本安技術(shù)在無線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

趙云偉，何柏娜，李文森

(1.山東工業(yè)職業(yè)學(xué)院電氣工程系，山東 淄博 256414;2.山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

1 引言

成品油輸送管道發(fā)生泄漏后，管道內(nèi)的油液沿泄漏口高速噴射出，遇火化可能發(fā)生爆炸，搶修人員不能接近，并且由于大量油液的霧化，容易造成次生災(zāi)難。解決上述問題一個(gè)切實(shí)可行的辦法就是研制開發(fā)基于無線遙控技術(shù)的機(jī)器人，它能夠?qū)崿F(xiàn)在人的遠(yuǎn)程控制下，自動(dòng)行駛到泄漏處，實(shí)現(xiàn)漏油的簡單回收和油液霧化控制。

防爆問題是設(shè)備研制的一個(gè)關(guān)鍵問題。本質(zhì)安全防爆主要是從設(shè)備自身的安全特性給以充分的考慮，相比其他的防爆類型具有安全等級(jí)高、體積小、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于石油、化工等危險(xiǎn)場所的自動(dòng)控制、測量、報(bào)警等系統(tǒng)。

2 本安防爆的原理

本安防爆技術(shù)是利用系統(tǒng)或電路的電氣參數(shù)達(dá)到防爆要求的，是從電路設(shè)計(jì)的初始就對(duì)電路在短路、開路或斷路以及誤操作等各種狀態(tài)下可能發(fā)生的電火花予以限制，使火花能量處在爆炸性混合物或易燃易爆氣體的最小點(diǎn)燃能量之下，使之成為安全火花，從爆炸發(fā)生的根本原因上解決防爆。本質(zhì)安全電路主要從以下兩個(gè)方面保證本質(zhì)安全的。第一，限制電路的能量;第二，控制電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)。

3 系統(tǒng)的組成及工作原理

機(jī)器人的控制系統(tǒng)主要是由發(fā)射器、接收器、電源等組成?？刂葡到y(tǒng)的組成框圖如圖1。發(fā)射器的核心為一個(gè)8位微控制器，主要任務(wù)是將操作人員的按鍵信號(hào)指令讀入，經(jīng)編碼程序處理，然后經(jīng)串行口送往數(shù)傳模塊以無線電波的形式發(fā)射出去。該模塊主要包括鍵盤接口電路、核心控制器電路、無線數(shù)傳模塊等。

接收器是維搶機(jī)器人的核心部分，指揮執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成各項(xiàng)動(dòng)作。接收機(jī)主要由微控制器、無線數(shù)傳模塊等組成。接收器采用兩級(jí)單片機(jī)控制。主單片機(jī)的主要任務(wù)是通過數(shù)傳模塊，把發(fā)射端發(fā)射的控制信息接收下來，并送到微控制器的串行口。微控制器對(duì)其進(jìn)行解碼，并經(jīng)智能分析判斷后分別送給6個(gè)從單片機(jī)，從單片機(jī)通過固態(tài)繼電器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)防爆電磁閥，實(shí)現(xiàn)設(shè)備不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。部分;應(yīng)用隔爆技術(shù)設(shè)計(jì)控制箱，并將驅(qū)動(dòng)電路置于其內(nèi)。選用了基于隔爆技術(shù)的電機(jī)和電磁閥;選用基于本安兼隔爆技術(shù)的防爆電源盒，獲得穩(wěn)定的5V直流電源。為了防止安全場所的危險(xiǎn)電能串入本質(zhì)安全系統(tǒng)，在安全場所采用隔離變壓器和安全柵獲得穩(wěn)定可靠的電能供應(yīng)。

圖1 設(shè)備控制系統(tǒng)組成框圖

4 無線接收電路的本安設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用本安兼隔爆技術(shù)實(shí)現(xiàn)防爆。應(yīng)用本安防爆技術(shù)設(shè)計(jì)無線通信部分，主要指接收器模塊的弱電

無線接收部分主要包括單片機(jī)及其外圍電路、無線接收模塊等，電路圖如圖2所示。電路的設(shè)計(jì)除了完成相應(yīng)的電氣功能，保證電氣原理的正確性以外，還從以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮。

圖2 無線接收電路

(1)SA68D21DL無線數(shù)傳模塊可以應(yīng)用在石油化工場合，但其未經(jīng)過防爆認(rèn)證，因此采取用機(jī)玻璃罩將油氣隔離的方法實(shí)現(xiàn)其安全可靠的工作。

(2)AT89C51為CMOS型微控制器，可認(rèn)為其屬于電阻性電路，其電源電壓最大可能為5.2V，所有端口的總吸收電流不超過71mA，查 GB3836.4—2000(爆炸性氣體環(huán)境用電氣設(shè)備第四部分:本質(zhì)安全型“i”，下同)中最小點(diǎn)燃能力參考曲線圖(以下簡稱參考曲線圖)A.1電阻電路，可知能夠滿足本安電路要求。

(3)為防止電源的波動(dòng)對(duì)芯片的影響，在芯片電源與地之間使用了多個(gè)去耦電容。去耦電容兩端最大電壓為5.2V，查參考曲線圖A.3Ⅱ類電容電路，可知只要電容小于100μF即可，選取0.33μF云母電容。

(4)分壓電阻R1和R2為不出故障元件，嚴(yán)格按照GB3836.4－2000進(jìn)行可靠性篩選。分壓電阻R1和R2可通過最大電流為0.0052A，查參考曲線圖可以滿足要求。

(5)考慮到數(shù)傳模塊插口接線處、電源接線處等可能的斷路情況，采用環(huán)氧樹脂將接線處進(jìn)行膠封，膠封化合物內(nèi)導(dǎo)體之間的最小電氣間隙為0.50mm。

(6)嚴(yán)格按照GB3836.4－2000的要求進(jìn)行了印刷電路板的設(shè)計(jì)，確定電路最小爬電距離為0.50mm，電氣間隙為1.50mm，印刷線的最小寬度為0.30mm。

5 本安電路的分析評(píng)估

本質(zhì)安全型電氣設(shè)備能否在易燃易爆危險(xiǎn)場所中使用，必須要經(jīng)過檢驗(yàn)。一般來講，為了縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)成本，在送檢前都要進(jìn)行理論上的分析評(píng)估。下面以直流電源電路為例分析其能否達(dá)到本質(zhì)安全要求。電源電路見圖3。

(1)變壓器與二極管的選擇 BBK系列防爆變壓器為具有本安關(guān)聯(lián)設(shè)備防爆認(rèn)證的變壓器，可以作為系統(tǒng)的電源變壓器;選擇的二極管嚴(yán)格按照國標(biāo)3836的要求進(jìn)行了可靠性篩選。

圖3 直流電源電路

(2)濾波電容的本安性能不考慮電容損壞，電容器C1的最高工作電壓是9.9V，考慮電容器電容量誤差 ±10%，0.33μF 電容器應(yīng)為 0.36μF 計(jì)算，查參考曲線圖A.3Ⅱ類電容電路，得出最小點(diǎn)燃電壓為70V，再除以安全系數(shù)1.5，最大允許電壓為46.67V，遠(yuǎn)大于9.9V，確認(rèn)電容器在正常工作時(shí)是具有本安性能。對(duì)于電容器C2采用相同的方法，查參考曲線圖A.3Ⅱ類電容電路，得出最小點(diǎn)燃電壓為10V，再除以安全系數(shù)1.5，最大允許電壓為6.67V，小于其最高工作電壓9.6V，不能滿足本安設(shè)計(jì)的要求。解決方法是采用100μF的電容器，可滿足本安要求，同時(shí)采用多級(jí)電容濾波。

(3)三端集成穩(wěn)壓器W7805的本安性能 W7805內(nèi)部無儲(chǔ)能元件，可認(rèn)為其屬于電阻性電路，三端集成穩(wěn)壓器兩端最高電壓即電源電壓，該電壓滿足W7805輸入電壓范圍要求，考慮到反向擊穿電壓對(duì)W7805晶體管的破壞，在輸入端和輸出端并聯(lián)兩個(gè)二極管，也就是說即使電容器C1和C2處短路W7805仍屬于安全的。

(4)C3電容和放電電阻R的本安性能不考慮電容損壞，電容器的最高工作電壓是7.5V，考慮電容器電容量誤差 ±10%，1μF電容器應(yīng)為1.1μF計(jì)算，查參考曲線圖A.2Ⅱ類電容電路，電容器最小點(diǎn)燃電壓為400V，顯然電容器C3在正常工作時(shí)是具有本安性能。考慮放電阻最差的情況也即電容器C1和C2處短路時(shí)，兩端最大電壓為9.6V，查參考曲線圖A.1電阻電路得出最小點(diǎn)燃電流遠(yuǎn)大于0.0096A，因此放電電阻R是本質(zhì)安全的。

(5)過電壓保護(hù)電路的本安性能 W7805輸出端電壓過高時(shí)(主要指電容器C1和C2短路時(shí))，最大電壓為9.6V，R1和R2在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下均滿足本安要求。

經(jīng)分析最后得出結(jié)論，直流穩(wěn)壓電源電路經(jīng)修改后可以達(dá)到本安要求。

6 結(jié)束語

隨著成品油輸送管道數(shù)量的增多，管道安全問題逐漸暴露出來，有管道泄漏控制技術(shù)的研究也將不斷深入。以無線控制技術(shù)為核心的防爆機(jī)器人備可以代替人工作在危險(xiǎn)的油氣工作環(huán)境之中，實(shí)現(xiàn)管道泄漏的有效控制，提高管道輸送效率，具有非常好的應(yīng)用前景。

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