王文浩 薛瑞娟② 黃祖廣 高知國 吳 翟

(①國家機(jī)床質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，北京 100102；②北京航空航天大學(xué)，北京 100191)

近年來，隨著工業(yè)科技水平的提高，越來越多的自動化設(shè)備應(yīng)用到現(xiàn)代工業(yè)的各個領(lǐng)域，但隨之而來的是機(jī)械設(shè)備對從業(yè)人員的安全隱患和潛在風(fēng)險日益增多，機(jī)械設(shè)備傷人事件頻發(fā)。為了提高裝備制造業(yè)人員的人身安全，保障機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，用于檢測人體位置與潛在風(fēng)險的電敏保護(hù)設(shè)備產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展。電敏保護(hù)設(shè)備(electro-sensitive protective equipment，ESPE)是通過光電保護(hù)器件等敏感裝置檢測處于特定區(qū)域的工作人員的位置，分析人員所處位置的風(fēng)險水平，并通過其控制/監(jiān)控裝置和輸出信號開關(guān)電器發(fā)出信號指令控制機(jī)械設(shè)備。ESPE的研究和應(yīng)用對于提高機(jī)械行業(yè)安全水平，促進(jìn)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級有重要作用。

作為機(jī)械設(shè)備的安全防護(hù)裝置，ESPE主要包括敏感裝置、控制/監(jiān)控裝置和輸出信號開關(guān)電器(OSSD)3部分。其敏感裝置根據(jù)工作方式和檢測原理，可分為有源光電保護(hù)裝置(AOPDs)、響應(yīng)漫反射有源光電保護(hù)裝置(AOPDDR)、基于視覺的保護(hù)裝置(VBPD)[2]。采用有源光電保護(hù)裝置的ESPE主要包含安全光柵、安全光幕等保護(hù)設(shè)備，主要應(yīng)用與沖壓機(jī)床、碼垛設(shè)備、傳動裝配生產(chǎn)線等安全防護(hù)場合。采用響應(yīng)漫反射有源光電保護(hù)裝置的ESPE主要包括激光掃描儀、激光雷達(dá)等設(shè)備，主要應(yīng)用與自動化立體倉庫、無人機(jī)與AGV等探測避障、行車防撞以及快速移動物體的距離探測等安全防護(hù)領(lǐng)域。采用視覺保護(hù)裝置的ESPE主要安全攝影系統(tǒng)、工業(yè)3D攝像機(jī)等設(shè)備，主要應(yīng)用于搬運(yùn)機(jī)器人保護(hù)、機(jī)械手引導(dǎo)及自動裝配作業(yè)區(qū)等領(lǐng)域[1]。因故障時的ESPE的性能不同，又分為2型、3型、4型ESPE。2型ESPE至少包含1路的OSSD且單一故障不能導(dǎo)致其危險失效；3型ESPE至少包含2路OSSD，且積累2個獨(dú)立故障時不應(yīng)導(dǎo)致危險失效；4型ESPE至少包含2路OSSD，且積累3個獨(dú)立故障時不能導(dǎo)致設(shè)備危險失效。不同類型的ESPE選用時需要根據(jù)機(jī)械設(shè)備和工作人員的具體情況進(jìn)行合理選擇。

1 標(biāo)準(zhǔn)制定的背景和意義

針對現(xiàn)階段裝備制造業(yè)生產(chǎn)事故頻頻發(fā)生，安全隱患嚴(yán)重，為了提高機(jī)械設(shè)備安全水平，保障從業(yè)人員的人身安全，2013年10月10日，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局、國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布2013年第21號中國國家標(biāo)準(zhǔn)公告，正式發(fā)布GB/T19436.1-2013《機(jī)械電氣安全電敏保護(hù)設(shè)備第1部分：一般要求和試驗(yàn)》代替GB/T 19436.1-2004，并于2014年2月1日正式實(shí)施。GB/T 19436.1-2013等同采用國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61496-1：2008 Safety of machinery-Electro-sensitive protective equipment Part 1:General requirements and tests，是我國機(jī)械電氣安全領(lǐng)域重要的安全標(biāo)準(zhǔn)。它規(guī)定了用于檢測人體的非接觸型ESPE的功能、設(shè)計和環(huán)境要求，以及試驗(yàn)驗(yàn)證的一般要求，它的發(fā)布規(guī)范了ESPE產(chǎn)品市場，提升了ESPE產(chǎn)品性能，進(jìn)一步保障了行業(yè)的安全水平。

2 標(biāo)準(zhǔn)的主要架構(gòu)

GB/T 19436.1-2013《機(jī)械電氣安全 電敏保護(hù)設(shè)備第1部分：一般要求和試驗(yàn)》標(biāo)準(zhǔn)包括7個章節(jié)、3個附錄，其主要架構(gòu)如圖1所示。

3 標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容解讀[3]

3.1 適用范圍

GB/T 19436.1-2013規(guī)定了作為安全相關(guān)系統(tǒng)的組成部分專門用于檢測人體的非接觸型ESPE的設(shè)計、制造和試驗(yàn)的一般要求，以及ESPE的功能與機(jī)械設(shè)備的連接。針對采用有源光電保護(hù)裝置等不同敏感裝置的ESPE的特殊要求，可參見GB/T 19436系列標(biāo)準(zhǔn)的其他部分。

3.2 功能、設(shè)計和環(huán)境要求

ESPE的工作環(huán)境和配備的機(jī)械設(shè)備不同，其產(chǎn)品的功能、設(shè)計存在較大差異，為了滿足ESPE的安全需求，提高人員安全防護(hù)能力和安全和機(jī)械設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行，ESPE產(chǎn)品應(yīng)結(jié)合其具體工況環(huán)境、使用功能等進(jìn)行設(shè)計和制造。

3.2.1 功能要求

作為機(jī)械設(shè)備重要的安全防護(hù)器件，ESPE的主要功能是在機(jī)械設(shè)備正常工作的情況下，當(dāng)在ESPE檢測范圍的人員或手、腳等肢體部位進(jìn)入檢測區(qū)時，要求ESPE在規(guī)定的時間內(nèi)發(fā)出相應(yīng)的響應(yīng)信號，且在檢測區(qū)內(nèi)檢測能力不應(yīng)失效。ESPE的響應(yīng)時間和檢測能力需要符合相關(guān)要求，當(dāng)使用過程中需要對其進(jìn)行調(diào)整時，要求使用鑰匙、關(guān)鍵字等特定手段調(diào)節(jié)。

針對機(jī)械設(shè)備在工作過程中可能出現(xiàn)的變壓器、電阻器、繼電器等機(jī)械電氣故障，不同類型的ESPE需要滿足相應(yīng)的故障檢測要求，并且在正常工作中當(dāng)敏感功能被觸發(fā)或電源被切斷時，2型ESPE至少1個OSSD輸出電路進(jìn)入斷開狀態(tài)，3型和4型ESPE至少2個OSSD的輸出電路進(jìn)入斷開狀態(tài)。

3.2.2 設(shè)計要求

為了保障機(jī)械設(shè)備的安全水平，ESPE產(chǎn)品在設(shè)計時應(yīng)進(jìn)行充分考慮其產(chǎn)品安全性和穩(wěn)定性。在設(shè)備上電且OSSD接通之前，需要對ESPE產(chǎn)品內(nèi)部進(jìn)行檢測，保障裝置內(nèi)部功能正常、不存在故障情況。對于不同安全等級的ESPE來說，2型ESPE需具有符合相關(guān)要求的周期性檢測手段來防止檢測能力喪失、響應(yīng)時間超時等危險失效情況，如果出現(xiàn)導(dǎo)致上述情況或阻止一個或多個OSSD進(jìn)入斷開狀態(tài)的單一故障時，ESPE的下一個周期檢測結(jié)果需要引發(fā)鎖定狀態(tài)來保障機(jī)械設(shè)備和工作人員的安全，并且如果ESPE的OSSD不能進(jìn)入斷開狀態(tài)時，也需要引發(fā)鎖定狀態(tài)。對于3型和4型ESPE，如果出現(xiàn)導(dǎo)致檢測能力喪失、響應(yīng)時間超時或阻止一個或多個OSSD進(jìn)入斷開狀態(tài)的單一故障時，應(yīng)該使其在規(guī)定響應(yīng)時間內(nèi)進(jìn)入鎖定狀態(tài)，或在觸發(fā)敏感功能或起動聯(lián)鎖(重新啟動連鎖)才能進(jìn)行故障檢測的情況下也需要立即進(jìn)入鎖定狀態(tài)。在ESPE未檢測出導(dǎo)致危險失效的單一故障時，3型ESPE要求發(fā)生另一個故障時不能導(dǎo)致其危險失效，4型ESPE則要求進(jìn)一步發(fā)生疊加故障時不能導(dǎo)致危險失效。

ESPE的OSSD是連接機(jī)械控制系統(tǒng)的元件，當(dāng)ESPE正常工作期間敏感裝置被觸發(fā)時，OSSD需立即響應(yīng)并進(jìn)入斷開狀態(tài)。ESPE的OSSD一般分為繼電器形式的OSSD和固態(tài)形式的OSSD。繼電器形式的OSSD常常通過監(jiān)測有機(jī)械連接觸點(diǎn)的繼電器的輔助觸點(diǎn)，確保其隨OSSD觸電的狀態(tài)變化。固態(tài)形式的OSSD分為拉電流和灌電流兩種類型，其輸出電路要求過壓、過流和短路保護(hù)，其最大漏電流不高于2 mA。ESPE的OSSD發(fā)生動作時需要導(dǎo)致安全相關(guān)數(shù)據(jù)接口的響應(yīng)動作，其安全相關(guān)數(shù)據(jù)接口需具有和ESPE相同的故障防護(hù)能力。

ESPE在設(shè)計時，其非電元件、共因失效、調(diào)整方法、指示燈和顯示器應(yīng)滿足本標(biāo)準(zhǔn)的要求，其電氣部件需要符合GB 5226.1和GB 7251.1標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求。ESPE通過軟件程序?qū)嵤┌踩δ軙r，程序、功能的設(shè)置應(yīng)當(dāng)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，安全完整性等級需按照IEC 61508-3進(jìn)行開發(fā)設(shè)計。

3.2.3 環(huán)境要求

ESPE產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性能力是保障機(jī)械設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件。通常要求ESPE在0 ℃～50 ℃的工作環(huán)境中能夠正常工作和運(yùn)轉(zhuǎn)。為確保ESPE的敏感裝置能在大部分機(jī)械設(shè)備的工作環(huán)境中穩(wěn)定工作，要求在20 ℃～50 ℃、濕度為95%時，ESPE不能出現(xiàn)凝露的情況。因大部分設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)過長中存在油液水漬以及沙塵鐵屑，通常要求ESPE的外殼需具有IP54的防護(hù)等級，如果配備的機(jī)械設(shè)備的防護(hù)在IP54以上時，ESPE的外殼防護(hù)要求高于IP20。

現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，要求生產(chǎn)車間多設(shè)備協(xié)同耦合，存在較多的電力設(shè)備、通信設(shè)備同時工作，要求ESPE的具有響應(yīng)的電磁抗干擾能力。ESPE的相關(guān)電磁兼容性能需要滿足GB/T 17626系列標(biāo)準(zhǔn)，并且ESPE出現(xiàn)10～20 s從標(biāo)稱電壓滑落至零并再次上升至標(biāo)稱電壓的電源電壓波動時，要求ESPE不發(fā)生危險失效。

3.3 試驗(yàn)

作為機(jī)械設(shè)備的安全防護(hù)裝置，ESPE關(guān)乎機(jī)械設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行和工作人員的人身安全。因此，在安裝和使用ESPE前，需進(jìn)行試驗(yàn)來驗(yàn)證在機(jī)械設(shè)備工作環(huán)境的干擾下，ESPE能夠正常穩(wěn)定的運(yùn)行。一般ESPE產(chǎn)品的驗(yàn)證試驗(yàn)如圖2所示，主要包括型式試驗(yàn)、功能試驗(yàn)、故障條件下的性能試驗(yàn)以及環(huán)境試驗(yàn)。

3.3.1 型式試驗(yàn)

型式試驗(yàn)是為了驗(yàn)證產(chǎn)品能否滿足技術(shù)規(guī)范的全部要求所進(jìn)行的試驗(yàn)，通常在產(chǎn)品正式投產(chǎn)前或產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝等發(fā)生較大改變時需進(jìn)行型式試驗(yàn)。ESPE的型式試驗(yàn)要求在溫度為20±5 ℃、相對濕度為25%～75%、大氣壓為86～106 kPa的條件下進(jìn)行，其他試驗(yàn)條件由產(chǎn)品隨機(jī)文件確定。ESPE的型式試驗(yàn)一般要求所有部件整體進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)使用安全相關(guān)通信接口的設(shè)備與其安全相關(guān)通信接口一起測試時，需要使用數(shù)據(jù)接收器來顯示安全通信接口的靜態(tài)輸出信號，如圖3所示；如果ESPE需分開試驗(yàn)時，試驗(yàn)中需要保證其工作所需的外部輸入信號全部加以模擬，過程中出現(xiàn)的任何遺漏和例外都應(yīng)在試驗(yàn)報告中說明。

ESPE的功能試驗(yàn)包括敏感功能、響應(yīng)時間、OSSD、指示燈和顯示器等功能的驗(yàn)證試驗(yàn)以及限定功能試驗(yàn)。ESPE的敏感功能、檢測能力和檢測區(qū)需具有相應(yīng)的完整性，不同種類的ESPE的敏感功能和響應(yīng)時間的驗(yàn)證要求不同，具體的驗(yàn)證要求可參見本系列標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于不同類型的ESPE的特殊要求。ESPE的OSSD功能試驗(yàn)需要在規(guī)定的最大感性負(fù)載和最長連接電纜的條件下，對其功能連接線、電源回路的電纜及屏蔽電纜的屏蔽線開路，以及OSSD與電源電壓、接地線和其他OSSD間短路等可預(yù)見的故障不能導(dǎo)致OSSD進(jìn)入或保持接通狀態(tài)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，并且設(shè)備的每個OSSD的輸出端子均應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證；如果ESPE采用安全相關(guān)數(shù)據(jù)接口和安全相關(guān)通信接口，需要驗(yàn)證整體通信接口的完整性。

為了驗(yàn)證在正常工作和存在故障的非正常工作情況，ESPE安全穩(wěn)定，需要對其進(jìn)行功能驗(yàn)證，確保其不出現(xiàn)危險失效。限定功能試驗(yàn)具體如表1所示，包括：限定功能試驗(yàn)A(A試驗(yàn))、限定功能試驗(yàn)B(B試驗(yàn))和限定功能試驗(yàn)C(C試驗(yàn))。一般要求ESPE在限定功能試驗(yàn)期間，重新啟動聯(lián)鎖功能應(yīng)該被旁路，并且需要單獨(dú)對重新啟動聯(lián)鎖功能進(jìn)行試驗(yàn)。

表1 限定功能試驗(yàn)

3.3.3 故障條件下的性能試驗(yàn)

故障條件下的性能試驗(yàn)是為了驗(yàn)證ESPE出現(xiàn)故障時，不發(fā)生危險失效。故障條件下的性能試驗(yàn)需要對裝置的所有原件的故障進(jìn)行分析或驗(yàn)證，試驗(yàn)時需要按照故障檢測要求選擇單一故障逐一進(jìn)行試驗(yàn)。對于2型、3型、4型ESPE不同類型ESPE，試驗(yàn)時需要根據(jù)其ESPE產(chǎn)品的特殊要求，對單一故障進(jìn)行驗(yàn)證，確保ESPE的檢測功能能夠檢測出導(dǎo)致危險情況的故障，并進(jìn)入鎖定狀態(tài)；若ESPE配有內(nèi)部開啟的周期檢測功能時，其監(jiān)控功能需要進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確保ESPE能夠檢測到監(jiān)控功能的故障情況，若監(jiān)控功能出現(xiàn)故障需，使ESPE設(shè)備進(jìn)入鎖定狀態(tài)或至少斷開一個OSSD。

對于3型和4型ESPE，試驗(yàn)時，對于無法被檢測和分析的單一故障，需要將其作為初始故障的基礎(chǔ)上，逐項(xiàng)疊加和撤銷所有其他故障，對ESPE進(jìn)入鎖定狀態(tài)并且沒有危險失效。對于安全性能更高的4型ESPE，要求對其不能被檢測和分析的雙重故障的基礎(chǔ)上，逐項(xiàng)疊加和撤銷所有其他故障的過程中不發(fā)生危險失效。當(dāng)3型ESPE存在2種以上故障累計、4型ESPE存在3種以上故障累計時不需試驗(yàn)。

3.3.4 環(huán)境試驗(yàn)

由于機(jī)械設(shè)備工作環(huán)境的復(fù)雜性，其ESPE在選擇和安裝時需要考慮其外界環(huán)境和自身特性，以降低環(huán)境因素造成的影響和誤差。ESPE的環(huán)境試驗(yàn)主要包括外殼、電騷擾環(huán)境、電源電壓、復(fù)雜或可編程集成電路的確認(rèn)、環(huán)境溫度變化和濕度以及振動碰撞試驗(yàn)。ESPE的外殼防護(hù)等級需要根據(jù)其防護(hù)等級要求按GB4208-2008的規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)。ESPE的電騷擾試驗(yàn)應(yīng)該根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)和GB/T17626系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行電磁場、靜電放電、射頻場感應(yīng)的傳導(dǎo)騷擾、電壓快速瞬變脈沖群與浪涌等試驗(yàn)驗(yàn)證，試驗(yàn)位置包信號線端口、電源線端口、接地端口等。ESPE的額定電源電壓試驗(yàn)應(yīng)根據(jù)電源電壓設(shè)計要求，首先在最低額定電壓下進(jìn)行A試驗(yàn)和B試驗(yàn)，隨后在10～20 s內(nèi)升到最高額定電壓進(jìn)行A試驗(yàn)，達(dá)到最高額定電壓后進(jìn)行B試驗(yàn)。對于采用集成電路的軟件、編程及功能設(shè)計的ESPE需要驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計和軟件開發(fā)所依據(jù)的質(zhì)量體系規(guī)定的程序和支持性文件符合質(zhì)量管理體系的要求，對于采用復(fù)雜的或可編程集成電路的4型ESPE，至少要求有兩條獨(dú)立的決策通道，且檢測通道間差異和引發(fā)鎖定狀態(tài)應(yīng)在所有適用的故障狀態(tài)下進(jìn)行。ESPE的環(huán)境溫度變化和濕度試驗(yàn)要求試驗(yàn)的最高環(huán)境溫度不低于50 ℃，最低環(huán)境溫度不高于0 ℃，溫度變化速率不大于0.3 ℃/min，其環(huán)境溫度變化和濕度試驗(yàn)步驟如下：

(1)ESPE在標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件下進(jìn)行A試驗(yàn)2 h以上后開始B試驗(yàn)。

(2)將環(huán)境溫度上升到最高環(huán)境溫度的過程中進(jìn)行A試驗(yàn)。

目前建筑房屋遇到很多的問題，造成這些現(xiàn)象的原因有很多，其中有一大部分都是因?yàn)榻ㄖ课莸脑O(shè)計有問題。就比如建筑墻體出現(xiàn)問題，天花板出現(xiàn)裂縫等問題，這些都可以體現(xiàn)設(shè)計的重要性，那么怎么樣才可以將建筑材料的設(shè)計做好呢？首先設(shè)計人員的素質(zhì)要高，還有就是在設(shè)計過程中要進(jìn)行監(jiān)督，最后要進(jìn)行審核，確定設(shè)計圖紙可以建好房屋。

(3)在最高環(huán)境溫度下進(jìn)行A試驗(yàn)2 h以上，同時使?jié)穸壬仙?5%后保持1 h以上，A試驗(yàn)后進(jìn)行B試驗(yàn)。

(4)將環(huán)境溫度下降到20 ℃并保持95%濕度的過程中進(jìn)行A試驗(yàn)。

(5)將環(huán)境溫度下降到最低環(huán)境溫度的過程中進(jìn)行A試驗(yàn)，要求不發(fā)生凝露現(xiàn)象。

(6)在最低環(huán)境溫度下進(jìn)行A試驗(yàn)2 h以上后開始B試驗(yàn)。

(7)將環(huán)境溫度上升至20±5 ℃的過程中進(jìn)行A試驗(yàn)。

(8)在20±5 ℃進(jìn)行A試驗(yàn)2 h以上，結(jié)束時進(jìn)行B試驗(yàn)。

為了保障機(jī)械設(shè)備突發(fā)碰撞時ESPE的穩(wěn)定運(yùn)行，在ESPE調(diào)試安裝時，需要進(jìn)行振動試驗(yàn)和碰撞試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)見表 2[4-5]，振動試驗(yàn)要求各軸在掃描的開始和結(jié)尾開展A試驗(yàn)，試件在第2次掃描開始時放入檢測區(qū)至第19次掃描結(jié)尾完成后從檢測區(qū)移開。碰撞試驗(yàn)要求各軸在開始和結(jié)尾的90～110次的每次碰撞過程開展A試驗(yàn)，在開始的90～110次碰撞后將試件置于檢測區(qū)開展B試驗(yàn)。

表2 振動試驗(yàn)與碰撞試驗(yàn)參數(shù)

4 結(jié)語

隨著自動化、智能化設(shè)備在裝備制造業(yè)的推廣應(yīng)用，機(jī)械傷人事件頻發(fā)，作為機(jī)械設(shè)備安全防護(hù)和風(fēng)險預(yù)警的重要手段，ESPE等安全防護(hù)裝置的越來越受到行業(yè)和企業(yè)的重視。GB/T 19436.1-2013標(biāo)準(zhǔn)針對電敏保護(hù)設(shè)備的設(shè)計、制造和試驗(yàn)的一般要求提出了明確的要求和規(guī)定，對于提高行業(yè)安全水平有重要作用。為了促進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施和應(yīng)用，本文針對GB/T 19436.1-2013標(biāo)準(zhǔn)的主要內(nèi)容，對ESPE的功能、設(shè)計、環(huán)境的一般要求以及相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證方法進(jìn)行了詳細(xì)解讀，為ESPE生產(chǎn)廠家的設(shè)計、制造和提供了指導(dǎo)和建議，有助于提高我國裝備制造業(yè)安全水平。