機場地面電源與空調機組一體化計量系統設計與應用

摘 要：以機場地面電源與空調機組作為研究對象，設計了一種一體化計量與管理系統。系統以ARM11作為處理核心，電表模塊實現對用電信息的采集，通過RS485總線與控制器相連。人機交互界面可顯示系統的實時狀態并供機務人員進行操作，通過CAN總線與航站樓遠程服務器連接，便于實現機場對航空公司使用地面電源與空調機組的能耗狀況進行精細化、科學化的管理。

關鍵詞：機場地面電源；空調機組；計量系統；ARM11；DL/T645

引言

目前，歐洲和日本的機場對飛機APU（Auxiliary Power Unit，輔助動力裝置）的使用有著詳細規定，要求飛機在機場地面作業階段關閉APU，采用地面電源設備[1-2]，在民航相關部門節能減排政策的推廣和要求下，國內大部分機場和航空公司近年也陸續采用地面橋載設備替代APU技術，但在機場地面電源與空調機組的電能計量方面，部分機場仍存在自動化程度較低、可靠性較差和粗放型計量等諸多缺點。

機場地面供電計量系統是將地面電源設備和空調機組進行一體化管理的系統，系統融合自動控制、通信與計算機技術，兼具對橋載設備中地面電源和空調機組的測控功能。系統能夠幫助機場對航空公司飛機靠橋階段的用電情況進行精細化、科學化的管理，提高機場設施的自動化程度和運行效率，同時為跟蹤節能減排效果提供參考指標，積極響應國家建設綠色機場的政策和要求。

1 系統總體設計

機場地面電源與空調機組一體化計量系統主要包括橋載設備管理系統強電柜、弱電柜和樓宇服務器。強電柜可安裝在機場廊橋配電室或掛載到廊橋下，并控制機場地面供電電源系統和空調機組服務系統。弱電柜通過CAN總線與航站樓服務器連接[3-4]。電表模塊實現對用電信息的采集，通過RS485總線與廊橋控制端的控制器相連，并通過CAN總線與設置在航站樓的數據服務器和應用服務器相連。客戶端設置在航站樓內，人機交互界面可顯示系統的實時狀態并供機務人員進行操作，系統能夠生成用電信息的統計報表，方便跟蹤各航空公司的節能減排效果。

2 系統組成和結構

2.1 系統組成模塊

航空公司租用機場的地面電源設備和空調機組為停靠廊橋的飛機進行服務，機場地面電源和空調機組的服務起始時間和電量使用數據是系統主要的采集對象。電表模塊只能采集到設備的用電數據，對于機組服務信息的核對以及服務計時管理還需通過人機界面進一步規范。該計量系統的各組成模塊主要包括電表模塊、串口模塊、控制器模塊、顯示模塊和電源模塊。

2.2 控制器模塊

系統的處理器采用基于ARM11的S3C6410，采用64/32位內部總線構架[5]；存儲器芯片選用256MB Bytes NAND FLASH，片選信號使用CSn2，該芯片主要用于存放內核代碼、應用程序、文件系統和數據資料；內存芯片為Samsung K4X51163PC芯片，由128M Bytes Mobile DDR存儲器組成，DDR數據傳輸總線頻率可達266MHz，芯片采用小尺寸BGA封裝。系統的DDR外圍電路如圖1所示。控制器模塊的PCB板布線充分考慮了反射、串擾以及信號電磁兼容的設計要求，確保系統能夠在飛機廊橋停靠區域可靠運行。

2.3 串口模塊與其它模塊

串口采用RS485接口，通信方式為半雙工，本系統的通信速率設置為9600b/s。由于電表的傳輸接口也采用RS485，所以采用了CA-114串口擴展模塊，將接口擴展到4個，滿足了多電表的通信要求。

電表模塊主要通過主回路檢測三相電壓及電流，并能檢測到有功功率、無功功率、功率因數及頻率，數據通信必須滿足DL/T 645通信規約。本系統通過RS485接口將數據遠距離傳輸到控制器，通信速率為2400b/s。電源模塊主要是為電表模塊、控制器模塊和顯示模塊供電。其中電表模塊采用220V電壓，控制器和顯示器均采用24V電壓。

3 系統軟件設計

3.1 服務程序設計

機場地面電源與空調機組一體化計量系統能提供客觀科學的服務管理，系統各模塊效率高、工作性能受環境溫度變化影響小，可在復雜環境工作，符合機場使用需求，其服務流程的設計如圖2所示。

首先，系統開機顯示歡迎界面，系統進入自檢程序，顯示自檢信息，如果設備正常則提示下一次服務的航班信息。航空公司的機務人員確認后，啟動服務，飛機停靠廊橋后使用地面電源和空調機組的電量信息以單位時間的變化顯示在人機交互界面。機務人員也可以根據實際情況選擇是否開啟空調服務，同時可以查詢同一航空公司的相關服務信息。服務結束后，啟動停止服務選項，本次服務信息會自動上傳至服務器，系統自動檢測設備并準備下一次服務。

3.2 數據處理

系統服務停止后，會自動將服務信息上傳至航站樓遠程服務器，其中服務信息包括電量信息和服務時間信息。電量信息按照DL/T 645通信規約中數據幀要求，主要數據信息包括：當前組合有功、當前組合無功、三相相電壓、三相相電流、有功功率、無功功率、功率因數和頻率。

本系統中數據域DATA信息包含34字節，數據傳輸時電表將數據按字節進行加33H處理，并且低地址在先、高地址在后。控制器在接收數據幀后，對數據幀按字節進行減33H處理并調整高低位，以實現電量信息的數據處理。

4 數據檢測

根據數據處理結果，對用電信息進行檢測，檢測試驗由國家電控配電設備質量監督檢測中心配合完成。檢測時任意提取1分鐘內部分用電數據進行校驗，供電設備每分鐘用電量為0.12kWh，與系統采集有功總電能之差相符，參考數據見表1。

5 結束語

文章以ARM11作為處理核心，結合自動控制技術和通信技術，設計了一套機場地面電源與空調機組一體化計量系統，并對系統的用電信息數據進行了檢測。本系統能夠在一定程度上反映機場對橋載設備替代APU要求的執行情況，為跟蹤節能減排效果提供了參考指標。系統的應用對降低飛機APU故障、延長APU使用壽命能夠起到一定的積極作用；系統的人機界面能夠規范航空公司機務人員的操作流程，也為機場提供了良好的管理手段，方便了對橋載設備的維護；同時，系統提高了機場設施的自動化程度，與傳統的人工抄表方式相比，能夠實現更為精確、穩定、科學的測量功能，為機場和航空公司的節能減排評測提供了技術支持。

參考文獻

[1]陳軍.橋載設備替代飛機APU的節能減排成效[J].節能與環保，2012（10）：54-56.

[2]張積洪.積極推廣橋載設備，提高節能減排效果[J].中國民用航空， 2012（1）：46-47.

[3]劉志勇.一體化電能量綜合采集與管理平臺在黃岡電力的應用[J].電力信息化，2013，11（2）：75-80.

[4]馮月芹，王立力，張玲.STM32F107的智能電表電能采集與遠程監控設計[J].單片機與嵌入式系統應用，2016，16（1）：71-74.

[5]侯殿有，劉曉光，吉鶴.S3C6410X（ARM1

1）精簡指令系統微處理機（RISC Micropro

cessor）的特點和使用實例[J].電腦學習，2009（6）：11.

作者簡介：張金龍，碩士，研究方向為機場特種設備機電一體化技術。