你真的需要单独的安全网吗?

但威斯康星州希博伊根福尔斯市Curt G. Joa Inc.的电气工程经理凯文•泽内曼(Kevin Zeinemann)却不这么认为。相反，他将灵活性列为这一代开放网络最重要的属性，这些网络不仅可以容纳来自安全设备的信号，还可以容纳内部流动的其他数据。

他之所以把这些好处按不同的顺序排列，是因为他的雇主是一家私人持有的定制机器制造商，生产纸尿裤和其他由叠层网制成的一次性吸水垫。这些复杂的150英尺长的机器将多达9张材料网叠合在一起。

由于Joa的许多客户都是在竞争激烈的消费市场中运营的，所以他们都渴望采用最新的节省成本的技术，并生产目前受消费者欢迎的最新功能。因此，他们对机器的要求在设计阶段更改三到四次是很正常的。Zeinemann解释说:“我们很难确定一个设计，因为我们的机器和流程在离开大楼的那一刻就在变化。”

而且这种变化不仅止于分娩。客户在该领域不断更新他们的机器，以迎合不断变化的消费者口味，或引进新的节省成本的技术。例如，纸尿裤制造商可能需要频繁更换图形，可能每周从Elmo到兔八哥再到另一个。Zeinemann说:“这可能和改变材料一样简单。”“或者它可能像从机器中取出40英尺，然后再放入40英尺那样复杂。”

为了产生必要的灵活性，Joa采用了模块化方法。它从预先设计和验证过的硬件和软件组件的工具箱中构建机器。此外，每台机器都是由10英尺长的模块化部件组成，用螺栓和插头连接在一起。因为每个部分都有自己的通信和控制方案，所以在几天内，这些部分可以在运输和翻新时拔掉电源。直到最近，安全网络一直是这一战略的一大障碍。机器必须硬连线，与驱动器、输入/输出(I/O)点和保护开关连锁的许多继电器，以在启动和关闭时保护操作员和机器。Zeinemann说:“很难将一个硬连接的设计模块化。“因此，安装线路、排除问题和进行修改都是一场噩梦。”

噩梦走开

当他和他的同事开始使用密尔沃基控制供应商罗克韦尔自动化公司(Rockwell Automation Inc.)生产的GuardLogix综合安全系统时，情况发生了变化。他们能够将安全系统与他们已经在使用的Allen-Bradley ControlLogix可编程自动化控制器集成起来。尽管他们最初必须将安全设备放在单独的DeviceNet网络上，但一旦Ethernet /IP可用，他们就将安全设备切换到以太网。

现在，设计人员将安全设备绑定到本地I/O块，该块连接到运行在每台机器上的同一以太网/基于ip的网络上。除了简化拆卸运输，模块化使它更容易在数小时内适应戏剧性的设计变化，并在新驱动器和其他技术可用时纳入。Zeinemann说:“灵活性使得交付高度工程化的产品更加容易，而不需要大量额外的重新设计工作。”

这同样适用于该领域的改造。如果客户想要改变产品上的一个功能，只有一个网络可以使更换机器中间30到40英尺长的部分变得容易得多。Zeinemann解释道:“我们不需要连接到硬连线电路上，而是可以插入一个新的模块化机器部分，然后直接将其插入以太网。”

他报告说，实现这种新的灵活性并非没有一些挑战。首先是安全功能给主处理器带来的额外负荷。结果，处理速度太慢，无法控制整条线的复杂运动。Zeinemann说，因为一台机器通常有6到8个控制器，“我们决定把运动组件放在另一个辅助处理器上。”另一个主要挑战是学习用签名锁定程序，以防止未经授权的人打开和修改程序。

包装安全数据

巧妙地打包数据是技术上的突破，它允许像Joa这样的用户在与其他类型的数据相同的网络上发送安全信号。对于罗克韦尔自动化公司的网络，关键是安全扩展，密歇根州安阿伯市的开放DeviceNet供应商协会(ODVA)。，加入了通用工业协议(CIP)。因此，由odva控制的开放网络——即DeviceNet、ControlNet和EtherNet/ ip——现在可以在任何中铜线、光纤电缆或无线网络上同时容纳安全和其他数据。

以其CIP网络为基础，ODVA开发了CIP Safety，这是一种tuv认证的独立于网络的安全协议，它依赖于终端节点，而不是桥接器、路由器或中间节点。ODVA的执行主任凯瑟琳·沃斯解释说:“安全信息在发射设备中编码，在接收设备中解码和检查。”“通过使用大量的保护措施，如时间戳、冗余数据和检查代码，确保整个传输过程的完整性。”

最终的设计允许用户安装标准的通信设备，这往往比旧的安全认证网关更容易安装和维护。它还使用生产者和消费者之间的通信，并且是可路由的。“因此安全连接可以跨越多个网络，包括EtherNet/IP和DeviceNet，”Voss说。

因此，罗克韦尔安全系统业务的产品经理凯文•科洛顿(Kevin Colloton)表示，一个很大的好处是，这些网络的用户无需升级它们。他的许多客户已经能够直接在现有的基础设施上增加安全性。唯一的其他工作是更新一些设备上的flash固件。这些客户报告说，他们开发和安装安全系统的速度比使用其他架构要快30%到50%。

沃斯指出，跨多个网络通信的能力超出了她所在组织控制的网络。她说:“CIP安全协议已被SERCOS国际公司的新一代工业以太网网络SERCOS III(串行实时通信系统)采用为功能安全协议。”

事实上，伊利诺伊州霍夫曼地产(Hoffman Estates)旗下的博世力士乐公司(Bosch力士乐Corp.)。在SERCOS网络接口上运行CIP安全协议。博世力士乐的食品和包装工程师David Arens说:“这个协议有冗余和通信检查，这是我们的运动控制网络内部的冗余和监视通信所必需的。”

他补充说，该策略利用了SERCOS在节点容量和同步方面优于EtherNet/IP的优势。由于这个优势，他说SERCOS网络可以提供亚毫秒级的响应，这是多轴机械经常需要的。

在SERCOS上运行CIP允许博世将安全指令嵌入到驱动轴的通信电报中，从而保持安全通信尽可能接近机器的实际物理运动。阿伦斯解释说:“通信包中包含一个安全电报，它用于每次开车时的握手。”“将安全技术整合到驱动器本身，每个轴可以独立地对安全信号作出响应，而无需等待PLC(可编程逻辑控制器)处理请求。”

尽管CIP安全协议跨越多个网络，但它并不是目前唯一可用的安全协议。Profi组织Profibus和Profinet International (PI)也有一个名为Profisafe的组织。Profibus和Profinet北美公司副总监Carl Henning表示，该协议的优势在于，它允许用户在更多样化的设备组合中构建安全场景。

用户可以将其应用于工厂机械中的离散I/O，工厂的过程仪表，以及运动控制的驱动器。它还可以跨三种媒体工作:工业以太网、基于rs -485的串行现场总线和Profibus PA，前者使用与基金会现场总线相同的物理层。因为工业以太网版本运行在电气和电子工程师协会的标准IEEE 802.3有线以太网上，它也运行在标准IEEE 802.11无线以太网上。

Profi组织将这种能力归因于“黑通道”方法，亨宁将其与黑盒的旧概念进行了比较。因为黑色通道传递的是正确的安全信号，你不需要关心中间发生了什么，也不需要担心安全认证的电缆、连接器和路由器。

宾夕法尼亚州斯普林豪斯的供应商西门子能源和自动化公司的过程安全工程师Charlie Fialkowski解释说:“这种安全通信结构是独立于媒介的。”“握手发生在通信设备之间。”由于握手方法及其循环冗余检查保持了数据的完整性，西门子在Profi平台上进行了标准化。

根据所使用的网络媒体，设备可以直接位于网络上，也可以连接到连接到网络的I/O机架上。机械制造和分立部件制造行业的典型设备包括光帘、紧急停止、门开关和其他传感器。目前，在过程工业中，唯一限制扩大使用的是设备的短缺，除了I/O模块以外，经过安全认证的设备。Fialkowski说:“在过去的五年里，许多设备制造商已经投入了必要的资金来获得他们的设备认证。”

诊断奖金

他和其他人认为，除了简化安装和维护，巩固安全和控制网络的最大优势将是它提供的诊断范围。博世力士乐的阿伦斯解释说:“来自硬连线传感器的信号只是说它是否安全。”另一方面，将设备放在网络上，使用户能够监视系统、排除问题并执行例行诊断，而不必派技术人员手动拉取和检查每个组件。

根据预先编程的维护计划，其中一些诊断可以是连续的，其他的可以是周期性的。例如，带有温度元件的发射机将连续报告温度。在其他情况下，控制器可以自动检查传感器的校准。它可以告诉发射机在从零到满量程的过程中保持信号，然后再回到原来的状态。西门子网络专家杰里米•布莱恩特表示:“这将告诉你它是否漂移了。”

他指出，尽管耗费劳力，但速度可能是这种校准检查的主要优势。他说:“当你把发射机拿掉时，在这段时间里，你基本上是失明的。”“大多数用户都希望尽量减少这种情况。”由于整合网络所允许的校准检查非常快，用户可以在更短的时间内更频繁地运行它们。