趙云偉，何柏娜，李文森

(1.山東工業(yè)職業(yè)學院電氣工程系，山東 淄博 256414;2.山東理工大學電氣與電子工程學院，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，容易造成次生災難。解決上述問題一個切實可行的辦法就是研制開發(fā)基于無線遙控技術的機器人，它能夠實現(xiàn)在人的遠程控制下，自動行駛到泄漏處，實現(xiàn)漏油的簡單回收和油液霧化控制。

防爆問題是設備研制的一個關鍵問題。本質安全防爆主要是從設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高、體積小、造價低等優(yōu)點，被廣泛應用于石油、化工等危險場所的自動控制、測量、報警等系統(tǒng)。

2 本安防爆的原理

本安防爆技術是利用系統(tǒng)或電路的電氣參數(shù)達到防爆要求的，是從電路設計的初始就對電路在短路、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。本質安全電路主要從以下兩個方面保證本質安全的。第一，限制電路的能量;第二，控制電流產生的熱效應。

3 系統(tǒng)的組成及工作原理

機器人的控制系統(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8位微控制器，主要任務是將操作人員的按鍵信號指令讀入，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。

接收器是維搶機器人的核心部分，指揮執(zhí)行機構完成各項動作。接收機主要由微控制器、無線數(shù)傳模塊等組成。接收器采用兩級單片機控制。主單片機的主要任務是通過數(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。微控制器對其進行解碼，并經(jīng)智能分析判斷后分別送給6個從單片機，從單片機通過固態(tài)繼電器驅動相應防爆電磁閥，實現(xiàn)設備不同的運動狀態(tài)。部分;應用隔爆技術設計控制箱，并將驅動電路置于其內。選用了基于隔爆技術的電機和電磁閥;選用基于本安兼隔爆技術的防爆電源盒，獲得穩(wěn)定的5V直流電源。為了防止安全場所的危險電能串入本質安全系統(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。

圖1 設備控制系統(tǒng)組成框圖

4 無線接收電路的本安設計

系統(tǒng)采用本安兼隔爆技術實現(xiàn)防爆。應用本安防爆技術設計無線通信部分，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。電路的設計除了完成相應的電氣功能，保證電氣原理的正確性以外，還從以下幾個方面進行考慮。

圖2 無線接收電路

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

(2)AT89C51為CMOS型微控制器，可認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)境用電氣設備第四部分:本質安全型“i”，下同)中最小點燃能力參考曲線圖(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)為防止電源的波動對芯片的影響，在芯片電源與地之間使用了多個去耦電容。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，嚴格按照GB3836.4－2000進行可靠性篩選。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)氧樹脂將接線處進行膠封，膠封化合物內導體之間的最小電氣間隙為0.50mm。

(6)嚴格按照GB3836.4－2000的要求進行了印刷電路板的設計，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 本安電路的分析評估

本質安全型電氣設備能否在易燃易爆危險場所中使用，必須要經(jīng)過檢驗。一般來講，為了縮短產品設計周期，減少設計成本，在送檢前都要進行理論上的分析評估。下面以直流電源電路為例分析其能否達到本質安全要求。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聯(lián)設備防爆認證的變壓器，可以作為系統(tǒng)的電源變壓器;選擇的二極管嚴格按照國標3836的要求進行了可靠性篩選。

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 電容器應為 0.36μF 計算，查參考曲線圖A.3Ⅱ類電容電路，得出最小點燃電壓為70V，再除以安全系數(shù)1.5，最大允許電壓為46.67V，遠大于9.9V，確認電容器在正常工作時是具有本安性能。對于電容器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，不能滿足本安設計的要求。解決方法是采用100μF的電容器，可滿足本安要求，同時采用多級電容濾波。

(3)三端集成穩(wěn)壓器W7805的本安性能 W7805內部無儲能元件，可認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W7805晶體管的破壞，在輸入端和輸出端并聯(lián)兩個二極管，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電容器應為1.1μF計算，查參考曲線圖A.2Ⅱ類電容電路，電容器最小點燃電壓為400V，顯然電容器C3在正常工作時是具有本安性能?？紤]放電阻最差的情況也即電容器C1和C2處短路時，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燃電流遠大于0.0096A，因此放電電阻R是本質安全的。

(5)過電壓保護電路的本安性能 W7805輸出端電壓過高時(主要指電容器C1和C2短路時)，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)分析最后得出結論，直流穩(wěn)壓電源電路經(jīng)修改后可以達到本安要求。

6 結束語

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的研究也將不斷深入。以無線控制技術為核心的防爆機器人備可以代替人工作在危險的油氣工作環(huán)境之中，實現(xiàn)管道泄漏的有效控制，提高管道輸送效率，具有非常好的應用前景。

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