机器安全的发展趋势：不断融合的安全与非安全系统
摘要：将安全系统集成到机器的标准控制平台中，可简化操作、增强诊断能力并为工程师和最终用户创造更安全的工作环境。
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由于对工程师、原始设备制造商（OEM）和最终用户都有好处，因此，安全与非安全系统持续融合以前完全不同的技术对制造企业来说仍然是非常重要的话题。将安全与非安全技术集成到一起，理由似乎并不明显，但是这个话题值得我们认真考虑。
与信息技术（IT）和运营技术（OT）一样，将安全系统与非安全系统集成到同一个系统中，可以提高灵活性和可扩展性，更好地从多个系统获取数据，并提供更多的定制化机会。最重要的是，由于在更多方面采用了安全技术，可以为运行人员和工厂人员提供更安全的工作环境。
输入 / 输出（I/O）设备中的可编程安全设备，可以集成到主机控制体系结构中，使这种融合成为可能。这些 I/O 终端具有集成的安全逻辑，并且可以通过共享背板或以太网电缆与基于 PC 的控制器进行通信。EtherCAT 工业以太网技术，为安全系统技术融合创造了更多机会，例如内置诊断程序和对多个现场总线的支持。这种方法与以前的体系结构有所不同，在先前的体系结构中，安全系统和非安全系统各自保持独立。融合技术使机器能够维持安全完整性等级（SIL）标准，同时提供更多的定制化优势。
要了解这种融合是如何工作的，以及它为什么具有这些优势，需要考虑 3 个等级的安全技术及其在生产车间的作用。
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基本安全装置
传统的基本安全方法将安全系统与机器控制平台分开。这些安全装置包括继电器和开关，一旦触发，它们会切断机器或模块的电源。尽管它们不需要编程，但是必须通过硬连线将其直连到每个模块和其它安全设备上，以确保当一个设备跳闸时整个机器或生产线能够停止运行。安全继电器的安装和接线非常耗时费力，大型机器更是如此。
安全继电器和其它基本设备通常是不可配置的，因为它们没有网络连接。他们无法与可编程逻辑控制器（PLC）通信，也无法提供超出其LED 指示灯显示范围的性能数据或诊断信息。多年来，这曾是唯一可用的工业安全系统，它能满足保护运行人员和设备的最低要求。但是，在智能工厂和工业 4.0 时代，基本的安全要求并未跟上行业发展的步伐。由于它需要更多的调试工作，因此实施效率低下，而且为工人提供的技术保障程度较低。
2
独立式安全控制器
独立式安全控制器可扩展并提供一些可编程逻辑，但是，这类系统需要额外的工程设计工作。此方法支持安全设备联网功能，并提供了更好的诊断方法，以便进行故障排除，但是无法实现安全系统和非安全系统的融合。
与基本安全技术一样，安全控制器在物理上与机器控制器保持隔离。尽管两者都包含逻辑处理，但是安全控制器和 PLC 仅支持异步通信，这意味着无法从安全系统获取关键数据以进行分析。安全设备还使用与机器控制逻辑不同的软件；多个软件包所需的培训和维护，也会降低调试和故障排除的速度。
3
集成安全系统
具有可编程安全 I/O 端子的集成安全系统，正在经历更大的技术融合。安全端子的外观呈黄色。在内部，具有冗余电路和微控制器，可最大限度的提高可靠性并符合 IEC 61508和 DIN EN ISO 13849-1 安全标准。这些设备与非安全终端均安装在标准 I/O 端子中，并且可以通过工业以太网系统（如 EtherCAT）进行通信。集成安全系统可以扩展到 I/O 端子之外，以在现场组件中实现安全逻辑，例如具有内置安全转矩关闭（STO）和安全停止 1（SS1）功能的伺服驱动器和伺服电机。该方法使用与机器控制相同的工程环境，并为分布式安全网络提供了灵活性。
集成安全系统可以位于同一 DIN 导轨上，并通过共享底板与基于 PC的控制器和其它 I/O 进行通信。本文图片来源：倍福。
可编程的 I/O 模块还可以支持单通道安全。这些模块具有实现安全通信协议的必要固件，使工程师（尤其是流程行业的工程师）可以为不同的应用设置可接受的条件参数，例如温度监视、液位感知、速度测试和压力监视。
这些安全终端的外部带有黄色条纹，以区分 I/O 段中的单通道模拟技术与标准数字安全终端。专用的单通道终端还可以将 I/O 用于安全任务。
在当今的制造环境中，由于更多地使用机器人技术、复杂的运动控制设备和自动驾驶汽车，因此集成安全至关重要。现代工厂需要简单的安全设备，例如急停按钮、光幕、安全开关垫和双手控制器等等。
具有标准安全功能块的基于 PC 的自动化软件，使工程师可以创建必要的程序，以保护在这些环境中工作的工人和设备。在运行期间，基于 PC 的机器控制器和安全控制器可以相互监视。
某些安全 I/O 端子，包括所有新的倍福自动化 TwinSafe 模块，都在设备级集成了安全逻辑，而无需单独的安全PLC。
这种融合的结果是可以提供更好的性能数据和诊断功能。由于安全系统已连接到PLC，因此可以在人机界面（HMI）上显示该信息。尽管与基本安全系统相比，需要进行更多的编程，但集成系统简化了调试。它们还消除了由多编程环境、额外的网络以及将每个设备与其它设备通过硬接线连接所带来的复杂性。对于基于 EtherCAT 的设备，可使用通过 TÜV 认证的 Safety over EtherCAT (FSoE =FailSafe over EtherCAT) 协议进行通信。
集成安全系统可以扩 展 到 I/O 端 子 之外，并可以直接在伺服驱动器和现场其它组件中实施安全逻辑。
安全数据的通信
FSoE 旨在通过“黑色通道”在工厂现有网络上传输安全数据。在网络中，此安全通道对每两个字节的安全数据增加一个循环冗余校验（CRC），以确保它们的安全和无差错。EtherCAT 的功能原理使安全系统和非安全系统数据的传输不受传输速度和时间周期的限制。EtherCAT 专为高速通信而设计，可实时检查安全设备并在跳闸时停止运行。内置的诊断程序还可以协助工程师排除物理问题，例如电缆、连接器或 I/O 端子故障。
FSoE 与现场总线无关，可在 100 Mbit/s的 EtherCAT 网络上运行，但它也可以与其它工业以太网或现场总线集成。如果工厂使用DeviceNet、Profibus、CANopen、EtherNet/IP和 Profinet 网络，那么利用 FSoE 实施集成安全系统，需要添加适当的 EtherCAT I/O 端子和网关设备。
FSoE 已通过 TÜV 认证， 还满足 IEC61508 和 DIN EN ISO 13849-1 的所有要求。无论通过旧式现场总线、工业以太网还是无线网络进行通信，这些安全设计均保持不变。此外，FSoE 和集成的安全 I/O 使定制成为可能。
集成安全系统的好处
集成安全系统的主要好处是能够通过软件，进行自定义和测试安全系统的功能。如果客户拥有模块化设计，则 OEM 或集成商可以禁用软件中的某个模块，而不是利用重新设计和重新为机器安全系统编程这种传统的模式。先前的方法涉及更改 I/O，重新设计组件或创建粗略的解决方法，例如绕过不必要的安全系统部件来连接电缆。使用基于 PC的自动化软件，添加或删除模块或组可以快速调整。
但是，由于对安全系统与非安全系统集成到在一个平台上心存疑虑，一些公司放慢了集成安全技术的步伐。但是，更多应用表明集成安全系统是可靠的，并且优于基本安全设备和独立安全控制器。如果安全 PLC 和机器控制器在同一环境中，则它们知道对方正在做什么，并且可以更有效地进行通信。由于具有更大的灵活性和更快的安装速度，可以设计出比以往更安全的机器和工厂。因此，使用可编程 I/O模块实现集成安全系统是最安全的选择。
关键概念 ：
■ 基本安全要求没有随着其它技术的进步而发展。
■ 集成的安全系统和非安全系统，使用户可以访问更多信息并改善所有工人的安全。
■ 集成还允许用户通过软件测试安全系统如何运行。
思考一下 ：
在工厂中，集成的安全系统和非安全系统将使哪些应用受益最大？