淺談AGV車輛的防爆設計

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(中海油天津化工研究設計院有限公司，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)作為動力源，由計算機控制，以實現(xiàn)位置移動為目的的無人駕駛的運輸工具，又稱為自動搬運車。AGV車輛是移動機器人的一個重要分支，它能夠在計算機的監(jiān)控下，根據(jù)的任務調(diào)度和路徑設定，精確行走到指定地點，完成一系列取貨、送貨等作業(yè)任務。相比傳統(tǒng)的人工搬運方式，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場所完成貨物的搬運，從而保障人的安全。AGV因其強大的自動化功能，已越來越多地受到石化倉儲、制造、物流、電子商務多個行業(yè)、領域的關注。隨之而來的，在石化危險場所使用的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車輛的防爆設計，符合相關標準的技術要求，是本文討論的重點。

2 AGV車輛組成

AGV車輛由車載控制器、驅(qū)動系統(tǒng)、導航傳感探測、電源、安全保護元件、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 AGV 的核心，它的主要功能是控制和管理AGV執(zhí)行搬運作業(yè)，車載控制的實現(xiàn)是通過硬件搭建和軟件設計來完成。目前車載控制器的類型有PLC、工業(yè)控制計算機、單片機。

2.2 驅(qū)動和移動部分

由伺服電機、減速機、車輪組成。驅(qū)動的方式有單驅(qū)動、雙驅(qū)動、差速驅(qū)動、四輪驅(qū)動。差速驅(qū)動方式是指兩個固定驅(qū)動輪，兩個自由從動輪，靠兩個驅(qū)動輪的速度差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。四輪驅(qū)動是指四個輪子分別由驅(qū)動電機獨立驅(qū)動，可實現(xiàn)橫向、縱向、斜行、360°回轉(zhuǎn)、扇形行駛。小負載AGV通常采用差速輪和麥克納姆輪，而中大負載AGV多采用麥克納姆輪和舵輪。

2.3 定位及導航系統(tǒng)

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

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，廠家可按充放電時長和實際工況來選擇電池類型。非接觸感應供電方式是由非機械接觸的方式進行電力和信號傳輸?shù)募夹g，由車載控制器通過耦合取電板從地下敷設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，實現(xiàn)非接觸感應供電。

2.5 安全系統(tǒng)

AGV 車設有急停按鈕或防碰開關等方式，可使AGV車實現(xiàn)緊急停車。

2.6 無線通訊系統(tǒng)

為完成指定任務，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，否則會被其他干擾源影響，引發(fā)AGV車輛的誤動作。

3 AGV車輛的防爆設計

AGV車輛屬于工業(yè)車輛，其防爆設計應按GB19854-2005《爆炸性環(huán)境用工業(yè)車輛防爆技術通則》標準的要求展開。該標準從電氣設備、動力裝置、電氣安裝、熱表面、機械火花、機械間隙、靜電等幾個方面對爆炸三要素中的點燃源進行控制及限制，從而達到防爆的目的。下面我們從車載控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、車體這幾大系統(tǒng)總成入手，對應標準的防爆要點分別進行介紹。

3.1 電氣設備

主要有車載控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、導航系統(tǒng)、安全系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)中包括控制箱、驅(qū)動電機、導航傳感器、保護類器件等電氣設備。這些設備均為AGV車輛上必不可少的，其防爆設計應優(yōu)先考慮。AGV上所用的電氣設備均應符合GB3836系列、GB12476系列標準的要求。

通常車載控制系統(tǒng)中的PLC控制模塊、觸摸屏操作模塊，可設計成隔爆、本安復合型，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)進行保護。

AGV車輛驅(qū)動系統(tǒng)中的伺服電機是AGV的核心部件，有直流驅(qū)動電機和交流驅(qū)動電機兩種驅(qū)動方式，直流電機溫度過高，且內(nèi)部有電刷，運行過程會出現(xiàn)打火現(xiàn)象，故通常設計成隔爆型結(jié)構(gòu)，交流電機效率高，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、爬電距離尺寸達到標準要求，帶電部件被具有IP54防護等級的外殼密封保護，內(nèi)部線圈溫度符合溫度組別，交流電機則可設計成無火花型防爆電機，可廣泛使用在氣體2區(qū)場所。

導航傳感器種類繁多，包括磁導航傳感器、激光導航傳感器、慣性導航、光學導航、GPS導航傳感器等，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、工作機理，可設計為本安、隔爆、澆封或三者復合型；爆炸性氣體環(huán)境2區(qū)使用的傳感器，可設計為無火花型。除此，根據(jù)GB3836.1-2010標準對于射頻源的要求，AGV電磁輻射的能量等級應滿足：射頻為(9kHz～60GHz)的連續(xù)發(fā)射和脈沖時/間超過熱起燃時間的脈沖發(fā)射的閾功率，不應超過表1的值。

表1 射頻閾功率

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

表2 射頻閾功率

AGV上激光導航、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)品本身及危險易爆環(huán)境的安全。光輻射應避免照射產(chǎn)品本身的敏感元件部位，如不能避免，應測量其照射溫升，保證產(chǎn)品可承受其輻射。在各類危險環(huán)境中激光或其他連續(xù)波源的光輻射輸出功率應不超過GB3836.1-2010輻射能量規(guī)定的數(shù)值。

保護類器件目前常見的主要有避障開關、防碰開關等，此類開關多設置在AGV車輛前端和尾部，當發(fā)生誤操作或故障情況時，切斷動力電路，防止與障礙物之間的碰撞危險。

3.2 動力裝置

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G赫茲，有其各自的優(yōu)點和弊端，如電磁感應更適合短距離充電，轉(zhuǎn)換效率高，但要求擺放位置固定才可充電，金屬感應接觸會發(fā)熱；磁共振式適合遠距離大功率充電，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)、充電機和蓄電池。GB19854-2005標準中規(guī)定，蓄電池的充電應在安全場所進行，所以車用蓄電池充電管理系統(tǒng)和充電機暫不需要考慮防爆設計。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、鎳鐵蓄電池標準未發(fā)布，本文暫不考慮這兩種電池的防爆處理。

可設計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措施控制產(chǎn)生過高溫度。蓄電池還應設置單體電池電壓監(jiān)控或等效保護，確保深度放電時切斷放電電路。當隔爆外殼內(nèi)有其他電源時，動力蓄電池應防止被其他電路充電。

可設計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，但箱體要設置足夠的通風孔，使放電時產(chǎn)生的氣體通過通風孔排出。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準要求。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，實現(xiàn)可靠、無火花連接。

可設計成澆封型的蓄電池，不應選用正常運行過程中釋放氣體的電化學系統(tǒng)，即排氣電池和閥控密封電池。澆封型的原理是用澆封復合物作為介質(zhì)，將電氣設備帶電部分與外界危險環(huán)境形成隔離狀態(tài)實現(xiàn)保護。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計成澆封結(jié)構(gòu)，但內(nèi)部極柱卻無法有效地實現(xiàn)澆封處理。充放電時，電池內(nèi)部壓力增大，排氣拴或排氣閥釋壓開啟，此時單體電池內(nèi)部極柱與外界危險環(huán)境相通，而內(nèi)部極柱沒有任何澆封保護結(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。由于澆封型保護為永久保護，不可逆，維護成本高，多為一次性處理，蓄電池的防爆設計較少使用這種型式。

此外，蓄電池還可根據(jù)GB19854附錄B的要求，設計成特殊復合型，對于蓄電池箱蓋，應設置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)應設有過載保護裝置，過載保護裝置設置的最大電流值不應大于系統(tǒng)電路、電纜所能承受的最大安全載荷電流值。當電氣回路的電流達到過載保護裝置設置的最大電流值時，允許車輛有控制地在路面上運行直到停止。

3.4 熱表面

AGV車輛的設計應保證正常使用時，防爆電機、防爆控制器外殼等設備的最高表面溫度不應超過AGV車輛所在區(qū)域危險環(huán)境的最低點燃溫度；或者在控制系統(tǒng)中增加溫度保護的配置，保證超過危險溫度時，可控制車輛有序的停止運行。對熱表面的溫度要求，不僅適用于AGV車輛上所有防爆電氣，同時機械設備外殼溫度也應滿足整車溫度組別的要求。

3.5 機械火花及機械間隙

考慮到車輛上旋轉(zhuǎn)部件之間、可預見故障時發(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按照防爆標準進行設計。

3.6 靜電

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

4 趨勢和應用

綜上所述，隨著國家工業(yè)化智能升級實施進程的不斷推進，在政策和市場的雙輪驅(qū)動下，AGV車輛智能控制已經(jīng)經(jīng)歷了多次產(chǎn)業(yè)升級，在不遠未來的防爆領域的應用中，鋰電池標準的出臺，傳感器功能的更新，無線充電技術的發(fā)展，都將會帶來新的技術變革。