本安技术在无线控制系统设计中的应用

赵云伟，何柏娜，李文森

(1.山东工业职业学院电气工程系，山东 淄博 256414;2.山东理工大学电气与电子工程学院，山东 淄博 255049)

1 引言

成品油输送管道发生泄漏后，管道内的油液沿泄漏口高速喷射出，遇火化可能发生爆炸，抢修人员不能接近，并且由于大量油液的雾化，容易造成次生灾难。解决上述问题一个切实可行的办法就是研制开发基于无线遥控技术的机器人，它能够实现在人的远程控制下，自动行驶到泄漏处，实现漏油的简单回收和油液雾化控制。

防爆问题是设备研制的一个关键问题。本质安全防爆主要是从设备自身的安全特性给以充分的考虑，相比其他的防爆类型具有安全等级高、体积小、造价低等优点，被广泛应用于石油、化工等危险场所的自动控制、测量、报警等系统。

2 本安防爆的原理

本安防爆技术是利用系统或电路的电气参数达到防爆要求的，是从电路设计的初始就对电路在短路、开路或断路以及误操作等各种状态下可能发生的电火花予以限制，使火花能量处在爆炸性混合物或易燃易爆气体的最小点燃能量之下，使之成为安全火花，从爆炸发生的根本原因上解决防爆。本质安全电路主要从以下两个方面保证本质安全的。第一，限制电路的能量;第二，控制电流产生的热效应。

3 系统的组成及工作原理

机器人的控制系统主要是由发射器、接收器、电源等组成。控制系统的组成框图如图1。发射器的核心为一个8位微控制器，主要任务是将操作人员的按键信号指令读入，经编码程序处理，然后经串行口送往数传模块以无线电波的形式发射出去。该模块主要包括键盘接口电路、核心控制器电路、无线数传模块等。

接收器是维抢机器人的核心部分，指挥执行机构完成各项动作。接收机主要由微控制器、无线数传模块等组成。接收器采用两级单片机控制。主单片机的主要任务是通过数传模块，把发射端发射的控制信息接收下来，并送到微控制器的串行口。微控制器对其进行解码，并经智能分析判断后分别送给6个从单片机，从单片机通过固态继电器驱动相应防爆电磁阀，实现设备不同的运动状态。部分;应用隔爆技术设计控制箱，并将驱动电路置于其内。选用了基于隔爆技术的电机和电磁阀;选用基于本安兼隔爆技术的防爆电源盒，获得稳定的5V直流电源。为了防止安全场所的危险电能串入本质安全系统，在安全场所采用隔离变压器和安全栅获得稳定可靠的电能供应。

图1 设备控制系统组成框图

4 无线接收电路的本安设计

系统采用本安兼隔爆技术实现防爆。应用本安防爆技术设计无线通信部分，主要指接收器模块的弱电

无线接收部分主要包括单片机及其外围电路、无线接收模块等，电路图如图2所示。电路的设计除了完成相应的电气功能，保证电气原理的正确性以外，还从以下几个方面进行考虑。

图2 无线接收电路

(1)SA68D21DL无线数传模块可以应用在石油化工场合，但其未经过防爆认证，因此采取用机玻璃罩将油气隔离的方法实现其安全可靠的工作。

(2)AT89C51为CMOS型微控制器，可认为其属于电阻性电路，其电源电压最大可能为5.2V，所有端口的总吸收电流不超过71mA，查 GB3836.4—2000(爆炸性气体环境用电气设备第四部分:本质安全型“i”，下同)中最小点燃能力参考曲线图(以下简称参考曲线图)A.1电阻电路，可知能够满足本安电路要求。

(3)为防止电源的波动对芯片的影响，在芯片电源与地之间使用了多个去耦电容。去耦电容两端最大电压为5.2V，查参考曲线图A.3Ⅱ类电容电路，可知只要电容小于100μF即可，选取0.33μF云母电容。

(4)分压电阻R1和R2为不出故障元件，严格按照GB3836.4－2000进行可靠性筛选。分压电阻R1和R2可通过最大电流为0.0052A，查参考曲线图可以满足要求。

(5)考虑到数传模块插口接线处、电源接线处等可能的断路情况，采用环氧树脂将接线处进行胶封，胶封化合物内导体之间的最小电气间隙为0.50mm。

(6)严格按照GB3836.4－2000的要求进行了印刷电路板的设计，确定电路最小爬电距离为0.50mm，电气间隙为1.50mm，印刷线的最小宽度为0.30mm。

5 本安电路的分析评估

本质安全型电气设备能否在易燃易爆危险场所中使用，必须要经过检验。一般来讲，为了缩短产品设计周期，减少设计成本，在送检前都要进行理论上的分析评估。下面以直流电源电路为例分析其能否达到本质安全要求。电源电路见图3。

(1)变压器与二极管的选择 BBK系列防爆变压器为具有本安关联设备防爆认证的变压器，可以作为系统的电源变压器;选择的二极管严格按照国标3836的要求进行了可靠性筛选。

图3 直流电源电路

(2)滤波电容的本安性能不考虑电容损坏，电容器C1的最高工作电压是9.9V，考虑电容器电容量误差 ±10%，0.33μF 电容器应为 0.36μF 计算，查参考曲线图A.3Ⅱ类电容电路，得出最小点燃电压为70V，再除以安全系数1.5，最大允许电压为46.67V，远大于9.9V，确认电容器在正常工作时是具有本安性能。对于电容器C2采用相同的方法，查参考曲线图A.3Ⅱ类电容电路，得出最小点燃电压为10V，再除以安全系数1.5，最大允许电压为6.67V，小于其最高工作电压9.6V，不能满足本安设计的要求。解决方法是采用100μF的电容器，可满足本安要求，同时采用多级电容滤波。

(3)三端集成稳压器W7805的本安性能 W7805内部无储能元件，可认为其属于电阻性电路，三端集成稳压器两端最高电压即电源电压，该电压满足W7805输入电压范围要求，考虑到反向击穿电压对W7805晶体管的破坏，在输入端和输出端并联两个二极管，也就是说即使电容器C1和C2处短路W7805仍属于安全的。

(4)C3电容和放电电阻R的本安性能不考虑电容损坏，电容器的最高工作电压是7.5V，考虑电容器电容量误差 ±10%，1μF电容器应为1.1μF计算，查参考曲线图A.2Ⅱ类电容电路，电容器最小点燃电压为400V，显然电容器C3在正常工作时是具有本安性能。考虑放电阻最差的情况也即电容器C1和C2处短路时，两端最大电压为9.6V，查参考曲线图A.1电阻电路得出最小点燃电流远大于0.0096A，因此放电电阻R是本质安全的。

(5)过电压保护电路的本安性能 W7805输出端电压过高时(主要指电容器C1和C2短路时)，最大电压为9.6V，R1和R2在正常状态和故障状态下均满足本安要求。

经分析最后得出结论，直流稳压电源电路经修改后可以达到本安要求。

6 结束语

随着成品油输送管道数量的增多，管道安全问题逐渐暴露出来，有管道泄漏控制技术的研究也将不断深入。以无线控制技术为核心的防爆机器人备可以代替人工作在危险的油气工作环境之中，实现管道泄漏的有效控制，提高管道输送效率，具有非常好的应用前景。

[1]陈楠，徐晓楠.石油消防安全监测技术[M].化学工业出版社，2004.

[2]贺季堂.爆炸危险场所区域的划分及防爆电气设备的选用[J].电气防爆，2000，(3).

[3]孟庆海，牟龙华.电路本质安全性能计算机分析方法[J].西安科技大学学报，2004，24(3).

[4]GB 3836.4－2000.爆炸性气体环境用电气设备(第4部分)：本质安全型“i”[S].

[5]单成伟，赵聪慧，等.煤矿井下隔爆兼本质安全型计算机的设计[J].工矿自动化，2010，(11).

[6]商立群.本安电路及其研究[J].仪器仪表学报，2002，23(6).

[7]赵宇航.本质安全型一氧化碳检测仪表的设计和计算[J].仪表技术，2010，(8).

[8]赵云伟，单根立，等.隔爆兼本安型无线控制系统的设计[J].电气开关，2006，(6).