正压型防爆机器人的设计及应用

2018-12-05

防爆电机 2018年6期

(华荣科技股份有限公司，上海201808)

0 引言

工业机器人的应用是一个国家工业自动化水平的重要标志。随着现代科技的迅速发展，工业机器人已经广泛应用于各个领域，而在可燃性粉尘环境中，由于可燃性粉尘是易燃易爆物质，遇到火花或达到一定的温度，可能发生爆炸，造成严重后果，因此通用型机器人需要进行防爆处理才能在可燃性粉尘环境中应用。防爆机器人的应用，不仅可提高产品的质量与产量，而且对保障人身安全、改善劳动环境、减轻劳动强度、提高劳动效率、节约原材料消耗以及降低生产成本，具有着重要意义，同时对我国向智能型工业发展起到了积极的促进作用。

本文在通用型机器人的基础上，结合实际的应用情况，提出了机器人的一种正压型防爆系统，以使通用型机器人在可燃性粉尘环境中应用实现有效防爆。

1 正压型防爆机器人控制系统的设计

1.1 爆炸产生的条件

爆炸是物质从一种状态突然变化到另一种状态，并在极短的时间内释放出巨大的能量的过程，期间可能产生巨大的光和热能，其中包括混合气体爆炸，混合粉尘爆炸等，在此我们仅考虑混合性可燃粉尘。尽管机器人布置在爆炸性粉尘场所,但粉尘的爆炸需要具备三个要素:(1)点燃源-火花或温度；(2)爆炸性物质-可燃性粉尘；(3)助燃剂-氧气。

当以上三个条件同时满足并且可燃性粉尘与空气的混合物在爆炸范围内,将会产生爆炸。缺少任何一个要素都不能产生爆炸，因此只需要采取适当措施使得爆炸产生的三个要素中不同时具备,就能阻止爆炸产生,本文采用的是阻断点燃源的方式。

1.2 防爆形式的选择

防爆形式有多种,如外壳保护型“td”，本质安全型“iD”，浇封型“mD”，正压外壳型“pD”等，通过以上的防爆形式介绍，适用于机器人的防爆形式有外壳保护型“tD”和正压保护型“pD”。外壳保护型“tD”的防爆形式对机器人的本体设计提出了很高的要求，此外机器人各轴的驱动电机安装在不同的位置，采用外壳保护型必将增大本体尺寸，使得机器人结构复杂，因此不能采用外壳保护型“tD”。正压型防爆指的是通过电气控制系统，使机器人在启动和运行时，向正压外壳内充入保护性气体，比如洁净空气，保持外壳内压力高于周围环境，阻止可燃性粉尘进入外壳内，以此达到防爆的作用。正压保护型结构简单，操作方便，因此选择正压保护型“pD”。

1.3 正压型防爆的原理

向外壳内充以保护气体，保持外壳内部高于周围环境的过压力，阻止可燃性粉尘进入外壳内，以避免在外壳内部形成爆炸粉尘环境。

1.4 正压型防爆机器人系统设计

正压保护型有静态正压保护、具有泄漏补偿的正压保护和具有保护性气体连续流动的正压保护。

静态正压保护：设备运行中，不再添加保持危险场所中正压外壳内过压值的保护方法。

具有泄漏补偿的正压保护：当外壳出气口封闭时,保护气体源足以补偿正压外壳及其管道中的任何泄漏与保持其内过压的保护方法。

具有保护性气体连续流动的正压保护：用保护气体通过在外壳内连续流动保持正压外壳内过压的保护方法。

静态正压保护对外壳的设计、制造和安装都提出了比较高的要求，相应的增加了产品的制造和维护成本。具有保护性气体连续流动的正压保护，需要持续通入一定压力和流量的保护气体，以维持外壳内的过压，这给产品后期的维护带来困难。而具有泄漏补偿的正压保护仅需要向外壳内通入少量的保护气体，即可维持外壳内的过压，对设计、制造、安装和维护都没有太高的要求，因此本方案采用具有泄漏补偿的正压保护。

正压型防爆机器人系统包含通用型机器人、防爆正压控制箱、正压腔体、安全装置、报警系统和压力传感系统等，如图1所示。

图1 正压型防爆机器人系统

依据GB 12476.7—2010 可燃性粉尘环境用电气设备第7部分：正压保护型”pD”进行流程设计。

1.4.1 防爆正压控制箱

防爆正压控制箱按照GB 12476.5：外壳保护型“tD”要求设计，防爆正压控制箱是正压型防爆机器人的正压控制部分，包含气源压力调节阀、控制线路板、压力传感器、信号反馈继电器、电磁阀和防爆声光报警器等，防爆正压控制箱外型如图2所示。

图2 防爆正压控制箱外形

气源计算如下:防护服气体泄漏量Q1=(3～5)m3/h,进气管采用外径φ12mm的软管，内径为φ8mm;气源进气流量为Q

将数值带入公式计算得

计算得△P≈459Pa

因此进入防护服处的气体压力P1≧1459Pa,因气源在进入手动阀和减压阀处是会有压力损失，压力损失查通过气动元、辅件的压力损失表，可知压力损失为P2=0.025MPa,因此接入控制箱处的气源压力P≧P1+P2≈0.04MPa,考虑到各接口处漏气，因此接入控制箱处的实际气源压力应不小于0.1MPa。正压防爆装置的气路控制图如图3所示。正压控制系统的工作流程如图4所示。

图3 正压防爆装置的气路控制图

图4 正压控制系统的工作流程

1.4.2 压力检测装置

压力是工业生产中重要的基本参数，在机器人的正常运行过程中，保护性气体压力的检测，是保证设备和人身安全的必要条件。为保证机器人密封腔内的压力高于外界周围环境压力，需要为密封腔设置压力检测装置。目前应用广泛且能在低压状态保持高精度的压力传感器为压差式传感器，传感器主要检测外界环境压力与机器人密封腔内压力差，形成一个相对的过压。压力检测装置主要为压力传感器和控制线路板，将压力传感器设置在粉尘控制箱内，压力传感器的低压端直接连接周围环境，高压端通过气动气管机器人密封腔连通，当向机器人密封腔内充入保护性气体时，密封腔内的压力会逐渐增大，与外界形成一定的过压，此时压力传感器将采集到的相对压力转换为模拟信号,发送给控制线路板,控制线路板根据压力传感器的数据以及预先设置的程序,控制相应的报警装置,接触器等电气控制类元件工作，从而保证机器人密封腔内的过压保持在相对安全的状态。

1.4.3 正压防护服构成的正压腔

密封腔的密封性是保证机器人在正常运行时，维持密封腔内过压的重要保障，根据现有材料的设计，机器人正压密封腔的结构形式有软结构(如纺织品)和硬结构(如金属)。正压型防爆机器人首先需要保证机器人的正常运行，硬结构在设计中会增加设计与制造难度，使得结构更加复杂。软结构由于具有很强的柔韧性，在设计、制造、安装和调试中都有很大的优势，因此本方案中采用的是软结构(纺织品表面电阻不大于109)和硬结构相结合的方式，其目的是为了保证机器人的各个运动角度保持不变。防护服为一体式结构，将机器人整体包裹在里面，使得机器人整体处在正压环境中，保证了机器人的安全运行。

综上，正压型防爆机器人的控制系统是通过各个子系统相互反馈控制协调实现正压的。接通电源，按下启动按钮，此时压力传感器将检测到的过压值传送给控制板，当压力达到设定过压值时，正压控制系统进入正常运行模式，机器人可以工作，当正压密封腔内压力低于设定过压值，系统根据设定程序向报警装置发出报警信号，此时系统处于报警状态，并且系统通过控制交流接触器等电器切断机器人的工作电源，使机器人停止工作，从而保证机器人只能在安全环境中工作，保障设备和人员的安全。