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和過程工業自動化的分布式現場總線 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(采用RS485和光纖傳輸技術)和過程工業自動化(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自動化;

　　●環境條件同標準PROFIBUS(抗電磁干擾等)。?

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

　　PROFIsafe使標準現場總線技術和故障安全技術合為一個系統，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約一大筆資金，而且可以日后改建。用戶自然可以根據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F- Gateway(F-網關)可連接其他安全總線系統。

　　過程工業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行標準自動化任務，如診斷、參數設置服務器等。

　　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據的安全傳送負責，它需要上層負責準備與提供有效數據，而在一個安全現場設備(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，過程信號及過程數據出現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)的發送器信號經PROFIBUS從站聯接點進入F-控制器的兩個DP-主站聯接點中的一個，從那里經局域總線進入F-控制器，即故障安全CPU。經聯接后產生的一個輸出信號再次通過局域總線進入第二DP-主站聯接點，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，至于誰負責發送，何時發送的問題，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，循環地同其所有組態的從站交換報文，即在主站與從站之間存在著1：1的關系。這種輪詢操作(Polling)方式的優點是能夠立即察覺一旦出現故障的某個設備，這正是故障安全技術的基本原則之一。