為了更易于調(diào)試和獲得更好的性能，制造企業(yè)可以采用“黑色通道”方法來實(shí)現(xiàn)功能安全，并能更好的利用EtherCAT的優(yōu)勢。

功能安全作為現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必不可少的部分，已經(jīng)成為現(xiàn)代控制系統(tǒng)的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。EtherCAT的功能安全標(biāo)準(zhǔn)Safety?over?EtherCAT（FSoE），是一種數(shù)學(xué)上有保證的方式，可以為傳輸安全數(shù)據(jù)提供雙重的“黑色通道”，安全數(shù)據(jù)和非安全數(shù)據(jù)由同一條電纜完成。自2005年以來，F(xiàn)SoE認(rèn)證的產(chǎn)品就已面世。

01

?“黑色通道”的優(yōu)勢

對于現(xiàn)場總線安全協(xié)議來說，采取黑色通道的方式進(jìn)行機(jī)器安全通信越來越普遍。黑色通道的目的是確保從一個(gè)安全設(shè)備到另一個(gè)安全設(shè)備的數(shù)據(jù)是安全的，因此攜帶數(shù)據(jù)的通信系統(tǒng)不會(huì)影響數(shù)據(jù)的安全性——如果因意外或故意篡改導(dǎo)致安全數(shù)據(jù)變化，則會(huì)被檢測到，不會(huì)造成任何傷害。

對于設(shè)備的安全功能來說，EtherCAT主網(wǎng)絡(luò)似乎是不可見的。承載功能安全數(shù)據(jù)的總線系統(tǒng)，不執(zhí)行任何安全相關(guān)任務(wù)；它僅用作傳輸介質(zhì)。黑色通道方法意味著安全評(píng)估不必包含運(yùn)輸機(jī)制和介質(zhì)。

為了符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，安全總線數(shù)據(jù)容器必須未經(jīng)修改地從安全發(fā)送者傳輸?shù)桨踩邮照?，無論使用哪種傳輸系統(tǒng)。安全措施封裝在終端設(shè)備中。

▲圖1：通過黑色通道方法，將安全措施封裝在安全終端設(shè)備中。

02

完整的安全功能和認(rèn)證

在機(jī)器安全方面，用戶必須確保所有進(jìn)入系統(tǒng)的內(nèi)容都是準(zhǔn)確的。FSoE具有豐富的功能，有助于檢測安全通信中的錯(cuò)誤，包括：

■?每個(gè)FSoE設(shè)備都有一個(gè)唯一的16位地址。

■?每個(gè)安全數(shù)據(jù)容器對安全數(shù)據(jù)都有一個(gè)單獨(dú)的循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）。

■?每個(gè)FSoE設(shè)備都有自己的內(nèi)部狀態(tài)機(jī)。在啟動(dòng)期間，安全設(shè)備必須通過狀態(tài)機(jī)來傳送安全數(shù)據(jù)。

■?如果出現(xiàn)錯(cuò)誤，狀態(tài)機(jī)將重置，設(shè)備將進(jìn)入安全狀態(tài)，安全控制器必須重新建立連接。

■?每次正確處理完安全數(shù)據(jù)時(shí)，看門狗計(jì)時(shí)器（WD）都會(huì)重置。如果存在多個(gè)連續(xù)校驗(yàn)和錯(cuò)誤或通信丟失，計(jì)時(shí)器將超時(shí)并將安全設(shè)備置于安全狀態(tài)。

FSoE協(xié)議符合IEC 61508安全完整性等級(jí)SIL 3以及IEC 61784-3的相關(guān)要求。國際公認(rèn)的獨(dú)立安全認(rèn)證機(jī)構(gòu)TüV南德意志集團(tuán)已對FSoE協(xié)議進(jìn)行了評(píng)估和認(rèn)證。這意味著系統(tǒng)集成商無需證明FSoE協(xié)議認(rèn)證設(shè)備的適用性，因此在認(rèn)證機(jī)器或過程方面的工作量要小得多。

FSoE協(xié)議的特殊特性也確保了FSoE的黑色通道獨(dú)立于底層現(xiàn)場總線通信系統(tǒng)。對于其它安全系統(tǒng)，用戶必須遵守某些限制，例如，確保基礎(chǔ)總線系統(tǒng)滿足特定的可靠性要求。

▲圖2：開放式 FSoE 協(xié)議支持機(jī)器之間的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)交換。

03

增加開放性和加強(qiáng)安全通信

從一開始，ETG技術(shù)協(xié)會(huì)就專注于確保EtherCAT技術(shù)的開放性和可訪問性。FSoE已在IEC 61784-3-12中實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，是免費(fèi)許可的，也是開放協(xié)議。任何ETG成員都可以訪問所有FSoE文件，并可以自由開發(fā)和銷售安全設(shè)備。

一些安全協(xié)議是封閉的和專有的。任何具有專有安全解決方案的控制解決方案，在很大程度上都會(huì)將開發(fā)人員和最終用戶的選擇，限制在同一個(gè)供應(yīng)商的硬件和工具上。

盡管用戶在技術(shù)上可以通過任何通信總線使用FSoE，但EtherCAT在架構(gòu)和功能方面的高效提供了關(guān)鍵優(yōu)勢，例如：

■?實(shí)時(shí)反應(yīng)。即使在高度動(dòng)態(tài)的驅(qū)動(dòng)架構(gòu)中也是如此。

■?簡化的系統(tǒng)。布線和系統(tǒng)擴(kuò)展都更簡單，診斷效果更好，因此可用性更高。一條電纜可以非常容易地取代所有離散的安全布線。

■?更低的成本。可以使用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)以太網(wǎng)電纜和連接器。安全數(shù)據(jù)和過程數(shù)據(jù)可以共享一個(gè)網(wǎng)絡(luò)和一條電纜。

無論是集中的還是分散的安全邏輯都是可能的，這意味著可以將安全功能添加到控制系統(tǒng)中，而不必用復(fù)雜的安全控制器替換可編程邏輯控制器（PLC），因?yàn)闊o需重寫應(yīng)用程序代碼。由于它們共享相同的通信系統(tǒng)，安全控制器可以將安全事件通知非安全控制器，例如在工廠的另一端按下緊急停止裝置。

04

集成安全系統(tǒng)真的安全嗎？

有時(shí)會(huì)被問到一個(gè)問題：“如果安全數(shù)據(jù)中的一個(gè)點(diǎn)啟動(dòng)電機(jī)，而該點(diǎn)是由故障幀錯(cuò)誤設(shè)置的，會(huì)發(fā)生什么事？”答案是讓兩件事協(xié)同工作：循環(huán)冗余校驗(yàn)和看門狗計(jì)時(shí)器。

■?循環(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）。在滿足安全總線可靠性要求方面，通過CRC檢測損壞的數(shù)據(jù)起著關(guān)鍵作用。包含EtherCAT數(shù)據(jù)報(bào)的每個(gè)以太網(wǎng)幀，在每個(gè)EtherCAT設(shè)備的每個(gè)端口都做一次整體CRC檢查。如果發(fā)現(xiàn)CRC錯(cuò)誤，則該幀無效。每個(gè)安全容器也有自己的CRC，由FSoE控制器和FSoE設(shè)備分別評(píng)估，因此任何損壞的數(shù)據(jù)都不會(huì)影響系統(tǒng)。

■?看門狗計(jì)時(shí)器（WD）。超時(shí)對于檢測FSoE通信錯(cuò)誤也至關(guān)重要。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的速度，在EtherCAT看門狗超時(shí)（通常為100毫秒）之前，不會(huì)發(fā)生任何事情。計(jì)時(shí)器在接收到非錯(cuò)誤幀后自行復(fù)位。還有一個(gè)單獨(dú)的FSoE看門狗（通常也是100毫秒），這同樣適用：如果FSoE看門狗超時(shí)，安全組將收到通信錯(cuò)誤并進(jìn)入安全狀態(tài)。因此，用戶可以區(qū)分安全相關(guān)的通信問題。

▲圖3：EtherCAT功能安全協(xié)議Safety over EtherCAT–系統(tǒng)示例。

此外，F(xiàn)SoE允許在具有ETG.6100.1安全驅(qū)動(dòng)配置文件的驅(qū)動(dòng)器中實(shí)現(xiàn)功能安全。FSoE控制命令允許根據(jù)IEC 61800-5-2實(shí)現(xiàn)高級(jí)安全運(yùn)動(dòng)功能。這意味著FSoE驅(qū)動(dòng)器可以處理日益流行的安全功能，如安全扭矩關(guān)閉（更換冗余電機(jī)接觸器）、安全速度范圍、安全停機(jī)等。FSoE驅(qū)動(dòng)中的安全功能，可以由驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部邏輯或FSoE觸發(fā)。驅(qū)動(dòng)器的安全狀態(tài)字可通過FSoE傳回安全控制器，這是一種功能齊全的診斷工具。

05

確保安全裝置的互操作性

一致性和互操作性始終受到重視，F(xiàn)soE實(shí)施、測試和發(fā)布的生態(tài)系統(tǒng)，使得安全設(shè)備的測試得以簡化。ETG的目標(biāo)是支持FSoE設(shè)備制造商順利通過認(rèn)證，從而盡快將產(chǎn)品投入市場。

安全設(shè)備必須首先通過內(nèi)部一致性測試，然后通過專門針對 FSoE 設(shè)備的一致性測試，該測試使用 TüV 認(rèn)證的測試用例。此外，所有FSoE設(shè)備還必須在位于德國紐倫堡的EtherCAT測試中心，通過完整的一致性測試（基本一致性和FSoE一致性），而FSoE測試由TüV人員在同一地點(diǎn)進(jìn)行，因此一次預(yù)約可以完成所有測試。

最后，供應(yīng)商可以到其認(rèn)證機(jī)構(gòu)獲得最終設(shè)備的批準(zhǔn)和認(rèn)證。ETG一致性方法有助于設(shè)計(jì)安全裝置并確保其互操作性。由于該設(shè)備可以與系統(tǒng)中的其它設(shè)備互操作，因此機(jī)器制造商、系統(tǒng)集成商和最終用戶都將從中受益。

FSoE是一個(gè)開放式安全系統(tǒng)，擁有多家安全控制器、安全輸入和輸出以及功能安全驅(qū)動(dòng)器供應(yīng)商。一致性和互操作性受到重視，用戶可以從多個(gè)供應(yīng)商處獲得理想的安全系統(tǒng)。該系統(tǒng)中的FSoE設(shè)備有助于確保一切安全工作。

編輯：黃飛

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