作者：李世光 陈志明 秦 静 蒋漳河 王新华摘 要：智能搬运机器人射频源的安全是决定爆炸环境下无线通讯装置安全性的重要指标。在对无线通讯装置结构组成和防爆技术进行分析的基础上，系统分析了其整体点燃源情况，并着重分析其射频源的安全性。从外壳结构、电池、电气电路和射频电路等方面探讨了爆炸环境下无线通讯装置防爆技术的应用，以Sample A 为例提出了典型无线通讯装置的防爆性能检验要求、测试项目和方法。最后，根据防爆技术标准，对爆炸环境下无线通讯装置防爆性能进行测试及检验。Abstract: The safety of radio frequency source of intelligent handling robot is an important indicator to determine the safetyof wireless communication device in explosive environment. Based on the analysis of the structure and explosion-prooftechnology of the wireless communication device, the paper systematically analyzes its overall ignition source and focuseson the safety of its radio frequency source. The paper discusses the application of explosion-proof technology for wirelesscommunication devices in explosion environment from the aspects of housing structure, battery, electrical circuit andradio frequency circuit, etc. Taking Sample A as an example, the requirements, test items and methods for explosion-proofperformance of typical wireless communication devices are put forward. Finally, according to the explosion-proof technicalstandard, the explosion-proof performance of the wireless communication device in the explosion environment is tested andverified.关键词：智能搬运机器人；无线通讯装置；防爆技术；射频源；本质安全Keywords: intelligent handling robot; wireless communication device; explosion-proof technology; radio frequency source;intrinsic safety0 引言随着无线网络技术和电子技术的发展，无线设备已大量运用于石油、煤炭、化工等存在易燃易爆物质的工业生产场所，无线通讯装置等含射频源设备是智能搬运机器人最基本的功能之一，而智能搬运机器人的大量使用无疑使之成为重要的潜在危险点燃源之一[1]。爆炸环境用无线通讯装置产品种类繁多，为满足不同的要求，制定越来越多的无线技术协议，为使其工作在爆炸环境下，采用不同的防爆技术以提高无线通讯装置的安全性能，有效降低爆炸风险[2]。本文以某企业提供的一款防爆标志为ExibIIAT6Gb 爆炸环境下测绘用导航仪（以下称Sample A）为例，分析了其结构及工作原理，并针对其防爆性能进行深入研究。1 爆炸环境下无线通讯装置防爆技术应用无线通讯装置应用于爆炸环境下，需要对电子电路中的潜在危险点燃源包括静电、电火花、热表面及射频源进行综合分析评估，采用隔爆、本质安全、增安等防爆技术，使其满足相关标准要求。1.1 爆炸环境下无线通讯装置的结构导航仪的导航原理如图1 所示，首先利用PDA 端的蓝牙与Sample A 进行连接，盒子机内全向天线接收全球定位系统(GPS）、全球导航卫星系统（GLONASS）、北斗卫星信号，将接收到的卫星数据传输到主板；PDA利用自带的GPRS 网络模块或者WiFi 模块获取CORS基站下发的差分数据，然后利用蓝牙将差分数据传输给Sample A 主板；Sample A 主板利用获取的卫星数据和差分数据，解算出高精度坐标数据，并将高精度坐标数据利用自带的蓝牙回传到PDA 端，供PDA 端的软件调用，从而使PDA 端的软件获取并使用高精度坐标[3]。由Sample A 工作原理可知，其中蓝牙、WLAN、GPRS、GPS、GLONASS、北斗等涉及无线技术，由于导航仪所需测试范围和精度均要求较高，部分射频源可能存在大功率或能量情况。1.2 爆炸环境下无线通讯装置的防爆技术分析无线通讯装置通常由外壳、电缆及电缆引入装置、印刷电路板、电池及电池组、射频电路（含天线）等部分组成。Sample A 外壳由轻金属及塑料面盖组成，电池及电池组、印刷电路板采用本质安全技术设计，而作为射频源部分的天线放置在塑料面盖底部，如图2 所示。2 点燃源分析针对无线通讯装置存在的潜在危险点燃源，GB3836系列标准制定了相应的技术措施以降低风险，其中包括隔爆型、增安型、本质安全型、浇封型等防爆形式，使设备具备与爆炸环境相适应的防爆性能。对于电路板、非金属部件、电池与电池组、射频电路等潜在危险源的无线通讯装置部件，应分别采取措施进行设计。2.1 电路板电路板在工作过程产生的过载、短路、断路状态，极易产生热表面和电火花。为避免产生相应的点燃危险，一种方法是将电路板放入隔爆外壳或增安型外壳，以达到隔离爆炸危险；另一种方法是采用本质安全技术将电路中电流电压限制在爆炸环境的引燃值以下。通过以上两种方法可达到降低电火花危险的目的。而外壳防护、爬电距离和电气间隙等间距是实现相应安全系数的前提。2.2 非金属外壳和外壳的非金属部件非金属外壳和外壳的非金属部件材料主要是塑料材料和弹性材料，除了对材质的相应热稳定性要求，如耐热、连续运行温度（COT）、相对热指数（RTI- 机械冲击）等，非金属外壳应设计成在正常使用、维护和清洁时避免由静电电荷引起点燃危险的结构。避免静电电荷在电气设备上积聚，一般方法：1) 合理选材，添加防静电剂，表面防静电涂层等，使表面绝缘电阻不大于109Ω；2) 按照GB 3836.1—2010 表6 限定外壳非金属部件的表面积。2.3 电池与电池组电池由于自身结构和原理方面的缺陷，在电池发生外部短路或内部短路时，将产生过大的电流，瞬间大量能量的释放会产生极高的温度，甚至爆炸。因此，必须对电池采取隔爆措施或者本质安全处理，使之可以应用于爆炸环境。进行充放电试验、短路试验、火花试验等型式试验。2.4 外壳及整机以上技术的有效实现依赖于外壳和整机的机械性能和老化情况以及相应安全系数的设置。因此，对隔爆型技术，IP 防护等级必须达到IP54 及以上的要求；而对于本质安全设备，则必须达到IP20 及以上的要求；对于便携式设备，须满足跌落试验的要求；而对于设备中金属部件和透明件，须满足抗冲击试验的要求；对于便携式设备，须满足跌落试验的要求；而对于设备中金属部件和透明件，须满足抗冲击试验的要求；根据不同的防爆形式，需满足相应的最高表面温度的要求。3 检测要求及项目依据有关防爆标准，结合前述无线通讯装置和防爆技术应用分析，针对Sample A 不同部位的潜在危险点燃源，制定相应检验检测项目及要求，如表1 所示。设备的防爆性能由各项指标予以保证，其中任一项不符合要求均会带来相应的爆炸风险。因此，在对其进行检测结果判定时实行一票否决制，即使仅存在一个不合格项，检验结论也应判定为不合格。以上检测项目及要求主要包括了通用的防爆技术和本质安全技术的应用，通过对产品的检测，可以完成对无线通讯装置的基本防爆性能的检测和评估。而国家有关防爆标准中提出了射频源的功率或能量要求，见表2，射频源的安全性能尚未得到相应的重视，型式试验方法不明确，本文就此进行进一步深入研究分析。4 分析与讨论研究表明电磁场和电磁波是点燃源之一。电磁场直接点燃爆炸性环境几乎是不可能的，在实验室条件下点燃辐射源需要上百瓦的功率[7]。然而，最大的危险来源于电磁场在金属结构或EMI 防护失效的电子电路上感应出的电流，如图3 所示。感应电流将产生极高的表面温度和火花。发生这类点燃须满足3 个条件：1) 存在爆炸性环境；2) 存在足够能量；3) 存在环形导体结构且存在断开点或者接触点突然断开的情况[6]。因此，为了避免出现以上情况，基于风险控制的考虑，达到安全性能的要求的方法之一是降低射频源的发射功能或能量，使之降低到爆炸环境引燃能量限值以下。经过多年的研究，针对不同频率和形式的射频源在不同的爆炸环境下的限值得到了业内的认可，并进行了统一，最后形成了PD CLC/TR 50427：2004《爆炸性环境射频辐射意外点燃评定指南》，且被IEC 60079 标准采纳。依据IEC 60079.0 标准修订发布的GB 3836.1—2010 进一步完善了与射频源相关的技术要求，并规定了相应的能量限值要求[6]。表2 列出了9 kHz ～ 60 GHz 范围内具有不同类别的防爆无线通讯装置对可能存在的射频源能量或功率限值，这些限制不允许可编程序或软件对其进行更改。其中，阈功率部分包括连续发射和脉冲时间超过热起燃时间的发射；阈能量部分为脉冲时间比热起燃时间短的射频发射[8]。表2 也考虑了危险区域附近的较高功率发射。在爆炸环境下无线通讯装置的设置中，通常让射频源处于隔爆结构或其他类型的防爆形式。大部分隔爆外壳为金属结构，会影响电磁波从天线发射，解决办法是将一个方向天线安装在玻璃后，但信号丢失情况较严重，且限制了使用的灵活性。另一种方法是使用增安型外部天线，但须保证电源与射频设备的输入输出短路时，没有过高的电流或电压出现。天线没有经过相应的检测是不允许使用在爆炸性环境的。随着本质安全技术和无线技术的发展，使用本质安全技术的无线设备具有明显技术优势。无线设备中的电路进行本质安全化设计，再通过对天线增益和发射能量进行安全评定后，确保射频源不能点燃爆炸性物质。不管是采用隔爆型防爆技术，还是采用本质安全技术，抑或是其他防爆技术，这些技术措施仅针对电火花、静电、热表面等潜在危险点燃源，而对射频源存在的危险并没有进行技术处理。根据以上分析，射频源处理的方法可通过限制发射功率或能量，由于标准中并没有给出限制措施，在实际产品中所使用的设计方法不可预知，而相应的检测方法标准也并没有给出具体的指导，因此，对于射频源防爆性能进行准确有效的检测评估尤为重要。搭建的试验测试系统如图4 所示。因此，本文依据表1 所制定的检测要求和项目，对Sample A 进行检测，结果表明，除了射频源的安全性能外，其他项目经型式试验检测一致合格通过。而针对Sample A 的射频源安全，本文结合相关通信规范和防爆标准，对其技术资料进行审核。经测试，Sample A 主要应用蓝牙、GPS、GLONASS、北斗卫星，由图纸审核可知GPS、GLONASS、北斗卫星功率均远小于10 mW的标准阈值。而蓝牙发射功率可通过软件进行设置，高达25 W，远远高于标准阈值，爆炸风险较高。因此，针对射频源的防爆性能必须经过检测评估，可以有效降低风险，提高在爆炸危险场所的安全性。5 结论在综合分析爆炸性环境下无线通讯装置结构和防爆技术的基础上，以Sample A 为例，结合爆炸风险评估，提出有关的检测要求和检测项目，并根据标准的检测要求给出判定原则，为无线通讯装置的产品检测、认证提供依据。提出针对射频源的安全性能检测评估尤为重要且急需解决，射频源准确有效地检测评价，是降低无线通讯装置爆炸风险的关键，将进一步提高了无线通讯装置在爆炸环境下使用的安全性能。参考文献[1] 李世光，王新华，秦静，等. 爆炸性环境用无线设备的防爆安全性研究现状[J]. 自动化与信息工程，2014，35(1)：40-44.[2] 杨卫华. 无线设备在矿井中使用时的功率限制研究[J]. 无线电工程，2008，38(1)：47，48，61[3] 李勇强. 移动通信设计在易燃易爆气体环境中使用的安全性研究[D]. 西安：西安交通大学，2001.[4] GB 3836.1—2010 爆炸性环境 第1部分：设备通用要求[S].[5] GB 3836.4—2010 爆炸性环境 第4 部分: 由本质安全型"i" 保护的设备[S].[6] PD CLC/TR 50427:2004 Assessment of inadvertent ignitionof flammable atmospheres by radio-frequency radiation —Guide[S].[7] Stephan Schultz.The use of wireless technology in hazardousareas[J].Ex-Magazine, 2007.[8] Hauke R，Schultz S.Wireless applications in hazardous areas[J].Ex-Magazine，2012.举报/反馈发表评论发表作者最新文章高定位精度的第三代核环行起重机运行系统 刚柔耦合动力学仿真01-2014:40液压挖掘机转台有限元分析与疲劳强度评估01-2014:33SPMT 液压平板车车板变形有限元计算与仿真模拟01-2014:31相关文章5G时代边缘计算基本形态Keep能一直“keep”吗？Reviews的调查结果显示，51%的美国人会选择SpaceX的星链卫星宽带你在 我在 爱就在南京栖霞：向全区工会组织发出抗击疫情倡议书
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