PROFIBUS故障安全通信技术探讨

一、引言?

长期以来，故障安全通信技术方面的任务只能在第二层采用常规手段或者通过专用总线分散地加以解决。这使得应用于制造业和过程工业自动化的分布式现场总线 PROFIBUS的生存空间受到限制。迄今为止，PROFIBUS因其拥有PROFIsafe故障安全技术解决方案始终是唯一能够满足制造业(采用RS485和光纤传输技术)和过程工业自动化(采用“MBP-IS”，即曼彻斯特编码一总线供电和本质安全传输技术，原名 IEC61158-2)故障安全通信要求的现场总线。

二、PROFIsafe的主要特征

PROFIsafe的主要特征归纳如下：?

●安全通信和标准通信在同一根电缆上共存;?

●PROFIsafe-故障安全性建立在单信道通信系统之上，安全通信不通过冗余电缆来达到目的;

●标准通信部件，如电缆、专用芯片(ASICS)、DP-栈软件等等，无任何变化;

●故障安全措施封闭在终端模块中(F-Master,F-Slave);

●采用专利SIL监视器获得极高的安全性;

●最高故障安全完整性等级为SIL3(IEC61508)，相应的德国标准和欧洲标准分别为AK6(DIN V19250)、Kat.4(EN954-1)。SIL3：>10-8…10-7，即在连续工况下每小时故障率;

●PROFIsafe的软件解决方案可以灵活地应用于SIL1，2或3的设备及安全控制回路;

●既可用于低能耗(Ex-i)的过程自动化，又可用于反应迅速的制造业自动化;

●环境条件同标准PROFIBUS(抗电磁干扰等)。?

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

PROFIsafe使标准现场总线技术和故障安全技术合为一个系统，即故障安全通信和标准通信在同一根电缆上共存。这不仅在布线上和品种多样性方面可以节约一大笔资金，而且可以日后改建。用户自然可以根据组织方面的理由将安全功能和标准功能分配到两根PROFIBUS干线上(图2)。由图1可见，经F- Gateway(F-网关)可连接其他安全总线系统。

过程工业自动化要求采用冗余来提高设备的使用率。PROFIsafe则采用单信道通信结构的方法使上述要求的实现非常容易。单信道故障安全可编程控制器可以达到SIL3。这种通信结构原则上也可以执行标准自动化任务，如诊断、参数设置服务器等。

PROFIsafe以标准总线通信部件一电缆、芯片、基本软件包(层栈)、PROFIBUS-DP-主站和PROFIBUS-DP-从站等为基础，这些均被划入“Black Channel-黑色通道”。它一方面表示在“Black Channel”中可能出现的所有故障均由PROFIsafe查出;另一方面“Black Channel”中没有提高传输安全性的各项功能，所以它不涉及安全技术的范畴。

PROFIsafe解决方案的ISO/OSI简化模型4。

众所周知，PROFIBUS在ISO/OSI-模型中仅使用了第1、2和7层。故障安全措施则置于第7层一应用层之上的安全层(Safety- Layer)。由于该层仅对有效数据的安全传送负责，它需要上层负责准备与提供有效数据，而在一个安全现场设备(例如，安全输入)中是由它的技术固件来施行的。这类固件通常至少有一部分是按照故障安全技术要求设计的。在冗余的硬、软件结构中嵌入PROFIsafe功能也可以达到上述目的。同标准操作一样，过程信号及过程数据出现在相应的有效报文中。在安全操作时，仅对这些报文加以补充(图10、11)。

源于某个模块式从站(一个PROFIBUS站点，它可内装若干个带输入/输出通道的故障安全模块)的发送器信号经PROFIBUS从站联接点进入F-控制器的两个DP-主站联接点中的一个，从那里经局域总线进入F-控制器，即故障安全CPU。经联接后产生的一个输出信号再次通过局域总线进入第二DP-主站联接点，入第二根PROFIBUS干线。传输速度在DP-PA链接器中降低，使用PA-物理传输技术(MBP-IS)-达到 31.25kBaud，将信号输送到故障安全PA-从站中。此信号在其通信路径的任何地点均未使用一条冗余通道，也就是说，传输是单通道的。

以上仅对故障安全报文的通信路径作了详细的探讨，至于谁负责发送，何时发送的问题，回答很简单。这里运用了PROFIBUS的标准机制，即主-从操作方式。一个主站-通常为一个CPU，循环地同其所有组态的从站交换报文，即在主站与从站之间存在着1：1的关系。这种轮询操作(Polling)方式的优点是能够立即察觉一旦出现故障的某个设备，这正是故障安全技术的基本原则之一。

四、故障安全保护措施：附加的CRC是关键?

在复杂的网络拓扑结构中，发送报文会引发一系列的错误，如报文丢失、重复、添加、顺序错、延迟以及伪数据，等等。在故障安全通信中还会出现寻址错，即一个标准报文错误地出现在一个故障安全站点中，且被当作故障安全报文输出(Masquerade)。此外，传输速率的不同还可能对存储器产生