FSoE协议软件——EtherCAT上的功能安全

工业化的推进在为人类生活提供丰富物质的同时，也逐渐成为威胁人身安全的“杀手锏”，生产事故的频发使得安全生产这一话题越来越受到关注。

什么是工业安全

工业安全通常是指透过各种安全防护措施，来避免工业灾害的发生，其目标是致力于维护工作者的安全与健康，避免意外事故的发生。

我们通常将安全分成3类，即功能安全、物理安全和信息安全。这3种安全在定义和内涵上差别很大：

而在工业控制领域，一直以来备受关注的就是功能安全问题，它依赖于系统或设备对输入的正确操作，当每一个特定的安全功能获得实现，并且每一个安全功能必需的性能等级被满足的时候，就达到了功能安全目标。

FSoE的应用场景

在工厂的生产过程中，为了保障现场生产设备、生产人员的安全，需要在机械设备上、设备上下料过程中、人员操作环节，以及机械设备周围设置多种用于检测和控制的安全装置。

例如，机械设备、上下料中的急停装置，冲压机的双手操作装置和安全区域保护的安全光幕，工业机器手臂的安全工作位置和速度限制，以及安全工作区域保护等类似这些功能的设备，都属于安全设备的应用场景。

在传统的安全控制设备回路里，安全设备例如安全光栅、急停等模块通过安全继电器连接到设备中，或者通过独立的安全中心模块进行更为复杂的安全逻辑控制。

随着以工业以太网为主的现场总线的发展，对设备的控制更加灵活且集中，现场工程师可以通过工业以太网得到更多以前无法获取的数据。

同时，在工业现场总线设计过程中，也考虑了如何能够将功能安全同步集成到工业现场总线中，既能实现和传统功能安全回路同样的效果，又能减小现场操作难度并获取更多更有效的信息。

EtherCAT作为现场设备控制比较常见的一种工业以太网总线，在规范定义中也考虑到了功能安全的需求。EtherCAT协议定义了FSoE规范，EtherCAT ETG.9100中定义了实现Safety over EtherCAT的规则和要求，即符合EtherCAT规范的功能安全协议。

作为FSoE的设备制造商，需要在相应的安全产品上实现FSoE安全协议和符合相关安全标准的安全应用。

FSoE的原理

FSoE是Safety over EtherCAT的缩写，这是一种在FSoE设备之间能够满足SIL3等级的功能安全数据传输协议。

从FSoE的名称缩写就可以看出，FSoE是从属于EtherCAT网络的一种应用协议，它在EtherCAT网络通讯中做为EtherCAT循环数据帧的一部分存在，这样FSoE就可以视为一个blackchannel。

FSoE使用的是Master/Slave的通讯模型，FSoE的EtherCAT从站可以按照功能分为FSoEMaster和FSoE Slave。

FSoE设备之间的连接可以通过EtherCAT网络配置建立联系。FSoE的数据交换仅限于在已配置好的FSoEMaster/FSoE Slave之间进行，并且FSoE Master和FSoE Slave都有独立的看门狗定时器用于周期数据帧监控。

FSoE的硬件架构

根据blackchannel原理，通讯硬件可以在设备上保持使用单通道。这样，在FSoE设备上的EtherCAT从站控制器仍可以做为EtherCAT接口使用，除此之外，也可以使用背板总线等其他接口。

但是，通常情况下，处理FSoE协议需要冗余控制器架构。每个控制器单独处理FSoE协议，然后交叉验证结果。

FSoE的软件结构

FSoE协议是一个 EtherCAT通讯接口上的应用层通讯协议，所以FSoE设备的基础仍然是标准EtherCAT。

FSoE设备的通用接口仍然是标准EtherCAT从站协议栈，在标准EtherCAT从站协议栈基础上，仍然可以按照标准EtherCAT从站应用程序来设计标准EtherCAT从站，也可以通过FSoE协议栈添加安全应用，实现EtherCATFSoEMaster/Slave应用。

FSoE SDK

FSoE SDK软件开发工具包本身就是为了加快工程师的开发进度、减少开发难度提供的相关文档、示例等资料的集合。

FSoE SDK在标准FSoE规范协议定义的操作功能的基础上，还提供了用于方便通过安全认证的内容，例如为了方便产品移植所提供的unit-test，更重要的是SDK还能够提供SIL3预认证。

FSoE SDK软件开发包设计完全独立于硬件，可以适用于有操作系统或者无操作系统的多种应用环境。FSoE Master/Slave协议栈的功能和编译选项配置通过代码中的宏定义配置实现，可以根据应用需求在不同项目中修改切换。

FSoE SDK软件开发包已通过IEC61508 SIL3预认证，为了保证使用SDK能够符合安全流程，SDK安全手册定义作为安全通信软件集成到客户平台的“Dos and Don’ts”。

同时，SDK软件开发包的整个开发流程也都通过了SIL3的认证并能够提供认证证书，这样可以更大程度的减小集成 FSoE SDK 的产品后期进行认证过程中耗费的时间和精力。

Unit-Tests提供了可用于移植和运行在目标平台的C语言源代码, 修改移植配置时只有Unit-test测试部分被移植操作。

由于软件的分层结构，可以保证在重新认证时安全协议核心软件部分不需要任何修改。客户产品集成FSoE SDK协议栈后，如果移植平台全部通过Unit-test测试并且完全符合安全手册设计内容，安全协议软件部分不需要重新认证。

审核编辑 ：李倩