基于视觉的电敏保护设备技术要求及试验解析*

薛瑞娟 王文浩 黄祖广 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)

制造业是工业和国民经济的基础产业，随着自动化技术的发展，越来越多的自动化设备在制造业的各个领域广泛应用，大幅提高了制造业的生产效率，同时也为工作人员带了了大量的潜在风险和安全隐患，机械伤人事件频发。因此，电敏保护设备等安全防护装置的发展和应用逐渐受到社会和行业的重视，电敏保护设备（electro-sensitive protective equipment，ESPE）是通过敏感装置检测检测区内工作人员的身体或部位所处位置，判断工作人员是否趋近或进入危险区，并发出相应信号使机械设备发出警告或停止运行的装置，一般由敏感装置、控制/监控装置以及输出信号开关电器（OSSD）三部分组成[1]。

ESPE根据其敏感装置类型的不同，分为采用有源光电保护装置（AOPDs）的 ESPE、采用响应漫反射有源光电保护装置（AOPDDR）的 ESPE、采用视觉保护装置（VBPD）的ESPE，也可根据出现故障时的性能差异和设备的安全等级不同，分为2型ESPE、3型ESPE、4型ESPE[2]。采用视觉保护装置（基于视觉）的ESPE主要指采用图像传感器作为敏感装置来探测监视区内物体和人员的ESPE，其通过可见光和近红外光谱对设定的检测区进行检测，主要包括安全摄影系统、工业3D摄像机等设备，在搬运机器人保护、机械手引导以及自动化装配作业区等领域有着广泛应用。

1 技术要求

作为机械设备的安全防护装置，基于视觉的ESPE关乎工作人员的人身安全和机械设备的稳定运行。因此，在产品生产制造前的研发设计阶段，需要对ESPE的工况环境、使用功能等要求进行充分考虑以满足基于视觉的ESPE的安全需求。

1.1 功能要求

基于视觉的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机械设备正常工作的情况下，当ESPE检测能力内的工作人员身体或部位进入检测区时，在规定的响应时间内发出适当的信号，并且检测能力需在规定的整个检测区都是有效的。ESPE的响应时间和检测能力需符合相关规定，且调整时需使用特定的钥匙、关键字或工具。

基于视觉的ESPE的敏感功能是指物体或身体部位在检测区域内静止或运动时，会发出相应的信号进行响应，并将信号传递至控制/监控装置进行判别，可识别的运动速度一般为0～1.6m/s。如果ESPE产品的图像传感器的灵敏度、像元尺寸等感光性能较高，其生产厂家所需明确规定ESPE的可识别的最大运动速度。当检测区内存在与被动图案类似的物体时，基于视觉的ESPE应该对其进行检测，并发出适当的输出信号予以响应。为确保检测能力的完整性，最小可检测物体的尺寸至少是其被动图案元素尺寸的3倍。

基于视觉的ESPE的检测能力依赖于其图像传感器的成像能力，容易受到碰撞、粉尘、潮湿、外部反射等因素的影响。因此，基于视觉的ESPE在设计和制造时，需要限制暴露在 400nm～1500nm的外界辐射时出现故障的可能性，以及限制温度、粉尘等环境的影响和正常工作中可能的偏差[3]。

1.2 设计要求

基于视觉的ESPE在设计时需要充分考虑机械设备的功能、安全等各方面要求。ESPE应该在规定的电源条件下正常运行，其在上电且OSSD未进入接通状态时，需要进行故障检测以确定其内部无故障存在。对于不同安全等级要求的 ESPE，其设计要求不同。

基于视觉的ESPE的电气部件需要在额定的范围内工作，其电击防护、电气设备的保护、布线等要求需要符合GB/T 5226.1的相关要求。污染等级需要符合GB 14048.1中污染等级2的规定，有关电气间隙、爬电距离、隔离距离的设计和制造应符合GB 14048.1标准的要求。

对于基于视觉的 ESPE的输出信号开关电器（OSSD），都应提供单独的输出接点。输出电路应被充分地保护。如果采用继电器形式的 OSSD，则触点的状态需要被监控。可以通过监控带有机械式连接触点的继电器的辅助触点来实现。对于采用固态型式OSSD的ESPE，输出电路应当具有对过压、过流和短路的保护，其最大漏电流不能超过2mA。

根据ESPE的设计，安全相关通信接口可以作为一个分离的部件被设计在ESPE之外，也可以被集成在ESPE的整体系统之内，其应该具有相应于ESPE类型的同等故障防护能力，并且安全完整性等级需要满足IEC 61508或GB 28526的相关要求。安全相关通信接口与ESPE集成为一体时，整体的ESPE应满足IEC 61508或IEC 62061的相关要求。当正常工作中ESPE的敏感装置被触发时，应该通过安全相关数据接口发送敏感装置或ESPE状态的信息做出响应，此状态信息通过安全相关通信接口转换为数据报文。

1.3 环境要求

基于视觉的ESPE在设计时需要详细考虑其安装设备的运行工况，当工况环境温度在 0～50℃时，ESPE需处在正常运行状态。在 20～50℃、湿度为95%时，图像传感器不能出现凝露现象以保证设备正常运行。为防止机械设备运行过程中受环境中水渍、沙尘等影响，ESPE的外壳一般要求具有IP54的防护等级，若ESPE安装在具有IP54以上的机械设备上时，其外壳防护等级应至少为IP20。

配备在机械设备上的ESPE工作时容易受到周围电源、电力通信设备等部件的电骚扰的影响，因此，设计时需要对其电磁抗干扰能力进行充分考虑。ESPE的电磁场、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的电骚扰要求需满足GB/T 17626系列标准的要求。ESPE的外部电源和各内部电源的电压波动要求在 10～20s从标称电压滑落至零电压，并以同样方式上升至标称电压时，ESPE不能发生危险失效。ESPE的电源电压中断的要求如表 1。

表1 电源电压中断[1]

基于视觉的ESPE的检测能力取决于其图像传感器的成像能力，因其图像传感器采用可见光和近红外光谱工作，容易受到机械设备工作环境中其他光源的影响，所以基于视觉的ESPE的被动参考图案受到白炽光、闪烁标灯照射以及外部物体阴影笼罩时，不能影响其正常工作；受到高强度白炽光、频闪光、用高频电子和工频电源供电的高强度荧光照射时，不能出现危险失效。作为机械设备的安全防护装置，当小于检测能力的物体或部件出现在检测区遮挡被探测物体的视野时，ESPE的检测能力应该处在保持状态且不出现危险失效；当遮盖图像传感器的外壳、被动参考图案被移动等情况发生时，ESPE不能出现危险失效。

2 试验要求

ESPE属于机械设备的安全防护装置，对保障设备平稳运行与工作人员的人身安全有重要作用，因此在产品出厂及安装使用前都要对ESPE设备进行试验验证，确保该设备在工作环境下的检测能力、敏感功能等符合设计者、使用者的要求。一般基于视觉的 ESPE的验证试验主要包括型式试验（type test）、故障条件下的性能试验、功能试验以及环境试验，如图 1所示。型式试验（type test）即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，它是新产品鉴定中必不可少的一个环节。故障条件下的性能试验用于验证ESPE产品在出现故障情况下的安全性能。功能试验是对ESPE产品的功能进行测试，根据相关标准以及产品使用方的要求，进行测试，检查产品是否达到相应要求。环境试验主要是对ESPE进行环境适应性与抗干扰性进行测试，保证ESPE设备在规定使用工况中其功能不受外界环境影响。

图1 基于视觉的ESPE的验证试验

2.1 型式试验

ESPE的型式试验是为了验证产品能否满足相应设计要求所进行的试验，当新产品试制定型、正式生产后制造工艺或材料发生较大改变以及产品停工恢复生产等情况需进行型式检验。在型式试验中，ESPE所有部件（作为一个整体）通常需一起进行试验。为确保人体检测的适用性，用于ESPE型式试验检测的试件直径不超过200mm。试验试件不应透明，且需考虑自身的尺寸、形状、颜色、反射率、与背景对比度等特征因素。

2.2 功能试验

在配备ESPE的机械设备在人体部位或其他物体进入检测范围，以及机械设备或ESPE出现故障时，ESPE需要在规定时间内发出适当的信号予以响应来保证机械设备与相关人员的安全性。因此，需对其进行验证以满足相关的功能要求，功能验证试验主要包括敏感功能验证、限定功能验证等试验。

作为机械设备的安全防护和风险预警装置，ESPE的敏感功能是保证机械设备对侵入物体正确识别和迅速反应的基础，基于视觉的ESPE的响应时间直接影响到ESPE发出危险信号或设备停止的速度，关乎工作人员的人身安全，因此，基于视觉的ESPE的响应时间需要通过系统分析和试验验证确定，其响应时间的测量与一般的ESPE相同，需要按照GB 19436系列标准的相关要求进行。

限定功能试验是验证ESPE在正常环境下应该连续正常工作，且在故障情况或非正常环境下不出现危险失效，包括：A试验（限定功能试验A）、B试验（限定功能试验B）和C试验（限定功能试验C）。若ESPE配置有重新启动联锁功能时，在限定功能试验期间应被旁路，且重新启动联锁功能需要单独试验。

表2 限定功能试验

基于视觉的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OSSD间短路等可预见的故障进行验证，确保其不能导致OSSD进入或保持接通状态；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。

2.3 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基于视觉的ESPE出现故障的安全性能。在试验前应准备其所有元件的故障目录，按照故障检测要求选择单一故障进行试验，对于能够进行理论预测的故障，可以进行分析来减少非必要试验。对于不同安全性能等级的ESPE，故障条件下的性能试验要求不同。2型、3型、4型ESPE需根据相应故障检测的特殊要求在试验中承受单一故障，以确定导致出现危险状况的故障可以通过检测功能被检测出并且导致锁定状态；3型和4型ESPE的所有不能被检测和分析的单一故障应该作为初始故障依次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。4型ESPE的所有不能被检测和分析的双重故障，需要依次对其进行试验并叠加和撤销其他所有单一故障，且不发生危险失效。试验要求当3型ESPE多余两种故障累计、4型ESPE多于三种故障累计时不需要进行试验[1]。基于视觉的ESPE的故障条件下的性能试验要求与一般ESPE相同，可按GB/T 19436.1相关要求进行试验。

2.4 环境试验

不同行业的机械设备工作环境有着较大差别，设计时应充分考虑ESPE对不同工况环境的适应性与可靠性。一般基于视觉的ESPE工作环境温度范围为 0～50℃，且要求在冷凝试验时不发生凝露现象。ESPE的环境温度要求应进行下列试验验证，一般要求试验的最低环境温度需低于 0℃，最高环境温度需高于50℃。

（1）使ESPE在型式试验的试验条件下运行工作，应进行A试验，持续时间至少2 h。A试验结束时，应进行B试验；

（2）使环境温度以不大于0.3℃/min的速率上升到最高环境温度，在此期间应进行A试验；

（3）在最高环境温度下应进行A试验，持续时间至少2 h。在此期间使湿度上升到95%并保持至少1 h。A试验之后，应进行B试验；

（4）应使环境温度以不大于0.3℃/min的速率下降至20 ℃，且使湿度保持在95%。在此过程中应进行A试验；

（5）应使环境温度以不大于0.3℃/min的速率下降至最低环境温度，且不发生凝露。在此过程中应进行A试验；

（6）应在最低环境温度下进行A试验至少2 h。A试验结束时进行B试验；

（7）应使环境温度以不大于0.3℃/min的速率上升规定温度，在此期间应进行A试验；

（8）A试验应在型式试验条件所规定的温度下进行至少2 h。在A试验结束时应进行B试验。

ESPE的外壳防护等级需要根据其防护等级要求按GB 4208-2008的规定进行试验。ESPE的电骚扰特性应该根据设计要求和GB/T 17626系列标准对ESPE的信号线端口、电源线端口、接地端口等进行电磁场、静电放电、射频场感应的传导骚扰、电压快速瞬变脉冲群、浪涌等试验验证，如表 3。

表3 电骚扰试验

ESPE需要根据GB/T 2423系列标准对振动、碰撞性能进行试验，如表 4所示。试验中每轴都应进行限定功能试验，振动试验要求在最初与最后的扫描期间进行A试验，进行B试验时试件应在第2次扫描开始时进入检测区，在第19次扫描结束后移出。碰撞试验在最初和最后的（100±10）次碰撞期间进行 A试验，且在最初的（100±10）次碰撞之后将试件放入检测区进行B试验。振动与碰撞试验后，要求装置不能出现损坏与相对位置变动，且检测区的方向、尺寸及位置不出现变化。

表4 振动与碰撞试验参数[4-5]

基于视觉的ESPE在实际工作中依靠其图像传感器对其检测区进行检测，因此外界光对其正常工作及检测能力有较大影响。一般基于视觉的 ESPE需在环境光照强度为100lx～1500lx的范围内正常工作，并且需要进行光干扰试验验证ESPE的稳定性与安全性，主要包括不同工况下的直接光或间接光对其正常工作与潜在危险的影响。光干扰试验序列如表 5。

表5 光干扰试验序列

基于视觉的ESPE的光干扰对试验需要按照相关试验要求进行试验，如表 6所示，试验过程中照度测量需要在检测区的中心位置进行，且在验证直接光和间接光引起危险失效的试验中，ESPE不能出现危险失效。

图2 光照试验下照度测量及光源位置

3 结语

随着自动化设备在制造业的不断应用，ESPE等安全防护装置的重要性不言而喻。本文通过基于视觉的ESPE的技术要求和试验方法开展研究，针对基于视觉的ESPE的功能、设计、环境等方面的技术要求进行了分析，重点对基于视觉的ESPE的功能试验、故障条件下的性能试验、环境试验等进行了阐述和说明，为我国ESPE产品的设计、生产及检验提供了意见和建议。