机器设备的发展目标之一就是能将安全功能集成于高效、灵活的控制系统中。对于大型应用方案，集成度较高的安全PLC是比较理想的选择;而对于小型应用方案，简单、可组态的安全模块则更加实用，具有更多的优势。现在，一种全新的解决方案集成了以上两种方案的优点——应用灵活，可轻松实现网络通讯功能，为中型、分布式应用提供了更加优化的解决方案，无需使用安全PLC，即可帮助机器设备制造商实现高效的、支持网络功能的安全解决方案。

图1  可组态的安全模块

技术现状

依照EU机械指令，在设计机器设备安全回路时，设计工程师必须参照最新的国际功能安全标准来设计(例如：EN ISO 13849或IEC 62061)。因此这就提出了一个问题：无论是使用可编程、支持网络功能的安全PLC，还是使用简单、可组态的安全模块，都要求工程师对最新安全标准有足够的理解，以保证其设计的安全回路符合当前所流行的功能安全标准的要求。

早在2008～2009年，这个问题就已经被一个特殊的工作小组“Steuerungstechnik im VDMA”提出并开始分析，最后，制定了相应的指导方针，命名为“Programmierbare Sicherheitstechnik im Maschinenbau.Entscheidungshilfe für den Einsatz.Safety(1)”，此指导方针充分考虑了当前工业技术发展水平下所流行的技术，指出了与安全相关的通讯功能的重要意义，但这仅限于针对可编程安全PLC，可组态的安全模块并不在范围之内。

可组态的安全模块

相对于简单的、采用硬接线的通用安全继电器，可组态的安全模块拥有应用灵活的优势。根据应用需求，可任意组态安全功能，仅需借助类似螺丝刀这种简单的硬件工具以及简单的软件组态工具，即可完成整个模块的组态和接线工作。可组态的安全模块主模块面板上拥有数量固定的安全I/O信号，在安全I/O信号不够的情况下，可以通过增加I/O扩展模块，直接将扩展模块和主模块相连，也可以通过专用的扩展总线耦合器，以扩展I/O信号;另外，一些可组态的安全模块还支持安全信号和非安全信号的混合应用。

通过标准现场总线设备和网络设备，或通过特殊的现场总线模块(总线耦合器)，可以整合标准自动化机器设备的控制系统和安全系统。通过这些模块，将可组态安全模块上的信号传输至标准控制系统，例如诊断信息或信号状态。当然，要实现此功能的前提是，在组态软件里，必须事先选择这些信号，并对其进行地址设置。

可组态安全模块使用方便、安装简单，所能达到的安全等级对于每个人都是固定的，例如普通职员、电工和操作工人，即使这些人之前并不负责安全方面的工作，也不需要对他们进行编程方面的特殊培训，因为安全功能已经被集成在具有安全认证的安全功能块中。

当然，相对于灵活的可编程安全PLC系统，可组态的安全模块的缺点也是明显的，其不能与安全网络进行通讯，不能将一些与安全相关的信息传输至已经存在的标准网络。对于分布式的机器设备而言，这就增加了额外的接线或需要增加专用总线模块。因此，对于这种用户而言，此方案既不灵活，也不高效，而且还需要增加额外的成本。因此，要在标准网络中连接分布式安全I/O模块，唯一的方法就是应用可编程安全PLC，并且要求这种PLC支持安全网络协议。

图2  安全桥技术

可编程安全PLC

相比简单的可组态安全模块，可编程安全PLC支持更多的安全信号、安全功能块应用示例，编程资源库，更好地集成一些特殊的安全功能，例如：安全运动。通过安全网络标准化，安全PLC可以和分布式安全I/O模块、高集成功能的安全设备进行通讯(例如：激光扫描仪、安全驱动)。最新的安全网络还支持无线通讯，对于移动的机器设备和工具，这种方案有很大的优势。

但是，可编程安全PLC的使用也有一定的限制，需要符合一些前提条件，而且这些条件往往具有很大的挑战：

首先，需要确认所应用的PLC是否能提供“Safe Version”。而对于一些机器设备，这一要求其实是很难满足的，因为目前安全PLC的发展非常缓慢，所应用的PLC系统不一定能提供“Safe Version”。

其次，机器设备制造商由于需要符合不同客户的特殊需求，所使用的控制系统品牌或型号可能是不一样的， 是否能实现所有与安全相关的控制也是一个问题。

第三，机器设备制造商使用自己研发和设计的系统或基于PC的控制系统，在安全软件和安全运行技术可用的情况下(例如：KW-Software公司开发的安全软件)，基于安全的硬件设备必须由机器设备制造商本身开发或设计。

在确认所使用的PLC系统所对应的安全PLC系统可以提供的前提下，又提出了以下新问题：PLC支持哪种安全网络或协议?不同的PLC支持不同的网络或协议。最坏的情况就是，机器设备制造商必须根据使用的安全网络类型来选择安全PLC品牌或型号。可是，是否有足够的安全网络类型可供选择，又是一个值得思考的问题。

进行PLC系统和网络类型的更改不仅是硬件问题，从工程工具方面来说，编程语言，安全程序的验证和确认流程，所有部件的功能安全管理都是必须要考虑的。因此总体来说，安全PLC、安全网络、安全零部件和工程之间存在较强的附属关系，对于机器设备制造商甚至最终用户，最终又可能成为一大劣势。

安全桥技术——分布式、可组态的安全模块

安全桥技术是一种全新的解决方案，用于实现自动化网络中分布式安全功能，以消除安全协议、标准PLC和标准现场总线/网络彼此之间较强的附属关系。因此，安全桥技术必须能实现以下两个重要的特性：

首先，安全逻辑单元无需集成于PLC系统，安全逻辑单元是分散的、独立于标准PLC，是一种可组态的安全模块。在安全桥技术中，具有特殊功能的逻辑模块其实就是一种标准的网络设备。

其次，为了读取来自分布式传感器的安全输入信号，或将安全输出信号传输至执行器，安全逻辑模块必须通过一种特殊的安全桥协议，将这些信息传输至已经安装好的标准网络中。这种安全协议不含任何网络和PLC之间所指定的某种附属特性，因此，“黑色通道”原理被用于进行参数化和故障诊断。标准PLC和整个网络以及安全报文中所涉及的所有零部件，都是“黑色通道”的一部分，安全相关失效检测方法仅在通讯的终端被执行，在“黑色通道”内部检测所有的残余失效的概率，以符合最高安全等级(等级4，SIL3，PLe)。

从使用者的角度出发，一个安全站点内所有分布式安全桥模块要能完成原先使用可组态安全模块所完成的功能，即实现一台机器设备所要求的所有安全功能。

标准PLC系统是“黑色通道”中的一部分的这一特殊特性，带来一些无法预知的优势：

● 标准PLC能直接读取来自输入设备的所有安全输入信号;

● 标准PLC还能直接读取所有安全输出信号，这些信号通过安全输出设备被映射成标准输入信号被读取;

● 标准PLC能直接读取来自所有安全桥模块(例如：安全输入模块、安全逻辑模块、安全输出模块)的所有诊断信息;

● 只要安全桥和安全逻辑模块容许，标准PLC还能直接发送安全输出信号至安全输出模块。

这种既安全、又可轻松实现网络通讯的新方案，集合了可编程、支持网络功能的安全PLC系统和可组态安全模块二者的优势。安全桥支持网络功能，可以像安全PLC一样应用灵活，又可以像可组态安全模块一样安装简单，其组态软件与可组态安全模块所应用的软件是一样的，都是SAFECONF软件。

安全桥——全新的安全技术

作为一种全新的安全系统解决方案，安全桥可以集成在自动化系统网络中，实现安全网络通信功能。安全桥技术完全独立于安全PLC和标准网络，因此可非常容易地集成于已有标准系统和标准网络中，无需使用特殊的PLC系统和安全网络协议，便可实现各种安全功能。此技术以及产品早在2009年就通过了德国莱茵TÜV认证，集合了安全网络通讯功能和可组态的安全模块应用简单的优势，可以应用在最高安全等级为4，SIL 3，PLe的各种应用中。

由于严格执行了安全功能和标准PLC网络分开原则，即使系统中所应用的标准PLC或网络配置发生了变化，也无需对安全相关配置和参数进行修改。这也就意味着，只要是得到认可的安全应用方案，无需进行任何修改，可以被应用于使用不同PLC系统的机器设备，可以在不同的控制系统中被重复使用。

安全桥技术是一种全新的安全技术，其弥补了可组态的安全模块和可编程PLC系统之间的应用间隙。