IEC TS 61496-52023 机械安全电敏感防护设备第5部分雷达防护装置的特殊要求标准立项发展报告

机械安全电敏感防护设备第5部分：雷达防护装置的特殊要求标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Safetyofmachinery–Electro-sensitiveprotectiveequipment-Part5:Particularrequirementsforradar-basedprotectivedevices摘要随着工业自动化与智能制造技术的迅猛发展，机械安全防护已成为保障从业人员生命安全与提升生产效率的关键环节。电敏感防护设备（ESPE）作为机械安全防护体系中的重要组成部分，其技术演进与应用拓展不断推动着相关国际标准的更新与完善。本报告围绕国际电工委员会（IEC）于2023年8月25日发布的IECTS61496-5:2023《机械安全电敏感防护设备第5部分：雷达防护装置的特殊要求》技术规范，系统阐述了该标准的立项背景、技术内容、适用范围及其在机械安全标准体系中的定位。该标准基于雷达传感技术的特点，针对传统光电防护设备在恶劣环境（如粉尘、烟雾、光照干扰等）条件下性能受限的问题，提出了面向雷达防护装置的特殊设计、性能和安全要求，填补了IEC61496系列标准在非接触式雷达探测技术应用领域的空白。报告还就标准的技术架构、关键性能指标、验证方法以及主要参与单位进行了介绍，并对该标准在全球机械安全领域的应用前景与后续发展进行了展望。本报告的编制旨在为标准使用者、设备制造商及安全评估机构提供全面、准确的技术参考，推动雷达防护装置在全球范围内的规范化应用与互认。关键词：机械安全；电敏感防护设备；雷达防护装置；IEC61496；功能安全；风险评估；技术规范Keywords:Machinerysafety;Electro-sensitiveprotectiveequipment(ESPE);Radar-basedprotectivedevices;IEC61496;Functionalsafety;Riskassessment;Technicalspecification一、引言1.1研究背景机械设备在运行过程中往往伴随着挤压、剪切、卷入、撞击等多种机械危险，对操作人员的人身安全构成严重威胁。为有效降低机械风险，国际社会制定了一系列机械安全标准体系，其中电敏感防护设备（ESPE）作为一种基于非接触式探测原理的安全防护装置，被广泛应用于冲压机械、机器人工作站、包装生产线及自动仓储系统等场景中，通过检测人员或人体部位进入危险区域来触发停机或减速等安全响应。传统的ESPE设备主要基于光电原理（如光幕、激光扫描仪等）和电容原理，在正常工业环境中能够提供可靠的安全防护功能。然而，面对焊接车间的强弧光干扰、水泥及陶瓷行业的粉尘环境、木材加工领域的大量木屑飞溅以及户外设备的雨雾气候条件，光电类防护设备往往因传感机理的限制而出现检测可靠性下降、误停机频发等问题，严重影响生产效率和设备可用性。这一突出矛盾催生了对基于雷达探测技术的新型ESPE设备的需求。雷达技术凭借其电磁波穿透性强、不受可见光及红外干扰、对粉尘和烟雾不敏感等优势，为上述严苛环境下的安全防护提供了极具潜力的解决方案。近年来，毫米波雷达传感器在汽车自动驾驶领域的快速成熟和成本下降，使得其在工业安全防护领域的工程化应用成为可行。然而，雷达防护装置在检测能力、覆盖区域定义、响应性能和安全可靠性方面与光电设备存在显著差异，原有的IEC61496系列标准无法完全覆盖其特殊要求，亟需制定专门的规范性技术文件加以约束和指导。1.2标准立项的意义在此背景下，IEC/TC44（机械安全—电工技术委员会）经过深入调研和充分论证，决定在IEC61496系列标准框架下增设第5部分，专门规定雷达防护装置的特殊要求。该标准的制定与发布具有以下重要意义：第一，填补了IEC61496系列标准在雷达探测技术领域的空白，完善了电敏感防护设备的标准体系架构；第二，为雷达防护装置的设计、制造、测试和认证提供了统一的技术依据，有助于规范市场秩序，促进技术创新；第三，为机械设备的风险评估和安全防护方案选型提供了新的技术选项，推动机械安全防护水平在恶劣环境下的整体提升；第四，促进了雷达防护设备在全球范围内的贸易互认和技术交流，降低了国际贸易中的技术壁垒。1.3标准基本信息本标准为IEC发布的技术规范（TechnicalSpecification,TS）文件，编号为IECTS61496-5:2023，隶属于IEC61496《机械安全电敏感防护设备》系列标准，是系列标准中的第5部分。标准于2023年8月25日正式发布，语言为英语，现行有效。标准分类号为"特殊工作条件用其他电气设备"，由国际电工委员会IEC/TC44归口管理。二、IEC61496系列标准体系概述IEC61496系列标准是国际电工领域关于电敏感防护设备（ESPE）的基础性和系列化安全标准，其整体架构采用"通用要求+具体类型特殊要求"的多部分结构模式，为不同传感原理的防护设备提供了分类规范。系列标准的基本框架如下：-IEC61496-1：通用要求。规定了ESPE的基本术语、设计要求、性能等级（PerformanceLevel）、安全功能及通用测试方法，是整个系列标准的基础性文件。-IEC61496-2：使用有源光电保护器件（AOPD）的设备的特殊要求。主要适用于光电光幕、光栅等基于有源光电原理的防护装置。-IEC61496-3：使用有源光电漫反射保护器件（AOPDDR）的设备的特殊要求。适用于利用漫反射原理探测目标的防护装置，如激光扫描仪等。-IEC61496-4：使用视觉保护器件（VBPD）的设备的特殊要求。针对基于机器视觉技术的安全防护设备制定了专门要求。-IECTS61496-5（本标准）：使用雷达保护器件（RPD）的设备的特殊要求。适用于基于雷达探测技术的电敏感防护设备。从该架构可以看出，IEC61496系列标准是典型的"模块化"安全标准体系，每一部分针对不同的探测原理，在其"通用要求"基础上增加"特殊要求"。本标准的发布标志着雷达探测技术正式被纳入该系列标准的技术框架中，使得该系列标准的技术覆盖范围得到显著拓展。在实际应用中，雷达防护装置（RPD）的安全要求应结合IEC61496-1通用要求和本标准的特殊要求共同执行。2.1雷达防护装置（RPD）的概念界定根据IECTS61496-5:2023的定义，雷达防护装置（Radar-basedProtectiveDevice,RPD）是指利用雷达探测原理（包括连续波雷达、调频连续波雷达、超宽带雷达等不同类型）来检测人员或人体部位进入危险区域的电敏感防护设备。与光电防护设备不同，雷达防护装置发射并接收电磁波（通常在毫米波频段），通过分析反射信号的频率偏移、时间延迟或相位变化来确定目标的距离、速度和方位信息。雷达防护装置在技术特性上具有以下独特优势：一是对环境干扰的鲁棒性强，不受粉尘、烟雾、蒸汽、光照变化等因素的显著影响；二是可实现对三维空间区域的立体检测覆盖，而不仅限于二维平面的光幕屏障；三是具备测速能力，可实现人员接近方向的判断和速度阈值触发的智能防护策略；四是传感器可嵌入安装于设备内部或隐蔽位置，具有更好的外观集成性。同时，雷达防护装置也面临一系列设计挑战：如多径反射引起的检测盲区、静态目标的检测灵敏度限制、电磁兼容性能的保证、人体与金属物体等干扰目标的区分等。这些特殊性决定了不能简单套用光电防护设备的标准要求，而必须制定专属的技术规范。三、标准主要内容解析3.1标准的适用范围IECTS61496-5:2023规定了雷达防护装置（RPD）的设计、性能、安全要求和验证试验的特殊要求。该标准与IEC61496-1（通用要求）配合使用，作为RPD设备符合性评定的技术依据。标准适用于以下类型的雷达防护装置：-用于检测人员或人体部位（如手、手臂、躯干等）进入或接近危险区域的雷达防护设备；-采用电磁波探测原理（工作频率通常在24GHz至77GHz频段或更高频段）的安全防护装置；-用于机器设备（包括固定式和移动式机械）的危险区域防护；-用于触发安全功能（如停机、减速运行、报警等）的雷达检测系统。标准不适用于以下情形：仅用于非安全目的的雷达探测装置（如存在检测、料位测量等）；用于爆炸性环境中的雷达设备（应另行遵循防爆标准要求）；用于人身防护穿戴式雷达设备。3.2规范性引用文件本标准的实施需要配合以下关键规范性引用文件共同使用，主要包括：-IEC61496-1:2020《机械安全电敏感防护设备第1部分：通用要求》——规定ESPE的基本安全要求、性能等级和测试方法；-ISO13849-1《机械安全控制系统安全相关部件第1部分：设计通则》——用于规定安全相关控制系统的性能等级（PL）；-IEC62061《机械安全安全相关电气、电子和可编程电子控制系统的功能安全》——用于规定安全相关电气控制系统的安全完整性等级（SIL）；-IEC61000-6-2《电磁兼容性（EMC）第6-2部分：通用标准工业环境抗扰度》——用于规定工业环境下的电磁兼容要求；-ISO12100《机械安全设计通则风险评估与风险减小》——用于指导和规范风险评估过程。3.3关键技术要求3.3.1检测能力要求标准对雷达防护装置的检测能力提出了明确的技术指标要求，核心包括最小可检测目标尺寸、最大响应时间、探测范围与探测区域的定义方法。在最小可检测目标尺寸方面，标准参考了人体工程学数据和人机工程学原理，要求雷达防护装置应能够可靠检测规定尺寸的测试目标（如直径不小于200mm的圆柱形目标或相应的人体模拟目标），具体的检测能力应由制造商根据实际应用场景进行声明并验证。探测区域的定义应明确在三维空间中给出检测区域的几何边界和各个方向上的覆盖范围，并考虑电磁波传播特性中的波束形状、波瓣宽度和旁瓣效应等因素。3.3.2安全功能与性能等级标准要求雷达防护装置的安全相关功能应达到ISO13849-1中规定的性能等级（PL）要求，或IEC62061中规定的安全完整性等级（SIL）要求，典型的性能等级要求为PLd或SIL2（可根据风险评估结果确定）。安全功能至少应包括：-检测到人员进入危险区域时输出停机信号；-检测能力的自监控功能（包括雷达发射功率监测、接收通道自检等）；-故障发生时安全输出进入安全状态；-屏蔽功能的监控和管理。3.3.3环境适应性要求考虑到雷达防护装置通常应用于工业环境，标准规定了其在以下环境条件下的性能和可靠性要求：-温度范围：规定工作温度范围（通常为-10℃至+55℃）下的性能稳定性要求；-防护等级：应满足IP65或更高防护等级，以适应恶劣工业环境中的粉尘和防水要求；-电磁兼容性：应满足IEC61000-6-2规定的工业环境电磁抗扰度要求，同时不应产生超过限值的电磁辐射干扰；-振动与冲击：应满足工业设备常规振动环境下的性能稳定要求。3.3.4功能安全要求标准借鉴IEC61496-1中确立的功能安全框架，针对雷达技术的特殊性提出了专门要求，主要包括：-故障检测与响应机制：要求装置具备对关键故障模式（如发射功率异常、信号处理故障、天线损坏等）的自诊断能力，并在规定时间内转入安全状态；对安全功能应采用冗余架构设计，并确保单一故障不会导致安全功能丧失；-安全状态的定义：明确设备在故障状态下的输出应处于安全状态（即确保不能产生可能导致危险的误动作——必须是故障导向安全，如切断安全输出信号）；-周期性验证测试：规定了对安全功能进行周期性验证测试的要求和方法，确保设备在其整个使用寿命周期内保持安全性能；-软件安全要求：对嵌入式软件的系统atic设计、验证和修改控制提出了基于IEC62061框架的要求。3.3.5标志与说明书要求标准要求制造商提供完整的技术文档，包括但不限于：设备标识和安全标志、详细的安装说明和调试规范、探测区域的定义和校准方法、安全功能验证指南、定期检查和维护建议，以及安全使用距离的计算方法和参数。此外，说明书应明确在特定安装条件下可能影响雷达探测性能的环境因素，并提供相应的应对措施建议。3.4测试与验证方法IECTS61496-5:2023规定了雷达防护装置的性能测试和验证方法，测试项目主要包括：-探测能力测试：使用标准测试目标（人体模拟目标），在不同位置、不同方向、不同速度条件下进行检测可靠性测试，评估检测概率和盲区范围；-响应时间测试：测量从目标进入探测区域到安全输出动作之间的完整响应时间；-环境测试：包括高低温试验、交变湿热试验、粉尘试验、防水试验、振动试验、EMC试验等；-故障模拟测试：通过人为制造故障（如断线、短路、传感器损坏等），验证故障响应行为是否符合设计要求；-长期稳定性测试：验证设备在规定时间内的性能漂移是否在可接受范围内。四、标准的创新性与技术先进性4.1与IEC61496系列其他标准的比较IECTS61496-5:2023作为IEC61496系列中最新的组成部分，在沿用系列标准通用框架的基础上，针对雷达探测技术的特点做出了多方面的创新性规定。与IEC61496-2（光电防护设备）和IEC61496-3（激光扫描防护设备）相比，本标准的主要差异和特点如下：|技术特征|光电防护设备（第2部分）|激光扫描设备（第3部分）|雷达防护设备（第5部分）||---------|----------------------|----------------------|----------------------||探测原理|红外光幕遮挡检测|激光飞行时间扫描|毫米波雷达反射检测||敏感环境因素|光照、粉尘、烟雾|粉尘、反射面|电磁干扰、多径反射||探测区域类型|平面屏障型|平面扫描型|立体空间型||目标识别能力|低|中|中高||恶劣环境适应性|一般|中等|优良|4.2技术先进性分析本标准的发布体现了以下技术发展趋势和创新亮点：首先，标准顺应了雷达传感器技术小型化、低成本化和高性能化的发展方向。近年来，得益于汽车自动驾驶产业的强力推动，毫米波雷达在探测精度、分辨率和抗干扰能力方面取得了长足进步，其体积和成本实现了大幅下降，使得该技术进入工业安全防护领域的技术经济条件已趋成熟。本标准为这一技术转化和应用提供了规范化路径。其次，标准充分考虑了雷达探测技术相对于光电技术的本质差异，在探测区域定义、检测性能评估和抗干扰要求等方面制定了适合其技术机理的评价方法。例如，针对雷达波束的扇形覆盖特性和多径反射现象，标准引入了一系列特殊的测试方法和评价指标，确保安全性能评价的科学性和有效性。此外，标准也兼顾了与ISO13849和IEC62061等功能安全基础标准的协调一致性。通过对安全功能、性能等级和故障响应等要求的明确规定，使得雷达防护装置的安全性能可以被系统性地评估和认证，与传统的光电防护设备具有等效的安全水平保证。五、主要参与单位与标准工作组织5.1归口技术委员会本标准的制定和发布由IEC/TC44（机械安全—电工技术委员会）负责归口管理。IEC/TC44是IEC中专门负责机械安全电工技术领域标准制定的技术委员会，其工作范围涵盖机械设备的电气安全、功能安全和防护装置等技术领域，秘书处由德国DIN（德国标准化协会）承担。5.2主要参与单位介绍——SICKAG（德国西克公司）在IECTS61496-5:2023的制定过程中，德国SICKAG（西克公司）作为全球领先的工业传感器和安全防护系统制造商，承担了核心技术方案提供和标准草案起草的重要角色。SICKAG成立于1946年，总部位于德国巴登-符腾堡州瓦尔德基希市，是全球范围内工业传感器技术和安全防护解决方案的标杆企业。SICK公司在机械安全防护领域拥有超过五十年的深厚技术积累，其产品线涵盖安全光幕、安全激光扫描仪、安全编码器、安全控制器等多种安全防护设备