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    摘  要：本文概述了PROFIBUS、PROFINET和PROFIsafe多年来在全球的迅猛发展，在今日中国的制造业和流程工业中被广泛地应用，并建立了独特的标准体系。文章从PROFIBUS技术的几方面论述其在安全、节约与增效方面的重大作用，而这些作用正是PROFIBUS深受中国用户青睐的主要理由之一。

   关键词：现场总线PROFIBUS；工业实时以太网系统PROFINET；PROFIBUS和PROFINET的故障安全通信系统PROFIsafe；安全；功能安全；可用性；冗余；冗余环；电子设备描述EDD；电子设备描述语言EDDL；PROFIBUS PA行规PROFIBUS PA-Profil；可靠性；全集成安全通信系统

    历经了20年辉煌成就的现场总线技术PROFIBUS（1987），正在崛起的工业实时以太网系统PROFINET（2000）以及这两者共同使用的、具有划时代意义的故障安全通信技术PROFIsafe（1999），在全球每年正以两位数的惊人速度增长，方兴未艾，成为当代自动化技术在该领域的三大支柱。三者之组合可以构建当今与未来最佳的自动化系统平台，能够为任何复杂、多变、连续的和断续的生产过程提供最经济、最安全的自动化解决方案（图1-4）。

    在今日中国，它们在制造业和流程工业中被广泛地应用，在保障人、机器和环境的安全方面以及在节约与增效方面，发挥着各自的重大作用。值得关注的是，中国唯一的基于PROFIBUS的标准化体系已经建立（图5），基本上实现了1997/1998年提出的标准化长期战略目标，成为促进中国自动化行业发展的有利因素之一。

 

    本文仅从PROFIBUS技术的几个方面论述其在安全、节约与增效方面的重要作用，而这些作用正是PROFIBUS深受中国市场和用户的欢迎与青睐的主要原因之一。

    所谓安全性（Safety）是要求防御由各种原因造成的危害（如运动、压力、灼热、放射性、电击等等）。“功能安全”（Functional Safety）是防御由不正确功能所造成的危害。PROFIsafe则是正确传输信息，以满足功能安全的要求。例如，根据IEC61508标准的规定，SIL3所对应的危险失效概率为10^-7/h，对于一个由传感器、逻辑运算单元和执行器组成的SIL3级安全回路，PROFIsafe在安全功能危险失效总概率中占1%，所对应的危险失效概率为10^-9/h，即>SIL3级的要求。1999年PROFIsafe的问世在工业自动化领域中开创了故障安全通信技术的新纪元。它实现了安全通信和标准通信在同一根电缆上共存的幻想，从而可以取代传统的基于继电器技术的专用安全总线（图6、7）。迄今为止，PROFIBUS因其拥有通过TüV-德国技术监督联合会，BGIA-德国工伤保险职业安全研究所，UL-美国保险商实验室等机构认证的PROFIsafe安全技术解决方案（VI.30），是世界上第一个按照IEC61508满足制造业和过程工业自动化故障安全要求达到SIL3级的安全系统。

               

 

    2005年9月，德国PNO（PROFIBUS用户组织）出台了最新的PROFIBUS通用应用行规—PROFIsafe V2.0。它有两种模式，即V1-mode 和V2-mode，前者用于PROFIBUS DP，后者则用于PROFINET IO和PROFIBUS DP（图8）。它表明，PROFIsafe这一先进的和成熟的安全技术又登上了一个新的台阶，进入了实时工业以太网或PROFINET的应用范畴，从而在竞争日益加剧的安全技术领域中，继续保持遥遥领先的地位。PROFIBUS DP和PA虽然传输技术不同，但高层协议相同，新的PROFIsafe行规同样可运用于PROFIBUS PA（图7）。PROFIsafe是安插在一个PA仪表设备ISO/OSI模型中的附加层—F安全层。该层的任务是在循环传输中的故障安全有用数据与参数进入应用层被继续使用之前，对其进行校验。PROFIsafe采取四大防范措施来识别错误数据的传输，即序列号、时间监控、通信双方无歧义的识别代码，以及循环冗余校验CRC。


            

 

    2007年，PROFIsafe被纳入国际标准IEC61784-3-3，同年在中国被转化为GB/Z 20830-2007，是中国首个涉及功能安全的GB/Z。

    2008年，全球共有66，000个PROFIsafe故障安全通信系统和630，000台PROFIsafe现场仪表设备在炼油、化工、海上石油勘探平台、机械制造业、机场、港口、索道、三维大型舞台等许多应用领域可靠地运行着，其中过程自动化约占10%。

    PROFIsafe于2003年被介绍给中国的科技人员和用户，如今已在汽车工业（如奇瑞、通用、一汽大众、戴姆勒-奔驰、宝马等）、钢铁工业（宝钢、首钢）、电站（大亚湾核电站）、制药业（拜耳制药）、机床工业、食品工业和游乐业等领域获得了应用。笔者相信，随着国内化工、石油等流程工业安全意识的不断增强，迄今仍局限于传统的所谓安全专线思维方式的逐渐转变，PROFIsafe在该领域应用的比例将会明显地扩大。

 

    图9所示为PROFIsafe 10年发展历程。最近出台的PROFIsafe新版V2.4增加了连接无线通信技术Wireless（WLAN-IEEE 802.lli+Bluetooth-IEEE 802.15.1）的可能性，且采用全新的参数服务器（iPar-Server），以取代原有的Proxy FB—代理服务器功能块，在更换出错的F-设备的情况下，能使新的F-设备通过简单的途径就能获取原始的功能和参数，从而大大节省工程开销。它本身虽无安全功能，却既适用于安全型设备（F-设备），又适用于非安全型设备（图10）。

    研究表明，在所有行业中，生产设备操作者都把尽量提高可用性和缩短停机时间视为提高劳动生产率最有效的措施。前面所述功能安全所涉及的是保护人、设备与环境免遭伤害，例如断开有危险的设备。而高可用性所涉及的却是在出现故障的情况下，仍应维持自动化设备的运行。高可用性的一个特征量是一个与总运行时间（例如，99.99%）有关的设备运行准备程度，而冗余则决定一个自动化系统的故障容忍度，也是提高可用性的主要手段。

    在过程自动化，尤其是石油、化工自动化方面，自动化系统结构既要求安全（SIL3），又要求尽量高的可用性。自动化设备拥有足够的可用性，是安全的一个必要的先决条件，但可用性或冗余本身并非提供安全保障。大家对于美国西部枪战影片中的牛仔并不陌生，西部牛仔的腰部两侧总是各配带一把左轮枪，从装备上看，可用性似乎挺高，但安全并非有保障。

    PROFIBUS/PROFINET的系统结构为总线系统的高可用性与安全性创造了最佳的先决条件。下面以PROFIBUS PA的一个总线段（Seqment）为例来说明（图11）。

     提高可用性的途径有以下几个：

    （1）电源和通信接口冗余；

    （2）PA段呈环形结构，产生实用的通信路径冗余；

    （3）设置自动总线终端器。

    以上三点均以硬件为基础，提高可用性并不难且不需要专门知识。制造厂和用户从中颇受裨益，因为：

    （1）可获得最高的可用性（99.999…%）；

    （2）上位系统可对智能的DP/PA耦合器进行透明的冗余管理；

    （3）有源的总线终端器在用户无意违规操作时转至自动总线终端器，以保障操作人员的安全；

    （4）当发生短路或断线时，在运行中变更冗余环的组态和仪表设备时，以及插入或拆除环形段时，系统将自动地对有故障的线段进行无冲击隔离；

    （5）以很小的设备和布线开销实现安全、容错的应用；

    （6）所有组件均可满足SIL3的要求。

    在PROFIBUS/PROFINET系统结构下，所谓可靠性（Reliability）可以简单地表述为可用性（Availability）+ 安全性（Safety）。根据这一理念，西门子推出了最新的全集成安全通信系统（Full Integrated Safety Communication System），如图12所示。图中冗余的PROFIBUS PA线段的PROFIsafe PA仪表构建了当今最先进的预防性维护与安全集成的过程仪表系统。

    众所周知，一台测量仪表的购置费用可能是它总运行费用的很小一部分，而且由于要求与应用范围多变，难以确定其总运行费用。假定一台测量仪表的价格为2,000美元，在安装时出现了一个问题，致使停机时间比原先计划延长了1小时，因此多开销20,000美元，假定该仪表5年之后出现故障，则再次停产2小时，且因功能失效而生产出1吨废品，是完全可能的。由此为它付出的开销可能高达80,000美元。如果你要购置现场仪表设备，就必须考虑所有的费用，即：

    总运行费用=购置费用+调试费用+维护费用

    人们在研发测量仪表时，可以尽量地降低它所产生的总运行费用。用户一旦选择了PROFIBUS，那么它可以为用户降低费用作出显著的贡献。PROFIBUS的行规标准和它的集成技术EDD在加速调试和简化维护方面起到关键作用。

    行规是针对现场总线所使用的现场仪表制订出来的标准。它定义了最重要的设备参数，包括输出参数在内。按照某个标准化行规，在相同制造厂的仪表设备和类型（压力，温度，物位和流量测量仪表，阀门定位器）之间，在相同类型但不同制造厂的仪表设备之间，以及在不同类型的仪表设备之间产生了共同点。例如，压力，物位，流量和温度传感器使用同一个整体结构和同一个模拟输入块。

    在模拟输入块的输出端，数据全部显现同一格式：4 Byte过程变量，以IEEE浮点值表示和1 Byte状态字节，它表明过程变量是否处在正常状态（图13）。

    相同的仪表类型使用同一个转换块。图14所示为一个物位仪表转换块（Level Transducer Block）的标准框图，除了由制造厂定义的传感器技术以外，图13中所有方块在行规标准中均有规定。

               

    

 

    第一个PROFIBUS过程控制设备（PA）行规标准V3.0版公布于1999年，该版定义了标准的输出参数与设备参数。之后，先后颁布了二个修订的版本：V3.01，2004年出版；V3.02，2009年最新版。

    V3.01版：增强了处理错误/诊断报文和相关信息流的能力。它引入了浓缩状态字节“Condensed Status”，产生了以下结果：

    （1）减少了错误报文的数量；

    （2）按维护报文划分报警等级（有维护的必要，请求维护，维护报警）；

    （3）有简单甄别过程报警与维护报警的过滤功能；

    （4）浓缩状态码是位码，因此一个简单的位过滤器可以区分过程报警与维护报警；

    （5）错误报文完全可以由用户组态（也就是说，最终用户可以对一台测量仪器作出以下认定：是否应当将某个错误当作故障，警戒输出，或者根本不该当作报警输出）。

    V3.02版：它是2009年3月出台的最新版本。它为简化现场设备生命周期管理（Life Cycle Management）和满足用户要求方面，相对于V3.01版作出了若干重大的创新与改进。2008年11月26日，PNO和NAMUR在其共同举办的新闻发布会上公布了新版的创新内容，其中特别引人关注的是：

    （1）将参数的上传（UP-）/下载（Download）传输速度提高了5倍至10倍；

    （2）在版本的处理上，由于解决了设备版本的识别与上下兼容（Up/downward Compatibility）而大大地改善了设备的集成。

    （3）新版还纳入了另一个与行规相关的标准—识别&维护功能（Identification & Maintenance Functions）。I&M功能定义了过程仪表设备信息的统一语义、结构和统一存取的方法。它使得统一识别现场仪表成为可能，而与设备制造厂商无关。I&M功能在实践中的作用很大，例如根据生产设备文档或库存及订货数据对已安装的现场仪表进行调校，可以跨越生产企业对有关维护设备的传输进行存取，等等。

    3.1.1  行规为何能够加速调试？

    理由如下：

    （1）对人员培训和知识水准的要求不高；

    （2）能够比较快和比较容易地识别现场仪表；

    （3）只要求人员具备一般的专业知识，因此组态工作可以较快地进行；

    （4）借助现场仪表中的集成仿真功能可以较快地进行校验。

    在流程工业大多数生产设备中所使用的测量仪表来自不同的制造厂。因此，在由不尽相同的来源采集的所有信息的管理过程中，自然会出现问题。由行规标准所产生的共同点对信息量产生了决定性的影响。例如，当一个用户先使用西门子雷达物位计，然后又使用E+H的同类产品时，这两台仪表的基本结构是相同的。两台物位计的转换块和关键参数也是相同的。在这两种情况下，都是对转换块中的上、下校准点进行调整。模拟输入块在这两台仪表中也相同，可以很容易组态。在那些仪表必须逐一加以调整的生产设备中，使用PROFIBUS就可以节省大量的时间，而时间就是金钱。

    行规提供识别现场仪表的信息，而这些信息则由组态软件识别。因此，用户不必亲临仪表前读取铭牌。有关信息通过网络就可以轻松的读入系统并存放在组态软件中。

    行规标准所产生的共同点使得10台不同测量仪表的组态如同对一台且同一台测量仪表先后组态10次一样。用户可以越来越快地进行从一台测量仪表到另一台测量仪表的组态，因为这些测量仪表的参数与调整是很相似的。

    行规标准将测量仪表分成了若干“块”，这使得大多数现场仪表可以对过程变量简单地进行一次仿真。用户因此可以更快地完成仪表的检验，因为他不必亲自走到测量仪表前去测试输出，一切通过网络去完成。

    新版PA行规V3.02还能够节约更多的时间，因为它可以将上传/下载速度至少提高6倍。虽说每台仪表仅仅节约了1到2分钟，但是对于拥有100台以上测量仪表的大型流程工业生产设备而言，它给用户带来的经济利益是相当明显的。

    3.1.2  行规为何能够加快维护？

    理由如下：

    （1）当问题可能存在时或事实上已经存在时，会立刻启动报警装置；

    （2）可以进行预防性维护；

    （3）提供诊断信息通常的征兆。

    行规中所定义的状态字节在一个故障出现之前，或者在一个故障发生之后，立刻向用户报警。借助这类信息可以很快地排除故障并可以进行一次预防性维护。

    为了实现一次预防性维护，制造厂将一些智能化功能安插在测量仪表中，以便在问题导致故障发生前就已经掌控了存在的问题。

    此外，集成在测量仪表中的诊断功能提供明确的信息，告诉人们必须做什么，而且行规提供了一个加速维护过程的共同信息平台。

    PA行规V3.02也支持仪表设备的互换，大大地简化了仪表设备的集成。当必须更换一台仪表时，可以很便捷地将新表无缝隙地调整到与被更换旧表的功能一致，因为新版PA行规V3.02设置了完全反向兼容的功能，这也是该版本最大的亮点之一。

    现场仪表依据设备描述文件（EDD）通过现场总线PROFIBUS来组态。

    EDD文件是基于文本的文件，它描述以下内容：

    （1）现场仪表中的全部参数；

    （2）如何读、写这些参数；

    （3）各参数之间全部的相互作用；

    （4）如何显示这些参数；

    （5）调整与找错的简化过程。

    EDD与其它集成技术FDT/DTM相比，前者不受操作系统平台的影响，这是它的主要优点之一。EDD文件依据国际标准IEC 61804-2用EDDL语言编程。该标准于2002年8月发布，但是该标准不支持图形化。

    EDDL的最新版被纳入2006年9月颁布的IEC 61804-3中，满足了用户对复杂的现场仪表的调试、维护工具在图形塑造能力和参数变化跟踪以及持久保存图例数据等方面更高的要求。EDD扩展支持图形化，包括图形的表达，以chart形式出现的趋势信息和图例数据保存的改进（动态存储器）。仅在图形扩展方面就包罗了Charts，Gauge，Baragraph，Strip，Sweep，Scope，Graph，Image和Grid。新增的可视化功能因采用动态图形或直方图而使面向应用的操作十分方便。数据管理方面，新增功能支持测量值和诊断数据的文档化，并实现了资产管理图示的标准化。

    3.2.1  EDD为何能够加速调试？

    理由如下：

    （1）制造厂借助EDD可以编制快速起动助理程序供用户使用；

    （2）制造厂借助EDD可以帮助用户进行调试。

    组态软件所提供的智能化功能越多，则调试完成得越快。许多制造厂都提供快速起动助理程序，该程序有助于加快调试的进程，减少出错，对安装人员的知识水准要求不高。例如，在组态一台西门子雷达物位计时，最终用户不必知道什么是上校准点，它在图纸中就有说明。最终用户并不需要经过全面的培训，其犯错误的可能性也很小。

    测量仪表制造厂可以为现场仪表的调试开发服务程序，它的使用为最终用户进行调试提供了极大的方便，上述雷达物位计的情况就是这样。在某些容器中可能存在着障碍物，西门子为其雷达物位计Milltronics研究出一种方法，它使物位测量不受障碍物的影响。这种方法就是使用EDD编制出一种服务程序，它将所有用来处理回波的工具集中在一个对话窗口中，用户只需更换登录页面就可以借助“Auto False echo suppression”扩展功能来进行抑制错误回波信号的调整（图15）。

             

   

 

    3.2.2  EDD为何能够加快维护？

    理由如下：

    （1）制造厂可以为用户寻找故障提供帮助；

    （2）诊断序幕上显示详尽的信息。

    [JP3]测量仪表制造厂可以为用户提供服务程序（如回波分布曲线服务程序），以加快寻找错误的过程。雷达物位计的回波分布曲线服务程序可以为用户完成下列功能：

    （1）显示分布曲线视图；

    （2）存储分布曲线（待命发送）；

    （3）按一定的时间间隔记录回波分布曲线。

    制造厂使用EDD可以开发出用户友好的对话窗口，在其中显示详细的故障报告和图标，以此为据可以迅速识别仪表状态。

    用户在寻找一台现场仪表中的故障时，常常需要有关某个指定的故障报告和某个指定参数的信息。制造厂根据EDD就可以为用户提供这些信息。

    PROFIBUS、PROFINET和PROFIsafe作为当代自动化技术在该领域的三大支柱，正方兴未艾，在我国制造业与流程工业自动化中发挥着日益重大的作用。以PROFIBUS/PROFINET为基础的标准化体系今后将进一步完善。

 

 

     参 考 文 献

    ［1］Siemens AG：Information on different items；Visit of ITEI in Karlsruhe on 22-06-2009.

    ［2］Dr.W.Stripf：10 years PROFIsafe，06/2009.

    ［3］Dr.W.Stripf：PROFIsafe in Process Industries，07/2009.

    ［4］惠敦炎：PROFIBUS PA渐入佳境，自动化博览，12/2007，14-18.

    ［5］惠敦炎：PROFIBUS PA应用行规（PA-Profil）新版V3.02点评，仪器仪表标准化与计量，No4/2009.

    ［6］PNO/PI：Excellence in Automation，20 Jahre Erfahrung in industrieller Kommunikation，marz 2009.


                                                     ——转自《自动化博览》