淺談AGV車輛的防爆設(shè)計(jì)

，

(中海油天津化工研究設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300131)

1 引言

AGV是Automated Guided Vehicle的簡稱，是采用充電電池或非接觸供電系統(tǒng)作為動(dòng)力源，由計(jì)算機(jī)控制，以實(shí)現(xiàn)位置移動(dòng)為目的的無人駕駛的運(yùn)輸工具，又稱為自動(dòng)搬運(yùn)車。AGV車輛是移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要分支，它能夠在計(jì)算機(jī)的監(jiān)控下，根據(jù)的任務(wù)調(diào)度和路徑設(shè)定，精確行走到指定地點(diǎn)，完成一系列取貨、送貨等作業(yè)任務(wù)。相比傳統(tǒng)的人工搬運(yùn)方式，AGV車輛可以充分解放了人工操作，一方面可節(jié)約人工成本，另一方面還可以在人工無法介入的危險(xiǎn)場所完成貨物的搬運(yùn)，從而保障人的安全。AGV因其強(qiáng)大的自動(dòng)化功能，已越來越多地受到石化倉儲(chǔ)、制造、物流、電子商務(wù)多個(gè)行業(yè)、領(lǐng)域的關(guān)注。隨之而來的，在石化危險(xiǎn)場所使用的AGV車輛的防爆安全研究也尤為重要。

如何提升AGV車輛在石化等爆炸性環(huán)境使用的安全性，做好AGV車輛的防爆設(shè)計(jì)，符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求，是本文討論的重點(diǎn)。

2 AGV車輛組成

AGV車輛由車載控制器、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)航傳感探測、電源、安全保護(hù)元件、車體等幾大部分組成。

2.1 車載控制器

車載控制器是控制系統(tǒng)乃至整個(gè) AGV 的核心，它的主要功能是控制和管理AGV執(zhí)行搬運(yùn)作業(yè)，車載控制的實(shí)現(xiàn)是通過硬件搭建和軟件設(shè)計(jì)來完成。目前車載控制器的類型有PLC、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、單片機(jī)。

2.2 驅(qū)動(dòng)和移動(dòng)部分

由伺服電機(jī)、減速機(jī)、車輪組成。驅(qū)動(dòng)的方式有單驅(qū)動(dòng)、雙驅(qū)動(dòng)、差速驅(qū)動(dòng)、四輪驅(qū)動(dòng)。差速驅(qū)動(dòng)方式是指兩個(gè)固定驅(qū)動(dòng)輪，兩個(gè)自由從動(dòng)輪，靠兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的速度差來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。四輪驅(qū)動(dòng)是指四個(gè)輪子分別由驅(qū)動(dòng)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)橫向、縱向、斜行、360°回轉(zhuǎn)、扇形行駛。小負(fù)載AGV通常采用差速輪和麥克納姆輪，而中大負(fù)載AGV多采用麥克納姆輪和舵輪。

2.3 定位及導(dǎo)航系統(tǒng)

功能元件即為各種導(dǎo)航傳感器。AGV從發(fā)明至今，衍生出了多種導(dǎo)航方式，主要有電磁導(dǎo)航、磁帶導(dǎo)航、激光導(dǎo)引、慣性導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航、GPS(全球定位系統(tǒng))導(dǎo)航等。通過這些導(dǎo)航傳感器與地面敷設(shè)路線或周圍環(huán)境的感應(yīng)、識(shí)別、跟蹤產(chǎn)生信號，來實(shí)現(xiàn)AGV自身的定位，并按照提前設(shè)定的路徑行走。

2.4 供電系統(tǒng)

可使用充電電池系統(tǒng)或非接觸式供電系統(tǒng)。目前充電電池主要有鉛酸蓄電池和鎳鎘蓄電池兩大類，廠家可按充放電時(shí)長和實(shí)際工況來選擇電池類型。非接觸感應(yīng)供電方式是由非機(jī)械接觸的方式進(jìn)行電力和信號傳輸?shù)募夹g(shù)，由車載控制器通過耦合取電板從地下敷設(shè)的高頻恒流線路上獲取電能，經(jīng)車載交直流轉(zhuǎn)換后供給車載元件，實(shí)現(xiàn)非接觸感應(yīng)供電。

2.5 安全系統(tǒng)

AGV 車設(shè)有急停按鈕或防碰開關(guān)等方式，可使AGV車實(shí)現(xiàn)緊急停車。

2.6 無線通訊系統(tǒng)

為完成指定任務(wù)，車載控制系統(tǒng)與AGV之間的數(shù)據(jù)交換要通過通訊系統(tǒng)來完成，通訊系統(tǒng)必須有較高的可靠性，否則會(huì)被其他干擾源影響，引發(fā)AGV車輛的誤動(dòng)作。

3 AGV車輛的防爆設(shè)計(jì)

AGV車輛屬于工業(yè)車輛，其防爆設(shè)計(jì)應(yīng)按GB19854-2005《爆炸性環(huán)境用工業(yè)車輛防爆技術(shù)通則》標(biāo)準(zhǔn)的要求展開。該標(biāo)準(zhǔn)從電氣設(shè)備、動(dòng)力裝置、電氣安裝、熱表面、機(jī)械火花、機(jī)械間隙、靜電等幾個(gè)方面對爆炸三要素中的點(diǎn)燃源進(jìn)行控制及限制，從而達(dá)到防爆的目的。下面我們從車載控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、車體這幾大系統(tǒng)總成入手，對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的防爆要點(diǎn)分別進(jìn)行介紹。

3.1 電氣設(shè)備

主要有車載控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、導(dǎo)航系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)中包括控制箱、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、導(dǎo)航傳感器、保護(hù)類器件等電氣設(shè)備。這些設(shè)備均為AGV車輛上必不可少的，其防爆設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先考慮。AGV上所用的電氣設(shè)備均應(yīng)符合GB3836系列、GB12476系列標(biāo)準(zhǔn)的要求。

通常車載控制系統(tǒng)中的PLC控制模塊、觸摸屏操作模塊，可設(shè)計(jì)成隔爆、本安復(fù)合型，將觸摸屏或手操盒操作部件經(jīng)本安限能處理后外置，PLC模塊放置在隔爆外殼內(nèi)進(jìn)行保護(hù)。

AGV車輛驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的伺服電機(jī)是AGV的核心部件，有直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和交流驅(qū)動(dòng)電機(jī)兩種驅(qū)動(dòng)方式，直流電機(jī)溫度過高，且內(nèi)部有電刷，運(yùn)行過程會(huì)出現(xiàn)打火現(xiàn)象，故通常設(shè)計(jì)成隔爆型結(jié)構(gòu)，交流電機(jī)效率高，噪音小，密封好，無打火元件，若線圈繞組的絕緣性、接線端子電氣間隙、爬電距離尺寸達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，帶電部件被具有IP54防護(hù)等級的外殼密封保護(hù)，內(nèi)部線圈溫度符合溫度組別，交流電機(jī)則可設(shè)計(jì)成無火花型防爆電機(jī)，可廣泛使用在氣體2區(qū)場所。

導(dǎo)航傳感器種類繁多，包括磁導(dǎo)航傳感器、激光導(dǎo)航傳感器、慣性導(dǎo)航、光學(xué)導(dǎo)航、GPS導(dǎo)航傳感器等，這些傳感器多屬于光輻射和電磁波射頻源，輻射能量既需要滿足產(chǎn)品使用要求，同時(shí)要保證爆炸性環(huán)境的安全。爆炸性氣體環(huán)境1區(qū)使用的傳感器可以根據(jù)傳感器類別、工作機(jī)理，可設(shè)計(jì)為本安、隔爆、澆封或三者復(fù)合型；爆炸性氣體環(huán)境2區(qū)使用的傳感器，可設(shè)計(jì)為無火花型。除此，根據(jù)GB3836.1-2010標(biāo)準(zhǔn)對于射頻源的要求，AGV電磁輻射的能量等級應(yīng)滿足：射頻為(9kHz～60GHz)的連續(xù)發(fā)射和脈沖時(shí)/間超過熱起燃時(shí)間的脈沖發(fā)射的閾功率，不應(yīng)超過表1的值。

表1 射頻閾功率

對于脈沖時(shí)間比熱起燃時(shí)間段的脈沖雷達(dá)或其他發(fā)射形式，閾值能量不應(yīng)超過表2的值。

表2 射頻閾功率

AGV上激光導(dǎo)航、激光避障檢測、紅外通訊等傳感器除需要滿足電氣防爆要求外，其自身光輻射能量還需滿足產(chǎn)品本身及危險(xiǎn)易爆環(huán)境的安全。光輻射應(yīng)避免照射產(chǎn)品本身的敏感元件部位，如不能避免，應(yīng)測量其照射溫升，保證產(chǎn)品可承受其輻射。在各類危險(xiǎn)環(huán)境中激光或其他連續(xù)波源的光輻射輸出功率應(yīng)不超過GB3836.1-2010輻射能量規(guī)定的數(shù)值。

保護(hù)類器件目前常見的主要有避障開關(guān)、防碰開關(guān)等，此類開關(guān)多設(shè)置在AGV車輛前端和尾部，當(dāng)發(fā)生誤操作或故障情況時(shí)，切斷動(dòng)力電路，防止與障礙物之間的碰撞危險(xiǎn)。

3.2 動(dòng)力裝置

充電電池系統(tǒng)，有接觸式充電和非接觸式充電兩種模式。非接觸式充電方式很多，如電磁感應(yīng)式、磁共振式、無線電波式、電場耦合式，它們的使用頻率小到幾千赫茲，大到幾個(gè)G赫茲，有其各自的優(yōu)點(diǎn)和弊端，如電磁感應(yīng)更適合短距離充電，轉(zhuǎn)換效率高，但要求擺放位置固定才可充電，金屬感應(yīng)接觸會(huì)發(fā)熱；磁共振式適合遠(yuǎn)距離大功率充電，但效率低，易產(chǎn)生安全問題；無線電波式僅適合小功率充電，傳輸功率小；電場耦合式適合短距離充電，發(fā)熱較低，但體積大，功率小。目前接觸式充電仍較為常用，充電系統(tǒng)包括電池充電管理系統(tǒng)、充電機(jī)和蓄電池。GB19854-2005標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，蓄電池的充電應(yīng)在安全場所進(jìn)行，所以車用蓄電池充電管理系統(tǒng)和充電機(jī)暫不需要考慮防爆設(shè)計(jì)。但蓄電池放電的過程是在爆炸性環(huán)境中完成的，蓄電池的防爆處理避免不了。目前，爆炸性環(huán)境中允許使用的蓄電池有鉛酸電池、鎳鎘蓄電池、鎳鐵蓄電池、鋰電池、鎳氫蓄電池五大類。由于鋰電池、鎳鐵蓄電池標(biāo)準(zhǔn)未發(fā)布，本文暫不考慮這兩種電池的防爆處理。

可設(shè)計(jì)成隔爆型的蓄電池有鎳鎘蓄電池、鋰電池、鎳氫蓄電池，使用在1區(qū)氣體環(huán)境，隔爆型蓄電池應(yīng)考慮短路放電條件下，電池外表面溫度不宜過高，或者增加限流電阻或熔斷器等安全保護(hù)措施控制產(chǎn)生過高溫度。蓄電池還應(yīng)設(shè)置單體電池電壓監(jiān)控或等效保護(hù)，確保深度放電時(shí)切斷放電電路。當(dāng)隔爆外殼內(nèi)有其他電源時(shí)，動(dòng)力蓄電池應(yīng)防止被其他電路充電。

可設(shè)計(jì)成增安型的蓄電池有鉛酸型、鎳鐵型、鎳鎘型，使用在2區(qū)氣體環(huán)境，與隔爆型不同，增安型蓄電池允許在箱體內(nèi)置排氣式、開啟式蓄電池，但箱體要設(shè)置足夠的通風(fēng)孔，使放電時(shí)產(chǎn)生的氣體通過通風(fēng)孔排出。相鄰電池之間、電池極柱與箱體之間爬電距離要滿足增安型標(biāo)準(zhǔn)要求。相鄰單體電池之間連接件不能使用硬質(zhì)鉛連接條，應(yīng)使用柔性電纜，電纜兩端與極柱之間可采用熔焊、釬焊方式連接，或用電纜末端連接環(huán)嵌壓至極柱外銅套上，亦可將電纜的末端嵌入銅質(zhì)終端，與極柱銅質(zhì)接頭用螺紋緊固方式連接，實(shí)現(xiàn)可靠、無火花連接。

可設(shè)計(jì)成澆封型的蓄電池，不應(yīng)選用正常運(yùn)行過程中釋放氣體的電化學(xué)系統(tǒng)，即排氣電池和閥控密封電池。澆封型的原理是用澆封復(fù)合物作為介質(zhì)，將電氣設(shè)備帶電部分與外界危險(xiǎn)環(huán)境形成隔離狀態(tài)實(shí)現(xiàn)保護(hù)。蓄電池的帶電極柱，貫穿于單體電池外殼的內(nèi)部和外部，外部裸露極柱部分可設(shè)計(jì)成澆封結(jié)構(gòu)，但內(nèi)部極柱卻無法有效地實(shí)現(xiàn)澆封處理。充放電時(shí)，電池內(nèi)部壓力增大，排氣拴或排氣閥釋壓開啟，此時(shí)單體電池內(nèi)部極柱與外界危險(xiǎn)環(huán)境相通，而內(nèi)部極柱沒有任何澆封保護(hù)結(jié)構(gòu)，故鉛酸蓄電池等排氣和閥控電池不適用于澆封型保護(hù)。由于澆封型保護(hù)為永久保護(hù)，不可逆，維護(hù)成本高，多為一次性處理，蓄電池的防爆設(shè)計(jì)較少使用這種型式。

此外，蓄電池還可根據(jù)GB19854附錄B的要求，設(shè)計(jì)成特殊復(fù)合型，對于蓄電池箱蓋，應(yīng)設(shè)置5°傾角，便于氣體排出，單體電池連接方式采用雙極連接，即雙正極和雙負(fù)極，保證有效連接。

3.3 電氣安裝

目前，AGV車輛的供電多為電池供電，即IT供電方式，車輛上帶電部件與車體之間應(yīng)足夠絕緣，可安裝絕緣監(jiān)控裝置，以監(jiān)視漏電情況；也可以定期人為檢查帶電部件與車體的絕緣情況。電氣系統(tǒng)應(yīng)設(shè)有過載保護(hù)裝置，過載保護(hù)裝置設(shè)置的最大電流值不應(yīng)大于系統(tǒng)電路、電纜所能承受的最大安全載荷電流值。當(dāng)電氣回路的電流達(dá)到過載保護(hù)裝置設(shè)置的最大電流值時(shí)，允許車輛有控制地在路面上運(yùn)行直到停止。

3.4 熱表面

AGV車輛的設(shè)計(jì)應(yīng)保證正常使用時(shí)，防爆電機(jī)、防爆控制器外殼等設(shè)備的最高表面溫度不應(yīng)超過AGV車輛所在區(qū)域危險(xiǎn)環(huán)境的最低點(diǎn)燃溫度；或者在控制系統(tǒng)中增加溫度保護(hù)的配置，保證超過危險(xiǎn)溫度時(shí)，可控制車輛有序的停止運(yùn)行。對熱表面的溫度要求，不僅適用于AGV車輛上所有防爆電氣，同時(shí)機(jī)械設(shè)備外殼溫度也應(yīng)滿足整車溫度組別的要求。

3.5 機(jī)械火花及機(jī)械間隙

考慮到車輛上旋轉(zhuǎn)部件之間、可預(yù)見故障時(shí)發(fā)生摩擦或碰撞的部件之間的干涉，部件的材質(zhì)和旋轉(zhuǎn)部件之間的間隙都應(yīng)按照防爆標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.6 靜電

車輛上所有大于100cm2的金屬部件都應(yīng)直接或者通過單獨(dú)的導(dǎo)線連接至車架上，保持良好的電位平衡。1區(qū)AVG車輛，通常若時(shí)速小于6km/h，則無需限制車輪材質(zhì)，同時(shí)車輛上若使用塑料材料，則應(yīng)該盡量選擇導(dǎo)電材料，或者通過降低可起電面積、在非導(dǎo)電材料可能放電的表面下設(shè)置導(dǎo)電層或?qū)щ娋W(wǎng)的方式，降低塑料材料產(chǎn)生靜電的可能性。

4 趨勢和應(yīng)用

綜上所述，隨著國家工業(yè)化智能升級實(shí)施進(jìn)程的不斷推進(jìn)，在政策和市場的雙輪驅(qū)動(dòng)下，AGV車輛智能控制已經(jīng)經(jīng)歷了多次產(chǎn)業(yè)升級，在不遠(yuǎn)未來的防爆領(lǐng)域的應(yīng)用中，鋰電池標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)，傳感器功能的更新，無線充電技術(shù)的發(fā)展，都將會(huì)帶來新的技術(shù)變革。