隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，同時(shí)經(jīng)常又有重大安全事故的報(bào)道（例如，去年、前年的重大煤礦安全事故），安全的概念越來(lái)越得到人們的重視，安全包括人員的安全和設(shè)備的安全。對(duì)于自動(dòng)化控制裝置，也提出了新的安全概念和出現(xiàn)了新的安全產(chǎn)品，例如，帶安全功能的PLC 和帶安全模板的傳動(dòng)裝置。下面的兩個(gè)圖說(shuō)明對(duì)于安全的傳統(tǒng)解決方案和基于安全集成的傳動(dòng)系統(tǒng)之間的差別。 　　 對(duì)于傳統(tǒng)的安全解決方案，是使用繼電器、安全保護(hù)開(kāi)關(guān)、漏電流和離散的故障檢測(cè)設(shè)備來(lái)完成所需要的安全保護(hù)功能。用這種方法，需要很多外接線，這本身又增加了不安全因素，另外，一些附加的功能，需要用附加的外部設(shè)備（例如速度監(jiān)視、時(shí)間繼電器等）來(lái)實(shí)現(xiàn)。而基于安全集成概念的新裝置，它可以不需要使用外部主回路接觸器和電動(dòng)機(jī)接觸器來(lái)斷開(kāi)電動(dòng)機(jī)（安全斷開(kāi)扭矩），以及通過(guò)釋放能量的辦法進(jìn)行保護(hù)，一方面降低了成本，并改善了電磁兼容性EMC，另外的優(yōu)點(diǎn)是占用空間少，減少安裝成本，方便診斷，容易理解，能快速關(guān)斷電動(dòng)機(jī)和快速再啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)，還能用多種方法來(lái)恢復(fù)裝備。 　　 德國(guó)倫茨（Lenze）公司最近推出了新一代伺服控制系統(tǒng)9400系列。該系列控制器，配置有安全模板，具有集成安全的功能。 　　 圖2是倫茨公司9400伺服控制系統(tǒng)的正面配置圖，從圖的右下方，可以看到有一個(gè)用于安全工程的模塊插槽。 [align=center] 圖1 關(guān)于安全的傳統(tǒng)解決方案和基于安全集成傳動(dòng)裝置的差別 圖2 倫茨公司9400 伺服控制系統(tǒng)的正面配置圖 圖3 SM301 安全模板的外形圖和所具有的安全功能[/align] 9400系列有三種類(lèi)型的安全模板：SM100，SM300，SM301。這三種模板都經(jīng)過(guò)認(rèn)證，其中SM100符合歐洲的EN954-1類(lèi)型4標(biāo)準(zhǔn)和IEC 61508 SIL 類(lèi)型3 標(biāo)準(zhǔn)，SM300模板符合歐洲的EN954-1類(lèi)型3標(biāo)準(zhǔn)，SM301模板符合歐洲的EN954-1類(lèi)型3標(biāo)準(zhǔn)和IEC 61508 SIL 類(lèi)型3 標(biāo)準(zhǔn)。 下面我們以SM301模板為例，說(shuō)明它的結(jié)構(gòu)和所具有的安全功能。圖3是SM301模板的外形圖和所具有的安全功能。 　　 在這里我們還要對(duì)安全功能的概念作一點(diǎn)解釋?zhuān)? 　　 STO （Safe torque off）：安全斷開(kāi)扭矩 　　 根據(jù)EN 954標(biāo)準(zhǔn)第1部分和第2部分控制等級(jí)3的要求，“安全斷開(kāi)扭矩”的安全功能是“防止不希望發(fā)生的啟動(dòng)”。為此目的，提供兩個(gè)獨(dú)立的安全路徑，一是使從微處理控制器到逆變器的脈沖變得無(wú)效（控制器禁止），二是使提供功率級(jí)驅(qū)動(dòng)“光偶”上的電壓斷開(kāi)，亦即，微處理控制器系統(tǒng)的脈沖再也無(wú)法通過(guò)逆變器（脈沖禁止），這些輸出信號(hào)被確認(rèn)附加上時(shí)，就達(dá)到了控制等級(jí)3。圖4說(shuō)明了實(shí)現(xiàn)安全斷開(kāi)扭矩的方法。 [align=center] 圖4 實(shí)現(xiàn)安全斷開(kāi)扭矩的方法：控制器禁止（禁止使能）和脈沖禁止[/align] [align=center] 圖5 SM301 安全模板的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 圖6 通過(guò)PROFIBUS-DP 總線實(shí)現(xiàn)PROFIsafe 的數(shù)據(jù)通信[/align] SS0 （Safe stop 0）：0級(jí)安全停機(jī) 　　 按照EN 60204-1的定義，由機(jī)械的功能要求和危險(xiǎn)性評(píng)估，指出停機(jī)等級(jí)分為0級(jí)，1級(jí)和/或2級(jí)。0級(jí)和1級(jí)停機(jī)的實(shí)施與操作方式無(wú)關(guān)，0級(jí)停機(jī)優(yōu)先于1級(jí)停機(jī)。停機(jī)功能超越于有關(guān)的啟動(dòng)功能。0級(jí)停機(jī)是由立即斷開(kāi)機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置上的電源實(shí)施停機(jī)，它是不控制的停機(jī)，不控制停機(jī)的含義是，例如：斷開(kāi)機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置上的電源使機(jī)械運(yùn)動(dòng)停止，激活所有的制動(dòng)器和/或其它的機(jī)械停止裝置。 　　 SS1 （Safe stop 1）：1級(jí)安全停機(jī) 　　 1級(jí)安全停機(jī)是控制停機(jī)，在機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置仍然供電的情況下實(shí)現(xiàn)停機(jī)，當(dāng)停機(jī)完成后再斷開(kāi)電源?？刂仆C(jī)的含義是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的停止是通過(guò)，例如，降低電命令信號(hào)到零來(lái)實(shí)現(xiàn)的，只要停止信號(hào)已經(jīng)被控制器確認(rèn)，在停機(jī)過(guò)程中仍然維持機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置的供電，直至停機(jī)過(guò)程結(jié)束，再斷開(kāi)電源。 　　 SS2 （Safe stop 2）：2級(jí)安全停機(jī) 　　 2級(jí)安全停機(jī)類(lèi)同于1級(jí)安全停機(jī)，差別只是2級(jí)安全停機(jī)，在停機(jī)后仍然維持機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置的供電，因此能快速實(shí)現(xiàn)再啟動(dòng)。 　　 倫茨公司提供有工程組態(tài)軟件，可以對(duì)安全模板和安全功能進(jìn)行項(xiàng)目組態(tài)和參數(shù)設(shè)置。 　　 PROFIsafe安全總線及由安全PLC對(duì)9400伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行控制和實(shí)現(xiàn)安全功能。 PROFIsafe行規(guī)是Profibus-DP通信協(xié)議應(yīng)用層的一個(gè)行規(guī)，因此，其通信物理層和數(shù)據(jù)鏈路層仍然沿用Profibus-DP的標(biāo)準(zhǔn)，只是將安全數(shù)據(jù)和非安全數(shù)據(jù)進(jìn)行了分隔，非安全數(shù)據(jù)的的傳輸是按標(biāo)準(zhǔn)的Profibus-DP進(jìn)行。為了進(jìn)行安全數(shù)據(jù)的傳送，安全模板有自己的PROFIsafe節(jié)點(diǎn)地址，這一地址和標(biāo)準(zhǔn)Profibus的節(jié)點(diǎn)地址是不相同的，可以通過(guò)模板上DIP開(kāi)關(guān)來(lái)設(shè)置PROFIsafe節(jié)點(diǎn)地址（地址從1…1024）也可以用“Engineer”軟件通過(guò)代碼C13897或C14897進(jìn)行設(shè)置。圖6是通過(guò)PROFIBUS-DP總線實(shí)現(xiàn)PROFIsafe的數(shù)據(jù)通信示意圖。 [align=center] 圖7 PROFIBUS 的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文結(jié)構(gòu) 圖8 Profibus 數(shù)據(jù)報(bào)文的劃分 圖9 槽1 部分?jǐn)?shù)據(jù)的細(xì)分 圖10 PROFIsafe 輸出數(shù)據(jù)的定義 圖11 PROFIsafe 輸入數(shù)據(jù)的定義 圖12 ：本例中編程的邏輯操作[/align] 圖7是PROFIBUS的標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文結(jié)構(gòu)，報(bào)文與報(bào)文之間至少要有33Tbit的同步時(shí)間，接著是報(bào)文分隔符SD （規(guī)定數(shù)據(jù)為68H），LE （數(shù)據(jù)定義報(bào)文中“過(guò)程數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度”），LEr （重復(fù)過(guò)程數(shù)據(jù)長(zhǎng)度），SD分隔符，DA （目標(biāo)地址），SA（源地址），F(xiàn)C（報(bào)文功能碼），報(bào)文數(shù)據(jù)部分（1…244個(gè)字節(jié)），F(xiàn)CS （楨校驗(yàn)碼），ED報(bào)文結(jié)束符（規(guī)定數(shù)據(jù)為18H）。 　　 作為安全數(shù)據(jù)的報(bào)文結(jié)構(gòu)，和標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是一樣的，只是在報(bào)文數(shù)據(jù)部分的一開(kāi)始有F過(guò)程數(shù)據(jù)（安全過(guò)程數(shù)據(jù)：12…122字節(jié)），1字節(jié)的的控制字節(jié)（寫(xiě)報(bào)文）或狀態(tài)字節(jié)（讀報(bào)文），1字節(jié)的連續(xù)號(hào)，CRC2 （循環(huán)冗裕碼校驗(yàn)：2或4字節(jié)），以上稱(chēng)為數(shù)據(jù)的槽1部分（Slot 1），剩余部分作為標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文的數(shù)據(jù)部分，稱(chēng)為數(shù)據(jù)的槽2部分（Slot 2），但是總的報(bào)文數(shù)據(jù)部分的長(zhǎng)度最大不得超過(guò)244字節(jié)，見(jiàn)圖8。 　　 對(duì)于SM301安全模板，PROFIsafe行規(guī)對(duì)槽1部分的數(shù)據(jù)作了更具體的規(guī)定，槽1部分的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度總是8個(gè)字節(jié)，分配如下： 　　 字節(jié)0到字節(jié)3（總共4個(gè)字節(jié)）是PROFIsafe的過(guò)程數(shù)據(jù)（PROFIsafe輸出數(shù)據(jù)或PROFIsafe輸入數(shù)據(jù)），字節(jié)4是控制字節(jié)或狀態(tài)字節(jié)，字節(jié)5為連續(xù)號(hào)，字節(jié)6和字節(jié)7是循環(huán)冗余碼校驗(yàn)字節(jié)，見(jiàn)圖9。 　　 PROFIsafe行規(guī)對(duì)前4個(gè)字節(jié)（PROFIsafe輸出數(shù)據(jù)或PROFIsafe輸入數(shù)據(jù)）又作了明確的定義： 　　 （PROFIsafe輸出數(shù)據(jù)是指從安全PLC傳送到安全模板的數(shù)據(jù)（控制數(shù)據(jù)），其字節(jié)的每一個(gè)位的的含義是：字節(jié)0 　　 　　位0: 激活STO（值=0,表示要求激活安全斷開(kāi)扭矩） 　　位1: 激活SS1（值=0, 表示要求激活1級(jí)安全停機(jī)） 　　位2: 激活SS2（值=0, 表示要求激活2級(jí)安全停機(jī)） 　　位3: 激活SLS1（值=0, 表示要求激活安全限速1） 　　字節(jié)1 　　位1: 激活ES（值=1,表示使能開(kāi)關(guān)是有效的） 　　位3: 激活OMS（值=0, 表示選擇正常操作） 　　字節(jié)2 　　位0: PS_AIS（值由01, 表示（再）啟動(dòng)確認(rèn)） 　　位1: PS_AIE（值由01, 表示故障確認(rèn)） 　　位7: 激活SSE（值=0, 表示要求激活安全緊急停機(jī)） 　　字節(jié)3 　　位0: SD-Out1（值=0, 表示SD-Out1輸出置成ON狀態(tài)） 　　所有沒(méi)有列出的位，表示保留將來(lái)作擴(kuò)展的應(yīng)用，但是必須發(fā)送“0”信號(hào) 　　PROFIsafe輸入數(shù)據(jù)是指從安全模板傳送到安全PLC的數(shù)據(jù)（狀態(tài)信息），其字節(jié)的每一個(gè)位的的含義是： 　　字節(jié)0 　　位0: 在完成SS1之后置位，表示STO的狀態(tài)（值=1,表示STO有效） 　　位1: 在完成SS1之后復(fù)位，表示SS1的狀態(tài)（值=1, 表示SS1有效） 　　也在SSE中置位ggf 　　位2: 在完成SS2之后復(fù)位，表示SS2的狀態(tài)（（值=1, 表示SS2有效） 　　位3: 表示SLS1的狀態(tài)（值=1, 表示SLS1有效） 　　字節(jié)1 　　位1: 表示ES的狀態(tài)（值=1, 表示使能） 　　位3: 表示OMS的狀態(tài)（值=1, 表示手動(dòng)操作） 　　字節(jié)2 　　位0: 在完成SS1之后置位，表示SOS的狀態(tài)（值＝1, 表示SOS有效） 　　位1: 在完成SLS1之后置位，表示SLS1的狀態(tài)（值＝1, 表示SLS1有效） 　　位7: 表示SSE的狀態(tài)（值=1, 表示SSE功能有效） 　　字節(jié)3 　　位0: SD-In1（表示連接在I1A和I1B通道上的傳感器狀態(tài)，值=1表示A和B通道上的傳感器是ON狀態(tài)） 　　位1: SD-In2（表示連接在I2A和I2B通道上的傳感器狀態(tài)，值=1表示A和B通道上的傳感器是ON狀態(tài)） 　　位2: SD-In3（表示連接在I3A和I3B通道上的傳感器狀態(tài)，值=1表示A和B通道上的傳感器是ON狀態(tài)） 　　位3: SD-In4（表示連接在I4A和I4B通道上的傳感器狀態(tài)，值=1表示A和B通道上的傳感器是ON狀態(tài)） 　　位7: 表示錯(cuò)誤有效（值=1, 表示有錯(cuò)誤存在） 　　 所有沒(méi)有列出的位，表示保留將來(lái)作擴(kuò)展的應(yīng)用，但是必須發(fā)送“0”信號(hào)，以上是有關(guān)PROFIsafe行規(guī)的一些說(shuō)明。最后，我們提供一個(gè)安全通信的實(shí)例： 　　 上位PLC是西門(mén)子公司的S7 300 F PLC，具體配置如表1。 　　 安全通信的從站是倫茨公司的9400伺服控制器，帶SM301安全模板。 　　 應(yīng)用STEP 7編程組態(tài)軟件，完成硬件的組態(tài)，建立符號(hào)地址表，建立安全操作的邏輯程序和完整的程序（見(jiàn)圖12）。完成程序的下裝和調(diào)試，通過(guò)在線監(jiān)控或變量表可以監(jiān)視PROFIsafe的通信狀態(tài)。 　　 在本文的最后部分，我們提供兩個(gè)與本文有關(guān)的術(shù)語(yǔ)和縮寫(xiě)詞表，以便讀者方便閱讀。 　　 在基于集成安全的傳動(dòng)系統(tǒng)中將要用到的術(shù)語(yǔ)和縮寫(xiě)詞表（見(jiàn)表2） 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