GB/T 19436.1-2013《機械電氣安全 電敏保護設備第1部分：一般要求和試驗》標準解析

王文浩 薛瑞娟② 黃祖廣 高知國 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)

近年來，隨著工業科技水平的提高，越來越多的自動化設備應用到現代工業的各個領域，但隨之而來的是機械設備對從業人員的安全隱患和潛在風險日益增多，機械設備傷人事件頻發。為了提高裝備制造業人員的人身安全，保障機械設備的穩定運行，用于檢測人體位置與潛在風險的電敏保護設備產業得到了快速發展。電敏保護設備(electro-sensitive protective equipment，ESPE)是通過光電保護器件等敏感裝置檢測處于特定區域的工作人員的位置，分析人員所處位置的風險水平，并通過其控制/監控裝置和輸出信號開關電器發出信號指令控制機械設備。ESPE的研究和應用對于提高機械行業安全水平，促進行業轉型升級有重要作用。

作為機械設備的安全防護裝置，ESPE主要包括敏感裝置、控制/監控裝置和輸出信號開關電器(OSSD)3部分。其敏感裝置根據工作方式和檢測原理，可分為有源光電保護裝置(AOPDs)、響應漫反射有源光電保護裝置(AOPDDR)、基于視覺的保護裝置(VBPD)[2]。采用有源光電保護裝置的ESPE主要包含安全光柵、安全光幕等保護設備，主要應用與沖壓機床、碼垛設備、傳動裝配生產線等安全防護場合。采用響應漫反射有源光電保護裝置的ESPE主要包括激光掃描儀、激光雷達等設備，主要應用與自動化立體倉庫、無人機與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領域。采用視覺保護裝置的ESPE主要安全攝影系統、工業3D攝像機等設備，主要應用于搬運機器人保護、機械手引導及自動裝配作業區等領域[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且單一故障不能導致其危險失效；3型ESPE至少包含2路OSSD，且積累2個獨立故障時不應導致危險失效；4型ESPE至少包含2路OSSD，且積累3個獨立故障時不能導致設備危險失效。不同類型的ESPE選用時需要根據機械設備和工作人員的具體情況進行合理選擇。

1 標準制定的背景和意義

針對現階段裝備制造業生產事故頻頻發生，安全隱患嚴重，為了提高機械設備安全水平，保障從業人員的人身安全，2013年10月10日，國家質量監督檢驗檢疫總局、國家標準化管理委員會發布2013年第21號中國國家標準公告，正式發布GB/T19436.1-2013《機械電氣安全電敏保護設備第1部分：一般要求和試驗》代替GB/T 19436.1-2004，并于2014年2月1日正式實施。GB/T 19436.1-2013等同采用國際標準IEC61496-1：2008 Safety of machinery-Electro-sensitive protective equipment Part 1:General requirements and tests，是我國機械電氣安全領域重要的安全標準。它規定了用于檢測人體的非接觸型ESPE的功能、設計和環境要求，以及試驗驗證的一般要求，它的發布規范了ESPE產品市場，提升了ESPE產品性能，進一步保障了行業的安全水平。

2 標準的主要架構

GB/T 19436.1-2013《機械電氣安全 電敏保護設備第1部分：一般要求和試驗》標準包括7個章節、3個附錄，其主要架構如圖1所示。

3 標準主要內容解讀[3]

3.1 適用范圍

GB/T 19436.1-2013規定了作為安全相關系統的組成部分專門用于檢測人體的非接觸型ESPE的設計、制造和試驗的一般要求，以及ESPE的功能與機械設備的連接。針對采用有源光電保護裝置等不同敏感裝置的ESPE的特殊要求，可參見GB/T 19436系列標準的其他部分。

3.2 功能、設計和環境要求

ESPE的工作環境和配備的機械設備不同，其產品的功能、設計存在較大差異，為了滿足ESPE的安全需求，提高人員安全防護能力和安全和機械設備的平穩運行，ESPE產品應結合其具體工況環境、使用功能等進行設計和制造。

3.2.1 功能要求

作為機械設備重要的安全防護器件，ESPE的主要功能是在機械設備正常工作的情況下，當在ESPE檢測范圍的人員或手、腳等肢體部位進入檢測區時，要求ESPE在規定的時間內發出相應的響應信號，且在檢測區內檢測能力不應失效。ESPE的響應時間和檢測能力需要符合相關要求，當使用過程中需要對其進行調整時，要求使用鑰匙、關鍵字等特定手段調節。

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

3.2.2 設計要求

為了保障機械設備的安全水平，ESPE產品在設計時應進行充分考慮其產品安全性和穩定性。在設備上電且OSSD接通之前，需要對ESPE產品內部進行檢測，保障裝置內部功能正常、不存在故障情況。對于不同安全等級的ESPE來說，2型ESPE需具有符合相關要求的周期性檢測手段來防止檢測能力喪失、響應時間超時等危險失效情況，如果出現導致上述情況或阻止一個或多個OSSD進入斷開狀態的單一故障時，ESPE的下一個周期檢測結果需要引發鎖定狀態來保障機械設備和工作人員的安全，并且如果ESPE的OSSD不能進入斷開狀態時，也需要引發鎖定狀態。對于3型和4型ESPE，如果出現導致檢測能力喪失、響應時間超時或阻止一個或多個OSSD進入斷開狀態的單一故障時，應該使其在規定響應時間內進入鎖定狀態，或在觸發敏感功能或起動聯鎖(重新啟動連鎖)才能進行故障檢測的情況下也需要立即進入鎖定狀態。在ESPE未檢測出導致危險失效的單一故障時，3型ESPE要求發生另一個故障時不能導致其危險失效，4型ESPE則要求進一步發生疊加故障時不能導致危險失效。

ESPE的OSSD是連接機械控制系統的元件，當ESPE正常工作期間敏感裝置被觸發時，OSSD需立即響應并進入斷開狀態。ESPE的OSSD一般分為繼電器形式的OSSD和固態形式的OSSD。繼電器形式的OSSD常常通過監測有機械連接觸點的繼電器的輔助觸點，確保其隨OSSD觸電的狀態變化。固態形式的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，其最大漏電流不高于2 mA。ESPE的OSSD發生動作時需要導致安全相關數據接口的響應動作，其安全相關數據接口需具有和ESPE相同的故障防護能力。

ESPE在設計時，其非電元件、共因失效、調整方法、指示燈和顯示器應滿足本標準的要求，其電氣部件需要符合GB 5226.1和GB 7251.1標準的相關要求。ESPE通過軟件程序實施安全功能時，程序、功能的設置應當符合標準要求，安全完整性等級需按照IEC 61508-3進行開發設計。

3.2.3 環境要求

ESPE產品的環境適應性能力是保障機械設備穩定運轉的前提條件。通常要求ESPE在0 ℃～50 ℃的工作環境中能夠正常工作和運轉。為確保ESPE的敏感裝置能在大部分機械設備的工作環境中穩定工作，要求在20 ℃～50 ℃、濕度為95%時，ESPE不能出現凝露的情況。因大部分設備運轉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的防護等級，如果配備的機械設備的防護在IP54以上時，ESPE的外殼防護要求高于IP20。

現代工業的發展，要求生產車間多設備協同耦合，存在較多的電力設備、通信設備同時工作，要求ESPE的具有響應的電磁抗干擾能力。ESPE的相關電磁兼容性能需要滿足GB/T 17626系列標準，并且ESPE出現10～20 s從標稱電壓滑落至零并再次上升至標稱電壓的電源電壓波動時，要求ESPE不發生危險失效。

3.3 試驗

作為機械設備的安全防護裝置，ESPE關乎機械設備的平穩運行和工作人員的人身安全。因此，在安裝和使用ESPE前，需進行試驗來驗證在機械設備工作環境的干擾下，ESPE能夠正常穩定的運行。一般ESPE產品的驗證試驗如圖2所示，主要包括型式試驗、功能試驗、故障條件下的性能試驗以及環境試驗。

3.3.1 型式試驗

型式試驗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，通常在產品正式投產前或產品的結構、工藝等發生較大改變時需進行型式試驗。ESPE的型式試驗要求在溫度為20±5 ℃、相對濕度為25%～75%、大氣壓為86～106 kPa的條件下進行，其他試驗條件由產品隨機文件確定。ESPE的型式試驗一般要求所有部件整體進行試驗，當使用安全相關通信接口的設備與其安全相關通信接口一起測試時，需要使用數據接收器來顯示安全通信接口的靜態輸出信號，如圖3所示；如果ESPE需分開試驗時，試驗中需要保證其工作所需的外部輸入信號全部加以模擬，過程中出現的任何遺漏和例外都應在試驗報告中說明。

ESPE的功能試驗包括敏感功能、響應時間、OSSD、指示燈和顯示器等功能的驗證試驗以及限定功能試驗。ESPE的敏感功能、檢測能力和檢測區需具有相應的完整性，不同種類的ESPE的敏感功能和響應時間的驗證要求不同，具體的驗證要求可參見本系列標準中關于不同類型的ESPE的特殊要求。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、接地線和其他OSSD間短路等可預見的故障不能導致OSSD進入或保持接通狀態進行試驗驗證，并且設備的每個OSSD的輸出端子均應進行驗證；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。

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

表1 限定功能試驗

3.3.3 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ESPE出現故障時，不發生危險失效。故障條件下的性能試驗需要對裝置的所有原件的故障進行分析或驗證，試驗時需要按照故障檢測要求選擇單一故障逐一進行試驗。對于2型、3型、4型ESPE不同類型ESPE，試驗時需要根據其ESPE產品的特殊要求，對單一故障進行驗證，確保ESPE的檢測功能能夠檢測出導致危險情況的故障，并進入鎖定狀態；若ESPE配有內部開啟的周期檢測功能時，其監控功能需要進行試驗驗證，確保ESPE能夠檢測到監控功能的故障情況，若監控功能出現故障需，使ESPE設備進入鎖定狀態或至少斷開一個OSSD。

對于3型和4型ESPE，試驗時，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上，逐項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。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上，逐項疊加和撤銷所有其他故障的過程中不發生危險失效。當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。

3.3.4 環境試驗

由于機械設備工作環境的復雜性，其ESPE在選擇和安裝時需要考慮其外界環境和自身特性，以降低環境因素造成的影響和誤差。ESPE的環境試驗主要包括外殼、電騷擾環境、電源電壓、復雜或可編程集成電路的確認、環境溫度變化和濕度以及振動碰撞試驗。ESPE的外殼防護等級需要根據其防護等級要求按GB4208-2008的規定進行試驗。ESPE的電騷擾試驗應該根據本標準和GB/T17626系列標準進行電磁場、靜電放電、射頻場感應的傳導騷擾、電壓快速瞬變脈沖群與浪涌等試驗驗證，試驗位置包信號線端口、電源線端口、接地端口等。ESPE的額定電源電壓試驗應根據電源電壓設計要求，首先在最低額定電壓下進行A試驗和B試驗，隨后在10～20 s內升到最高額定電壓進行A試驗，達到最高額定電壓后進行B試驗。對于采用集成電路的軟件、編程及功能設計的ESPE需要驗證系統設計和軟件開發所依據的質量體系規定的程序和支持性文件符合質量管理體系的要求，對于采用復雜的或可編程集成電路的4型ESPE，至少要求有兩條獨立的決策通道，且檢測通道間差異和引發鎖定狀態應在所有適用的故障狀態下進行。ESPE的環境溫度變化和濕度試驗要求試驗的最高環境溫度不低于50 ℃，最低環境溫度不高于0 ℃，溫度變化速率不大于0.3 ℃/min，其環境溫度變化和濕度試驗步驟如下：

(1)ESPE在標準試驗條件下進行A試驗2 h以上后開始B試驗。

(2)將環境溫度上升到最高環境溫度的過程中進行A試驗。

目前建筑房屋遇到很多的問題，造成這些現象的原因有很多，其中有一大部分都是因為建筑房屋的設計有問題。就比如建筑墻體出現問題，天花板出現裂縫等問題，這些都可以體現設計的重要性，那么怎么樣才可以將建筑材料的設計做好呢？首先設計人員的素質要高，還有就是在設計過程中要進行監督，最后要進行審核，確定設計圖紙可以建好房屋。

(3)在最高環境溫度下進行A試驗2 h以上，同時使濕度上升至95%后保持1 h以上，A試驗后進行B試驗。

(4)將環境溫度下降到20 ℃并保持95%濕度的過程中進行A試驗。

(5)將環境溫度下降到最低環境溫度的過程中進行A試驗，要求不發生凝露現象。

(6)在最低環境溫度下進行A試驗2 h以上后開始B試驗。

(7)將環境溫度上升至20±5 ℃的過程中進行A試驗。

(8)在20±5 ℃進行A試驗2 h以上，結束時進行B試驗。

為了保障機械設備突發碰撞時ESPE的穩定運行，在ESPE調試安裝時，需要進行振動試驗和碰撞試驗，試驗參數見表 2[4-5]，振動試驗要求各軸在掃描的開始和結尾開展A試驗，試件在第2次掃描開始時放入檢測區至第19次掃描結尾完成后從檢測區移開。碰撞試驗要求各軸在開始和結尾的90～110次的每次碰撞過程開展A試驗，在開始的90～110次碰撞后將試件置于檢測區開展B試驗。

表2 振動試驗與碰撞試驗參數

4 結語

隨著自動化、智能化設備在裝備制造業的推廣應用，機械傷人事件頻發，作為機械設備安全防護和風險預警的重要手段，ESPE等安全防護裝置的越來越受到行業和企業的重視。GB/T 19436.1-2013標準針對電敏保護設備的設計、制造和試驗的一般要求提出了明確的要求和規定，對于提高行業安全水平有重要作用。為了促進標準的實施和應用，本文針對GB/T 19436.1-2013標準的主要內容，對ESPE的功能、設計、環境的一般要求以及相關試驗驗證方法進行了詳細解讀，為ESPE生產廠家的設計、制造和提供了指導和建議，有助于提高我國裝備制造業安全水平。