浅谈AGV车辆的防爆设计

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(中海油天津化工研究设计院有限公司，天津 300131)

1 引言

AGV是Automated Guided Vehicle的简称，是采用充电电池或非接触供电系统作为动力源，由计算机控制，以实现位置移动为目的的无人驾驶的运输工具，又称为自动搬运车。AGV车辆是移动机器人的一个重要分支，它能够在计算机的监控下，根据的任务调度和路径设定，精确行走到指定地点，完成一系列取货、送货等作业任务。相比传统的人工搬运方式，AGV车辆可以充分解放了人工操作，一方面可节约人工成本，另一方面还可以在人工无法介入的危险场所完成货物的搬运，从而保障人的安全。AGV因其强大的自动化功能，已越来越多地受到石化仓储、制造、物流、电子商务多个行业、领域的关注。随之而来的，在石化危险场所使用的AGV车辆的防爆安全研究也尤为重要。

如何提升AGV车辆在石化等爆炸性环境使用的安全性，做好AGV车辆的防爆设计，符合相关标准的技术要求，是本文讨论的重点。

2 AGV车辆组成

AGV车辆由车载控制器、驱动系统、导航传感探测、电源、安全保护元件、车体等几大部分组成。

2.1 车载控制器

车载控制器是控制系统乃至整个 AGV 的核心，它的主要功能是控制和管理AGV执行搬运作业，车载控制的实现是通过硬件搭建和软件设计来完成。目前车载控制器的类型有PLC、工业控制计算机、单片机。

2.2 驱动和移动部分

由伺服电机、减速机、车轮组成。驱动的方式有单驱动、双驱动、差速驱动、四轮驱动。差速驱动方式是指两个固定驱动轮，两个自由从动轮，靠两个驱动轮的速度差来实现转弯。四轮驱动是指四个轮子分别由驱动电机独立驱动，可实现横向、纵向、斜行、360°回转、扇形行驶。小负载AGV通常采用差速轮和麦克纳姆轮，而中大负载AGV多采用麦克纳姆轮和舵轮。

2.3 定位及导航系统

功能元件即为各种导航传感器。AGV从发明至今，衍生出了多种导航方式，主要有电磁导航、磁带导航、激光导引、惯性导航、光学导航、GPS(全球定位系统)导航等。通过这些导航传感器与地面敷设路线或周围环境的感应、识别、跟踪产生信号，来实现AGV自身的定位，并按照提前设定的路径行走。

2.4 供电系统

可使用充电电池系统或非接触式供电系统。目前充电电池主要有铅酸蓄电池和镍镉蓄电池两大类，厂家可按充放电时长和实际工况来选择电池类型。非接触感应供电方式是由非机械接触的方式进行电力和信号传输的技术，由车载控制器通过耦合取电板从地下敷设的高频恒流线路上获取电能，经车载交直流转换后供给车载元件，实现非接触感应供电。

2.5 安全系统

AGV 车设有急停按钮或防碰开关等方式，可使AGV车实现紧急停车。

2.6 无线通讯系统

为完成指定任务，车载控制系统与AGV之间的数据交换要通过通讯系统来完成，通讯系统必须有较高的可靠性，否则会被其他干扰源影响，引发AGV车辆的误动作。

3 AGV车辆的防爆设计

AGV车辆属于工业车辆，其防爆设计应按GB19854-2005《爆炸性环境用工业车辆防爆技术通则》标准的要求展开。该标准从电气设备、动力装置、电气安装、热表面、机械火花、机械间隙、静电等几个方面对爆炸三要素中的点燃源进行控制及限制，从而达到防爆的目的。下面我们从车载控制系统、驱动系统、导航系统、供电系统、安全系统、车体这几大系统总成入手，对应标准的防爆要点分别进行介绍。

3.1 电气设备

主要有车载控制系统、驱动系统、导航系统、安全系统等，这些系统中包括控制箱、驱动电机、导航传感器、保护类器件等电气设备。这些设备均为AGV车辆上必不可少的，其防爆设计应优先考虑。AGV上所用的电气设备均应符合GB3836系列、GB12476系列标准的要求。

通常车载控制系统中的PLC控制模块、触摸屏操作模块，可设计成隔爆、本安复合型，将触摸屏或手操盒操作部件经本安限能处理后外置，PLC模块放置在隔爆外壳内进行保护。

AGV车辆驱动系统中的伺服电机是AGV的核心部件，有直流驱动电机和交流驱动电机两种驱动方式，直流电机温度过高，且内部有电刷，运行过程会出现打火现象，故通常设计成隔爆型结构，交流电机效率高，噪音小，密封好，无打火元件，若线圈绕组的绝缘性、接线端子电气间隙、爬电距离尺寸达到标准要求，带电部件被具有IP54防护等级的外壳密封保护，内部线圈温度符合温度组别，交流电机则可设计成无火花型防爆电机，可广泛使用在气体2区场所。

导航传感器种类繁多，包括磁导航传感器、激光导航传感器、惯性导航、光学导航、GPS导航传感器等，这些传感器多属于光辐射和电磁波射频源，辐射能量既需要满足产品使用要求，同时要保证爆炸性环境的安全。爆炸性气体环境1区使用的传感器可以根据传感器类别、工作机理，可设计为本安、隔爆、浇封或三者复合型；爆炸性气体环境2区使用的传感器，可设计为无火花型。除此，根据GB3836.1-2010标准对于射频源的要求，AGV电磁辐射的能量等级应满足：射频为(9kHz～60GHz)的连续发射和脉冲时/间超过热起燃时间的脉冲发射的阈功率，不应超过表1的值。

表1 射频阈功率

对于脉冲时间比热起燃时间段的脉冲雷达或其他发射形式，阈值能量不应超过表2的值。

表2 射频阈功率

AGV上激光导航、激光避障检测、红外通讯等传感器除需要满足电气防爆要求外，其自身光辐射能量还需满足产品本身及危险易爆环境的安全。光辐射应避免照射产品本身的敏感元件部位，如不能避免，应测量其照射温升，保证产品可承受其辐射。在各类危险环境中激光或其他连续波源的光辐射输出功率应不超过GB3836.1-2010辐射能量规定的数值。

保护类器件目前常见的主要有避障开关、防碰开关等，此类开关多设置在AGV车辆前端和尾部，当发生误操作或故障情况时，切断动力电路，防止与障碍物之间的碰撞危险。

3.2 动力装置

充电电池系统，有接触式充电和非接触式充电两种模式。非接触式充电方式很多，如电磁感应式、磁共振式、无线电波式、电场耦合式，它们的使用频率小到几千赫兹，大到几个G赫兹，有其各自的优点和弊端，如电磁感应更适合短距离充电，转换效率高，但要求摆放位置固定才可充电，金属感应接触会发热；磁共振式适合远距离大功率充电，但效率低，易产生安全问题；无线电波式仅适合小功率充电，传输功率小；电场耦合式适合短距离充电，发热较低，但体积大，功率小。目前接触式充电仍较为常用，充电系统包括电池充电管理系统、充电机和蓄电池。GB19854-2005标准中规定，蓄电池的充电应在安全场所进行，所以车用蓄电池充电管理系统和充电机暂不需要考虑防爆设计。但蓄电池放电的过程是在爆炸性环境中完成的，蓄电池的防爆处理避免不了。目前，爆炸性环境中允许使用的蓄电池有铅酸电池、镍镉蓄电池、镍铁蓄电池、锂电池、镍氢蓄电池五大类。由于锂电池、镍铁蓄电池标准未发布，本文暂不考虑这两种电池的防爆处理。

可设计成隔爆型的蓄电池有镍镉蓄电池、锂电池、镍氢蓄电池，使用在1区气体环境，隔爆型蓄电池应考虑短路放电条件下，电池外表面温度不宜过高，或者增加限流电阻或熔断器等安全保护措施控制产生过高温度。蓄电池还应设置单体电池电压监控或等效保护，确保深度放电时切断放电电路。当隔爆外壳内有其他电源时，动力蓄电池应防止被其他电路充电。

可设计成增安型的蓄电池有铅酸型、镍铁型、镍镉型，使用在2区气体环境，与隔爆型不同，增安型蓄电池允许在箱体内置排气式、开启式蓄电池，但箱体要设置足够的通风孔，使放电时产生的气体通过通风孔排出。相邻电池之间、电池极柱与箱体之间爬电距离要满足增安型标准要求。相邻单体电池之间连接件不能使用硬质铅连接条，应使用柔性电缆，电缆两端与极柱之间可采用熔焊、钎焊方式连接，或用电缆末端连接环嵌压至极柱外铜套上，亦可将电缆的末端嵌入铜质终端，与极柱铜质接头用螺纹紧固方式连接，实现可靠、无火花连接。

可设计成浇封型的蓄电池，不应选用正常运行过程中释放气体的电化学系统，即排气电池和阀控密封电池。浇封型的原理是用浇封复合物作为介质，将电气设备带电部分与外界危险环境形成隔离状态实现保护。蓄电池的带电极柱，贯穿于单体电池外壳的内部和外部，外部裸露极柱部分可设计成浇封结构，但内部极柱却无法有效地实现浇封处理。充放电时，电池内部压力增大，排气拴或排气阀释压开启，此时单体电池内部极柱与外界危险环境相通，而内部极柱没有任何浇封保护结构，故铅酸蓄电池等排气和阀控电池不适用于浇封型保护。由于浇封型保护为永久保护，不可逆，维护成本高，多为一次性处理，蓄电池的防爆设计较少使用这种型式。

此外，蓄电池还可根据GB19854附录B的要求，设计成特殊复合型，对于蓄电池箱盖，应设置5°倾角，便于气体排出，单体电池连接方式采用双极连接，即双正极和双负极，保证有效连接。

3.3 电气安装

目前，AGV车辆的供电多为电池供电，即IT供电方式，车辆上带电部件与车体之间应足够绝缘，可安装绝缘监控装置，以监视漏电情况；也可以定期人为检查带电部件与车体的绝缘情况。电气系统应设有过载保护装置，过载保护装置设置的最大电流值不应大于系统电路、电缆所能承受的最大安全载荷电流值。当电气回路的电流达到过载保护装置设置的最大电流值时，允许车辆有控制地在路面上运行直到停止。

3.4 热表面

AGV车辆的设计应保证正常使用时，防爆电机、防爆控制器外壳等设备的最高表面温度不应超过AGV车辆所在区域危险环境的最低点燃温度；或者在控制系统中增加温度保护的配置，保证超过危险温度时，可控制车辆有序的停止运行。对热表面的温度要求，不仅适用于AGV车辆上所有防爆电气，同时机械设备外壳温度也应满足整车温度组别的要求。

3.5 机械火花及机械间隙

考虑到车辆上旋转部件之间、可预见故障时发生摩擦或碰撞的部件之间的干涉，部件的材质和旋转部件之间的间隙都应按照防爆标准进行设计。

3.6 静电

车辆上所有大于100cm2的金属部件都应直接或者通过单独的导线连接至车架上，保持良好的电位平衡。1区AVG车辆，通常若时速小于6km/h，则无需限制车轮材质，同时车辆上若使用塑料材料，则应该尽量选择导电材料，或者通过降低可起电面积、在非导电材料可能放电的表面下设置导电层或导电网的方式，降低塑料材料产生静电的可能性。

4 趋势和应用

综上所述，随着国家工业化智能升级实施进程的不断推进，在政策和市场的双轮驱动下，AGV车辆智能控制已经经历了多次产业升级，在不远未来的防爆领域的应用中，锂电池标准的出台，传感器功能的更新，无线充电技术的发展，都将会带来新的技术变革。