Profinet通信协议如何实现功能安全？

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。

　　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）。