PROFIBUS故障安全通信技术探讨 -

原作者:[标签:作者] 添加时间:2007-07-01 原文发表时间:2007-07-02 人气:1

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一、引言

长期以来，故障安全通信技术方面的任务只能在第二层采用常规手段或者通过专用总线分散地加以解决。这使得应用于制造业和过程工业自动化的分布式现场总线PROFIBUS的生存空间受到限制。1998年德国PROFIBUS用户组织(PNO)以故障安全技术的应用为目标，专门设立了一个工作组，着手制订一种整体的、开放的解决方案。其通信基础是PROFIBUS-DP，所依据的主要标准则是IEC61508和欧洲标准EN954以及EN5O159-1/-2等。

1999年，PNO在德国汉诺威博览会上公布了在标准PROFIBUS上实现主、从站之间故障安全通信的技术规范，其注册商标名为PROFlsafe(V. 1.0)。它通过了德国BIA-联邦劳动安全研究所和T V-技术监督联合会的认证。之后，该规范的使用范围扩大，成为连接任何安全控制器所必备的先决条件。随着从站与从站之间故障安全通信(F-Slave to F-slave，PROFIBUS DPV2)和以太网通信(PROFInet)的出台，PROFIsafe的工作进入了第二阶段，即“V.1.20，2002”。以西门子为首的德国25家知名企业参与了PROFIsafe应用行规的制订和产品开发。

PROFIsafe的问世曾在国际现场总线技术领域中引起了轰动。迄今为止，PROFIBUS因其拥有PROFIsafe故障安全技术解决方案始终是唯一能够满足制造业(采用RS485和光纤传输技术)和过程工业自动化(采用“MBP-IS”，即曼彻斯特编码一总线供电和本质安全传输技术，原名IEC61158-2)故障安全通信要求的现场总线。

二、PROFIsafe的主要特征

PROFIsafe的主要特征归纳如下：

●安全通信和标准通信在同一根电缆上共存；

●PROFIsafe-故障安全性建立在单信道通信系统之上，安全通信不通过冗余电缆来达到目的；

●标准通信部件，如电缆、专用芯片(ASICS)、DP-栈软件等等，无任何变化；

●故障安全措施封闭在终端模块中(F-Master,F-Slave)；

●采用专利SIL监视器获得极高的安全性；

●最高故障安全完整性等级为SIL3(IEC61508)，相应的德国标准和欧洲标准分别为AK6(DIN V19250)、Kat.4(EN954-1)。SIL3：＞10-8…10-7，即在连续工况下每小时故障率；

●PROFIsafe的软件解决方案可以灵活地应用于SIL1，2或3的设备及安全控制回路；

●既可用于低能耗(Ex-i)的过程自动化，又可用于反应迅速的制造业自动化；

●环境条件同标准PROFIBUS(抗电磁干扰等)。

三、通信原理：“Black Channel”和F-(Failsafe)层结构

PROFIsafe使标准现场总线技术和故障安全技术合为一个系统，即故障安全通信和标准通信在同一根电缆上共存。这不仅在布线上和品种多样性方面可以节约一大笔资金，而且可以日后改建。用户自然可以根据组织方面的理由将安全功能和标准功能分配到两根PROFIBUS干线上(图2)。由图1可见，经F-Gateway(F-网关)可连接其他安全总线系统。

过程工业自动化要求采用冗余来提高设备的使用率。PROFIsafe则采用单信道通信结构的方法使上述要求的实现非常容易(图5)。单信道故障安全可编程控制器可以达到SIL3。这种通信结构原则上也可以执行标准自动化任务，如诊断、参数设置服务器等。

PROFIsafe以标准总线通信部件一电缆、芯片、基本软件包(层栈)、PROFIBUS-DP-主站和PROFIBUS-DP-从站等为基础，这些均被划入“Black Channel-黑色通道”。它一方面表示在“Black Channel”中可能出现的所有故障均由PROFIsafe查出；另一方面“Black Channel”中没有提高传输安全性的各项功能，所以它不涉及安全技术的范畴。

PROFIsafe解决方案的ISO/OSI简化模型4。

众所周知，PROFIBUS在ISO/OSI-模型中仅使用了第1、2和7层。故障安全措施则置于第7层一应用层之上的安全层(Safety-Layer)。由于该层仅对有效数据的安全传送负责，它需要上层负责准备与提供有效数据，而在一个安全现场设备(例如，安全输入)中是由它的技术固件来施行的。这类固件通常至少有一部分是按照故障安全技术要求设计的。在冗余的硬、软件结构中嵌入PROFIsafe功能也可以达到上述目的。同标准操作一样，过程信号及过程数据出现在相应的有效报文中。在安全操作时，仅对这些报文加以补充(图10、11)。