一、引言
長期以來，故障安全通信技術(shù)方面的任務(wù)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(yīng)用于制造業(yè)和過程工業(yè)自動化的分布式profibus的生存空間受到限制。1998年德國profibus用戶組織(pno)以故障安全技術(shù)的應(yīng)用為目標，專門設(shè)立了一個工作組，著手制訂一種整體的、開放的解決方案。其通信基礎(chǔ)是profibus-dp，所依據(jù)的主要標準則是iec61508和歐洲標準en954以及en5o159-1/-2等。
1999年，pno在德國漢諾威博覽會上公布了在標準profibus上實現(xiàn)主、從站之間故障安全通信的技術(shù)規(guī)范，其注冊商標名為proflsafe(v. 1.0)。它通過了德國bia-聯(lián)邦勞動安全研究所和t v-技術(shù)監(jiān)督聯(lián)合會的認證。之后，該規(guī)范的使用范圍擴大，成為連接任何安全控制器所必備的先決條件。隨著從站與從站之間故障安全通信(f-slave to f-slave，profibus dpv2)和以太網(wǎng)通信(profinet)的出臺，profisafe的工作進入了第二階段，即“v.1.20，2002”。以西門子為首的德國25家知名企業(yè)參與了profisafe應(yīng)用行規(guī)的制訂和產(chǎn)品開發(fā)。
profisafe的問世曾在國際現(xiàn)場總線技術(shù)領(lǐng)域中引起了轟動。迄今為止，profibus因其擁有profisafe故障安全技術(shù)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(shù))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(zhì)安全傳輸技術(shù)，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(yīng)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(yīng)用于sil1，2或3的設(shè)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(yīng)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(jié)構(gòu)
profisafe使標準現(xiàn)場總線技術(shù)和故障安全技術(shù)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(guān))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(shè)備的使用率。profisafe則采用單信道通信結(jié)構(gòu)的方法使上述要求的實現(xiàn)非常容易(圖5)。單信道故障安全可編程控制器可以達到sil3。這種通信結(jié)構(gòu)原則上也可以執(zhí)行標準自動化任務(wù)，如診斷、參數(shù)設(shè)置服務(wù)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(chǔ)，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(shù)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(yīng)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(shè)備(例如，安全輸入)中是由它的技術(shù)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(shù)要求設(shè)計的。在冗余的硬、軟件結(jié)構(gòu)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(yīng)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(nèi)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(shù)(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(guān)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(shè)備，這正是故障安全技術(shù)的基本原則之一。
四、故障安全保護措施：附加的crc是關(guān)鍵
在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，發(fā)送報文會引發(fā)一系列的錯誤，如報文丟失、重復(fù)、添加、順序錯、延遲以及偽數(shù)據(jù)，等等。在故障安全通信中還會出現(xiàn)尋址錯，即一個標準報文錯誤地出現(xiàn)在一個故障安全站點中，且被當作故障安全報文輸出(masquerade)。此外，傳輸速率的不同還可能對存儲器產(chǎn)生不良后果。profisafe采取以下措施來對付傳輸錯誤.
●故障安全報文按順序編號；
●帶應(yīng)答的時間監(jiān)控；
●用密碼標識發(fā)送器和接收器；
●增設(shè)16/32位循環(huán)冗余校驗(crc)，以保證數(shù)據(jù)的安全。
一臺接收器根據(jù)順序號可以判斷它是否收到按正確順序排列的全部報文。如果它將有順序號的“空”報文作為應(yīng)答送返發(fā)送器，則該接收器同樣是可信的。從原理上講，只要在其中設(shè)置一個“toggle-bit”也就足夠了，但profisafe因其采用總線存儲元件(路由器)而選擇了一個0…255的計數(shù)器，其中“0”為例外。
在故障安全技術(shù)中，一個報文僅僅傳輸正確的過程信號或數(shù)值是不夠的，重要的是這些數(shù)值必須在故障極限時間內(nèi)送達，才能使現(xiàn)場相關(guān)站點自動地作出安全響應(yīng)。為此，各站點均配備一個時間控制器，它在故障安全報文到達后即刻“復(fù)原”。
主站與從站之間1：1的關(guān)系易于辨別錯誤報文。兩者均設(shè)有網(wǎng)絡(luò)明確規(guī)定的標志(密碼)，以此即可核查某報文的真實性。
增設(shè)循環(huán)冗余校驗(crc-cyctic-redundancy-check)對報文錯誤數(shù)據(jù)位的識別具有重要作用。有關(guān)故障概率的研討可參閱iec61508，它對所有的故障安全功能均作了詳述。根據(jù)iec61508，profisafe是以一個或若干個故障安全功能的控制回路為考慮故障概率的出發(fā)點).
一個故障安全控制回路包括參與某個安全控制功能的全部、執(zhí)行器、傳輸元件和邏輯處理單元。在iec61508中，針對不同的安全級別(safety-integrity-levels)規(guī)定了故障總概率。例如，sil3：10-7/h。profisafe在傳輸過程中僅占其1%，即容 許的故障概率為10-9/h。根據(jù)iec61508和en50159-1，對于sil3可應(yīng)用下式計算：
rdp=rhw+remi+rtc＜10-9/h (1)
式中：rhw=hardware_failure
remi=emi_failure
rtc=transmissioncode_failure
由此可以建立與報文長度相關(guān)的crc一多項式，以保證未經(jīng)發(fā)現(xiàn)的錯誤報文殘留錯誤率(residual error rate)達到所要求的數(shù)量級。在profisafe中不使用profibus所依靠的幀-校驗-序列(fcs：frame-checking-sequence)和奇偶校驗(parity-check)來識別基本錯誤。換句話說，基本機制下的故障揭示概率不受附加的profisafe crc-機制的影響。
當位錯誤率很高時，即當一個報文有許多位受到干擾時，殘留錯誤率難以確定。為避免任何不安全性，profisafe使用了一種稱之為sil-監(jiān)視器的方法)，這種方法已經(jīng)獲得專利權(quán)。
crc-安全措施不僅循環(huán)地保證過程信號和數(shù)據(jù)的完整性，而且也保證在相關(guān)從站中存放的參數(shù)，如標志(密碼)、看門狗(watch-dog)時間等完整性。
五、f-報文結(jié)構(gòu)
以上討論了profisafe安全傳輸報文所使用的方法。下面介紹故障安全報文結(jié)構(gòu)，即profisafe在profibus通信上的具體映像。先來觀察profibus-dp報文結(jié)構(gòu)。
在dp-幀結(jié)構(gòu)中，data-unit，pb(parity-bit)和fcs是人們關(guān)注的焦點。在系統(tǒng)組態(tài)/啟動階段，slave(從站)通過gsd-設(shè)備基本數(shù)據(jù)文件將有效數(shù)據(jù)的格式通報dp-master(主站)。在profisafe中的情況雷同。
f-host和f-slave(f:fail-safe，故障安全)在封閉的條件下彼此交換控制信息和狀態(tài)信息。當一個f-slave需要增加參數(shù)，或者f-host要更改參數(shù)時，兩者之間就要交換信息。此外f-slave可將出錯報文通知f-host。為進行上述信息交換，profisafe將1byte(狀態(tài)/控制字節(jié))設(shè)在有效數(shù)據(jù)左邊(圖10、11)。status/control byte各個位所代表的狀態(tài)見。
另有1byte用于順序號，該號由某報文的發(fā)送器登錄(源計數(shù)器)，由接收器驗證且以應(yīng)答報文送返發(fā)送器。在一次循環(huán)操作中，計數(shù)器從1計數(shù)到255，0是為系統(tǒng)啟動而設(shè)定的。
如前所述，制造業(yè)和過程工業(yè)對一個安全系統(tǒng)的要求是不同的。前者必須以極快的速度處理(斷路)信號；后者則允許更多的時間處理過程數(shù)據(jù)。profisafe因此規(guī)定了兩種不同的有效數(shù)據(jù)長度，它們要求采取不同的crc-安全措施。第一種有效長最多為12bytes且有1個2bytes-crc2接于流水號之后；另一種有效長最多為122bytes且有1個4bytes-crc2。
剩余報文有效空間可為標準數(shù)據(jù)所用。當系統(tǒng)設(shè)有通往其他安全總線的f-網(wǎng)關(guān)時(圖1)，這種結(jié)構(gòu)使通信效率提高。
f報文順序號用于監(jiān)控發(fā)送器的生存期(life)和監(jiān)控鏈接接收器的通信區(qū)段。借助順序號和profisafe應(yīng)答機制可對f-cpu〈-〉f-output之間報文運行時間進行控制。
六、sil-監(jiān)視器(monitor)的機理及其作用
如前所述，profisafe并不依托于profibus的基本安全機制，而是用附加的crc來識別全部錯誤，以達到所需求的sil等級。上面提到的一種專利sil-monitor監(jiān)視器(圖14)可以使sil等級在分布式故障安全自動化方案的生命期內(nèi)保持不變，且不受所用總線部件和組態(tài)的影響。
圖14中總線故障原因的綜合給出一個表征profibus傳輸系統(tǒng)上受干擾信息的頻率fw（一個虛構(gòu)的值）。故障源來自硬件(hw)、emv/emi(電磁干擾)及其他。當受干擾報文的頻率超越規(guī)定的界限時，則f-host使安全控制回路進入安全狀態(tài)。監(jiān)視器時間周期t(monitor time period)決定于sil等級和crc-長度。
數(shù)值是在時間t內(nèi)最多只容許一個受干擾報文存在的情況下計算出來的。由圖14可見，profibus的標準安全機制(1.filter)用以識別hd=4的每個位錯誤；只有hb≥4的位錯誤(special bit patterns)進入profisafe安全機制。如果在標準profibus asic中的安全機制出現(xiàn)故障(概率很小)，則受干擾的信息以統(tǒng)計位模式(statistical bit patterns)進入profisafe安全機制。此種情況下可用下式求出pus(typ)：
式中：pus=max.residual error probability(16/32-bit-crc的最大殘留錯誤概率，其中誤碼率-bit error rate為0…0.5)
sil-monitor本身不是硬件，而是可實現(xiàn)profisafe-驅(qū)動器軟件的一部分。借助sil-monitor，f-系統(tǒng)能夠在故障率超過一定限度之前即采取有效的安全保護措施，從而避免系統(tǒng)中出現(xiàn)險情。
profisafe的各項功能可以借助一個專用芯片(asics)或軟件來實現(xiàn)。德國的眾多企業(yè)由于各種原因首選了軟件這條路子。上述“profisafe-驅(qū)動器軟件”就是由西門子、bürkert、sick、e+h等11家企業(yè)共同開發(fā)的，凡參加開發(fā)的企業(yè)都有權(quán)獲得開發(fā)相應(yīng)設(shè)備(f-主站、f-從站)的許可證。
七、f-控制系統(tǒng)對f-從站的支持通過fdt/dtm
智能化f-現(xiàn)場設(shè)備要求f-系統(tǒng)為實現(xiàn)以下操作提供支持：設(shè)計、調(diào)試、迅速更換設(shè)備、程控參數(shù)設(shè)置、“teach-in”、設(shè)備診斷和項目數(shù)據(jù)保存等。
在控制器中，通過dp-v1平臺(非循環(huán)數(shù)據(jù)交換)和通信功能元件(符合iec61131-3)來達到相關(guān)設(shè)備的整合。設(shè)備制造廠商的參數(shù)化軟件與診斷軟件被整合到系統(tǒng)制造廠商的工程設(shè)計工具中，則是通過fdt/dtm-接口來實現(xiàn)的。所謂fdt/dtm是現(xiàn)場設(shè)備智能化管理軟件。fdt是profibus標準之一，2000年底由德國pno推出。fdt(field device tool)規(guī)范描述設(shè)備特定軟件(設(shè)備類型管理器-device type manager)和自動化系統(tǒng)工程工具之間的接口，設(shè)備管理軟件的發(fā)展從gsd、profile、eddl直至今日的fdt/dtm。fdt/dtm是將現(xiàn)場總線技術(shù)(profibus、ff，等等)實際應(yīng)用到過程自動化的基礎(chǔ)。fdt/dtm、f-slave(圖中為光柵)和f-控制器中代理功能元件(proxy fb)之間的互動關(guān)系，說明了f-系統(tǒng)如何支持f-從站。
一個安裝在工程工具(et)中的設(shè)備制造廠商的參數(shù)化軟件與診斷軟件包(dtm)通過et的通信接口fdt訪問現(xiàn)場設(shè)備 f-slave(本例中為光柵)①。在參數(shù)化和調(diào)試之后，參數(shù)組通過f-控制器中的proxy fb被裝進f-控制器中②，并在那里供迅速更換設(shè)備使用。為驗證數(shù)據(jù)(i-bbbbbeter)的可信性和完整性，dtm借助et讀入proxy-fb中的狀態(tài)參數(shù)，將它們同存在于f-slave中的i-bbbbbeter進行比較。一旦設(shè)備被更換，proxy fb能夠自動地將i-bbbbbeter裝入f-slave中。profisafe還規(guī)定proxy-fb能夠自動地、周期地執(zhí)行現(xiàn)場設(shè)備的測試程序，以確定該設(shè)備的狀況是否正常。用這種方式可在適當?shù)臅r刻更換有隱患的現(xiàn)場設(shè)備。
八、結(jié)束語
最先運用profisafe故障安全通信技術(shù)的設(shè)備已于2000年由西門子公司推向市場。其中經(jīng)德國t v認證的西門子自動化系統(tǒng)simatic s7-417f/h同et200m的安全i/o模塊于同年成功地應(yīng)用在歐洲最現(xiàn)代化的煉油廠——德國海德煉油廠(raffinerie heide)加氫裂化裝置中，使該廠不再需要煉油廠中常用的故障安全關(guān)機系統(tǒng)。
自2002年以來，又相繼出現(xiàn)了一系列profisafe產(chǎn)品，它們展示在2002年、2003年的漢諾威博覽會上，并在歐洲的一些工程項目中獲得了應(yīng)用。profisafe的應(yīng)用可以做到對人、機器和環(huán)境的有效保護。它所帶來的經(jīng)濟利益倍受人們的關(guān)注。
由此看來，profisafe安全通信技術(shù)的應(yīng)用已不再是對未來的憧憬，而是眼前的現(xiàn)實。
筆者相信，在不久的將來，profisafe-它的規(guī)范與標準，產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用也會在中國開花結(jié)果。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
