工业通信协议的功能安全

0、工业控制通信协议

在经典的工业控制领域，通信网络通常分为四层；信息层、管理层、控制层和设备层。

在电力系统的变电站自动化控制系统里，通信网络通常分为站控层、过程层和间隔层。

工业控制自动化的设备层、变电站自动化的间隔层，网络通信通常被称为Process Bus（过程总线型）。过程总线通信有很多种类型，例如Profibus, filedbus, Modbus, CIP等。本文谈谈过程总线的功能安全性问题。

1、工业控制网络功能安全 Fuctional safety fieldbus

工业控制网络的功能安全标准IEC61784-3，是继承《IEC61508电气电子/可编程控制系统功能安全》和《IEC61511流程控制领域功能安全》标准制定。

跟IEC61784 Functional safety communication profiles相关的信息安全与功能标准，如下图。

2、CIP SAFETY：通用工业协议的功能安全

CIPSafety把安全技术与工业网络结合在一起，提供了安全化网络的解决方案。安全化网络的优势是不仅降低了布线、维护等成本，提高了生产效率。同时，CIP Safety继承了CIP（通用工业协议）网络资源，能更加有效地保障安全生产，防止或最大限度地避免人身与财产安全事故的发生。制定CIPSafety国家标准将更好地规范和指导广大用户掌握和运用该项先进的现场网络技术，促进我国工业自动化技术的发展。

针对EtherNet/IP和DeviceNet网络上的功能安全应用，CIP Safety提供了节点之间的失效安全通讯，例如安全I/O模块、安全联锁开关、安全光幕以及达到安全完整性等级（SIL）3的安全应用中的安全PLC。CIP Safety，作为通用工业协议（CIP）在EtherNet/IP和DeviceNet网络上对功能安全应用的扩展，提供了节点之间的失效安全通讯，例如安全I/O模块、安全联锁开关、安全光幕以及达到安全完整性等级（SIL）3的安全应用中的安全PLC，符合IEC 61508标准要求，并且已经取得T?V Rheinland认证。从2005年开始，CIP Safety设备就已经被采用，根据IMS Research 2011年进行的工业网络全球市场研究报告，CIP Safety是最大的安全网络协议，覆盖了30%的已安装节点。CIP Safety不仅被EtherNet/IP和DeviceNet采纳，还被作为能够应用于SERCOS III网络的唯一安全协议被SERCOS International所接受。

采用了CIP的安全应用，能够在同一个网络或者同一条引线上混合使用安全设备和标准设备，集成方便，提高了使用灵活性。由于安全应用层的扩展并非依赖于下层的标准CIP服务和数据链路层，所以单通道（无冗余）硬件能够被用于数据链路通讯接口。由于采用了同样的功能划分方法，所以可以使用标准路由器传输安全数据。安全信息的路由成为可能，因为终端设备会负责确保数据的完整性。如果传输中发生了差错，终端设备能够检测出故障并采取相应措施。

在CIP Safety应用中，安全数据可以在DeviceNet和EtherNet/IP之间传输。有了这种路由能力，就能够快速地与一种网络（例如DeviceNet）互联并建立CIP Safety单元，同时可通过另外的网络（例如EtherNet/IP）与其他单元互联。只有所需的安全数据才会被路由到需要的单元中，这降低了对于独立带宽的要求。快速响应本地安全单元以及单元内部安全数据的路由，使得用户能够以足够快的响应速度创建安全应用。

EtherNet/IP上的CIP Safety用户不仅能够得益于CIP Safety本身的好处，还同时获得了CIP和EtherNet/IP的优势。CIP能为工业自动化应用——控制、安全、能源、同步和运动、信息和网络管理——提供一系列完整的消息和服务，并允许用户将这些应用集成到企业级EtherNet和互联网中去。EtherNet/IP——在标准EtherNet技术（IEEE802.3与TCP/IP的结合）上吸收了CIP技术——为用户提供了网络工具，使其能够实现工业自动化应用，同时还能确保互联网和企业内部互联，随时随地保障数据传输。

运动控制网络化应用的发展对于安全技术来说是重要的一步通信系统安全，ODVA作为管理CIP Safety技术的组织，正在致力于向安全运动扩展，采用IEC61800-5-2（可调速电力传动系统-第5-2部分：安全要求-功能）标准中定义的安全功能。

3、PROFIsafe：ProfiBus and ProfiNet Safety 功能安全

2015年12月16日，中国国家标准化委员会正式批准基于Profibus DP和Profinet IO的功能安全通信行规——PROFIsafe为推荐性国家标准，标准号为GB/T 20830-2015。这是国内首个成为国家推荐性标准的功能安全通信行规，安全通信标准的发布将推动我国制造业向更加智能化和全面自动化的方向快速发展。西门子作为PROFIsafe技术的主要推动者，提供了完整的功能安全解决方案，涵盖安全型PLC、驱动、I/O和传感器等。

通过网络实现功能安全能够减少布线和所需硬件，缩短安装和调试时间，并延长运行时间。有了PROFIsafe（PI组织推出的功能安全行规），就能够在Profibus和Profinet之间实现信息的透明交换。

在PLC和现场总线出现后的几十年间，继电器和硬连线仍就被认为是确保安全的必备方法。2002年的设备布线标准在美国做了更改，允许在逻辑控制器中实现安全性配置，也允许通过网络传输安全相关信息。至此，PLC和现场总线的优势才能够用于安全应用中。从网络化的功能安全出现至现在已近过去了十年控制工程网版权所有，现在是时候在你的工厂中采用这种技术了。

IEC 61508将安全定义为“不受来自于直接或者间接物理伤害或者人员健康伤害所带来的不良风险所导致的对于资产或者环境损害的影响。”这使功能安全成为“总体安全的一部分，而总体安全来自于系统或者设备对于输入做出正确的响应。”安全信息通过现场总线或者工业以太网传输，就是我们所说的网络化的功能安全。功能安全不仅仅是对于安全信息的传输和响应。

网络化的功能安全架构中黄色设备为支持PROFIsafe的设备：控制器、IO端口、驱动器和过程仪表。

功能安全开始于风险评估。有多种方法可以降低风险，从识别系统到对安全线路进行防护。网络化的功能安全不仅仅针对网络——还包括网络所需的具有安全等级的IO和控制器。

在离散逻辑占主导地位的应用中或者具有多种变量和诊断数据的过程仪表中，网络化的功能安全都有用武之地，运动控制也适用于网络化的功能安全。运动控制的安全选项曾经只有断电和实施外部关断功能，现在，还有其他的安全选项可用，例如“回到安全位置”。

一个自动流水线生产厂商放弃了硬连线安全电路控制工程网版权所有，转而使用PROFIsafe技术控制工程网版权所有，安全元件的数量减少了85%，布线数量也减少了。流水线占用更少的空间（更小的外壳）。工厂组建时间从几周缩减至一个下午。

网络化的功能安全是一种正在被广泛使用并证实有效的技术，其具有显著的优势，ARC白皮书称：“安全因此从一种成本负担转化为提升生产力和缩短停机时间的契机。”

（编辑：云计算网_宿迁站长网）

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