工业协议使安全工作

由于健康和安全法规、企业品牌和优化性能的需求相结合，安全在运动控制领域变得无处不在。通过利用安全速度、安全方向和安全扭矩关闭等专门命令，驱动器和控制器管理和监控系统上的其他组件，以防止对工人的伤害，并优化机器吞吐量。然而，仅支持安全的组件是不够的。为了在设备之间有足够的信心来支持高风险环境的数据和命令的来回传递，机器需要一个安全通信层，能够在10^-9顺序的残余错误操作，以确保基本的安全信息到达它们的目标。严格地说，这些协议并不直接有助于机器的功能安全，但没有它们，机器就不可能保持安全。

安全技术开始作为防止工人伤害的方法。硬连线的紧急停止和继电器耦合到物理防护装置被设计成在发生潜在危险行为时中断机器操作;例如，当运营商打开外壳以清除移动部件中的卡纸。这是一项有效的方法，仍然在广泛使用。

这些装置简单、经济、易于实施。然而，这种简单性也可能是一个缺点。每个设备只能监视一个活动或状态，并且传递的信息是有限的。一台有50个检修门的机器需要50个继电器才能实现监控所有门的设计。例如，如果100英尺包装线上的检修面板处于打开状态，则基于继电器的安全系统可以关闭机器并向HMI发送警报。然而，它不能做的是精确定位不合规门的位置。相反，操作员需要逐个检查机器，这可能会延长停机时间并损失收入。

在过去十年中，处理能力和内存水平的不断提高导致了安全驱动和控制器的发展。与继电器不同，这些部件用于处理大轴计数。更重要的是，他们的智能和记忆力使他们能够做的远远不止是履行确保操作员安全的关键角色。它们启用一系列操作模式，允许设备在不同水平下运行，同时防止受伤。其结果不仅是一台安全的机器，而且是一台生产效率更高的机器，它记录的停机时间更少，故障后重新启动更快。该系统不仅在门打开时关闭生产线，还可以识别打开的门，然后利用安全速度、安全方向和安全位置等选项，在保护操作员的同时，使生产线保持尽可能高的运行水平。

没有强大，可靠的通信层，这一切都不是可能的。让我们仔细看看保证10 ^ -9残差错误所涉及的内容。

网络通信
开放系统互连（OSI）模型将通信系统的体系结构分为七层（见图1）。在本文中，我们最感兴趣的是级别1（物理层）、级别2（由物理层连接的两个节点之间的数据传输）和级别7（应用层，它定义了用于允许设备通信的通信协议和接口方法）。

表1：开放源代码互连（OSI）七层模型将通信网络中执行的各种任务分层，
从物理层（第1层）到应用层（第7层）。

有一个时间控制器，组件通过点对点连接链接。更复杂的高轴计数系统所需的现场总线网络，如IEC 61508标准所定义。这些总线能够实现一对多架构。用于离散工业自动化的共同现场总线包括CANopen，DeviceNet和Profibus。

在过去十年中，工业以太网已经开始以越来越广泛的部署取代现场总线。尽管某些传感器级应用程序仍能与现场总线协议配合使用，但工业以太网不仅可用于将组件和模块连接在一起，还可用于将机器、车间连接到顶层，甚至可用于地理位置不同的工厂。它可以在更长距离上实现更高速度的传输。它简化了多主机系统的链接。

然而，在离散的制造环境中应用协议存在挑战。以太网中使用的传输控制协议（TCP）是基于分组和非确定性的。这使得难以在需要优先考虑命令的环境中应用。这导致了为申请的特定需求调整的工业协议的发展。一些版本包括以太网/ IP，PROFINET和EtherCAT等。

安全通讯
即使是各种系统组件不能彼此可靠地通信，即使是最佳安全性的设备也是没用的。数据需要保护免受腐败，丢失的数据包等。这是安全协议播放的地方。它们的作用不是提供安全功能，而是确保状态消息和通信未恢复，而不延迟。

以太网协议建立帧，每个帧包含一个由报头信息(包装器)增强的数据包，该信息表示每个包在何处以及如何路由。这发生在应用层(OSI模型的第7层)l。传输的内容(应用程序)对协议是透明的;它只关心数据需要放在哪里。

为了优化传输保真度，安全协议利用所谓的“黑色通道原理”，这是基于从设备发送安全数据而无需任何操作。这适合以太网和七层模型。将安全数据视为应用程序，封装在帧内，因为它通过网络路由。

这是一个重要的好处，而不仅仅是为了数据完整性，而且在建造和操作系统的影响方面。在正常情况下，如果网络机器必须满足安全完整性水平（SIL）3，则由IEC 61508标准定义，而不仅仅是机器，还需要交换机，路由器，背板等网络组件需要是SIL-3认证。利用安全协议，利用黑通道方法，只有输入模块，控制器和输出模块需要SIL-3认证。其余的网络被认为是一个黑色频道。因此，交换机，路由器，背板等的网络组件不需要被SIL-3认证。它们仅消耗整体错误预算的一小部分，松开系统的其余部分的设计约束。

安全驱动和控制器在机器操作中引入了新的自由度，允许制造商在加速操作、清洁、维护和故障恢复的同时保护操作人员。然而，仅仅选择理想的组件是不够的。它们需要与适当的安全协议相结合。正如多个现场总线/工业以太网选项随着时间的推移而发展，相应的安全协议也随之发展(见表2)。每个协议都开发了一个生态系统，允许用户选择与他们的应用和优先级最紧密一致的解决方案。

致谢
以下个人为本文提供了背景信息：Tom Moore，IHS；埃里克·斯科特，莫仕加拿大有限公司。；凯瑟琳·沃斯，奥德瓦州；罗克韦尔自动化公司的布鲁斯·布朗、鲍勃·赫辛格和保罗·库查尔斯基。