基于視覺的電敏保護設備技術要求及試驗解析*

薛瑞娟 王文浩 黃祖廣 吳 翟

(1.國家機床質量監督檢驗中心 北京100102；2.北京航空航天大學 北京100191)

制造業是工業和國民經濟的基礎產業，隨著自動化技術的發展，越來越多的自動化設備在制造業的各個領域廣泛應用，大幅提高了制造業的生產效率，同時也為工作人員帶了了大量的潛在風險和安全隱患，機械傷人事件頻發。因此，電敏保護設備等安全防護裝置的發展和應用逐漸受到社會和行業的重視，電敏保護設備（electro-sensitive protective equipment，ESPE）是通過敏感裝置檢測檢測區內工作人員的身體或部位所處位置，判斷工作人員是否趨近或進入危險區，并發出相應信號使機械設備發出警告或停止運行的裝置，一般由敏感裝置、控制/監控裝置以及輸出信號開關電器（OSSD）三部分組成[1]。

ESPE根據其敏感裝置類型的不同，分為采用有源光電保護裝置（AOPDs）的 ESPE、采用響應漫反射有源光電保護裝置（AOPDDR）的 ESPE、采用視覺保護裝置（VBPD）的ESPE，也可根據出現故障時的性能差異和設備的安全等級不同，分為2型ESPE、3型ESPE、4型ESPE[2]。采用視覺保護裝置（基于視覺）的ESPE主要指采用圖像傳感器作為敏感裝置來探測監視區內物體和人員的ESPE，其通過可見光和近紅外光譜對設定的檢測區進行檢測，主要包括安全攝影系統、工業3D攝像機等設備，在搬運機器人保護、機械手引導以及自動化裝配作業區等領域有著廣泛應用。

1 技術要求

作為機械設備的安全防護裝置，基于視覺的ESPE關乎工作人員的人身安全和機械設備的穩定運行。因此，在產品生產制造前的研發設計階段，需要對ESPE的工況環境、使用功能等要求進行充分考慮以滿足基于視覺的ESPE的安全需求。

1.1 功能要求

基于視覺的ESPE的功能要求主要包括正常工作要求、敏感功能要求等方面。正常工作要求主要指在機械設備正常工作的情況下，當ESPE檢測能力內的工作人員身體或部位進入檢測區時，在規定的響應時間內發出適當的信號，并且檢測能力需在規定的整個檢測區都是有效的。ESPE的響應時間和檢測能力需符合相關規定，且調整時需使用特定的鑰匙、關鍵字或工具。

基于視覺的ESPE的敏感功能是指物體或身體部位在檢測區域內靜止或運動時，會發出相應的信號進行響應，并將信號傳遞至控制/監控裝置進行判別，可識別的運動速度一般為0～1.6m/s。如果ESPE產品的圖像傳感器的靈敏度、像元尺寸等感光性能較高，其生產廠家所需明確規定ESPE的可識別的最大運動速度。當檢測區內存在與被動圖案類似的物體時，基于視覺的ESPE應該對其進行檢測，并發出適當的輸出信號予以響應。為確保檢測能力的完整性，最小可檢測物體的尺寸至少是其被動圖案元素尺寸的3倍。

基于視覺的ESPE的檢測能力依賴于其圖像傳感器的成像能力，容易受到碰撞、粉塵、潮濕、外部反射等因素的影響。因此，基于視覺的ESPE在設計和制造時，需要限制暴露在 400nm～1500nm的外界輻射時出現故障的可能性，以及限制溫度、粉塵等環境的影響和正常工作中可能的偏差[3]。

1.2 設計要求

基于視覺的ESPE在設計時需要充分考慮機械設備的功能、安全等各方面要求。ESPE應該在規定的電源條件下正常運行，其在上電且OSSD未進入接通狀態時，需要進行故障檢測以確定其內部無故障存在。對于不同安全等級要求的 ESPE，其設計要求不同。

基于視覺的ESPE的電氣部件需要在額定的范圍內工作，其電擊防護、電氣設備的保護、布線等要求需要符合GB/T 5226.1的相關要求。污染等級需要符合GB 14048.1中污染等級2的規定，有關電氣間隙、爬電距離、隔離距離的設計和制造應符合GB 14048.1標準的要求。

對于基于視覺的 ESPE的輸出信號開關電器（OSSD），都應提供單獨的輸出接點。輸出電路應被充分地保護。如果采用繼電器形式的 OSSD，則觸點的狀態需要被監控。可以通過監控帶有機械式連接觸點的繼電器的輔助觸點來實現。對于采用固態型式OSSD的ESPE，輸出電路應當具有對過壓、過流和短路的保護，其最大漏電流不能超過2mA。

根據ESPE的設計，安全相關通信接口可以作為一個分離的部件被設計在ESPE之外，也可以被集成在ESPE的整體系統之內，其應該具有相應于ESPE類型的同等故障防護能力，并且安全完整性等級需要滿足IEC 61508或GB 28526的相關要求。安全相關通信接口與ESPE集成為一體時，整體的ESPE應滿足IEC 61508或IEC 62061的相關要求。當正常工作中ESPE的敏感裝置被觸發時，應該通過安全相關數據接口發送敏感裝置或ESPE狀態的信息做出響應，此狀態信息通過安全相關通信接口轉換為數據報文。

1.3 環境要求

基于視覺的ESPE在設計時需要詳細考慮其安裝設備的運行工況，當工況環境溫度在 0～50℃時，ESPE需處在正常運行狀態。在 20～50℃、濕度為95%時，圖像傳感器不能出現凝露現象以保證設備正常運行。為防止機械設備運行過程中受環境中水漬、沙塵等影響，ESPE的外殼一般要求具有IP54的防護等級，若ESPE安裝在具有IP54以上的機械設備上時，其外殼防護等級應至少為IP20。

配備在機械設備上的ESPE工作時容易受到周圍電源、電力通信設備等部件的電騷擾的影響，因此，設計時需要對其電磁抗干擾能力進行充分考慮。ESPE的電磁場、靜電放電、射頻場感應的傳導騷擾、電壓快速瞬變脈沖群與浪涌的電騷擾要求需滿足GB/T 17626系列標準的要求。ESPE的外部電源和各內部電源的電壓波動要求在 10～20s從標稱電壓滑落至零電壓，并以同樣方式上升至標稱電壓時，ESPE不能發生危險失效。ESPE的電源電壓中斷的要求如表 1。

表1 電源電壓中斷[1]

基于視覺的ESPE的檢測能力取決于其圖像傳感器的成像能力，因其圖像傳感器采用可見光和近紅外光譜工作，容易受到機械設備工作環境中其他光源的影響，所以基于視覺的ESPE的被動參考圖案受到白熾光、閃爍標燈照射以及外部物體陰影籠罩時，不能影響其正常工作；受到高強度白熾光、頻閃光、用高頻電子和工頻電源供電的高強度熒光照射時，不能出現危險失效。作為機械設備的安全防護裝置，當小于檢測能力的物體或部件出現在檢測區遮擋被探測物體的視野時，ESPE的檢測能力應該處在保持狀態且不出現危險失效；當遮蓋圖像傳感器的外殼、被動參考圖案被移動等情況發生時，ESPE不能出現危險失效。

2 試驗要求

ESPE屬于機械設備的安全防護裝置，對保障設備平穩運行與工作人員的人身安全有重要作用，因此在產品出廠及安裝使用前都要對ESPE設備進行試驗驗證，確保該設備在工作環境下的檢測能力、敏感功能等符合設計者、使用者的要求。一般基于視覺的 ESPE的驗證試驗主要包括型式試驗（type test）、故障條件下的性能試驗、功能試驗以及環境試驗，如圖 1所示。型式試驗（type test）即是為了驗證產品能否滿足技術規范的全部要求所進行的試驗，它是新產品鑒定中必不可少的一個環節。故障條件下的性能試驗用于驗證ESPE產品在出現故障情況下的安全性能。功能試驗是對ESPE產品的功能進行測試，根據相關標準以及產品使用方的要求，進行測試，檢查產品是否達到相應要求。環境試驗主要是對ESPE進行環境適應性與抗干擾性進行測試，保證ESPE設備在規定使用工況中其功能不受外界環境影響。

圖1 基于視覺的ESPE的驗證試驗

2.1 型式試驗

ESPE的型式試驗是為了驗證產品能否滿足相應設計要求所進行的試驗，當新產品試制定型、正式生產后制造工藝或材料發生較大改變以及產品停工恢復生產等情況需進行型式檢驗。在型式試驗中，ESPE所有部件（作為一個整體）通常需一起進行試驗。為確保人體檢測的適用性，用于ESPE型式試驗檢測的試件直徑不超過200mm。試驗試件不應透明，且需考慮自身的尺寸、形狀、顏色、反射率、與背景對比度等特征因素。

2.2 功能試驗

在配備ESPE的機械設備在人體部位或其他物體進入檢測范圍，以及機械設備或ESPE出現故障時，ESPE需要在規定時間內發出適當的信號予以響應來保證機械設備與相關人員的安全性。因此，需對其進行驗證以滿足相關的功能要求，功能驗證試驗主要包括敏感功能驗證、限定功能驗證等試驗。

作為機械設備的安全防護和風險預警裝置，ESPE的敏感功能是保證機械設備對侵入物體正確識別和迅速反應的基礎，基于視覺的ESPE的響應時間直接影響到ESPE發出危險信號或設備停止的速度，關乎工作人員的人身安全，因此，基于視覺的ESPE的響應時間需要通過系統分析和試驗驗證確定，其響應時間的測量與一般的ESPE相同，需要按照GB 19436系列標準的相關要求進行。

限定功能試驗是驗證ESPE在正常環境下應該連續正常工作，且在故障情況或非正常環境下不出現危險失效，包括：A試驗（限定功能試驗A）、B試驗（限定功能試驗B）和C試驗（限定功能試驗C）。若ESPE配置有重新啟動聯鎖功能時，在限定功能試驗期間應被旁路，且重新啟動聯鎖功能需要單獨試驗。

表2 限定功能試驗

基于視覺的ESPE的OSSD功能試驗需要在規定的最大感性負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OSSD間短路等可預見的故障進行驗證，確保其不能導致OSSD進入或保持接通狀態；如果ESPE采用安全相關數據接口和安全相關通信接口，需要驗證整體通信接口的完整性。

2.3 故障條件下的性能試驗

故障條件下的性能試驗是為了驗證基于視覺的ESPE出現故障的安全性能。在試驗前應準備其所有元件的故障目錄，按照故障檢測要求選擇單一故障進行試驗，對于能夠進行理論預測的故障，可以進行分析來減少非必要試驗。對于不同安全性能等級的ESPE，故障條件下的性能試驗要求不同。2型、3型、4型ESPE需根據相應故障檢測的特殊要求在試驗中承受單一故障，以確定導致出現危險狀況的故障可以通過檢測功能被檢測出并且導致鎖定狀態；3型和4型ESPE的所有不能被檢測和分析的單一故障應該作為初始故障依次疊加和撤銷所有其他故障，對 ESPE進入鎖定狀態并且沒有危險失效。4型ESPE的所有不能被檢測和分析的雙重故障，需要依次對其進行試驗并疊加和撤銷其他所有單一故障，且不發生危險失效。試驗要求當3型ESPE多余兩種故障累計、4型ESPE多于三種故障累計時不需要進行試驗[1]。基于視覺的ESPE的故障條件下的性能試驗要求與一般ESPE相同，可按GB/T 19436.1相關要求進行試驗。

2.4 環境試驗

不同行業的機械設備工作環境有著較大差別，設計時應充分考慮ESPE對不同工況環境的適應性與可靠性。一般基于視覺的ESPE工作環境溫度范圍為 0～50℃，且要求在冷凝試驗時不發生凝露現象。ESPE的環境溫度要求應進行下列試驗驗證，一般要求試驗的最低環境溫度需低于 0℃，最高環境溫度需高于50℃。

（1）使ESPE在型式試驗的試驗條件下運行工作，應進行A試驗，持續時間至少2 h。A試驗結束時，應進行B試驗；

（2）使環境溫度以不大于0.3℃/min的速率上升到最高環境溫度，在此期間應進行A試驗；

（3）在最高環境溫度下應進行A試驗，持續時間至少2 h。在此期間使濕度上升到95%并保持至少1 h。A試驗之后，應進行B試驗；

（4）應使環境溫度以不大于0.3℃/min的速率下降至20 ℃，且使濕度保持在95%。在此過程中應進行A試驗；

（5）應使環境溫度以不大于0.3℃/min的速率下降至最低環境溫度，且不發生凝露。在此過程中應進行A試驗；

（6）應在最低環境溫度下進行A試驗至少2 h。A試驗結束時進行B試驗；

（7）應使環境溫度以不大于0.3℃/min的速率上升規定溫度，在此期間應進行A試驗；

（8）A試驗應在型式試驗條件所規定的溫度下進行至少2 h。在A試驗結束時應進行B試驗。

ESPE的外殼防護等級需要根據其防護等級要求按GB 4208-2008的規定進行試驗。ESPE的電騷擾特性應該根據設計要求和GB/T 17626系列標準對ESPE的信號線端口、電源線端口、接地端口等進行電磁場、靜電放電、射頻場感應的傳導騷擾、電壓快速瞬變脈沖群、浪涌等試驗驗證，如表 3。

表3 電騷擾試驗

ESPE需要根據GB/T 2423系列標準對振動、碰撞性能進行試驗，如表 4所示。試驗中每軸都應進行限定功能試驗，振動試驗要求在最初與最后的掃描期間進行A試驗，進行B試驗時試件應在第2次掃描開始時進入檢測區，在第19次掃描結束后移出。碰撞試驗在最初和最后的（100±10）次碰撞期間進行 A試驗，且在最初的（100±10）次碰撞之后將試件放入檢測區進行B試驗。振動與碰撞試驗后，要求裝置不能出現損壞與相對位置變動，且檢測區的方向、尺寸及位置不出現變化。

表4 振動與碰撞試驗參數[4-5]

基于視覺的ESPE在實際工作中依靠其圖像傳感器對其檢測區進行檢測，因此外界光對其正常工作及檢測能力有較大影響。一般基于視覺的 ESPE需在環境光照強度為100lx～1500lx的范圍內正常工作，并且需要進行光干擾試驗驗證ESPE的穩定性與安全性，主要包括不同工況下的直接光或間接光對其正常工作與潛在危險的影響。光干擾試驗序列如表 5。

表5 光干擾試驗序列

基于視覺的ESPE的光干擾對試驗需要按照相關試驗要求進行試驗，如表 6所示，試驗過程中照度測量需要在檢測區的中心位置進行，且在驗證直接光和間接光引起危險失效的試驗中，ESPE不能出現危險失效。

圖2 光照試驗下照度測量及光源位置

3 結語

隨著自動化設備在制造業的不斷應用，ESPE等安全防護裝置的重要性不言而喻。本文通過基于視覺的ESPE的技術要求和試驗方法開展研究，針對基于視覺的ESPE的功能、設計、環境等方面的技術要求進行了分析，重點對基于視覺的ESPE的功能試驗、故障條件下的性能試驗、環境試驗等進行了闡述和說明，為我國ESPE產品的設計、生產及檢驗提供了意見和建議。