正壓型防爆機器人的設計及應用

(華榮科技股份有限公司，上海201808)

0 引言

工業機器人的應用是一個國家工業自動化水平的重要標志。隨著現代科技的迅速發展，工業機器人已經廣泛應用于各個領域，而在可燃性粉塵環境中，由于可燃性粉塵是易燃易爆物質，遇到火花或達到一定的溫度，可能發生爆炸，造成嚴重后果，因此通用型機器人需要進行防爆處理才能在可燃性粉塵環境中應用。防爆機器人的應用，不僅可提高產品的質量與產量，而且對保障人身安全、改善勞動環境、減輕勞動強度、提高勞動效率、節約原材料消耗以及降低生產成本，具有著重要意義，同時對我國向智能型工業發展起到了積極的促進作用。

本文在通用型機器人的基礎上，結合實際的應用情況，提出了機器人的一種正壓型防爆系統，以使通用型機器人在可燃性粉塵環境中應用實現有效防爆。

1 正壓型防爆機器人控制系統的設計

1.1 爆炸產生的條件

爆炸是物質從一種狀態突然變化到另一種狀態，并在極短的時間內釋放出巨大的能量的過程，期間可能產生巨大的光和熱能，其中包括混合氣體爆炸，混合粉塵爆炸等，在此我們僅考慮混合性可燃粉塵。盡管機器人布置在爆炸性粉塵場所,但粉塵的爆炸需要具備三個要素:(1)點燃源-火花或溫度；(2)爆炸性物質-可燃性粉塵；(3)助燃劑-氧氣。

當以上三個條件同時滿足并且可燃性粉塵與空氣的混合物在爆炸范圍內,將會產生爆炸。缺少任何一個要素都不能產生爆炸，因此只需要采取適當措施使得爆炸產生的三個要素中不同時具備,就能阻止爆炸產生,本文采用的是阻斷點燃源的方式。

1.2 防爆形式的選擇

防爆形式有多種,如外殼保護型“td”，本質安全型“iD”，澆封型“mD”，正壓外殼型“pD”等，通過以上的防爆形式介紹，適用于機器人的防爆形式有外殼保護型“tD”和正壓保護型“pD”。外殼保護型“tD”的防爆形式對機器人的本體設計提出了很高的要求，此外機器人各軸的驅動電機安裝在不同的位置，采用外殼保護型必將增大本體尺寸，使得機器人結構復雜，因此不能采用外殼保護型“tD”。正壓型防爆指的是通過電氣控制系統，使機器人在啟動和運行時，向正壓外殼內充入保護性氣體，比如潔凈空氣，保持外殼內壓力高于周圍環境，阻止可燃性粉塵進入外殼內，以此達到防爆的作用。正壓保護型結構簡單，操作方便，因此選擇正壓保護型“pD”。

1.3 正壓型防爆的原理

向外殼內充以保護氣體，保持外殼內部高于周圍環境的過壓力，阻止可燃性粉塵進入外殼內，以避免在外殼內部形成爆炸粉塵環境。

1.4 正壓型防爆機器人系統設計

正壓保護型有靜態正壓保護、具有泄漏補償的正壓保護和具有保護性氣體連續流動的正壓保護。

靜態正壓保護：設備運行中，不再添加保持危險場所中正壓外殼內過壓值的保護方法。

具有泄漏補償的正壓保護：當外殼出氣口封閉時,保護氣體源足以補償正壓外殼及其管道中的任何泄漏與保持其內過壓的保護方法。

具有保護性氣體連續流動的正壓保護：用保護氣體通過在外殼內連續流動保持正壓外殼內過壓的保護方法。

靜態正壓保護對外殼的設計、制造和安裝都提出了比較高的要求，相應的增加了產品的制造和維護成本。具有保護性氣體連續流動的正壓保護，需要持續通入一定壓力和流量的保護氣體，以維持外殼內的過壓，這給產品后期的維護帶來困難。而具有泄漏補償的正壓保護僅需要向外殼內通入少量的保護氣體，即可維持外殼內的過壓，對設計、制造、安裝和維護都沒有太高的要求，因此本方案采用具有泄漏補償的正壓保護。

正壓型防爆機器人系統包含通用型機器人、防爆正壓控制箱、正壓腔體、安全裝置、報警系統和壓力傳感系統等，如圖1所示。

圖1 正壓型防爆機器人系統

依據GB 12476.7—2010 可燃性粉塵環境用電氣設備 第7部分：正壓保護型”pD”進行流程設計。

1.4.1 防爆正壓控制箱

防爆正壓控制箱按照GB 12476.5：外殼保護型“tD”要求設計，防爆正壓控制箱是正壓型防爆機器人的正壓控制部分，包含氣源壓力調節閥、控制線路板、壓力傳感器、信號反饋繼電器、電磁閥和防爆聲光報警器等，防爆正壓控制箱外型如圖2所示。

圖2 防爆正壓控制箱外形

氣源計算如下:防護服氣體泄漏量Q1=(3～5)m3/h,進氣管采用外徑φ12mm的軟管，內徑為φ8mm;氣源進氣流量為Q

將數值帶入公式計算得

計算得△P≈459Pa

因此進入防護服處的氣體壓力P1≧1459Pa,因氣源在進入手動閥和減壓閥處是會有壓力損失，壓力損失查通過氣動元、輔件的壓力損失表，可知壓力損失為P2=0.025MPa,因此接入控制箱處的氣源壓力P≧P1+P2≈0.04MPa,考慮到各接口處漏氣，因此接入控制箱處的實際氣源壓力應不小于0.1MPa。正壓防爆裝置的氣路控制圖如圖3所示。正壓控制系統的工作流程如圖4所示。

圖3 正壓防爆裝置的氣路控制圖

圖4 正壓控制系統的工作流程

1.4.2 壓力檢測裝置

壓力是工業生產中重要的基本參數，在機器人的正常運行過程中，保護性氣體壓力的檢測，是保證設備和人身安全的必要條件。為保證機器人密封腔內的壓力高于外界周圍環境壓力，需要為密封腔設置壓力檢測裝置。目前應用廣泛且能在低壓狀態保持高精度的壓力傳感器為壓差式傳感器，傳感器主要檢測外界環境壓力與機器人密封腔內壓力差，形成一個相對的過壓。壓力檢測裝置主要為壓力傳感器和控制線路板，將壓力傳感器設置在粉塵控制箱內，壓力傳感器的低壓端直接連接周圍環境，高壓端通過氣動氣管機器人密封腔連通，當向機器人密封腔內充入保護性氣體時，密封腔內的壓力會逐漸增大，與外界形成一定的過壓，此時壓力傳感器將采集到的相對壓力轉換為模擬信號,發送給控制線路板,控制線路板根據壓力傳感器的數據以及預先設置的程序,控制相應的報警裝置,接觸器等電氣控制類元件工作，從而保證機器人密封腔內的過壓保持在相對安全的狀態。

1.4.3 正壓防護服構成的正壓腔

密封腔的密封性是保證機器人在正常運行時，維持密封腔內過壓的重要保障，根據現有材料的設計，機器人正壓密封腔的結構形式有軟結構(如紡織品)和硬結構(如金屬)。正壓型防爆機器人首先需要保證機器人的正常運行，硬結構在設計中會增加設計與制造難度，使得結構更加復雜。軟結構由于具有很強的柔韌性，在設計、制造、安裝和調試中都有很大的優勢，因此本方案中采用的是軟結構(紡織品表面電阻不大于109)和硬結構相結合的方式，其目的是為了保證機器人的各個運動角度保持不變。防護服為一體式結構，將機器人整體包裹在里面，使得機器人整體處在正壓環境中，保證了機器人的安全運行。

綜上，正壓型防爆機器人的控制系統是通過各個子系統相互反饋控制協調實現正壓的。接通電源，按下啟動按鈕，此時壓力傳感器將檢測到的過壓值傳送給控制板，當壓力達到設定過壓值時，正壓控制系統進入正常運行模式，機器人可以工作，當正壓密封腔內壓力低于設定過壓值，系統根據設定程序向報警裝置發出報警信號，此時系統處于報警狀態，并且系統通過控制交流接觸器等電器切斷機器人的工作電源，使機器人停止工作，從而保證機器人只能在安全環境中工作，保障設備和人員的安全。

2 結語

通過比較國內外正壓型防爆機器人的設計，結合本文正壓型防爆機器人的設計、制造和調試情況，設計和制造都滿足GB 12476.7的要求。通過多次試驗和調試達到預定的效果，能夠有效的實現機器人的防爆功能。