功能安全通信——工業(yè)4.0時代的“數(shù)字生命線”

隨著工業(yè)4.0的深入發(fā)展，智能制造系統(tǒng)對自動化設(shè)備的可靠性、實時性與安全性提出了前所未有的高要求。在這一背景下，功能安全通信（Functional Safety Communication） 正日益成為保障工業(yè)系統(tǒng)“本質(zhì)安全”的關(guān)鍵支撐，被譽(yù)為現(xiàn)代工業(yè)的“數(shù)字生命線”。

它不僅確?？刂葡到y(tǒng)在正常工況下高效運行，更在故障或異常情況下，通過可靠的通信機(jī)制觸發(fā)安全響應(yīng)，有效防范人員傷害、設(shè)備損壞和生產(chǎn)中斷。

什么是功能安全通信？ 

功能安全通信是指在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，為實現(xiàn)安全相關(guān)功能（如緊急停機(jī)、安全門鎖、速度監(jiān)控等），在設(shè)備之間傳輸安全數(shù)據(jù)時所采用的高完整性通信技術(shù)。其核心目標(biāo)是：即使通信鏈路出現(xiàn)故障，系統(tǒng)仍能以高概率正確識別并執(zhí)行安全動作。

與傳統(tǒng)工業(yè)通信不同，功能安全通信須滿足：

高可靠性：低殘余錯誤率

確定性：嚴(yán)格的實時響應(yīng)能力

容錯性：具備冗余、診斷、數(shù)據(jù)完整性校驗等機(jī)制

互操作性：支持多廠商設(shè)備間的安全協(xié)同國際標(biāo)準(zhǔn) IEC 61784-3 是全球首個專門針對功能安全通信協(xié)議的統(tǒng)一規(guī)范，定義了包括 FSoE（Fail-Safe over EtherCAT）、CIP Safety、PROFIsafe 等在內(nèi)的多種安全通信行規(guī)，為跨平臺安全互聯(lián)提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

功能安全通信——IEC 61508對安全功能實現(xiàn)過程中對數(shù)據(jù)通訊的要求 

在IEC 61508-2 chapter 7.4.11中對數(shù)據(jù)通訊的附加要求指出為確保通信過程所需的安全性指標(biāo)（例如殘余錯誤率）而必須采用的技術(shù)和措施。這提供了兩種可能的實施方式：白色通道，黑色通道。

白色通道:實現(xiàn)通信過程的兩端包括兩端內(nèi)部的所有接口、轉(zhuǎn)換設(shè)備和軟件都需要符合IEC 61508；

黑色通道:僅兩端的設(shè)備（安全數(shù)據(jù)發(fā)送和安全數(shù)據(jù)最終接收）符合IEC 61508，中間的通信過程符合IEC 61784-3，中間的軟硬件不需要符合IEC 61508要求。目前世界工業(yè)領(lǐng)域主流的，包括IEC61784-3規(guī)定的都是采用黑色通道的方式來實現(xiàn)。

采用黑色通道實現(xiàn)安全通信的基本理念如下：

由上圖可知黑色通道實現(xiàn)安全通信就是要設(shè)計安全通信層，按照IEC 61784-3中的相關(guān)要求選擇合適的技術(shù)措施，在發(fā)送端和接收端的安全通信層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行封裝并增加相應(yīng)的應(yīng)答機(jī)制。在整個通訊過程中物理層，數(shù)據(jù)鏈路層，應(yīng)用層均可自行設(shè)計。通訊過程中可能會經(jīng)過網(wǎng)關(guān)，路由等設(shè)備，這些軟硬件均可自行設(shè)計沒有特殊要求。

標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同：構(gòu)建完整的功能安全生態(tài) 

功能安全并非孤立存在，而是多個標(biāo)準(zhǔn)協(xié)同作用的結(jié)果。IEC 61784-3 作為承上啟下的核心標(biāo)準(zhǔn)，連接了基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)場總線技術(shù)。

黃色框是功能安全相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，包括基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61508，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)IEC 62061，ISO 13849等和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131-6（可編程控制器功能安全要求），IEC 61496(機(jī)械安全-電敏感防護(hù)設(shè)備)，IEC 61800-5-2(可調(diào)速的電氣傳動系統(tǒng)-功能安全要求)，ISO 10218-1(工業(yè)機(jī)器人-功能安全要求)等三個層級。其中黃色框中IEC 61000-6-7和IEC 61326-3-1關(guān)于EMC的標(biāo)準(zhǔn)指向IEC 61784-3兩者的聯(lián)系是由于通信過程中的電磁干擾導(dǎo)致的軟失效。

藍(lán)色框是現(xiàn)場總線相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，包括基礎(chǔ)的現(xiàn)場總線規(guī)范、安裝導(dǎo)則、電氣安全要求等。其中IEC 62443(工業(yè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)安全標(biāo)準(zhǔn)) 指向IEC 61784-3，由于IEC 62443解決“系統(tǒng)可信”，IEC 61784-3解決“數(shù)據(jù)是否實時，可靠，確定”，兩者互補(bǔ)，共同保證工業(yè)系統(tǒng)的“可信且高效”。

功能安全認(rèn)證：通往可信系統(tǒng)的必由之路 

即便技術(shù)先進(jìn)，未經(jīng)權(quán)威驗證的安全通信系統(tǒng)仍難以獲得市場信任。因此，第三方功能安全認(rèn)證成為產(chǎn)品進(jìn)入高端工業(yè)市場的“通行證”。

作為國際公認(rèn)的測試、檢驗和認(rèn)證機(jī)構(gòu)，SGS在功能安全領(lǐng)域的專業(yè)能力得到了全球認(rèn)可。SGS工業(yè)功能安全團(tuán)隊?wèi){借豐富的經(jīng)驗通過權(quán)威的標(biāo)準(zhǔn)化評估、系統(tǒng)性驗證及全生命周期管理，能夠顯著提升安全通信系統(tǒng)的可靠性與抗干擾能力，成為應(yīng)對復(fù)雜電磁環(huán)境、保障工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備安全通信的關(guān)鍵技術(shù)支撐，助力行業(yè)滿足嚴(yán)苛的功能安全與性能要求。

截至2025年，SGS 全球擁有99,500+ 名專業(yè)人員，在 115 個國家設(shè)立2,500+ 實驗室與分支機(jī)構(gòu)，構(gòu)建起強(qiáng)大的技術(shù)支撐網(wǎng)絡(luò)，持續(xù)為工業(yè)自動化、工控系統(tǒng)、工業(yè)芯片、軌道交通、能源電力及電梯等領(lǐng)域客戶提供專業(yè)“兩安”（功能安全 + 網(wǎng)絡(luò)安全）解決方案。在工業(yè)4.0加速演進(jìn)的今天，功能安全通信已不再是“可選項”，而是構(gòu)建智能工廠、無人產(chǎn)線、協(xié)作機(jī)器人系統(tǒng)的“基礎(chǔ)設(shè)施”。 未來，唯有將安全通信內(nèi)生于系統(tǒng)架構(gòu)之中，才能真正實現(xiàn)“生產(chǎn)不停、安全不息”的智能制造愿景。

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SGS是國際公認(rèn)的測試、檢驗和認(rèn)證機(jī)構(gòu)。憑借超過145年的卓越經(jīng)驗和瑞士公司特有的精準(zhǔn)度，我們幫助企業(yè)達(dá)到質(zhì)量、合規(guī)與可持續(xù)發(fā)展的最高標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)展至今，我們的業(yè)務(wù)包含互聯(lián)與產(chǎn)品、工業(yè)與環(huán)境、營養(yǎng)與健康、自然資源、管理與保證五大戰(zhàn)略版圖。

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