幾年頻繁發(fā)生加油車(chē)加油過(guò)程中刮碰飛機(jī)的事故，對(duì)機(jī)場(chǎng)安全生產(chǎn)造成重要影響。因此，研發(fā)機(jī)坪特種設(shè)備智能停止系統(tǒng)，對(duì)保障機(jī)場(chǎng)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(dá)防撞系統(tǒng)，因?yàn)樗慕Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍廣，但是易受外界環(huán)境干擾并且報(bào)錯(cuò)率較高。毫米波雷達(dá)作為一種不易受環(huán)境條件影響、并且測(cè)量穩(wěn)定的技術(shù)被引入防撞系統(tǒng)。前幾年，德國(guó)奔馳公司利用毫米波雷達(dá)設(shè)計(jì)的“速度-距離控制系統(tǒng)”，可以自動(dòng)執(zhí)行剎車(chē)和速度控制[1];瑞典Celsius Tech電子公司研制的自適應(yīng)智能駕駛控制系統(tǒng)，可用于高速公路上控制車(chē)輛間距離和速度[2]，達(dá)到防撞目的。近年來(lái)，我國(guó)科研人員設(shè)計(jì)出一種60GHz和77GHz的遠(yuǎn)程汽車(chē)?yán)走_(dá)防撞系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剎車(chē)功能[3]，雖然不易受外界環(huán)境影響且報(bào)錯(cuò)率低，但是成本較高，難以推廣應(yīng)用。在剎車(chē)控制方面，大多采用單片機(jī)或FPGA作為控制器來(lái)執(zhí)行剎車(chē)指令[4-5]，但是存在操作性能不穩(wěn)定問(wèn)題。為了解決長(zhǎng)期以來(lái)檢測(cè)距離數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、存在測(cè)量盲區(qū)等問(wèn)題，本文采用PLC作為主控制器，實(shí)現(xiàn)中國(guó)民航管線加油車(chē)的防撞自動(dòng)剎車(chē)功能。

2? 設(shè)計(jì)原理

2.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本防撞自動(dòng)剎車(chē)功能由PLC控制模塊、雷達(dá)模塊、紅外傳感模塊、氣控模塊和顯示報(bào)警模塊組成[6]，采用雷達(dá)和紅外探頭進(jìn)行雙重測(cè)距，提高測(cè)量精度。雷達(dá)模塊用于加油車(chē)與前方障礙物間的距離測(cè)量，在顯示屏上顯示并觸發(fā)相應(yīng)的語(yǔ)音報(bào)警提醒。根據(jù)航空公司行業(yè)規(guī)定，當(dāng)加油車(chē)進(jìn)出機(jī)位時(shí)，需要以不大于5km/h的速度行進(jìn)，此時(shí)加油車(chē)掛一檔，接近開(kāi)關(guān)打開(kāi)，啟動(dòng)防撞自動(dòng)剎車(chē)功能。當(dāng)加油車(chē)與前方障礙物的距離達(dá)到設(shè)定距離時(shí)，接近開(kāi)關(guān)傳遞信號(hào)到PLC控制器，再驅(qū)動(dòng)控制氣閥進(jìn)行緊急制動(dòng)剎車(chē)[7]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 雷達(dá)模塊

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

雷達(dá)發(fā)射機(jī)發(fā)出的電磁波到達(dá)障礙物后被反射，反射信號(hào)到達(dá)雷達(dá)接收機(jī)[8-9]，經(jīng)接收機(jī)放大后傳送給PLC控制器，再通過(guò)顯示器顯示加油車(chē)與前方障礙物的距離，當(dāng)接近設(shè)定距離時(shí)，會(huì)觸發(fā)語(yǔ)音報(bào)警模? ? ? ? ?塊[10]。發(fā)射機(jī)發(fā)出的電磁波，經(jīng)過(guò)障礙物反射到達(dá)接收機(jī)所需時(shí)間T可以根據(jù)公式S=CT/2計(jì)算，其中S為加油車(chē)與障礙物間的距離，C為光速[11-12]。雷達(dá)模塊工作原理如圖2所示，實(shí)物如圖3所示。

2.3 紅外傳感模塊

采用紅外傳感器EQ-34進(jìn)行障礙物測(cè)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(zhǎng)，通過(guò)三角測(cè)距原理可以測(cè)出加油車(chē)距離障礙物的距離D。測(cè)量過(guò)程中，光電元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)[13-14]，反饋給PLC控制器和氣控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)緊急剎車(chē)。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(dòng)剎車(chē)功能的核心部分——?dú)饪叵到y(tǒng)的工作原理如圖5所示，當(dāng)加油車(chē)距離障礙物小于安全距離0.8m時(shí)，氣控系統(tǒng)會(huì)收到紅外信號(hào)，并依次經(jīng)過(guò)氣路3、兩位三通電磁閥G、氣路4、梭閥F、氣路6和剎車(chē)氣缸H，執(zhí)行防撞自動(dòng)剎車(chē)功能。此效果制動(dòng)行程為快排氣急剎車(chē)，能第一時(shí)間將加油車(chē)自動(dòng)剎停，避免刮碰飛機(jī)和機(jī)具。此時(shí)聯(lián)鎖剎車(chē)系統(tǒng)控制進(jìn)入剎車(chē)泵的氣源，實(shí)現(xiàn)慢排氣緩剎車(chē)功能。因此，兩套剎車(chē)系統(tǒng)均獨(dú)立工作，且能夠到達(dá)預(yù)期效果，控制模塊實(shí)物如圖6所示。

2.5 主控程序設(shè)計(jì)

主控制系統(tǒng)采用的是PLC控制器，程序設(shè)計(jì)流程如圖7所示。

3? 技術(shù)難點(diǎn)

3.1 與原車(chē)聯(lián)鎖氣控剎車(chē)系統(tǒng)的兼容問(wèn)題

在管線加油車(chē)聯(lián)鎖系統(tǒng)，當(dāng)任何一個(gè)聯(lián)鎖功能啟動(dòng)，電控閥將氣路開(kāi)啟，進(jìn)入剎車(chē)泵，在到達(dá)節(jié)流閥和兩位五通閥排氣。這種制動(dòng)行程為慢排氣緩剎車(chē)，主要是為了避免行車(chē)中聯(lián)鎖功能突然開(kāi)啟，造成急剎車(chē)帶來(lái)的追尾風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性

管線加油車(chē)在飛機(jī)機(jī)翼下加油作業(yè)時(shí)，保障作業(yè)人員與機(jī)具會(huì)多次靠近加油車(chē)，且距離小于設(shè)定的最低安全值。因此，感應(yīng)設(shè)備會(huì)不斷接收信號(hào)，造成不間斷地自動(dòng)剎車(chē)。這樣反復(fù)多次地?zé)o效觸發(fā)，會(huì)導(dǎo)致電瓶虧電、剎車(chē)泵疲勞磨損等安全隱患。因此，考慮利用原車(chē)行車(chē)檔位，當(dāng)掛一檔行駛時(shí)防撞自動(dòng)剎車(chē)功能開(kāi)啟，能有效地排除上述隱患。并且在滿足行業(yè)規(guī)定（進(jìn)出機(jī)位時(shí)速不大于5km/h）的條件下，有效地排除了加油機(jī)刮碰飛機(jī)或機(jī)具的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 降低誤報(bào)率

當(dāng)防撞自動(dòng)剎車(chē)功能被報(bào)警觸發(fā)后，車(chē)輛自動(dòng)剎車(chē)，作業(yè)人員不能隨意復(fù)位，通過(guò)自主編程觸發(fā)，PLC控制器會(huì)形成自鎖，需作業(yè)人員檢查確認(rèn)車(chē)輛周邊無(wú)障礙物后，需手動(dòng)復(fù)位才能解除誤報(bào)，并將剎車(chē)功能復(fù)位。另外，通過(guò)控制電路加裝了系統(tǒng)超越裝置，當(dāng)有故障時(shí)可隨時(shí)超越切換，不影響正常行駛。

4? 工況測(cè)試

當(dāng)管線加油車(chē)掛一檔行駛時(shí)，接近開(kāi)關(guān)打開(kāi)，啟動(dòng)語(yǔ)音播報(bào)和防撞檢測(cè)功能。當(dāng)障礙物距離小于設(shè)定值1.5m時(shí)，距離顯示屏實(shí)時(shí)顯示距離數(shù)值。當(dāng)距離小于設(shè)定最低安全值0.8m時(shí)，車(chē)輛自動(dòng)剎車(chē)至停止。當(dāng)車(chē)輛處于自動(dòng)剎車(chē)狀態(tài)時(shí)，作業(yè)人員將障礙物移除，并手動(dòng)退出一檔，即可自動(dòng)解除剎車(chē)，恢復(fù)正常行駛狀態(tài)。

由于加油車(chē)不同的前進(jìn)速度具有不同的慣性和不同的剎車(chē)時(shí)間，導(dǎo)致加油車(chē)制動(dòng)距離不同。因此，以加油車(chē)的制動(dòng)距離來(lái)衡量防撞自動(dòng)剎車(chē)功能的穩(wěn)定性。由于本系統(tǒng)是在加油車(chē)進(jìn)站過(guò)程中行進(jìn)車(chē)速低于5km/h的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)下設(shè)計(jì)的，所以分別選取了加油車(chē)掛一檔狀態(tài)，且時(shí)速為2km/h、4km/h、5km/h和8km/h的剎停距離進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表1所示。

由表1計(jì)算出的剎停距離平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差和變異系數(shù)如表2所示。

由表1和表2可知，時(shí)速為2km/h、4km/h、5km/h和8km/h這幾組數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)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(shuō)明偏差極小。由表1數(shù)據(jù)得到的制動(dòng)距離與加油車(chē)車(chē)速間的關(guān)系如圖8所示。

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

5? 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)中國(guó)民航機(jī)坪特種設(shè)備的智能停止系統(tǒng)進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種基于PLC控制器的民航特種設(shè)備之一的管線加油車(chē)防撞自動(dòng)剎車(chē)功能，不僅符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而且與原車(chē)控制系統(tǒng)兼容性好。該功能采用雷達(dá)模塊和紅外光電模塊進(jìn)行雙重測(cè)距，增加了測(cè)量精度。這種防撞自動(dòng)剎車(chē)功能在機(jī)場(chǎng)飛機(jī)加油車(chē)上首次應(yīng)用，安裝簡(jiǎn)單，費(fèi)用低，且不受地域限制，不僅能適用于管線加油車(chē)，還能用于民航領(lǐng)域其它特種車(chē)輛的防撞。

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