GB/T 19436.1-2013《机械电气安全 电敏保护设备第1部分：一般要求和试验》标准解析

王文浩 薛瑞娟② 黄祖广 高知国 吴 翟

(①国家机床质量监督检验中心，北京 100102；②北京航空航天大学，北京 100191)

近年来，随着工业科技水平的提高，越来越多的自动化设备应用到现代工业的各个领域，但随之而来的是机械设备对从业人员的安全隐患和潜在风险日益增多，机械设备伤人事件频发。为了提高装备制造业人员的人身安全，保障机械设备的稳定运行，用于检测人体位置与潜在风险的电敏保护设备产业得到了快速发展。电敏保护设备(electro-sensitive protective equipment，ESPE)是通过光电保护器件等敏感装置检测处于特定区域的工作人员的位置，分析人员所处位置的风险水平，并通过其控制/监控装置和输出信号开关电器发出信号指令控制机械设备。ESPE的研究和应用对于提高机械行业安全水平，促进行业转型升级有重要作用。

作为机械设备的安全防护装置，ESPE主要包括敏感装置、控制/监控装置和输出信号开关电器(OSSD)3部分。其敏感装置根据工作方式和检测原理，可分为有源光电保护装置(AOPDs)、响应漫反射有源光电保护装置(AOPDDR)、基于视觉的保护装置(VBPD)[2]。采用有源光电保护装置的ESPE主要包含安全光栅、安全光幕等保护设备，主要应用与冲压机床、码垛设备、传动装配生产线等安全防护场合。采用响应漫反射有源光电保护装置的ESPE主要包括激光扫描仪、激光雷达等设备，主要应用与自动化立体仓库、无人机与AGV等探测避障、行车防撞以及快速移动物体的距离探测等安全防护领域。采用视觉保护装置的ESPE主要安全摄影系统、工业3D摄像机等设备，主要应用于搬运机器人保护、机械手引导及自动装配作业区等领域[1]。因故障时的ESPE的性能不同，又分为2型、3型、4型ESPE。2型ESPE至少包含1路的OSSD且单一故障不能导致其危险失效；3型ESPE至少包含2路OSSD，且积累2个独立故障时不应导致危险失效；4型ESPE至少包含2路OSSD，且积累3个独立故障时不能导致设备危险失效。不同类型的ESPE选用时需要根据机械设备和工作人员的具体情况进行合理选择。

1 标准制定的背景和意义

针对现阶段装备制造业生产事故频频发生，安全隐患严重，为了提高机械设备安全水平，保障从业人员的人身安全，2013年10月10日，国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会发布2013年第21号中国国家标准公告，正式发布GB/T19436.1-2013《机械电气安全电敏保护设备第1部分：一般要求和试验》代替GB/T 19436.1-2004，并于2014年2月1日正式实施。GB/T 19436.1-2013等同采用国际标准IEC61496-1：2008 Safety of machinery-Electro-sensitive protective equipment Part 1:General requirements and tests，是我国机械电气安全领域重要的安全标准。它规定了用于检测人体的非接触型ESPE的功能、设计和环境要求，以及试验验证的一般要求，它的发布规范了ESPE产品市场，提升了ESPE产品性能，进一步保障了行业的安全水平。

2 标准的主要架构

GB/T 19436.1-2013《机械电气安全 电敏保护设备第1部分：一般要求和试验》标准包括7个章节、3个附录，其主要架构如图1所示。

3 标准主要内容解读[3]

3.1 适用范围

GB/T 19436.1-2013规定了作为安全相关系统的组成部分专门用于检测人体的非接触型ESPE的设计、制造和试验的一般要求，以及ESPE的功能与机械设备的连接。针对采用有源光电保护装置等不同敏感装置的ESPE的特殊要求，可参见GB/T 19436系列标准的其他部分。

3.2 功能、设计和环境要求

ESPE的工作环境和配备的机械设备不同，其产品的功能、设计存在较大差异，为了满足ESPE的安全需求，提高人员安全防护能力和安全和机械设备的平稳运行，ESPE产品应结合其具体工况环境、使用功能等进行设计和制造。

3.2.1 功能要求

作为机械设备重要的安全防护器件，ESPE的主要功能是在机械设备正常工作的情况下，当在ESPE检测范围的人员或手、脚等肢体部位进入检测区时，要求ESPE在规定的时间内发出相应的响应信号，且在检测区内检测能力不应失效。ESPE的响应时间和检测能力需要符合相关要求，当使用过程中需要对其进行调整时，要求使用钥匙、关键字等特定手段调节。

针对机械设备在工作过程中可能出现的变压器、电阻器、继电器等机械电气故障，不同类型的ESPE需要满足相应的故障检测要求，并且在正常工作中当敏感功能被触发或电源被切断时，2型ESPE至少1个OSSD输出电路进入断开状态，3型和4型ESPE至少2个OSSD的输出电路进入断开状态。

3.2.2 设计要求

为了保障机械设备的安全水平，ESPE产品在设计时应进行充分考虑其产品安全性和稳定性。在设备上电且OSSD接通之前，需要对ESPE产品内部进行检测，保障装置内部功能正常、不存在故障情况。对于不同安全等级的ESPE来说，2型ESPE需具有符合相关要求的周期性检测手段来防止检测能力丧失、响应时间超时等危险失效情况，如果出现导致上述情况或阻止一个或多个OSSD进入断开状态的单一故障时，ESPE的下一个周期检测结果需要引发锁定状态来保障机械设备和工作人员的安全，并且如果ESPE的OSSD不能进入断开状态时，也需要引发锁定状态。对于3型和4型ESPE，如果出现导致检测能力丧失、响应时间超时或阻止一个或多个OSSD进入断开状态的单一故障时，应该使其在规定响应时间内进入锁定状态，或在触发敏感功能或起动联锁(重新启动连锁)才能进行故障检测的情况下也需要立即进入锁定状态。在ESPE未检测出导致危险失效的单一故障时，3型ESPE要求发生另一个故障时不能导致其危险失效，4型ESPE则要求进一步发生叠加故障时不能导致危险失效。

ESPE的OSSD是连接机械控制系统的元件，当ESPE正常工作期间敏感装置被触发时，OSSD需立即响应并进入断开状态。ESPE的OSSD一般分为继电器形式的OSSD和固态形式的OSSD。继电器形式的OSSD常常通过监测有机械连接触点的继电器的辅助触点，确保其随OSSD触电的状态变化。固态形式的OSSD分为拉电流和灌电流两种类型，其输出电路要求过压、过流和短路保护，其最大漏电流不高于2 mA。ESPE的OSSD发生动作时需要导致安全相关数据接口的响应动作，其安全相关数据接口需具有和ESPE相同的故障防护能力。

ESPE在设计时，其非电元件、共因失效、调整方法、指示灯和显示器应满足本标准的要求，其电气部件需要符合GB 5226.1和GB 7251.1标准的相关要求。ESPE通过软件程序实施安全功能时，程序、功能的设置应当符合标准要求，安全完整性等级需按照IEC 61508-3进行开发设计。

3.2.3 环境要求

ESPE产品的环境适应性能力是保障机械设备稳定运转的前提条件。通常要求ESPE在0 ℃～50 ℃的工作环境中能够正常工作和运转。为确保ESPE的敏感装置能在大部分机械设备的工作环境中稳定工作，要求在20 ℃～50 ℃、湿度为95%时，ESPE不能出现凝露的情况。因大部分设备运转过长中存在油液水渍以及沙尘铁屑，通常要求ESPE的外壳需具有IP54的防护等级，如果配备的机械设备的防护在IP54以上时，ESPE的外壳防护要求高于IP20。

现代工业的发展，要求生产车间多设备协同耦合，存在较多的电力设备、通信设备同时工作，要求ESPE的具有响应的电磁抗干扰能力。ESPE的相关电磁兼容性能需要满足GB/T 17626系列标准，并且ESPE出现10～20 s从标称电压滑落至零并再次上升至标称电压的电源电压波动时，要求ESPE不发生危险失效。

3.3 试验

作为机械设备的安全防护装置，ESPE关乎机械设备的平稳运行和工作人员的人身安全。因此，在安装和使用ESPE前，需进行试验来验证在机械设备工作环境的干扰下，ESPE能够正常稳定的运行。一般ESPE产品的验证试验如图2所示，主要包括型式试验、功能试验、故障条件下的性能试验以及环境试验。

3.3.1 型式试验

型式试验是为了验证产品能否满足技术规范的全部要求所进行的试验，通常在产品正式投产前或产品的结构、工艺等发生较大改变时需进行型式试验。ESPE的型式试验要求在温度为20±5 ℃、相对湿度为25%～75%、大气压为86～106 kPa的条件下进行，其他试验条件由产品随机文件确定。ESPE的型式试验一般要求所有部件整体进行试验，当使用安全相关通信接口的设备与其安全相关通信接口一起测试时，需要使用数据接收器来显示安全通信接口的静态输出信号，如图3所示；如果ESPE需分开试验时，试验中需要保证其工作所需的外部输入信号全部加以模拟，过程中出现的任何遗漏和例外都应在试验报告中说明。

ESPE的功能试验包括敏感功能、响应时间、OSSD、指示灯和显示器等功能的验证试验以及限定功能试验。ESPE的敏感功能、检测能力和检测区需具有相应的完整性，不同种类的ESPE的敏感功能和响应时间的验证要求不同，具体的验证要求可参见本系列标准中关于不同类型的ESPE的特殊要求。ESPE的OSSD功能试验需要在规定的最大感性负载和最长连接电缆的条件下，对其功能连接线、电源回路的电缆及屏蔽电缆的屏蔽线开路，以及OSSD与电源电压、接地线和其他OSSD间短路等可预见的故障不能导致OSSD进入或保持接通状态进行试验验证，并且设备的每个OSSD的输出端子均应进行验证；如果ESPE采用安全相关数据接口和安全相关通信接口，需要验证整体通信接口的完整性。

为了验证在正常工作和存在故障的非正常工作情况，ESPE安全稳定，需要对其进行功能验证，确保其不出现危险失效。限定功能试验具体如表1所示，包括：限定功能试验A(A试验)、限定功能试验B(B试验)和限定功能试验C(C试验)。一般要求ESPE在限定功能试验期间，重新启动联锁功能应该被旁路，并且需要单独对重新启动联锁功能进行试验。

表1 限定功能试验

3.3.3 故障条件下的性能试验

故障条件下的性能试验是为了验证ESPE出现故障时，不发生危险失效。故障条件下的性能试验需要对装置的所有原件的故障进行分析或验证，试验时需要按照故障检测要求选择单一故障逐一进行试验。对于2型、3型、4型ESPE不同类型ESPE，试验时需要根据其ESPE产品的特殊要求，对单一故障进行验证，确保ESPE的检测功能能够检测出导致危险情况的故障，并进入锁定状态；若ESPE配有内部开启的周期检测功能时，其监控功能需要进行试验验证，确保ESPE能够检测到监控功能的故障情况，若监控功能出现故障需，使ESPE设备进入锁定状态或至少断开一个OSSD。

对于3型和4型ESPE，试验时，对于无法被检测和分析的单一故障，需要将其作为初始故障的基础上，逐项叠加和撤销所有其他故障，对ESPE进入锁定状态并且没有危险失效。对于安全性能更高的4型ESPE，要求对其不能被检测和分析的双重故障的基础上，逐项叠加和撤销所有其他故障的过程中不发生危险失效。当3型ESPE存在2种以上故障累计、4型ESPE存在3种以上故障累计时不需试验。

3.3.4 环境试验

由于机械设备工作环境的复杂性，其ESPE在选择和安装时需要考虑其外界环境和自身特性，以降低环境因素造成的影响和误差。ESPE的环境试验主要包括外壳、电骚扰环境、电源电压、复杂或可编程集成电路的确认、环境温度变化和湿度以及振动碰撞试验。ESPE的外壳防护等级需要根据其防护等级要求按GB4208-2008的规定进行试验。ESPE的电骚扰试验应该根据本标准和GB/T17626系列标准进行电磁场、静电放电、射频场感应的传导骚扰、电压快速瞬变脉冲群与浪涌等试验验证，试验位置包信号线端口、电源线端口、接地端口等。ESPE的额定电源电压试验应根据电源电压设计要求，首先在最低额定电压下进行A试验和B试验，随后在10～20 s内升到最高额定电压进行A试验，达到最高额定电压后进行B试验。对于采用集成电路的软件、编程及功能设计的ESPE需要验证系统设计和软件开发所依据的质量体系规定的程序和支持性文件符合质量管理体系的要求，对于采用复杂的或可编程集成电路的4型ESPE，至少要求有两条独立的决策通道，且检测通道间差异和引发锁定状态应在所有适用的故障状态下进行。ESPE的环境温度变化和湿度试验要求试验的最高环境温度不低于50 ℃，最低环境温度不高于0 ℃，温度变化速率不大于0.3 ℃/min，其环境温度变化和湿度试验步骤如下：

(1)ESPE在标准试验条件下进行A试验2 h以上后开始B试验。

(2)将环境温度上升到最高环境温度的过程中进行A试验。

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(3)在最高环境温度下进行A试验2 h以上，同时使湿度上升至95%后保持1 h以上，A试验后进行B试验。

(4)将环境温度下降到20 ℃并保持95%湿度的过程中进行A试验。

(5)将环境温度下降到最低环境温度的过程中进行A试验，要求不发生凝露现象。

(6)在最低环境温度下进行A试验2 h以上后开始B试验。

(7)将环境温度上升至20±5 ℃的过程中进行A试验。

(8)在20±5 ℃进行A试验2 h以上，结束时进行B试验。

为了保障机械设备突发碰撞时ESPE的稳定运行，在ESPE调试安装时，需要进行振动试验和碰撞试验，试验参数见表 2[4-5]，振动试验要求各轴在扫描的开始和结尾开展A试验，试件在第2次扫描开始时放入检测区至第19次扫描结尾完成后从检测区移开。碰撞试验要求各轴在开始和结尾的90～110次的每次碰撞过程开展A试验，在开始的90～110次碰撞后将试件置于检测区开展B试验。

表2 振动试验与碰撞试验参数

4 结语

随着自动化、智能化设备在装备制造业的推广应用，机械伤人事件频发，作为机械设备安全防护和风险预警的重要手段，ESPE等安全防护装置的越来越受到行业和企业的重视。GB/T 19436.1-2013标准针对电敏保护设备的设计、制造和试验的一般要求提出了明确的要求和规定，对于提高行业安全水平有重要作用。为了促进标准的实施和应用，本文针对GB/T 19436.1-2013标准的主要内容，对ESPE的功能、设计、环境的一般要求以及相关试验验证方法进行了详细解读，为ESPE生产厂家的设计、制造和提供了指导和建议，有助于提高我国装备制造业安全水平。