工业网络功能安全通信技术研究

随着我国工业制造水平不断提高，对安全技术及安全相关系统的需求越来越突出，在工厂和过程的控制领域，包含电子、电气设备和计算机软硬件的系统被越来越多地用于安全目的。在进行功能安全相关领域的研究、开发或集成应用中，国际电工委员会发布的IEC61508标准是普遍认可并需遵循的一个功能安全基础标准，即《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》，与之对应的我国国家标准也正在制订中。IEC61508针对由电气/电子/可编程电子部件构成的、起安全作用的电气/电子/可编程电子系统（E/E/PES）的整体安全生命周期，定义了一个基础的方法和技术框架，用于系统地处理安全相关的所有活动，对以电子为基础的安全相关系统提出一个一致的、合理的技术方针。目前，在IEC61508的基础上，已经制订了一些具体行业或应用领域的功能安全标准，例如，工业过程控制领域的IEC61511，核电领域的IEC61513，机械行业的IEC62021，这些标准都是基于IEC61508标准的特定行业或领域的功能安全标准。基于IEC61508的现场总线功能安全通信行规IEC61784-3也在制订过程中。
在设计或应用用于安全相关领域的控制系统时，根据IEC61508的相关的原理，除了需要考虑如传感器、控制装置和执行器的功能安全外，还要必须要考虑通信系统的功能安全。目前，一些使用现场总线技术进行数据通信并构成通信系统的自动化厂商或组织，已经通过在现场总线原有通信协议的基础上添加了安全通信层，定义了功能安全相关的通信行规等，使其达到一定的安全完整性水平（SIL），来满足安全相关领域应用的需求。
本文主要内容是研究一些功能安全通信行规如EPASafety、FF-SIS、ProfiSafe、CIPSafey等的技术特点，总结一些工业通信网络中可能会出现的通信故障和风险，以及相应的安全措施等。
1. 功能安全通信的需求
结合IEC61508安全功能的定义，如图1.1 所示，可以将安全功能可以分解为为传感器、安全通信链路、可编程电子设备、安全通信链路和执行器几个部分。通信系统主要指安全通信链路，执行安全数据的传输。通常，根据系统的SIL等级所要求的故障失效概率，对功能安全通信的要求是不能消耗超过1%，这意味着功能通信的故障失效概率应“好于”相应SIL等级中要求的100倍。