PROF Isa fe: PROF IBUS和PROF INET的安全通信技術(shù)

西門子(中國(guó))有限公司 惠敦炎

1 PRO FIsa fe簡(jiǎn)述

PROFIsafe是與安全相關(guān)的自動(dòng)化的一個(gè)應(yīng)用行規(guī),它以PROFIBUS DP以及PROFINET I/O為基礎(chǔ)。它連接與安全相關(guān)的傳感器，控制器和執(zhí)行器。PROFIsafe可被視為一個(gè)單通道的“軟件解決方案”，它在設(shè)備中是作為一個(gè)在PROFIBUS以及PROFINET之上的附加層來實(shí)施的。標(biāo)準(zhǔn)部件，如導(dǎo)線、接插件/網(wǎng)絡(luò)組件、ASICS（芯片），或者協(xié)議仍保持原狀。尤其突出的是，符合PROFIsafe行規(guī)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備可以不受限制地同標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備在一根且同一根總線電纜上共同運(yùn)行。

在研發(fā)PROFIsafe中的任務(wù)是，要做出何種規(guī)定才能夠在串行通信中采取適當(dāng)?shù)姆婪洞胧?，如序列?hào)、時(shí)間監(jiān)控、授權(quán)代碼名和附加的數(shù)據(jù)一致性校驗(yàn)（CRC循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）來消除可能發(fā)生的典型錯(cuò)誤，如偽裝、丟失、延遲插入、錯(cuò)誤尋址。這其中最重要的是，即使同時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)錯(cuò)誤的情況下，系統(tǒng)總會(huì)被置于安全狀態(tài)。

PROFIsafe的成功主要表現(xiàn)在以下三方面：

（1） PROFIsafe可以通過已經(jīng)在工業(yè)自動(dòng)化的所有行業(yè)中建立的PROFIBUS和PROFINET系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)安全功能;

（2）由于引入所謂的“黑色-通道-原理”,不僅可以通過PROFIBUS和PROFINET,而且也可以通過后背總線來實(shí)現(xiàn)端點(diǎn)對(duì)端點(diǎn)的安全通信;

（3）借助于PROFIsafe可以在驅(qū)動(dòng)器中使用集成安全功能。

PROFIsafe不僅增強(qiáng)了靈活性，它也可以用來實(shí)現(xiàn)珍惜器材的運(yùn)動(dòng)過程。此外，它通過緊急停車之后的迅速再啟動(dòng)也使設(shè)備有較高的可用性。

2 通過認(rèn)證的安全技術(shù)

引入某種認(rèn)證體系,包括所屬的測(cè)試環(huán)境在內(nèi),對(duì)于PROFIsafe獲得用戶的認(rèn)同作出了重要貢獻(xiàn)。PROFIsafe要求通過一個(gè)獨(dú)立的檢測(cè)機(jī)構(gòu)來對(duì)設(shè)備進(jìn)行安全技術(shù)的查驗(yàn)，以評(píng)估是否達(dá)到最高的質(zhì)量要求。PNO所推出的V2.0版行規(guī)最終為安全相關(guān)產(chǎn)品既可在PROFIBUS系統(tǒng)中,又可在PROFINET系統(tǒng)中運(yùn)行，創(chuàng)造了先決條件。PROFINET在汽車工業(yè)中獲得廣泛應(yīng)用的道路已經(jīng)打開。2005年，PROFIsafe V2.0順利通過了德國(guó)TUEV和BGIA的認(rèn)證（德國(guó)工傷保險(xiǎn)聯(lián)合會(huì)-BGIA：Berufsgenossenschaftliches Institut fuer Arbeitsschutz)。

3 PRO FIsa fe獲得認(rèn)同

自2007年4月以來,出臺(tái)了一種基于運(yùn)用WLAN或Bluetooth(蘭牙)的無線網(wǎng)絡(luò)的PROFIsafe規(guī)范。PROFIsafe技術(shù)上的不斷發(fā)展所獲得的回報(bào)是它在市場(chǎng)中所占有的顯赫地位。尤其要指出的是，AIDA（德國(guó)汽車制造商自動(dòng)化倡導(dǎo)團(tuán)體-Automatisierungsinitiative Deutscher Automobilherstel ler)的承諾起了決定作用:“我們將始終不渝地應(yīng)用PROFIsafe安全行規(guī)轉(zhuǎn)向PROFINET”,AIDA發(fā)言人Ar jen Kreis這樣說道?！拔覀?cè)?006年就已經(jīng)開始在車身制造方面采用PROFINET/PROFIsafe,”BMW代表Peter Ziegler補(bǔ)充道。其它各工業(yè)部門的許多用戶也加入到應(yīng)用PROFIsafe的行列之中。接下來，PROFIsafe對(duì)所有已在使用的和之后產(chǎn)生的解決方案的挑戰(zhàn)大獲成功,而今以近百萬個(gè)PROFIsafe節(jié)點(diǎn)一躍成為世界市場(chǎng)的引領(lǐng)者。當(dāng)時(shí)的控制器來自各個(gè)生產(chǎn)企業(yè),大約有50種不同類型的PROFIsafe設(shè)備。因此，用戶有廣泛的選擇空間，所選產(chǎn)品均通過認(rèn)證。

此外，用戶可從PROFIsafe歷經(jīng)十年的經(jīng)驗(yàn)中受益。過去和現(xiàn)在有一個(gè)重要的理由，那就是PROFIsafe可以無縫連接PROFINET I/O，后者已獲得用戶高度的認(rèn)同。PROFIsafe也同樣無縫地連接PROFIBUS的變種PROFIBUS PA，因而可以在“經(jīng)受使用考驗(yàn)”（Betriebsbewaehrung/proven in us）的范圍內(nèi)提供完整的解決方案。當(dāng)時(shí)就有4000多臺(tái)PROFIBUS PA設(shè)備集成了PROFIsafe。

用戶直接從PROFIsa f e獲得的好處是顯而易見的：在PROFIBUS和PROFINET中的線性集成，包括無線傳輸在內(nèi)；靈活性極大而連線費(fèi)用很少；在一個(gè)設(shè)備的整個(gè)生命周期中以更高的安全性增強(qiáng)防范。

已故的PNO主席Edgar Kuester早在2003年就看出這一發(fā)展勢(shì)頭。他在當(dāng)時(shí)的一次PNO咨詢委員會(huì)的會(huì)議上就闡述了他的如下觀點(diǎn)：“運(yùn)用PROFIsafe的PROFIBUS將取得‘開放的安全解決方案’全球市場(chǎng)引領(lǐng)者的地位”。

4 經(jīng)受了實(shí)踐考驗(yàn)的安全性

PROFIsafe多年來在實(shí)踐中經(jīng)受住了考驗(yàn),以德國(guó)BASF催化劑廠(BASF Catalysts Germany)為例,該廠在催化劑生產(chǎn)中面臨著特殊的挑戰(zhàn):奧托(四沖程)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)催化劑的涂層工藝是錯(cuò)綜復(fù)雜的,由于材料昻貴對(duì)生產(chǎn)過程的安全性提出了很高的要求。加上催化劑的研發(fā)不斷進(jìn)步，產(chǎn)品必須適應(yīng)不斷更新的汽車模型的式樣。在此背景下，位于德國(guó)尼恩堡的BASF催化劑廠為其研發(fā)部門購(gòu)置了一臺(tái)轉(zhuǎn)子發(fā)動(dòng)機(jī)（Rundtaktmaschine），在它上面對(duì)試制部件進(jìn)行涂層。該機(jī)采用了以PROFIsafe為基礎(chǔ)的安全方案，其結(jié)果是，安裝費(fèi)用降低了，靈活性達(dá)到極致，從而滿足了BASF研發(fā)部門多方面的要求。故障安全變頻器屬于通過PROFIsafe直接同控制器進(jìn)行通信的另類部件。它集成了一系列重要的安全功能，且提供有價(jià)值的診斷信息?！八粌H僅是一個(gè)布線開銷很小，層次分明的硬件結(jié)構(gòu)，而且在軟件方面也為我們提供最大的靈活性，以確定極其不同的安全切斷回路”，德國(guó)BASF催化劑廠維修部的Kai Schmitz解釋說。

即使在最復(fù)雜的流程中，如在以氫作為金屬部件熱處理中的保護(hù)氣體的作業(yè)中，PROFIsafe也是令人刮目相看。以氫作為保護(hù)氣體的作業(yè)要求非常專業(yè)的Know-how。德國(guó)Ebner工業(yè)爐制造公司（Ebner Industrieofenbau）是一家居全球領(lǐng)先地位的工業(yè)爐設(shè)備制造商，其產(chǎn)品主要用于黑色金屬與有色金屬半成品的熱處理。Ebner發(fā)明了一種用純氫作為保護(hù)氣體的工藝方法。不過，氫的可燃性對(duì)安全技術(shù)有很高的要求。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了所使用的控制技術(shù)。在這些標(biāo)準(zhǔn)中明確指出，為進(jìn)行壓力監(jiān)控，用一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)的PLC及其標(biāo)準(zhǔn)的I/O尚不能滿足安全技術(shù)所提出的要求。因此，相關(guān)的安全功能除了軟件以外，還要通過繼電器技術(shù)來實(shí)施。由此產(chǎn)生了諸如設(shè)備、布線和質(zhì)量控制等方面的額外費(fèi)用。

尤其令人不快的是，任何后續(xù)的優(yōu)化工作都離不開高昂的開銷。因此，該公司早在2002年在樣機(jī)試制中為一條立式光亮退火爐生產(chǎn)線使用了通過PROFIsafe相互耦合的安全相關(guān)部件，而且從中取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。2007年，該公司裝備了第一臺(tái)帶故障安全控制系統(tǒng)（PROFIsafe）的大型工業(yè)爐設(shè)備。

在制定安全控制方案的過程中,他們盡可能地放棄觸點(diǎn)式設(shè)備。由于使用了故障安全控制器，在一臺(tái)設(shè)備中解決標(biāo)準(zhǔn)的和與安全相關(guān)的任務(wù)，促使總體上減少所要求的設(shè)備，從而降低故障概率。接線端子在很大程度上被取消，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接與分散式外部設(shè)備相連接。與此相連的布線開銷的減少也致使質(zhì)量控制成本更低，安全技術(shù)的升級(jí)無需增加布線成本，以此編成的軟件標(biāo)準(zhǔn)被一致地應(yīng)用于所有相關(guān)的設(shè)備上，這大大加快了生產(chǎn)進(jìn)程，故障概率也隨之更低?！霸诖似陂g，我們?cè)O(shè)計(jì)規(guī)劃了一種標(biāo)準(zhǔn)化的控制柜。不同的工業(yè)爐設(shè)計(jì)方案的區(qū)別僅僅在于程序上的不同和輸入/輸出端的數(shù)量上?！盓bner公司電子與自動(dòng)化技術(shù)負(fù)責(zé)人Erich Staelzhammer在其報(bào)告中說。“隨著大型工業(yè)爐設(shè)備的順利調(diào)試與投產(chǎn)，我們的期望圓滿地實(shí)現(xiàn)了。將來，我們要在全世界力推在此制定的控制方案?！边@是Ebner銷售部經(jīng)理Maximi l ian Kreindl的一番話。他的結(jié)論是：“從軟的組件再利用來看，我們一方面期盼開銷的減少，但首先要通過更高的安全性來進(jìn)一步提高我們?cè)O(shè)備的質(zhì)量，從而最終使用戶受益?！?/p>

夢(mèng)幻般的世界，迷人的服飾，輕松有趣的故事情節(jié)，使得加拿大太陽(yáng)雜技團(tuán)（Cirque de Soleil）多年來以其精湛的演技吸引了全世界的眼球。PROFIsafe也在這里負(fù)責(zé)在美國(guó)拉斯維加MGM大飯店和俱樂部演出中投入巨資的舞臺(tái)技術(shù)的安全性。演出展示了在裝有飛行器械的3D-運(yùn)動(dòng)舞臺(tái)上進(jìn)行的最為驚險(xiǎn)的雜技表演，扣人心弦。舞臺(tái)技術(shù)中的受控對(duì)象有：32臺(tái)PLC，186臺(tái)驅(qū)動(dòng)器和206根彼此協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)軸，由于應(yīng)用了PROFIsafe技術(shù)，該雜技團(tuán)的演出多年來從未發(fā)生過意外。

5 PRO FIsa fe面向未來

當(dāng)今的PROFIsafe技術(shù)已非常成熟。盡管該協(xié)議日后不會(huì)有大的變更，PNO的專業(yè)委員會(huì)和工作組仍首先致力于為用戶提高工程設(shè)計(jì)的方便性并為其提供必要的運(yùn)算結(jié)果。人們還積極從事于國(guó)際推廣工作。其間，PROFIsafe已是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61784-3-3。

此外，作了重大改進(jìn)的新版PROFIsafe開發(fā)-Entwicklungskit)業(yè)已上市?！拔覀兿Ｍ?，今后能有更多的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備家族，如機(jī)器人，編碼器，煤氣與火焰探測(cè)器，溢流安全裝置，壓力變送器等，直接連接PROFIsafe故障安全通信系統(tǒng)”，Dr.Wol fgang Stripf語(yǔ)重心長(zhǎng)地說。應(yīng)當(dāng)指出，由PNO和TUV聯(lián)合舉辦的定期的“PROFIsafe Certified Designer”-（持合格證書的PROFIsafe設(shè)計(jì)師 ）培訓(xùn)，是對(duì)PROFIsafe應(yīng)用推廣與發(fā)展的巨大促進(jìn)。

PROFIsafe發(fā)展至今已有十余載，人們可以毫不夸張地說：運(yùn)用PROFIsafe越來越安全。