PROFIBUS故障安全通信技術探討

一、引言?

　　長期以來，故障安全通信技術方面的任務只能在第二層采用常規(guī)手段或者通過專用總線分散地加以解決。這使得應用于制造業(yè)和過程工業(yè)自動化的分布式現(xiàn)場總線 PROFIBUS的生存空間受到限制。迄今為止，PROFIBUS因其擁有PROFIsafe故障安全技術解決方案始終是唯一能夠滿足制造業(yè)(采用RS485和光纖傳輸技術)和過程工業(yè)自動化(采用“MBP-IS”，即曼徹斯特編碼一總線供電和本質安全傳輸技術，原名 IEC61158-2)故障安全通信要求的現(xiàn)場總線。

　　二、PROFIsafe的主要特征

　　PROFIsafe的主要特征歸納如下：?

　　●安全通信和標準通信在同一根電纜上共存;?

　　●PROFIsafe-故障安全性建立在單信道通信系統(tǒng)之上，安全通信不通過冗余電纜來達到目的;

　　●標準通信部件，如電纜、專用芯片(ASICS)、DP-棧軟件等等，無任何變化;

　　●故障安全措施封閉在終端模塊中(F-Master,F-Slave);

　　●采用專利SIL監(jiān)視器獲得極高的安全性;

　　●最高故障安全完整性等級為SIL3(IEC61508)，相應的德國標準和歐洲標準分別為AK6(DIN V19250)、Kat.4(EN954-1)。SIL3：>10-8…10-7，即在連續(xù)工況下每小時故障率;

　　●PROFIsafe的軟件解決方案可以靈活地應用于SIL1，2或3的設備及安全控制回路;

　　●既可用于低能耗(Ex-i)的過程自動化，又可用于反應迅速的制造業(yè)自動化;

　　●環(huán)境條件同標準PROFIBUS(抗電磁干擾等)。?

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

　　PROFIsafe使標準現(xiàn)場總線技術和故障安全技術合為一個系統(tǒng)，即故障安全通信和標準通信在同一根電纜上共存。這不僅在布線上和品種多樣性方面可以節(jié)約一大筆資金，而且可以日后改建。用戶自然可以根據(jù)組織方面的理由將安全功能和標準功能分配到兩根PROFIBUS干線上(圖2)。由圖1可見，經(jīng)F- Gateway(F-網(wǎng)關)可連接其他安全總線系統(tǒng)。

　　過程工業(yè)自動化要求采用冗余來提高設備的使用率。PROFIsafe則采用單信道通信結構的方法使上述要求的實現(xiàn)非常容易。單信道故障安全可編程控制器可以達到SIL3。這種通信結構原則上也可以執(zhí)行標準自動化任務，如診斷、參數(shù)設置服務器等。

　　PROFIsafe以標準總線通信部件一電纜、芯片、基本軟件包(層棧)、PROFIBUS-DP-主站和PROFIBUS-DP-從站等為基礎，這些均被劃入“Black Channel-黑色通道”。它一方面表示在“Black Channel”中可能出現(xiàn)的所有故障均由PROFIsafe查出;另一方面“Black Channel”中沒有提高傳輸安全性的各項功能，所以它不涉及安全技術的范疇。

　　PROFIsafe解決方案的ISO/OSI簡化模型4。

　　眾所周知，PROFIBUS在ISO/OSI-模型中僅使用了第1、2和7層。故障安全措施則置于第7層一應用層之上的安全層(Safety- Layer)。由于該層僅對有效數(shù)據(jù)的安全傳送負責，它需要上層負責準備與提供有效數(shù)據(jù)，而在一個安全現(xiàn)場設備(例如，安全輸入)中是由它的技術固件來施行的。這類固件通常至少有一部分是按照故障安全技術要求設計的。在冗余的硬、軟件結構中嵌入PROFIsafe功能也可以達到上述目的。同標準操作一樣，過程信號及過程數(shù)據(jù)出現(xiàn)在相應的有效報文中。在安全操作時，僅對這些報文加以補充(圖10、11)。

　　源于某個模塊式從站(一個PROFIBUS站點，它可內裝若干個帶輸入/輸出通道的故障安全模塊)的發(fā)送器信號經(jīng)PROFIBUS從站聯(lián)接點進入F-控制器的兩個DP-主站聯(lián)接點中的一個，從那里經(jīng)局域總線進入F-控制器，即故障安全CPU。經(jīng)聯(lián)接后產(chǎn)生的一個輸出信號再次通過局域總線進入第二DP-主站聯(lián)接點，入第二根PROFIBUS干線。傳輸速度在DP-PA鏈接器中降低，使用PA-物理傳輸技術(MBP-IS)-達到 31.25kBaud，將信號輸送到故障安全PA-從站中。此信號在其通信路徑的任何地點均未使用一條冗余通道，也就是說，傳輸是單通道的。

　　以上僅對故障安全報文的通信路徑作了詳細的探討，至于誰負責發(fā)送，何時發(fā)送的問題，回答很簡單。這里運用了PROFIBUS的標準機制，即主-從操作方式。一個主站-通常為一個CPU，循環(huán)地同其所有組態(tài)的從站交換報文，即在主站與從站之間存在著1：1的關系。這種輪詢操作(Polling)方式的優(yōu)點是能夠立即察覺一旦出現(xiàn)故障的某個設備，這正是故障安全技術的基本原則之一。