久久久91-久久久91精品国产一区二区-久久久91精品国产一区二区三区-久久久999国产精品-久久久999久久久精品

   摘要：本文首先介紹了西門子工業(yè)安全的理念和基本方法，并在此基礎(chǔ)上闡述了基于PROFINET總線的安全總線協(xié)議PROFIsafe的安全原理和特點，針對生產(chǎn)工藝和控制方式特點，對PROFIsafe在立體庫這一對安全程度要求比較高的行業(yè)中的應(yīng)用，從風(fēng)險的降低辦法到風(fēng)險監(jiān)控的實現(xiàn)等方面進(jìn)行了詳細(xì)介紹。

   關(guān)鍵字：安全總線；PROFIsafe；PROFINET；安全模塊；安全系統(tǒng)

   1　西門子安全集成技術(shù)

   安全集成是西門子用于自動化控制中的安全技術(shù)，它將自動化工程先進(jìn)的成功技術(shù)和系統(tǒng)用于安全工程。工業(yè)自動化領(lǐng)域中很多行業(yè)對安全有著非常高的要求，比如汽車行業(yè)，煤礦行業(yè)，機(jī)械行業(yè)以及機(jī)場，鐵路系統(tǒng)等。所謂集成安全，即將安全技術(shù)內(nèi)嵌于自動化工程中，完成符合安全標(biāo)準(zhǔn)要求的安全功能，最后實現(xiàn)自動化工程中的安全工程。 西門子安全集成技術(shù)覆蓋從傳感器、控制器直至實行機(jī)構(gòu)，甚至包括上位監(jiān)控系統(tǒng)的整個系列，同時也包括標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線上的安全相關(guān)通信。安全集成技術(shù)符合國際安全標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508、IEC62061或 ISO13849-1以及我國安全標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20438等標(biāo)準(zhǔn)的要求，能夠?qū)崿F(xiàn)SIL 3或Category 4級的高安全等級以確保安全，極大地滿足了客戶需求。

   安全集成技術(shù)覆蓋下的控制器和驅(qū)動裝置除基本功能外，同時具備集成安全功能，這種合二為一的特點不僅使它們確保可靠的安全性，能保證系統(tǒng)運行時高度的靈活性和高生產(chǎn)率。

  將安全技術(shù)集成到標(biāo)準(zhǔn)自動化控制的優(yōu)點包括：

   具有集成安全功能的自動化控制系統(tǒng)比電子機(jī)械類的解決方案更加靈活可靠。

  硬件和接線成本更低。由于使用集成解決方案，使接線方法更加簡便；硬件上在集成安全CPU中同時執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)功能和安全功能，只需要一個CPU即可滿足所有要求。

   工程更加簡化。使用標(biāo)準(zhǔn)工程工具對標(biāo)準(zhǔn)部分和安全部分進(jìn)行組態(tài)和編程， 因此集成所需的工程量更少。

   安全相關(guān)組件和標(biāo)準(zhǔn)程序組件間的通訊非常簡單。二者之間仍舊基于PROFIBUS或者PROFINET機(jī)制進(jìn)行通訊，通過加載PROFIsafe安全行規(guī)確保信息傳輸過程當(dāng)中的安全性。

  本文就將詳細(xì)介紹這種基于PROFINET的安全通信行規(guī)PROFIsafe的安全通信協(xié)議以及它在立體庫的應(yīng)用。在此之前，我們先來了解一下?lián)碛邪踩杉夹g(shù)的西門子故障安全系統(tǒng)。

   2　西門子故障安全系統(tǒng)

   西門子故障安全自動化系統(tǒng)，又稱為F系統(tǒng)（使用Failsafe的第一個字母），它是用于將整個系統(tǒng)控制在安全狀態(tài)，或是關(guān)閉后立即達(dá)到安全狀態(tài)，以避免對人員、設(shè)備投資或者環(huán)境造成危害。

   一個合格的故障安全系統(tǒng)還必須具有這樣的特點：當(dāng)使用一系列自動化安全裝置構(gòu)造一個故障安全系統(tǒng)后，該系統(tǒng)可實現(xiàn)一系列的故障安全保護(hù)功能。 當(dāng)這其中的一個或多個自動化裝置發(fā)生故障時，此系統(tǒng)仍能夠繼續(xù)執(zhí)行安全功能。對安全要求較高的系統(tǒng)必須使用故障安全系統(tǒng)，故障安全系統(tǒng)的另一個好處是其可以列出詳細(xì)的診斷信息，幫助用戶診斷和定位故障，并且安全系統(tǒng)中的故障檢測和本地化操作功能可以允許生產(chǎn)出現(xiàn)安全相關(guān)中斷后快速恢復(fù)生產(chǎn)，有效地保證生產(chǎn)效率。
  
                      
                　                  圖1 西門子安全集成系統(tǒng)構(gòu)成

   西門子故障安全系統(tǒng)的構(gòu)成如圖1所示。

   根據(jù)圖1可以看出，西門子安全集成系統(tǒng)的構(gòu)成非常簡單緊湊，安全的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以通過安全I(xiàn)/O模板連接到總線系統(tǒng)中，安全信號和標(biāo)準(zhǔn)信號經(jīng)過安全傳感器采集到安全輸入模板中，在通過PROFIsafe安全無誤的傳送給安全集成PLC，經(jīng)過安全PLC處理后的安全信號再由PROFIsafe傳送給安全輸出模板，經(jīng)由安全執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成安全動作，使系統(tǒng)進(jìn)入到安全狀態(tài)。標(biāo)準(zhǔn)I/O模板可以和安全I(xiàn)/O模板安裝在一個機(jī)架上；一個西門子安全CPU可以對采集上來的安全信號和標(biāo)準(zhǔn)信號進(jìn)行處理，極大地節(jié)省了硬件成本；同樣精妙的在于總線部分，加載與標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議PROFIBUS DP或PROFINET總線之上的安全行規(guī)PROFIsafe可以在傳輸標(biāo)準(zhǔn)信號的情況下，高安全標(biāo)準(zhǔn)的傳輸安全信號。通過集成安全用戶可以獲得更精簡的設(shè)計和工程操作；更快速的響應(yīng)時間，最快響應(yīng)速度可以達(dá)到50ms；以及安全可靠性極高的安全通信PROFIsafe而無需多花費額外的硬件成本。對于立體庫的控制，有時候常常要通過無線，在這里，PROFIsafe最大的亮點之一，它也支持無線的通信協(xié)議，換言之，就是它能夠確保無線通信下的數(shù)據(jù)傳輸安全。那么，PROFIsafe是如何實現(xiàn)這種安全無誤的信號傳輸?shù)哪兀肯旅嫖覀冎攸c來介紹一下PROFIsafe安全行規(guī)及其原理。

   3　PROFIsafe安全行規(guī)

   3.1　安全總線概述

   隨著現(xiàn)場總線技術(shù)在工業(yè)自動化領(lǐng)域的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，其傳輸速度和相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能在不斷的提高。與此同時，也出現(xiàn)了很多問題。比如傳輸過程當(dāng)中的響應(yīng)時間較長；數(shù)據(jù)包在傳輸過程當(dāng)中的丟失和錯誤等，這些都給用戶帶來了極大的困擾。在這種情況下，故障安全通信技術(shù)也越來越成為工業(yè)用戶，特別是有安全需求的工業(yè)用戶的一大訴求。如何使工業(yè)控制系統(tǒng)的信號傳輸更具安全性和可靠性，并且在此基礎(chǔ)上更兼具靈活性和經(jīng)濟(jì)性，成為各大自動化設(shè)備廠商思考的問題。

   1998年德國PROFIBUS用戶組織（PNO）以故障安全技術(shù)的應(yīng)用為目標(biāo)，專門設(shè)立了一個工作組，著手制定一種整體的，開放的安全總線解決方案。1999年，PNO在德國漢諾威博覽會上公布了在標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS上實現(xiàn)主-從站之間故障安全通信的技術(shù)規(guī)范，其注冊名為PROFIsafe，當(dāng)時的版本為V.1.0。之后，該規(guī)范的使用范圍逐漸擴(kuò)大，成為連接任何安全控制器所必備的先決條件。隨著從站與從站之間故障安全通信的出臺，PROFIsafe的工作進(jìn)入了第二階段，即版本V.2.0 Sep.2005。以西門子為首的德國25家知名企業(yè)參與了PROFIsafe應(yīng)用行規(guī)的制定和產(chǎn)品開發(fā)。
  
                     
                             　圖2 截止2011年P(guān)ROFIsafe的節(jié)點數(shù)

   PROFIsafe的問世也在國際現(xiàn)場總線技術(shù)領(lǐng)域中引起轟動，它符合國際安全標(biāo)準(zhǔn)IEC61508享有廣泛的國際接受度。PROFIBUS和PROFINET總線因擁有PROFIsafe故障安全技術(shù)解決方案成為能夠極大滿足制造業(yè)和過程工業(yè)自動化故障安全通信要求的現(xiàn)場總線。到目前為止，PROFIsafe擁有超過850,000個節(jié)點數(shù)，成為安全控制解決方案中節(jié)點數(shù)最多的安全總線（如圖2所示）。并且早在2007年1月PROFIsafe就已成為中華人民共和國功能安全方面最早的國家標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件——GB/Z 20830-2007。

  與其他公司的安全通信協(xié)議相比，如Pilz公司的SafetyBus p以及OMRON、Rockwell公司的Devicenet Safety等，PROFIsafe提供了更加廣泛的通信方式和靈活性，它將安全信號和標(biāo)準(zhǔn)信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，使得他們可以在PROFIBUS DP或PROFINET通信的基礎(chǔ)上同時共用一條通信鏈路。此外PROFIsafe的開放性使其能夠自由地連接各個支持其協(xié)議的廠家的產(chǎn)品，目前有大量的安全設(shè)備生產(chǎn)廠商都提供支持PROFIsafe的設(shè)備，如邦納、倍加福、西克、圖爾克和萬可等。

  3.2　PROFIsafe的“黑色通道”原理

   工業(yè)過程中固有地存在人身傷害、財產(chǎn)損失、環(huán)境破壞的風(fēng)險。因此，現(xiàn)在幾乎沒有一臺機(jī)器或一件裝置沒有急停按鈕，以此指示安全系統(tǒng)的存在。自動化工程中安全的重要性在穩(wěn)步增加，而PROFIsafe實現(xiàn)了這些相關(guān)要求。

   PROFIsafe行規(guī)將標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線技術(shù)和故障安全技術(shù)合二為一，即在同一根電纜中進(jìn)行故障安全通信和標(biāo)準(zhǔn)通信，這樣，安全通信不用通過額外的電纜來實現(xiàn)，當(dāng)然如果系統(tǒng)需要獨立的安全總線，PROFIsafe也可以實現(xiàn)。即PROFIsafe可以完成單總線結(jié)構(gòu)也可根據(jù)要求采用標(biāo)準(zhǔn)總線和安全總線分開的結(jié)構(gòu)。

   早些時候，故障安全通信技術(shù)方面的任務(wù)只能在第二層采用常規(guī)手段或者通過專用總線分散地加以解決。這樣不僅增加成本而且使系統(tǒng)的靈活性也大大降低了。而PROFIsafe的結(jié)構(gòu)，根據(jù)其ISO/OSI的簡化模型，PROFIsafe位于ISO/OSI的模型第7層之上的安全層（Safety-Layer），其功能為僅負(fù)責(zé)有效數(shù)據(jù)的安全傳送，而有效數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備和提供則是由依照故障安全技術(shù)要求設(shè)計的固件來完成，即由安全數(shù)據(jù)的發(fā)送方和接收方完成。PROFIBUS在ISO/OSI模型中使用了1、2和7層，相對安全層來說，它是一個黑色通道（Black Channel）。這就是PROFIsafe的黑色通道原理，如圖3所示。
 
                      
                                 圖3 PROFIsafe的黑色通道原理

   表1列出了通信過程中可能發(fā)生的錯誤類型和PROFIsafe的檢測機(jī)制。
 
   表1 通信中可能發(fā)生的錯誤類型和PROFIsafe的檢測機(jī)制
  
                    
 
   3.3 PROFIsafe報文結(jié)構(gòu)

  圖4為PROFIsafe通信報文結(jié)構(gòu)的一個簡單示意，安全通信的報文與標(biāo)準(zhǔn)通信報文可以同時在PROFIBUS DP或PROFINET網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行。通過增加CRC校驗，可以保證數(shù)據(jù)在傳輸過程當(dāng)中的安全性和可靠性。
  
                    
                           　圖4 PROFIsafe的報文格式

   為了避免數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸錯誤，PROFIsafe采用了若干中防范機(jī)制如故障安全按位編號、帶應(yīng)答的時間監(jiān)控、用密碼標(biāo)識發(fā)送器和接收器以及增設(shè)16/32位循環(huán)冗余校驗（CRC）等措施以保證數(shù)據(jù)的安全。此外，PROFIsafe還采用了SIL-Monitor專利技術(shù)，通過PROFIsafe-驅(qū)動器軟件對其安全狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控。通過SIL-Monitor安全專利技術(shù)，西門子故障安全系統(tǒng)能夠在故障率超過一定限度之前即采取有效的安全保護(hù)措施，以避免故障保證系統(tǒng)的運行安全。

   3.4　PROFIsafe的優(yōu)勢

   和以往傳統(tǒng)獨立的安全總線相比PROFIsafe具有如下優(yōu)點：

   安全通信和標(biāo)準(zhǔn)通信在同一根電纜上共存，有效地提高了安全系統(tǒng)的靈活性并在很大程度上降低了硬件成本。

   符合IEC 61508國際安全標(biāo)準(zhǔn)可支持到SIL3的最高安全完整性等級。

   通過安全主站和從站將故障安全機(jī)制進(jìn)行封裝，通過SIL監(jiān)視器獲得極高的安全性。

   PROFIsafe-故障安全性建立在單信道通信系統(tǒng)之上，安全通信不通過冗余電纜來達(dá)到目的。

   既可以用于工廠自動化，也可用于過程自動化。可以實現(xiàn)無線通信下的數(shù)據(jù)安全。

  PROFIsafe是加載于標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場總線技術(shù)的故障安全行規(guī)，以此實現(xiàn)故障安全通信和標(biāo)準(zhǔn)通信共存于同一根電纜上，通過這種方法簡化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。這不僅在接線，硬件，以及工程的編程組態(tài)上可以極大地節(jié)省成本，而且其帶來的系統(tǒng)靈活性也使之后系統(tǒng)的改造和升級更加容易。當(dāng)然，如果需要標(biāo)準(zhǔn)和安全獨立分開的系統(tǒng)構(gòu)型，PROFIsafe也可能輕松實現(xiàn)。下面就讓我們通過一個實例來切身感受PROFIsafe帶來的便利。

  4　基于PROFINET的安全行規(guī)PROFIsafe在立體庫中的應(yīng)用

   立體庫由于其工藝特點，涉及三維的動作控制，且運動頻繁，一旦急停，或者某些元器件失效，或者不受控，都會帶來非常嚴(yán)重的后果。在此基礎(chǔ)上，安全功能：包括緊急停止按鈕裝置、安全門、行程限位以及一些光電檢測等安全功能都需要使用相應(yīng)的安全解決方案確保人員設(shè)備的安全萬無一失。

   下面就來介紹一種立體庫中所使用的安全解決方案。在本例中，用戶的需求是保證操作人員在進(jìn)行立體庫控制時人員和設(shè)備的安全性，其安全功能涉及上文所提到的緊急停止按鈕裝置，安全門，行程限位以及光柵。當(dāng)人員一旦走進(jìn)危險區(qū)，光柵中的光線被遮擋，立即使立體倉庫停止運動。這樣就需要保證人進(jìn)入危險區(qū)域時，立體庫有足夠的時間停下來進(jìn)入安全狀態(tài)。整個應(yīng)用需要無線控制并且能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。生產(chǎn)線布置有許多急停按鈕，其觸點信號被接入故障安全模板，在F- CPU中經(jīng)過程序處理然后控制生產(chǎn)線的分段供電。此外，急停信號還需要在不同的S7300F-CPU中通過DP/DP Coupler進(jìn)行通信。工廠本身具備局域網(wǎng)，無線設(shè)備通信和WIFI802.11a/b/g。

   該應(yīng)用的幾個安全技術(shù)關(guān)鍵點在于：

   需要系統(tǒng)能夠在緊急情況下停機(jī)或者進(jìn)入到相應(yīng)的安全狀態(tài)；

  自動控制系統(tǒng)可以被設(shè)置為禁用或用手動代替；

  工廠中的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)可以被設(shè)置為禁用；

  如果通信中斷，工廠的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)能夠安全停機(jī)；

  如果控制系統(tǒng)失效，工廠的自動控制系統(tǒng)可以安全停機(jī)；

  在執(zhí)行其設(shè)計參數(shù)外的操作或工廠控制失效時，控制系統(tǒng)需要安全停機(jī)或進(jìn)入安全狀態(tài)。

  西門子根據(jù)用戶和系統(tǒng)要求提供了解決方案： 由SIMATICS7-300 F安全控制器作為主控制器，用以處理標(biāo)準(zhǔn)功能和故障安全功能；光柵控制部分通過分布式I/O系列 SIMATIC ET200S進(jìn)行連接，用以采集光柵的信號；電源系統(tǒng)通過SITOP和SCALANCE交換機(jī)系列進(jìn)行控制；整個工廠通過無縫嵌入的WinCC安全控制臺來進(jìn)行監(jiān)控和遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過該安全控制臺更加快速簡便的獲得自動控制的故障數(shù)據(jù)和診斷信息，并能實時提供狀態(tài)信息。

   在危險區(qū)域的進(jìn)入控制上，黃色安全門中使用了安全接近開關(guān)；上方黃色部分通過拉線開關(guān)進(jìn)行安全進(jìn)入控制。

  總體的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。總控由位于圖5左側(cè)上方的300F CPU實現(xiàn)，入口光柵安全控制，急停控制以及限位的安全控制由 ET200M完成，相應(yīng)的安全機(jī)制加載于安全F-CPU和ET200MF-IO的安全模板中，對安全接近開關(guān)和拉線開關(guān)等安全輸入信號進(jìn)行處理，然后通過PROFIsafe可靠的傳輸給進(jìn)行立體庫的ET200M進(jìn)行安全信號輸出。整個安全系統(tǒng)達(dá)到SIL3級或Cat4級，能夠在系統(tǒng)失效和通信中斷情況下確保系統(tǒng)進(jìn)入安全狀態(tài)或者安全停機(jī)。與此同時，標(biāo)準(zhǔn)信號模板也可以安裝在ET200 M站點中，由300F CPU進(jìn)行信號處理，有效地節(jié)省了硬件和工程成本。

  安全的無線通信是該應(yīng)用的亮點， PROFIsafe可以加載于PROFINET無線通信之上，其可靠的安全機(jī)制（如圖5所示），保證無線通信中信號傳輸?shù)陌踩砸约鞍踩暾缘燃夁_(dá)到SIL3級，滿足了用戶的要求。另外，西門子的無線安全集成面板可以通過無線和安全PLC相連，在全廠信號覆蓋的位置進(jìn)行全局安全監(jiān)控，為立體庫的控制帶來了極大的便利性和可靠性。
  
                 
                      　圖5 安全終端以及PROFIsafe安全機(jī)制

   該項目一經(jīng)使用，獲得用戶的一致肯定。西門子為其設(shè)計的安全控制解決方案創(chuàng)建了一個易于擴(kuò)展的3級區(qū)域隔離系統(tǒng)；削減了診斷故障造成的停機(jī)時間；并且可以自定義操作區(qū)的規(guī)模；憑借安全產(chǎn)品的高性能提供了安全系統(tǒng)更快的響應(yīng)時間以增加操作區(qū)域并保證設(shè)備可以以更快的速度工作；PROFIsafe基于無線PROFINET網(wǎng)絡(luò)的安全通信帶來了更大的靈活性和可靠性；安全集成幫助用戶極大地節(jié)省了相應(yīng)的硬件和工程成本。

  5　小結(jié)

   近年來隨著國內(nèi)對安全技術(shù)了解的不斷深入，我國在很多工控行業(yè)都開始使用安全技術(shù)和解決方案構(gòu)建相應(yīng)的安全系統(tǒng)和設(shè)備，比如汽車行業(yè)，機(jī)場和鐵路，電力行業(yè)，游樂設(shè)備，以及很多機(jī)械設(shè)備的安全應(yīng)用等，基于PROFIBUS DP和PROFINET的安全行規(guī)PROFIsafe以及西門子安全解決方案已經(jīng)廣泛地應(yīng)用在了這些行業(yè)當(dāng)中。作為工業(yè)安全發(fā)源地之一的德國，現(xiàn)在在其工業(yè)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)自動化節(jié)點和安全節(jié)點已經(jīng)到達(dá)1：1的比例。 隨著我國用戶對安全技術(shù)、理念和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)更加深入的了解和認(rèn)識，我們相信今后西門子安全集成和PROFIsafe技術(shù)會應(yīng)用于更多的工業(yè)場合，給工業(yè)用戶的使用帶來便捷經(jīng)濟(jì)的體驗和優(yōu)勢。

  參考文獻(xiàn)：

  [1] Dr.Wolfgang Stripf編著. 惠敦炎譯. PROFIsafe系統(tǒng)描述[Z] . 西門子資料,2008.

  [2] Safety Evaluation Tool軟件說明[Z] . 西門子資料.

  [3] 楊洪波. 安全總線協(xié)議PROFIsafe在汽車廠總裝車間的應(yīng)用[DB/OL]. http://www.ad.siemens.com.cn/applic/publicsystem/article.asp?articleid=469.

  [4] IEC61508-1: 1998 Functional safety of electrical/electronic/programmableelectronic safety-related systems[S].

  [5] GB/T 20438. 1-2006/IEC61508-1: 1998 電氣/ 電子/ 可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全[S].

  作者簡介：

    李佳  女，北京人，高級工程師，自動化與通訊專業(yè)碩士，現(xiàn)任西門子自動化集團(tuán)自動化系統(tǒng)部故障安全產(chǎn)品經(jīng)理，長期從事安全技術(shù)和安全解決方案的研究、推廣和普及方面的工作。 

   摘自《自動化博覽》2013年11月