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長(zhǎng)期以來(lái)，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(guò)總線(xiàn)分散地加以解決。這使得應(yīng)用于制造業(yè)和過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化的分布式現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)PROFIBUS的生存空間受到限制。1998年德國(guó)PROFIBUS用戶(hù)組織(PNO)以故障安全技術(shù)的應(yīng)用為目標(biāo)，專(zhuān)門(mén)設(shè)立了一個(gè)工作組，著手制訂一種整體的、開(kāi)放的解決方案。其通信基礎(chǔ)是PROFIBUS-DP，所依據(jù)的主要標(biāo)準(zhǔn)則是IEC61508和歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN954以及EN5O159-1/-2等。 
1999年，PNO在德國(guó)漢諾威博覽會(huì)上公布了在標(biāo)準(zhǔn)PROFIBUS上實(shí)現(xiàn)主、從站之間故障安全通信的技術(shù)規(guī)范，其注冊(cè)商標(biāo)名為PROFlsafe(V. 1.0)。它通過(guò)了德國(guó)BIA-聯(lián)邦勞動(dòng)安全研究所和T V-技術(shù)監(jiān)督聯(lián)合會(huì)的認(rèn)證。之后，該規(guī)范的使用范圍擴(kuò)大，成為連接任何安全控制器所*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(tái)，PROFIsafe的工作進(jìn)入了第二階段，即“V.1.20，2002”。以西門(mén)子為首的德國(guó)25家企業(yè)參與了PROFIsafe應(yīng)用行規(guī)的制訂和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。 
PROFIsafe的問(wèn)世曾在現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)領(lǐng)域中引起了轟動(dòng)。迄今為止，PROFIBUS因其擁有PROFIsafe故障安全技術(shù)解決方案始終是能夠滿(mǎn)足制造業(yè)(采用RS485和光纖傳輸技術(shù))和過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化(采用“MBP-IS”，即曼徹斯特編碼一總線(xiàn)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(chǎng)總線(xiàn)。 
 

二、PROFIsafe的主要特征 
PROFIsafe的主要特征歸納如下： 
安全通信和標(biāo)準(zhǔn)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(guò)冗余電纜來(lái)達(dá)到目的； 
標(biāo)準(zhǔn)通信部件，如電纜、芯片(ASICS)、DP-棧軟件等等，無(wú)任何變化； 
故障安全措施封閉在終端模塊中(F-Master,F-Slave)； 
采用SIL監(jiān)視器獲得*的安全性； 源于某個(gè)模塊式從站(一個(gè)PROFIBUS站點(diǎn)，它可內(nèi)裝若干個(gè)帶輸入/輸出通道的故障安全模塊)的發(fā)送器信號(hào)經(jīng)PROFIBUS從站聯(lián)接點(diǎn)進(jìn)入F-控制器的兩個(gè)DP-主站聯(lián)接點(diǎn)中的一個(gè)，從那里經(jīng)局域總線(xiàn)進(jìn)入F-控制器，即故障安全CPU。經(jīng)聯(lián)接后產(chǎn)生的一個(gè)輸出信號(hào)再次通過(guò)局域總線(xiàn)進(jìn)入第二DP-主站聯(lián)接點(diǎn)，入第二根PROFIBUS干線(xiàn)。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(dá)到 31.25kBaud，將信號(hào)輸送到故障安全PA-從站中。此信號(hào)在其通信路徑的任何地點(diǎn)均未使用一條冗余通道，也就是說(shuō)，傳輸是單通道的。 
以上僅對(duì)故障安全報(bào)文的通信路徑作了詳細(xì)的探討，至于誰(shuí)負(fù)責(zé)發(fā)送，何時(shí)發(fā)送的問(wèn)題，回答很簡(jiǎn)單。這里運(yùn)用了PROFIBUS的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制，即主-從操作方式。一個(gè)主站-通常為一個(gè)CPU，循環(huán)地同其所有組態(tài)的從站交換報(bào)文，即在主站與從站之間存在著1：1的關(guān)系。這種輪詢(xún)操作(Polling)方式的優(yōu)點(diǎn)是能夠立即察覺(jué)一旦出現(xiàn)故障的某個(gè)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(hù)措施：附加的CRC是關(guān)鍵 
在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，發(fā)送報(bào)文會(huì)引發(fā)一系列的錯(cuò)誤，如報(bào)文丟失、重復(fù)、添加、順序錯(cuò)、延遲以及偽數(shù)據(jù)，等等。在故障安全通信中還會(huì)出現(xiàn)尋址錯(cuò)，即一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文錯(cuò)誤地出現(xiàn)在一個(gè)故障安全站點(diǎn)中，且被當(dāng)作故障安全報(bào)文輸出(Masquerade)。此外，傳輸速率的不同還可能對(duì)存儲(chǔ)器產(chǎn)生不良后果。PROFIsafe采取以下措施來(lái)對(duì)付傳輸錯(cuò)誤. 
故障安全報(bào)文按順序編號(hào)； 
帶應(yīng)答的時(shí)間監(jiān)控； 
用密碼標(biāo)識(shí)發(fā)送器和接收器； 
增設(shè)16/32位循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)，以保證數(shù)據(jù)的安全。 
一臺(tái)接收器根據(jù)順序號(hào)可以判斷它是否收到按正確順序排列的全部報(bào)文。如果它將有順序號(hào)的“空”報(bào)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(gè)“Toggle-Bit”也就足夠了，但PROFIsafe因其采用總線(xiàn)存儲(chǔ)元件(路由器)而選擇了一個(gè)0…255的計(jì)數(shù)器，其中“0”為例外。 
在故障安全技術(shù)中，一個(gè)報(bào)文僅僅傳輸正確的過(guò)程信號(hào)或數(shù)值是不夠的，重要的是這些數(shù)值必須在故障極*內(nèi)送達(dá)，才能使現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)站點(diǎn)自動(dòng)地作出安全響應(yīng)。為此，各站點(diǎn)均配備一個(gè)時(shí)間控制器，它在故障安全報(bào)文到達(dá)后即刻“復(fù)原”。 
主站與從站之間1：1的關(guān)系易于辨別錯(cuò)誤報(bào)文。兩者均設(shè)有網(wǎng)絡(luò)明確規(guī)定的標(biāo)志(密碼)，以此即可核查某報(bào)文的真實(shí)性。 
增設(shè)循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC-Cyctic-Redundancy-Check)對(duì)報(bào)文錯(cuò)誤數(shù)據(jù)位的識(shí)別具有重要作用。有關(guān)故障概率的研討可參閱IEC61508，它對(duì)所有的故障安全功能均作了詳述。根據(jù)IEC61508，PROFIsafe是以一個(gè)或若干個(gè)故障安全功能的控制回路為考慮故障概率的出發(fā)點(diǎn)). 
一個(gè)故障安全控制回路包括參與某個(gè)安全控制功能的全部傳感器、執(zhí)行器、傳輸元件和邏輯處理單元。在IEC61508中，針對(duì)不同的安全級(jí)別(Safety-Integrity-Levels)規(guī)定了故障總概率。例如，SIL3：10-7/h。PROFIsafe在傳輸過(guò)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(duì)于SIL3可應(yīng)用下式計(jì)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(bào)文長(zhǎng)度相關(guān)的CRC一多項(xiàng)式，以保證未經(jīng)發(fā)現(xiàn)的錯(cuò)誤報(bào)文殘留錯(cuò)誤率(Residual Error Rate)達(dá)到所要求的數(shù)量級(jí)。在PROFIsafe中不使用PROFIBUS所依靠的幀-校驗(yàn)-序列(FCS：Frame-Checking-Sequence)和奇偶校驗(yàn)(Parity-Check)來(lái)識(shí)別基本錯(cuò)誤。換句話(huà)說(shuō)，基本機(jī)制下的故障揭示概率不受附加的PROFIsafe CRC-機(jī)制的影響。 
當(dāng)位錯(cuò)誤率很高時(shí)，即當(dāng)一個(gè)報(bào)文有許多位受到干擾時(shí)，殘留錯(cuò)誤率難以確定。為避免任何不安全性，PROFIsafe使用了一種稱(chēng)之為SIL-監(jiān)視器的方法)，這種方法已經(jīng)獲得權(quán)。 
故障安全完整性等級(jí)為SIL3(IEC61508)，相應(yīng)的德國(guó)標(biāo)準(zhǔn)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(guò)程自動(dòng)化，又可用于反應(yīng)迅速的制造業(yè)自動(dòng)化； 
環(huán)境條件同標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和故障安全技術(shù)合為一個(gè)系統(tǒng)，即故障安全通信和標(biāo)準(zhǔn)通信在同一根電纜上共存。這不僅在布線(xiàn)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(hù)自然可以根據(jù)組織方面的理由將安全功能和標(biāo)準(zhǔn)功能分配到兩根PROFIBUS干線(xiàn)上(圖2)。由圖1可見(jiàn)，經(jīng)F-Gateway(F-網(wǎng)關(guān))可連接其他安全總線(xiàn)系統(tǒng)。 

過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化要求采用冗余來(lái)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(shí)現(xiàn)非常容易(圖5)。單信道故障安全可編程控制器可以達(dá)到SIL3。這種通信結(jié)構(gòu)原則上也可以執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化任務(wù)，如診斷、參數(shù)設(shè)置服務(wù)器等。 
PROFIsafe以標(biāo)準(zhǔn)總線(xiàn)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(méi)有提高傳輸安全性的各項(xiàng)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(jiǎn)化模型4。 
*，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(duì)有效數(shù)據(jù)的安全傳送負(fù)責(zé)，它需要上層負(fù)責(zé)準(zhǔn)備與提供有效數(shù)據(jù)，而在一個(gè)安全現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備(例如，安全輸入)中是由它的技術(shù)固件來(lái)施行的。這類(lèi)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(jì)的。在冗余的硬、軟件結(jié)構(gòu)中嵌入PROFIsafe功能也可以達(dá)到上述目的。同標(biāo)準(zhǔn)操作一樣，過(guò)程信號(hào)及過(guò)程數(shù)據(jù)出現(xiàn)在相應(yīng)的有效報(bào)文中。在安全操作時(shí)，僅對(duì)這些報(bào)文加以補(bǔ)充(圖10、11)。 
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