Profinet通信协议如何实现功能安全？

显示全部楼层 · 2024-1-26 14:15:14

图片来源：PI

作者 | Nelly Ayllon

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PROFIsafe扩展了Profinet通信协议，以满足为符合严格安全标准所必需的安全相关信息的独特要求。
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功能安全（故障安全）是一个系统或是设备整体安全的组成部分，旨在预防因工业机械功能故障而导致的危险。过去，功能安全系统依赖于单独布线的电路，其构建、调试和维护的成本很高。如今，功能安全可以通过现场总线实现，已经从硬继电器安全转变为逻辑安全。

PROFIsafe 可以通过总线提供功能安全。它旨在消除对独立安全网络的需求，并将工业网络架构简化为一条总线。PROFIsafe 扩展了 Profinet 通信协议，以满足为符合严格安全标准所必需的安全相关信息的独特要求。

功能安全标准

故障安全信号在安全设备和安全控制器之间传输，PROFIsafe 可以确保这些信号的完整性，符合相关安全标准。其中包括最高的安全等级：根据 IEC 61508/IEC 62061，最高安全等级为 SIL3 ；根据 EN 954-1，最高安全等级为 4 ；根据 ISO 13849-1，最高安全等级为 PL“e”。

故障安全部件

并非所有 Profinet 设备都支持 PROFIsafe。因此，用户必须谨慎选择安全部件。在实施过程中，用户可以选择网络所需要的安全部件；只有这些网络部件需要 PROFIsafe 功能。如图1 所示，整个网络配置可能包含故障安全（黄色）和标准（灰色）部件的混合。另外，PROFIsafe 的设计独立于基本传输通道，无论该通道是铜线、光纤、无线还是背板。

▎图 1 ：PROFIsafe 旨在独立于基本传输通道（例如铜线、光纤、无线或背板）工作。图片来源：PI 组织

PROFIsafe 部件通常被称为F部件（故障安全）。以下是 F 系统中的 PROFIsafe 部件：

F-GSD 文件（通用站描述文件：设备制造商提供的 Profinet 设备描述）包含允许 F 控制器配置设备并与设备通信所需的所有信息。循环冗余校验 (CRC) 保护 F-GSD 文件以确保其安全一致性。

F-config 工具是编程环境。它使用 F-GSD 创建系统配置和 F 程序并将其下载到 F 控制器。F 程序和配置经过 PROFIsafe 安全检查以确保正常运行。

F-controller 执行安全程序。

F-Device 使用硬件安全技术来确保其安全运行。输入 / 输出 (I/O)、光幕、阀门和驱动器是 F- 设备的一些案例。

PROFIsafe 的保护机制

PROFIsafe 保护从安全信号源到信号目的地（反之亦然）的通信。它还有助于确保通信安全部分的完整性。在任何基于以太网的网络中，都可能发生某些通信错误，例如消息重复、删除或延迟。PROFIsafe 集成了多种补救措施来应对所有可能出现的通信错误。表1列出了补救措施并指出了它们所应对的错误类型。

▎表：PROFIsafe 包含多种补救措施，以相应地解决所有可能的通信错误。

安全网络错误和补救措施

传输协议的传输速率和任何内置的错误检测机制，都被认为是“黑色通道”，在安全方面都没有任何作用（图 2）。这种方法使用户不必担心各个系统通信路径的安全评估。此外，不需要安全等级的电缆或连接器。

▎图 2 ：黑色通道原理示例。

选择将配置文件添加到 Profinet 产品的设备制造商，必须在向公众提供此类产品之前，对其进行 PROFIsafe 认证。以下所列的 PI 测试实验室，是评估机构进行经授权的 PROFIsafe 层测试：TÜV（全球），IFA（德国），SP（瑞典），SUVA（瑞士），HSE（英国）和 FM、UL（美国）。

关键概念：

■ 功能安全旨在防止因工业机械功能不正常而导致的危险。

■ PROFIsafe 消除了对独立安全网络的需求，并将工业网络架构减少到单一总线。

■ PROFIsafe 保护从安全信号源到信号目的地的通信。

思考一下：

在通信协议方面，贵公司面临哪些工业网络挑战？

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本文来自于控制工程中文版（CONTROLENGINEERINGChina）2021年10月刊《聚焦自动化》栏目：基于以太网通信协议的功能安全网络

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