01 什么是工業安全?

工業化的推進在為人類生活提供豐富物質的同時，也逐漸成為威脅人身安全的“殺手锏”，生產事故的頻發使得安全生產這一話題越來越受到關注。

工業安全通常是指透過各種安全防護措施，來避免工業災害的發生，其目標是致力于維護工作者的安全與健康，避免意外事故的發生。

我們通常將安全分成3類，即功能安全、物理安全和信息安全。這3種安全在定義和內涵上差別很大：

功能安全：是為了達到設備和工廠安全功能，受保護的、和控制設備的安全相關部分必須正確執行其功能，而且當失效或故障發生時，設備或系統必須仍能保持安全條件或進入安全狀態

物理安全：是減少由于電擊、火災、輻射、機械危險、化學危險等因素造成的危害

信息安全：在IEC62443中針對工業控制系統對信息安全的定義是：“保護系統所采取的措施;由建立和維護保護系統的措施所得到的系統狀態;能夠免于對系統資源的非授權訪問和非授權或意外的變更、破壞或者損失;基于計算機系統的能力，能夠保證非授權人員和系統既無法修改軟件及其數據也無法訪問系統功能，卻保證授權人員和系統不被阻止;防止對工業控制系統的非法或有害入侵，或者干擾其正確和計劃的操作。”

而在工業控制領域，一直以來備受關注的就是功能安全問題，它依賴于系統或設備對輸入的正確操作，當每一個特定的安全功能獲得實現，并且每一個安全功能必需的性能等級被滿足的時候，就達到了功能安全目標。

02 具體的應用場景?

若我們將危險比喻成獅子，以人和獅子為例，可以有如下三種情景：

人直接面對危險階段：在此階段無論是生產條件，還是生產技術都還十分落后，生產現場基本沒有安全保護措施，人類總是在直面危險，危險也時刻都有可能發生，風險在人類區域，人機共存區域、機器區域都同時存在。

實施風險降低措施：此階段生產條件和生產技術得到突飛猛進的發展，實施風險降低措施，危險得到很好的控制，消除了人機共存區，風險存在在人類區域和機器區域。人類只要嚴格按照操作流程，基本可避免危險的發生。

危險(獅子)與人類共存：步入人機協作的新階段，新產品和新技術被應用到機器人上。安全開關和傳感器等可將機器人與作業人員分離，以防止作業人員受傷。緊急停止開關可確實使機器停止運轉。在人機協同作業的情況下，傳感器將自動識別作業人員的接近，在作業人員過于接近時減慢機器的速度或使其停止運轉。最大限度地降低人類區域的風險，啟用人機共存區，最小化機器區域的風險，人機協作優化程度更大，也是所有有安全需求的企業正在追求的目標。

同理，在實際的工廠自動化情景中，工業安全就可以有類似的應用場景。例如在工廠的生產過程中，為了保障現場生產設備、生產人員等相關的安全，需要在機械設備上、設備上下料過程中、人員操作環節，以及機械設備周圍設置多種用于檢測和控制的安全裝置。例如機械設備以及上下料中的急停裝置，沖壓機的雙手操作裝置和安全區域保護的安全光幕，工業機器手臂的安全工作位置和速度限制、以及安全工作區域保護等等，類似這些功能的設備都屬于安全設備的應用場景。

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在傳統的安全控制設備回路里，安全設備例如安全光柵、急停等模塊通過安全繼電器連接到設備中，或者通過獨立的安全中心模塊進行更為復雜的安全邏輯控制。但是隨著以工業以太網為主的現場總線的發展，使設備的控制更加靈活且集中，現場工程師可以通過工業以太網得到更多以前無法獲取的數據。同時，在工業現場總線設計過程中，也考慮了如何能夠將功能安全同步集成到工業現場總線中，即能實現和傳統功能安全回路同樣的效果，又能減小現場操作難度同時獲取更多更有效的信息。

03 什么是Safety Over EtherCAT?

EtherCAT作為現場設備控制比較常見的一種工業以太網總線，在規范定義中也考慮到了功能安全的需求。EtherCAT協議定義了FSoE規范，即符合EtherCAT規范的功能安全協議。作為FSoE的設備制造商，需要在相應的安全產品上實現FSoE安全協議和符合相關安全標準的安全應用。

Safety over EtherCAT(FSoE = FailSafe over EtherCAT)是一項基于 IEC 61508 開發，由 TüV認證并經 IEC 61784-3 國際標準化的技術。功能安全是現代網絡結構和通信系統不可或缺的一部分。借助 Safety over EtherCAT 協議，EtherCAT 可以在同一網絡中并行傳輸標準數據和安全相關數據。采用 Safety over EtherCAT，通信系統成為黑色通道*的一部分，而非數據保護的一部分。

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安全數據作為容器嵌入到標準過程數據中，并結合了其他額外數據來保證其完整性。在每個安全周期中，FSoE 主站和 FSoE 從站之間的安全連接被全面監視。每個 FSoE 幀傳輸的安全幀校驗、連接 ID 和看門狗時間都將被檢查。

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04 FSoE的原理

FSoE是一種在FSoE設備之間能夠滿足SIL3等級的功能安全數據傳輸協議。從FSoE的英文全稱FailSafe Over EtherCAT就可以看出，FSoE是從屬于EtherCAT網絡的一種應用協議，它在EtherCAT網絡通訊中做為EtherCAT循環數據幀的一部分存在。這樣FSoE就可以視為一個black channel。

FSoE使用的是Master/Slave的通訊模型，這樣就FSoE的EtherCAT從站可以按照功能分為FSoE Master和FSoE Slave。FSoE設備之間的連接可以通過EtherCAT網絡配置建立聯系。FSoE的數據交換僅限于已配置好的FSoE Master/FSoE Slave之間進行。并且FSoE Master和FSoE Slave都有獨立的看門狗定時器用于周期數據幀監控。

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05 FSoE的硬件架構

根據black channel原理，通訊硬件在設備上可以保持使用單通道。這樣，在FSoE設備上的EtherCAT從站控制器仍可以做為EtherCAT接口使用，除此之外，也可以使用背板總線等其他接口。

但是，通常情況下，處理FSoE協議需要冗余控制器架構。每個控制器單獨處理FSoE協議，然后交叉驗證結果。

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06 FSoE的軟件架構

FSoE協議是一個EtherCAT通訊接口上的應用層通訊協議，所以FSoE設備的基礎仍然是標準EtherCAT。在FSoE設備的通用接口仍然是標準EtherCAT從站協議棧，在標準EtherCAT從站協議棧基礎上，仍然可以按照標準EtherCAT從站應用程序來設計標準EtherCAT從站;也可以通過FSoE協議棧添加安全應用，實現EtherCAT FSoE Master/Slave應用。

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07 FSoE基本工作原理

為了符合安全規范，FSoE Safety軟件協議棧將收到的數據保存在“SafeData”接收隔離區。然后通過調用FSoE Safety協議棧的ESAL_RxPduAcquire()函數檢測Safety PDU區域是否收到新數據。如果Safety PDU的最高位變化，表示收到新數據。如果FSoE Safety軟件處理完接收過程數據，通過調用ESAL_RxPduRelease()函數釋放操作。

FSoE Safety軟件協議棧發送數據與接收數據同理，也是將發送的數據保存在“SafeData”發送隔離區。如果FSoE Safety軟件處理完發送過程數據，通過調用SAL_TxPduRelease()函數釋放操作。

當接收和發送過程中，有多個過程數據PDU需要處理，安全應用需要先使用ESAL_TxSectionLock()函數鎖定傳輸功能，然后處理接收和發送請求。所有數據段處理完成后，調用ESAL_TxSectionLock()函數釋放已鎖定的操作。

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08 Ixxat FSoE主站/從站軟件

該協議軟件具有高效的協議處理，這也是安全驅動應用程序所必需的。該軟件對于從站和主站功能，都允許并行安裝，為安全應用提供了多種通訊選擇。軟件結構清晰的接口也支持使用不同的、非安全的EtherCAT通訊接口，比如Anybus CompactCom模塊。

特點和優勢：

支持的標準: FSoE規格ETG.5100 S (R) V1.2.0

支持的平臺: PC demo, TüV預認證，經過一致性測試

操作系統獨立 - 在有無操作系統情況下都可運行

通過抽象層簡單連接到非安全EtherCAT通信模塊

通過內置的單元測試包與安全手冊可在任意目標系統中進行簡單集成和重新認證

多個實例可實現一個設備上主站與從站的平行集成

按照IEC 61508最高達SIL-3根據應用設計

FSoE SDK(軟件開發工具包)本身就是為了加快工程師的開發進度、減少開發難度提供的相關文檔、示例等資料的集合。FSoE SDK在標準FSoE規范協議定義的操作功能的基礎上，還提供了用于方便通過安全認證的內容，例如為了方便產品移植所提供的unit-test，更重要的是SDK還能夠提供SIL3預認證。

FSoE SDK軟件開發包已證通過IEC61508 SIL3預認證，為了保證使用SDK能夠符合安全流程，SDK安全手冊定義作為安全通信軟件集成到客戶平臺時的“Dos and Don’ts”，同時SDK的整個開發流程也都通過了SIL3的認證并能夠提供認證證書，這樣可以更大程度的減小集成FSoE SDK的產品后期進行認證過程中耗費的時間和精力。

Unit-Tests提供了可用于移植和運行在目標平臺的C語言源代碼, 修改移植配置時只有Unit-test測試部分被移植操作。由于軟件的分層結構，可以保證在重新認證時安全協議核心軟件部分不需要任何修改。客戶產品集成FSoE SDK協議棧后，如果移植平臺全部通過Unit-test測試并且完全符合安全手冊設計內容，安全協議軟件部分不需要重新認證。

審核編輯：湯梓紅