今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
作者簡介：惠敦炎，西門子（中國）有限公司IIA AS SE BU高級顧問，西南大學兼職教授。從1996年至今，一直從事PROFIBUS（-PA，-DP），PROFINET技術應用與標準化及其在中國的戰略研究。近年來，撰寫論述10多篇，已在各專業期刊上發表。2007年的譯著“PROFIBUS PA過程自動化現場總線技術”（作者：［德］克·迪德里希/托·班葛曼主編），1987年因參與并負責國家科委一項研究課題而獲得國家科技進步三等獎。現研究方向為在PROFIBUS與PROFINET的安全通信技術-PROFIsafe，PROFIBUS PA和自動化設備的電氣安全標準化工作方面。
摘 要：本文概述了PROFIBUS、PROFINET和PROFIsafe多年來在全球的迅猛發展，在今日中國的制造業和流程工業中被廣泛地應用，并建立了獨特的標準體系。文章從PROFIBUS技術的幾方面論述其在安全、節約與增效方面的重大作用，而這些作用正是PROFIBUS深受中國用戶青睞的主要理由之一。
關鍵詞：現場總線PROFIBUS；工業實時以太網系統PROFINET；PROFIBUS和PROFINET的故障安全通信系統PROFIsafe；安全；功能安全；可用性；冗余；冗余環；電子設備描述EDD；電子設備描述語言EDDL；PROFIBUS PA行規PROFIBUS PA-Profil；可靠性；全集成安全通信系統
1 引言
歷經了20年輝煌成就的現場總線技術PROFIBUS（1987），正在崛起的工業實時以太網系統PROFINET（2000）以及這兩者共同使用的、具有劃時代意義的故障安全通信技術PROFIsafe（1999），在全球每年正以兩位數的驚人速度增長，方興未艾，成為當代自動化技術在該領域的三大支柱。三者之組合可以構建當今與未來最佳的自動化系統平臺，能夠為任何復雜、多變、連續的和斷續的生產過程提供最經濟、最安全的自動化解決方案（圖1-4）。
圖1 1990-2012 PROFIBUS節點數的增長趨勢
圖2 2001-2007 PROFIBUS PA設備與節點數量的增長情況
圖3 2001-2010 PROFINET節點數的增長趨勢
圖4 2004-2007 PROFIsafe節點/系統的增長情況
在今日中國，它們在制造業和流程工業中被廣泛地應用，在保障人、機器和環境的安全方面以及在節約與增效方面，發揮著各自的重大作用。值得關注的是，中國唯一的基于PROFIBUS的標準化體系已經建立（圖5），基本上實現了1997/1998年提出的標準化長期戰略目標，成為促進中國自動化行業發展的有利因素之一。
圖5 基于PROFIBUS/PROFINET的中國標準化體系
本文僅從PROFIBUS技術的幾個方面論述其在安全、節約與增效方面的重要作用，而這些作用正是PROFIBUS深受中國市場和用戶的歡迎與青睞的主要原因之一。
2 安全性與可用性
2.1 PROFIsafe與功能安全
所謂安全性（Safety）是要求防御由各種原因造成的危害（如運動、壓力、灼熱、放射性、電擊等等）。“功能安全”（Functional Safety）是防御由不正確功能所造成的危害。PROFIsafe則是正確傳輸信息，以滿足功能安全的要求。例如，根據IEC61508標準的規定，SIL3所對應的危險失效概率為10-7/h，對于一個由傳感器、邏輯運算單元和執行器組成的SIL3級安全回路，PROFIsafe在安全功能危險失效總概率中占1%，所對應的危險失效概率為10-9/h，即>SIL3級的要求。1999年PROFIsafe的問世在工業自動化領域中開創了故障安全通信技術的新紀元。它實現了安全通信和標準通信在同一根電纜上共存的幻想，從而可以取代傳統的基于繼電器技術的專用安全總線（圖6、7）。迄今為止，PROFIBUS因其擁有通過TüV-德國技術監督聯合會，BGIA-德國工傷保險職業安全研究所，UL-美國保險商實驗室等機構認證的PROFIsafe安全技術解決方案（VI.30），是世界上第一個按照IEC61508滿足制造業和過程工業自動化故障安全要求達到SIL3級的安全系統。
圖6 典型的系統組態
圖7 完整的通信路徑（FA+PA）
2005年9月，德國PNO（PROFIBUS用戶組織）出臺了最新的PROFIBUS通用應用行規—PROFIsafe V2.0。它有兩種模式，即V1-mode 和V2-mode，前者用于PROFIBUS DP，后者則用于PROFINET IO和PROFIBUS DP（圖8）。它表明，PROFIsafe這一先進的和成熟的安全技術又登上了一個新的臺階，進入了實時工業以太網或PROFINET的應用范疇，從而在競爭日益加劇的安全技術領域中，繼續保持遙遙領先的地位。PROFIBUS DP和PA雖然傳輸技術不同，但高層協議相同，新的PROFIsafe行規同樣可運用于PROFIBUS PA（圖7）。PROFIsafe是安插在一個PA儀表設備ISO/OSI模型中的附加層—F安全層。該層的任務是在循環傳輸中的故障安全有用數據與參數進入應用層被繼續使用之前，對其進行校驗。PROFIsafe采取四大防范措施來識別錯誤數據的傳輸，即序列號、時間監控、通信雙方無歧義的識別代碼，以及循環冗余校驗CRC。
圖8 PROFIsafe的V1和V2模式（V1+V2-mode）
2007年，PROFIsafe被納入國際標準IEC61784-3-3，同年在中國被轉化為GB/Z 20830-2007，是中國首個涉及功能安全的GB/Z。
2008年，全球共有66，000個PROFIsafe故障安全通信系統和630，000臺PROFIsafe現場儀表設備在煉油、化工、海上石油勘探平臺、機械制造業、機場、港口、索道、三維大型舞臺等許多應用領域可靠地運行著，其中過程自動化約占10%。
PROFIsafe于2003年被介紹給中國的科技人員和用戶，如今已在汽車工業（如奇瑞、通用、一汽大眾、戴姆勒-奔馳、寶馬等）、鋼鐵工業（寶鋼、首鋼）、電站（大亞灣核電站）、制藥業（拜耳制藥）、機床工業、食品工業和游樂業等領域獲得了應用。筆者相信，隨著國內化工、石油等流程工業安全意識的不斷增強，迄今仍局限于傳統的所謂安全專線思維方式的逐漸轉變，PROFIsafe在該領域應用的比例將會明顯地擴大。
圖9 PROFIsafe的10年歷程
圖9所示為PROFIsafe 10年發展歷程。最近出臺的PROFIsafe新版V2.4增加了連接無線通信技術Wireless（WLAN-IEEE 802.lli+Bluetooth-IEEE 802.15.1）的可能性，且采用全新的參數服務器（iPar-Server），以取代原有的Proxy FB—代理服務器功能塊，在更換出錯的F-設備的情況下，能使新的F-設備通過簡單的途徑就能獲取原始的功能和參數，從而大大節省工程開銷。它本身雖無安全功能，卻既適用于安全型設備（F-設備），又適用于非安全型設備（圖10）。
圖10 iPar-Server
2.2 高可用性與冗余環（Ring-Redundance）
研究表明，在所有行業中，生產設備操作者都把盡量提高可用性和縮短停機時間視為提高勞動生產率最有效的措施。前面所述功能安全所涉及的是保護人、設備與環境免遭傷害，例如斷開有危險的設備。而高可用性所涉及的卻是在出現故障的情況下，仍應維持自動化設備的運行。高可用性的一個特征量是一個與總運行時間（例如，99.99%）有關的設備運行準備程度，而冗余則決定一個自動化系統的故障容忍度，也是提高可用性的主要手段。
在過程自動化，尤其是石油、化工自動化方面，自動化系統結構既要求安全（SIL3），又要求盡量高的可用性。自動化設備擁有足夠的可用性，是安全的一個必要的先決條件，但可用性或冗余本身并非提供安全保障。大家對于美國西部槍戰影片中的牛仔并不陌生，西部牛仔的腰部兩側總是各配帶一把左輪槍，從裝備上看，可用性似乎挺高，但安全并非有保障。
PROFIBUS/PROFINET的系統結構為總線系統的高可用性與安全性創造了最佳的先決條件。下面以PROFIBUS PA的一個總線段（Seqment）為例來說明（圖11）。
圖11 采用冗余環提高PROFIBUS PA段的可用性
圖12 全集成安全通信系統
提高可用性的途徑有以下幾個：
（1）電源和通信接口冗余；
（2）PA段呈環形結構，產生實用的通信路徑冗余；
（3）設置自動總線終端器。
以上三點均以硬件為基礎，提高可用性并不難且不需要專門知識。制造廠和用戶從中頗受裨益，因為：
（1）可獲得最高的可用性（99.999…%）；
（2）上位系統可對智能的DP/PA耦合器進行透明的冗余管理；
（3）有源的總線終端器在用戶無意違規操作時轉至自動總線終端器，以保障操作人員的安全；
（4）當發生短路或斷線時，在運行中變更冗余環的組態和儀表設備時，以及插入或拆除環形段時，系統將自動地對有故障的線段進行無沖擊隔離；
（5）以很小的設備和布線開銷實現安全、容錯的應用；
（6）所有組件均可滿足SIL3的要求。
在PROFIBUS/PROFINET系統結構下，所謂可靠性（Reliability）可以簡單地表述為可用性（Availability）+ 安全性（Safety）。根據這一理念，西門子推出了最新的全集成安全通信系統（Full Integrated Safety Communication System），如圖12所示。圖中冗余的PROFIBUS PA線段的PROFIsafe PA儀表構建了當今最先進的預防性維護與安全集成的過程儀表系統。
3 PROFIBUS行規標準（Profilstandard）和電子設備描述（Electronic Device Description，EDD）技術對降低現場儀表設備總運行費用的重大作用
眾所周知，一臺測量儀表的購置費用可能是它總運行費用的很小一部分，而且由于要求與應用范圍多變，難以確定其總運行費用。假定一臺測量儀表的價格為2,000美元，在安裝時出現了一個問題，致使停機時間比原先計劃延長了1小時，因此多開銷20,000美元，假定該儀表5年之后出現故障，則再次停產2小時，且因功能失效而生產出1噸廢品，是完全可能的。由此為它付出的開銷可能高達80,000美元。如果你要購置現場儀表設備，就必須考慮所有的費用，即：
總運行費用=購置費用+調試費用+維護費用
人們在研發測量儀表時，可以盡量地降低它所產生的總運行費用。用戶一旦選擇了PROFIBUS，那么它可以為用戶降低費用作出顯著的貢獻。PROFIBUS的行規標準和它的集成技術EDD在加速調試和簡化維護方面起到關鍵作用。
3.1 什么是行規標準？
行規是針對現場總線所使用的現場儀表制訂出來的標準。它定義了最重要的設備參數，包括輸出參數在內。按照某個標準化行規，在相同制造廠的儀表設備和類型（壓力，溫度，物位和流量測量儀表，閥門定位器）之間，在相同類型但不同制造廠的儀表設備之間，以及在不同類型的儀表設備之間產生了共同點。例如，壓力，物位，流量和溫度傳感器使用同一個整體結構和同一個模擬輸入塊。
在模擬輸入塊的輸出端，數據全部顯現同一格式：4 Byte過程變量，以IEEE浮點值表示和1 Byte狀態字節，它表明過程變量是否處在正常狀態（圖13）。
相同的儀表類型使用同一個轉換塊。圖14所示為一個物位儀表轉換塊（Level Transducer Block）的標準框圖，除了由制造廠定義的傳感器技術以外，圖13中所有方塊在行規標準中均有規定。
圖13模擬輸入塊輸出端數據之格式 圖14 物位儀表轉換塊的功能簡圖
第一個PROFIBUS過程控制設備（PA）行規標準V3.0版公布于1999年，該版定義了標準的輸出參數與設備參數。之后，先后頒布了二個修訂的版本：V3.01，2004年出版；V3.02，2009年最新版。
V3.01版：增強了處理錯誤/診斷報文和相關信息流的能力。它引入了濃縮狀態字節“Condensed Status”，產生了以下結果：
（1）減少了錯誤報文的數量；
（2）按維護報文劃分報警等級（有維護的必要，請求維護，維護報警）；
（3）有簡單甄別過程報警與維護報警的過濾功能；
（4）濃縮狀態碼是位碼，因此一個簡單的位過濾器可以區分過程報警與維護報警；
（5）錯誤報文完全可以由用戶組態（也就是說，最終用戶可以對一臺測量儀器作出以下認定：是否應當將某個錯誤當作故障，警戒輸出，或者根本不該當作報警輸出）。
V3.02版：它是2009年3月出臺的最新版本。它為簡化現場設備生命周期管理（Life Cycle Management）和滿足用戶要求方面，相對于V3.01版作出了若干重大的創新與改進。2008年11月26日，PNO和NAMUR在其共同舉辦的新聞發布會上公布了新版的創新內容，其中特別引人關注的是：
（1）將參數的上傳（UP-）/下載（Download）傳輸速度提高了5倍至10倍；
（2）在版本的處理上，由于解決了設備版本的識別與上下兼容（Up/downward Compatibility）而大大地改善了設備的集成。
（3）新版還納入了另一個與行規相關的標準—識別&維護功能（Identification & Maintenance Functions）。I&M功能定義了過程儀表設備信息的統一語義、結構和統一存取的方法。它使得統一識別現場儀表成為可能，而與設備制造廠商無關。I&M功能在實踐中的作用很大，例如根據生產設備文檔或庫存及訂貨數據對已安裝的現場儀表進行調校，可以跨越生產企業對有關維護設備的傳輸進行存取，等等。
3.1.1 行規為何能夠加速調試？
理由如下：
（1）對人員培訓和知識水準的要求不高；
（2）能夠比較快和比較容易地識別現場儀表；
（3）只要求人員具備一般的專業知識，因此組態工作可以較快地進行；
（4）借助現場儀表中的集成仿真功能可以較快地進行校驗。
在流程工業大多數生產設備中所使用的測量儀表來自不同的制造廠。因此，在由不盡相同的來源采集的所有信息的管理過程中，自然會出現問題。由行規標準所產生的共同點對信息量產生了決定性的影響。例如，當一個用戶先使用西門子雷達物位計，然后又使用E+H的同類產品時，這兩臺儀表的基本結構是相同的。兩臺物位計的轉換塊和關鍵參數也是相同的。在這兩種情況下，都是對轉換塊中的上、下校準點進行調整。模擬輸入塊在這兩臺儀表中也相同，可以很容易組態。在那些儀表必須逐一加以調整的生產設備中，使用PROFIBUS就可以節省大量的時間，而時間就是金錢。
行規提供識別現場儀表的信息，而這些信息則由組態軟件識別。因此，用戶不必親臨儀表前讀取銘牌。有關信息通過網絡就可以輕松的讀入系統并存放在組態軟件中。
行規標準所產生的共同點使得10臺不同測量儀表的組態如同對一臺且同一臺測量儀表先后組態10次一樣。用戶可以越來越快地進行從一臺測量儀表到另一臺測量儀表的組態，因為這些測量儀表的參數與調整是很相似的。
行規標準將測量儀表分成了若干“塊”，這使得大多數現場儀表可以對過程變量簡單地進行一次仿真。用戶因此可以更快地完成儀表的檢驗，因為他不必親自走到測量儀表前去測試輸出，一切通過網絡去完成。
新版PA行規V3.02還能夠節約更多的時間，因為它可以將上傳/下載速度至少提高6倍。雖說每臺儀表僅僅節約了1到2分鐘，但是對于擁有100臺以上測量儀表的大型流程工業生產設備而言，它給用戶帶來的經濟利益是相當明顯的。
3.1.2 行規為何能夠加快維護？
理由如下：
（1）當問題可能存在時或事實上已經存在時，會立刻啟動報警裝置；
（2）可以進行預防性維護；
（3）提供診斷信息通常的征兆。
行規中所定義的狀態字節在一個故障出現之前，或者在一個故障發生之后，立刻向用戶報警。借助這類信息可以很快地排除故障并可以進行一次預防性維護。
為了實現一次預防性維護，制造廠將一些智能化功能安插在測量儀表中，以便在問題導致故障發生前就已經掌控了存在的問題。
此外，集成在測量儀表中的診斷功能提供明確的信息，告訴人們必須做什么，而且行規提供了一個加速維護過程的共同信息平臺。
PA行規V3.02也支持儀表設備的互換，大大地簡化了儀表設備的集成。當必須更換一臺儀表時，可以很便捷地將新表無縫隙地調整到與被更換舊表的功能一致，因為新版PA行規V3.02設置了完全反向兼容的功能，這也是該版本最大的亮點之一。
3.2 EDD-電子設備描述
現場儀表依據設備描述文件（EDD）通過現場總線PROFIBUS來組態。
EDD文件是基于文本的文件，它描述以下內容：
（1）現場儀表中的全部參數；
（2）如何讀、寫這些參數；
（3）各參數之間全部的相互作用；
（4）如何顯示這些參數；
（5）調整與找錯的簡化過程。
EDD與其它集成技術FDT/DTM相比，前者不受操作系統平臺的影響，這是它的主要優點之一。EDD文件依據國際標準IEC 61804-2用EDDL語言編程。該標準于2002年8月發布，但是該標準不支持圖形化。
EDDL的最新版被納入2006年9月頒布的IEC 61804-3中，滿足了用戶對復雜的現場儀表的調試、維護工具在圖形塑造能力和參數變化跟蹤以及持久保存圖例數據等方面更高的要求。EDD擴展支持圖形化，包括圖形的表達，以chart形式出現的趨勢信息和圖例數據保存的改進（動態存儲器）。僅在圖形擴展方面就包羅了Charts，Gauge，Baragraph，Strip，Sweep，Scope，Graph，Image和Grid。新增的可視化功能因采用動態圖形或直方圖而使面向應用的操作十分方便。數據管理方面，新增功能支持測量值和診斷數據的文檔化，并實現了資產管理圖示的標準化。
3.2.1 EDD為何能夠加速調試？
理由如下：
（1）制造廠借助EDD可以編制快速起動助理程序供用戶使用；
（2）制造廠借助EDD可以幫助用戶進行調試。
組態軟件所提供的智能化功能越多，則調試完成得越快。許多制造廠都提供快速起動助理程序，該程序有助于加快調試的進程，減少出錯，對安裝人員的知識水準要求不高。例如，在組態一臺西門子雷達物位計時，最終用戶不必知道什么是上校準點，它在圖紙中就有說明。最終用戶并不需要經過全面的培訓，其犯錯誤的可能性也很小。
測量儀表制造廠可以為現場儀表的調試開發服務程序，它的使用為最終用戶進行調試提供了極大的方便，上述雷達物位計的情況就是這樣。在某些容器中可能存在著障礙物，西門子為其雷達物位計Milltronics研究出一種方法，它使物位測量不受障礙物的影響。這種方法就是使用EDD編制出一種服務程序，它將所有用來處理回波的工具集中在一個對話窗口中，用戶只需更換登錄頁面就可以借助“Auto False echo suppression”擴展功能來進行抑制錯誤回波信號的調整（圖15）。
圖15（a） 雷達物位計調試服務程序 圖15（b） 雷達物位計快速起動助理程序頁面之一
—回波信號的調整
3.2.2 EDD為何能夠加快維護？
理由如下：
（1）制造廠可以為用戶尋找故障提供幫助；
（2）診斷序幕上顯示詳盡的信息。
[JP3]測量儀表制造廠可以為用戶提供服務程序（如回波分布曲線服務程序），以加快尋找錯誤的過程。雷達物位計的回波分布曲線服務程序可以為用戶完成下列功能：
（1）顯示分布曲線視圖；
（2）存儲分布曲線（待命發送）；
（3）按一定的時間間隔記錄回波分布曲線。
制造廠使用EDD可以開發出用戶友好的對話窗口，在其中顯示詳細的故障報告和圖標，以此為據可以迅速識別儀表狀態。
用戶在尋找一臺現場儀表中的故障時，常常需要有關某個指定的故障報告和某個指定參數的信息。制造廠根據EDD就可以為用戶提供這些信息。
4 結束語
PROFIBUS、PROFINET和PROFIsafe作為當代自動化技術在該領域的三大支柱，正方興未艾，在我國制造業與流程工業自動化中發揮著日益重大的作用。以PROFIBUS/PROFINET為基礎的標準化體系今后將進一步完善。
參 考 文 獻
［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漸入佳境，自動化博覽，12/2007，14-18.
［5］惠敦炎：PROFIBUS PA應用行規（PA-Profil）新版V3.02點評，儀器儀表標準化與計量，No4/2009.
［6］PNO/PI：Excellence in Automation，20 Jahre Erfahrung in industrieller Kommunikation，marz 2009.
——轉自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號