隨著我國國民經濟的高速發(fā)展，同時經常又有重大安全事故的報道（例如，去年、前年的重大煤礦安全事故），安全的概念越來越得到人們的重視，安全包括人員的安全和設備的安全。對于自動化控制裝置，也提出了新的安全概念和出現(xiàn)了新的安全產品，例如，帶安全功能的PLC 和帶安全模板的傳動裝置。下面的兩個圖說明對于安全的傳統(tǒng)解決方案和基于安全集成的傳動系統(tǒng)之間的差別。 　　 對于傳統(tǒng)的安全解決方案，是使用繼電器、安全保護開關、漏電流和離散的故障檢測設備來完成所需要的安全保護功能。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備（例如速度監(jiān)視、時間繼電器等）來實現(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機接觸器來斷開電動機（安全斷開扭矩），以及通過釋放能量的辦法進行保護，一方面降低了成本，并改善了電磁兼容性EMC，另外的優(yōu)點是占用空間少，減少安裝成本，方便診斷，容易理解，能快速關斷電動機和快速再啟動電動機，還能用多種方法來恢復裝備。 　　 德國倫茨（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，可以看到有一個用于安全工程的模塊插槽。 [align=center] 圖1 關于安全的傳統(tǒng)解決方案和基于安全集成傳動裝置的差別 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系列有三種類型的安全模板：SM100，SM300，SM301。這三種模板都經過認證，其中SM100符合歐洲的EN954-1類型4標準和IEC 61508 SIL 類型3 標準，SM300模板符合歐洲的EN954-1類型3標準，SM301模板符合歐洲的EN954-1類型3標準和IEC 61508 SIL 類型3 標準。 下面我們以SM301模板為例，說明它的結構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。 　　 在這里我們還要對安全功能的概念作一點解釋： 　　 STO （Safe torque off）：安全斷開扭矩 　　 根據(jù)EN 954標準第1部分和第2部分控制等級3的要求，“安全斷開扭矩”的安全功能是“防止不希望發(fā)生的啟動”。為此目的，提供兩個獨立的安全路徑，一是使從微處理控制器到逆變器的脈沖變得無效（控制器禁止），二是使提供功率級驅動“光偶”上的電壓斷開，亦即，微處理控制器系統(tǒng)的脈沖再也無法通過逆變器（脈沖禁止），這些輸出信號被確認附加上時，就達到了控制等級3。圖4說明了實現(xiàn)安全斷開扭矩的方法。 [align=center] 圖4 實現(xiàn)安全斷開扭矩的方法：控制器禁止（禁止使能）和脈沖禁止[/align] [align=center] 圖5 SM301 安全模板的內部結構框圖 圖6 通過PROFIBUS-DP 總線實現(xiàn)PROFIsafe 的數(shù)據(jù)通信[/align] SS0 （Safe stop 0）：0級安全停機 　　 按照EN 60204-1的定義，由機械的功能要求和危險性評估，指出停機等級分為0級，1級和/或2級。0級和1級停機的實施與操作方式無關，0級停機優(yōu)先于1級停機。停機功能超越于有關的啟動功能。0級停機是由立即斷開機械驅動裝置上的電源實施停機，它是不控制的停機，不控制停機的含義是，例如：斷開機械驅動裝置上的電源使機械運動停止，激活所有的制動器和/或其它的機械停止裝置。 　　 SS1 （Safe stop 1）：1級安全停機 　　 1級安全停機是控制停機，在機械驅動裝置仍然供電的情況下實現(xiàn)停機，當停機完成后再斷開電源?？刂仆C的含義是機械運動的停止是通過，例如，降低電命令信號到零來實現(xiàn)的，只要停止信號已經被控制器確認，在停機過程中仍然維持機械驅動裝置的供電，直至停機過程結束，再斷開電源。 　　 SS2 （Safe stop 2）：2級安全停機 　　 2級安全停機類同于1級安全停機，差別只是2級安全停機，在停機后仍然維持機械驅動裝置的供電，因此能快速實現(xiàn)再啟動。 　　 倫茨公司提供有工程組態(tài)軟件，可以對安全模板和安全功能進行項目組態(tài)和參數(shù)設置。 　　 PROFIsafe安全總線及由安全PLC對9400伺服控制系統(tǒng)進行控制和實現(xiàn)安全功能。 PROFIsafe行規(guī)是Profibus-DP通信協(xié)議應用層的一個行規(guī)，因此，其通信物理層和數(shù)據(jù)鏈路層仍然沿用Profibus-DP的標準，只是將安全數(shù)據(jù)和非安全數(shù)據(jù)進行了分隔，非安全數(shù)據(jù)的的傳輸是按標準的Profibus-DP進行。為了進行安全數(shù)據(jù)的傳送，安全模板有自己的PROFIsafe節(jié)點地址，這一地址和標準Profibus的節(jié)點地址是不相同的，可以通過模板上DIP開關來設置PROFIsafe節(jié)點地址（地址從1…1024）也可以用“Engineer”軟件通過代碼C13897或C14897進行設置。圖6是通過PROFIBUS-DP總線實現(xiàn)PROFIsafe的數(shù)據(jù)通信示意圖。 [align=center] 圖7 PROFIBUS 的標準報文結構 圖8 Profibus 數(shù)據(jù)報文的劃分 圖9 槽1 部分數(shù)據(jù)的細分 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的標準報文結構，報文與報文之間至少要有33Tbit的同步時間，接著是報文分隔符SD （規(guī)定數(shù)據(jù)為68H），LE （數(shù)據(jù)定義報文中“過程數(shù)據(jù)的長度”），LEr （重復過程數(shù)據(jù)長度），SD分隔符，DA （目標地址），SA（源地址），F(xiàn)C（報文功能碼），報文數(shù)據(jù)部分（1…244個字節(jié)），F(xiàn)CS （楨校驗碼），ED報文結束符（規(guī)定數(shù)據(jù)為18H）。 　　 作為安全數(shù)據(jù)的報文結構，和標準結構是一樣的，只是在報文數(shù)據(jù)部分的一開始有F過程數(shù)據(jù)（安全過程數(shù)據(jù)：12…122字節(jié)），1字節(jié)的的控制字節(jié)（寫報文）或狀態(tài)字節(jié)（讀報文），1字節(jié)的連續(xù)號，CRC2 （循環(huán)冗裕碼校驗：2或4字節(jié)），以上稱為數(shù)據(jù)的槽1部分（Slot 1），剩余部分作為標準報文的數(shù)據(jù)部分，稱為數(shù)據(jù)的槽2部分（Slot 2），但是總的報文數(shù)據(jù)部分的長度最大不得超過244字節(jié)，見圖8。 　　 對于SM301安全模板，PROFIsafe行規(guī)對槽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)長度總是8個字節(jié)，分配如下： 　　 字節(jié)0到字節(jié)3（總共4個字節(jié)）是PROFIsafe的過程數(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，字節(jié)6和字節(jié)7是循環(huán)冗余碼校驗字節(jié)，見圖9。 　　 PROFIsafe行規(guī)對前4個字節(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扭矩） 　　位1: 激活SS1（值=0, 表示要求激活1級安全停機） 　　位2: 激活SS2（值=0, 表示要求激活2級安全停機） 　　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,表示使能開關是有效的） 　　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）啟動確認） 　　位1: PS_AIE（值由01, 表示故障確認） 　　位7: 激活SSE（值=0, 表示要求激活安全緊急停機） 　　字節(jié)3 　　位0: SD-Out1（值=0, 表示SD-Out1輸出置成ON狀態(tài)） 　　所有沒有列出的位，表示保留將來作擴展的應用，但是必須發(fā)送“0”信號 　　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: 表示錯誤有效（值=1, 表示有錯誤存在） 　　 所有沒有列出的位，表示保留將來作擴展的應用，但是必須發(fā)送“0”信號，以上是有關PROFIsafe行規(guī)的一些說明。最后，我們提供一個安全通信的實例： 　　 上位PLC是西門子公司的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。 　　 應用STEP 7編程組態(tài)軟件，完成硬件的組態(tài)，建立符號地址表，建立安全操作的邏輯程序和完整的程序（見圖12）。完成程序的下裝和調試，通過在線監(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，我們提供兩個與本文有關的術語和縮寫詞表，以便讀者方便閱讀。 　　 在基于集成安全的傳動系統(tǒng)中將要用到的術語和縮寫詞表（見表2） [align=center] [/align]