PROFIBUS PA 渐入佳境

惠敦炎教授

　　西门子(中国)有限公司自动化与驱动集团自动化系统部高级顾问、教授，主要从事PROFIBUS、PROFINET和PROFIsafe技术应用与标准化及其在中国的战略研究。

　　引言
　　现代通信技术，无论是过去平地崛起而后成为国际标准的现场总线，还是为了满足工业自动化的需求从原有的以太网技术（TCP/IP）不断发展而产生的工业实时以太网，实现了生产设备各个部分之间在纵向和横向上进行的快速、安全和时控的信息交换，使得近年来生产设备自动化几乎在所有工业部门都得到了蓬勃的发展。
　　PROFIBUS和PROFINET是这两种通信技术在全球最为成功的代表。2004年，PNO-PROFIBUS用户组织明确提出，到2008年全世界制造业与过程工业自动化中PROFIBUS的安装节点总数将达到2000万，同比翻一番，这一目标在2007年4月已经提前实现。这一巨大的成就使PROFIBUS在国际市场上赢得了当之无愧的领导地位。
　　应用于过程自动化的PROFIBUS PA（PA-Process Automation）在PROFIBUS家族中排行“老二”，1995年4月曾在INTERKAMA’9

5展会上首度亮相，引起了轰动。1997年，PROFIBUS PA首次在德国某化工厂的应用大获成功，解决了化工生产中的防爆问题。从此，PROFIBUS针对过程自动化的解决方案，即PROFIBUS PA，在用户的鼎力协助下，一直呈现良好的发展势头。今天，全球的过程自动化设备中有近500万台的PROFIBUS PA设备在运行。这清楚地表明，PROFIBUS PA这项技术在公众认为相当保守的行业（石油、化工）得到了认同。
　　笔者在探究PROFIBUS PA的发展秘笈时发现，PNO多年来一直遵循的“优化PROFIBUS PA”的发展战略卓有成效，不断地满足了过程工业日新月异的和持续增长的要求。实现上述指导方针的主要举措则是由PNO的PA工作组通过修订和增补PA行规不断地充实和完善其内容，以及研究、制订与更加严格的德国标准VDI/VDE/NAMUR相一致的PNO会员企业新标准。
　　以下从几个主要方面概述PROFIBUS PA的新进展。

　　在安全相关领域中的应用
　　根据IEC61511，自动化设备在完成其安全功能时必须遵守极其严格的规定，这些规定不但涉及参与其中的仪表设备，而且也涉及仪表设备之间的通信系统。
　　为了满足这些要求，针对执行循环与非循环服务的PROFIBUS PA提出了一种方案，即PA行规修改文本1（Amendment 1）：“PROFIsafe for PA-Device”。此方案连同PROFIsafe行规一起，满足了NAMUR NE97（德国化工测量与调节技术标准化委员会推荐性标准文件NE97）的各项要求。
　　循环通信的安全问题
　　PROFIBUS很早就通过制订故障安全通信应用行规创建了一个符合IEC 61508的通信安全标准，即PROFIsafe。它以同一个通信介质传输与安全相关的和与安全无关的通信数据。PROFIsafe采取四大防范措施来识别错误数据的传输，即序列号、时间监控、通信双方无歧义的识别代码，以及循环冗余校验CRC。
　　原则上讲，PROFIsafe行规可以原封不动地用于过程自动化的PROFIBUS PA仪表设备中，因为它们使用的是同一个PROFIBUS DP协议。但是，PROFIBUS PA仪表设备的制造厂家有责任使其产品的使用性能符合PROFIsafe行规的要求，以方便用户使用一部分相当复杂的仪表设备，简化控制系统的集成。在应用PROFIsafe的情况下，为了确保这一准则不变，又增加了一些规定，也写入了PA行规修改文本1中。
　　PROFIsafe是安插在一个PA仪表设备ISO/OSI模型中的附加层——F安全层（图1）。该层的任务是在循环传输中的故障安全有用数据与参数进入应用层被继续使用之前，对其进行校验。

　　非循环通信的安全问题
　　仪表设备参数的非循环传输不受上述数据安全机制的约束。为了在设备参数化过程中确保功能安全，在上述修改文本1中规定了一个相应的措施：在仪表设备的设定及调试过程中，安全相关设备参数无论在设备中，还是在操作工具中，都要产生一个校验和（checksum）。仅当两个校验和完全一致且在使用预置的操作方式的情况下，设备的运行才有可能。
　　“运行考核合格”的过程仪表设备的安全问题
　　欧洲化学工业的实践经验表明，凡是经受了多年实际使用考验并取得所谓“运行考核合格”的现场仪表，就可以应用于安全相关领域。为了将此实践进一步扩大到应用现场总线通信的生产设备中，PROFIBUS PA采取一种巧妙的解决办法（图2）使“运行考核合格”的仪表设备带有一个现场总线接口，还附加一个可以开、关的PROFIsafe层。用户既可以根据

NE97（带PROFIsafe层），又可以按照“运行考核合格”的准则将其应用于安全相关的场合。

图2 PROFIsafe应用在“运行考核合格”的PA设备中

　　浓缩状态与诊断信息
　　工厂资产管理（NAMUR NE91）始终是过程自动化，特别是提高生产设备可用性和利用率以及改善过程控制方面众多议题的焦点。资产管理的目的不仅要实现生产设备的保值，而且要实现其增值，管理系统通过分析现有的和有目的地收集到的数据来实现上述目标。现场仪表的诊断功能也为此发挥巨大的作用。诊断数据的分析揭示一个生产设备的战略目标（如效益，可用性）与实际状况之间的偏差。资产管理的重点之一，就是生产设备的维护与维修。由于诊断信息量很大，用户要求将大量单个信息在进一步传输之前，进行参数化归类整理，使之符合规定的分类方法（NAMUR NE107），且最终有选择地分发给不同的需求者，如操作员、维修人员或企业领导者。
　　上述用户要求在PA行规3.01版修改文本2“浓缩状态与诊断信息” （Ademendment2：Condensed Status& Diagnostic Message）中被转化为同德国标准

VDI/VDE 2650和NAMURNE107一致的PA 仪表行规，其中除状态“良”（Good）以外，还定义了4种状态信号，即“功能检验C”，“维护要求M”，“超出规范/不确定S”和“故障F”，参见表1。

表1    4种状态信号：F，M，C，S

　　由过程仪表记录的诊断结果（图3），在过程仪表中按仪表类型和应用进行参数化，然后映射到4个状态信号中（图3左），或者作为单独的结果（图3右）分别被存储下来；在控制系统和工厂资产管理系统（PAMS）中，状态报告可以不加改变地立刻向这两个站输出（图3a），或者独自按组态顺序排列之后，又按状态信号的含义被分配到以上两个不同的工作站中（图3b）。

图3 诊断结果参数化所对应的测量值状态

　　“浓缩诊断”这一新概念（图4）源自PROFIBUS PA 5年来的使用实践，对大量的诊断信息流“浓缩其精华”，以求“对症下药”，它对加强企业资产管理和提高生产设备的经济效益有重大作用。

图4 浓缩诊断原理

　　冗余环
　　在过程自动化，尤其是连续过程自动化的应用方面，自动化系统结构既要求安全（SIL3）,又要求尽量高的可用性。而避免生产事故的发生，这类生产设备中的控制器的通信系统均采用冗余结构（1001，1001D，1002，1002D，2003，2003D等）。目前PROFIBUS PA有两种不同的冗余方案可供选择，即耦合器冗余（Coupler-Redundance）和冗余环（Ring-Redundance），见图5、6。由西门子公司首创的冗余环，又称为FMR（Flexible Modular Redundance，柔性模块式冗余），是目前世界上最先进的高可用性、容错的冗余结构，如图7所示。

 图5  耦合器冗余                  图6  冗余环   

图7  PROFIBUS PA安全、容错的冗余环结构

　　图5中带AFS（有源现场分流器）的DP/PA耦合器和图6中冗余环的AFD-有源现场分配器均设有集成的自动总线终端器（Automatic bus termination），它使系统在遇到短路或断线时自动地且无冲击地同有故障的总线分段隔离。由图7可见，带冗余环的PROFIBUS PA经冗余的DP/PA Link（链接器）同西门子S7-400FH控制器的二根支线相连。在PROFIBUS PA冗余环中，最多可连接8个AFD，其中每一个AFD有4个防短路，用来连接现场仪表设备的支线接口。这种安全、容错结构使用比较少量的仪表设备和电缆就可以实现。环的组态也可在连续运行中更改。为接入另一个AFD，甚至可以短时断开冗余环，而不会引发生产事故。在冗余耦合器和AFD中集成的诊断技术扩大了通信诊断与导线诊断原有的能力，当导线断裂时很容易对错误进行定位。

图8  西门子公司的FMR应用示例

　　由图8可见，FMR根据自动化任务与安全要求可以使设计人员针对控制器、现场总线和I/O各结构层面分别定义冗余度，并同现场仪表协调一致。在同一层面上，每个组件在结构上都可以是冗余的，在物理上也可以分离。此外，所有组件均满足安全等级SIL3的要求。
　　FMR可以提供传统的双重或三重统一结构更高的可用性等级。一年多来，FMR在SBM Off

shore System、EMBR、DuPont、Conocophillips(Alasus)、BP等国际知名的石油开采、炼油及化工公司中的应用非常成功。
　　局部行程测试PST
　　为保证某个安全仪表功能（Safety Instrumented Function, SIF）的应急切断阀（ESD阀）在出现某个安全事故时仍保持正常工作，必须定期地检验其功能是否完全正常。这项工作可以在关闭生产设备的条件下进行一次满行程测试（Full Stroke Test, FST）来完成。但在生产过程运行期间，这种检验方法在大多数情况下是行不通的，因为此时阀门是全闭的。
　　有一个很好的在线阀门测试的解决方案，就是所谓局部行程测试（PST），见图9。在进行这种测试时，通过局部地开启与关闭来检验阀的运动，而不必停产。阀门行程一般为10~15%。部分行程的长短视生产过程的具体情况和所要求的诊断覆盖率而定。

图9   PST组态示例

　　采用PST可以延长规定的FST时间间隔，而不会改变SIL等级。在定期进行这种测试的情况下（每年4次），两次FST之间的间隔从一年延长至二年（图10）。

图10  PST将FST的测试间隔延长至2年

　　西门子安全系统已经包含了在规定的检验间隔里自动进行这种PST的功能元件。它向操作人员发出与提供有关阀门功能的报警与反馈报文，且根据PFD计算出进行下一次FST的时刻。使用现成的图像元件来实现操作员系统的可视化，从而可以迅速地统观阀的状况和PST参数，显示上一次PST状态并告知计划中其他各项测试的情况。
　　EDDL功能扩展（IEC61804-3,-4,2005）及其认证测试
　　现场仪表在控制系统中的集成可以通过多种途径来完成。EDDL是多年来最受用户欢迎的一种集成技术，它以可诠释的设备描述为基础。EDDL技术可以描述1000多种从简单到非常复杂的仪表设备的变量，其基本理念是描述形式与操作系统平台和工具无关，因而在全球的应用获得了极大的成功。到目前为止，用EDDL描述的现场仪表安装总数已经超过1500万台，且继续呈增长的态势。
　　EDDL的最新版本（IEC61804-3,-4,2005）满足了用户对复杂的现场仪表和调试、维护工具在图形塑造能力和参数变化跟踪以及持久保存图例数据等方面更高的要求。EDD扩展包括图形的表达，以chart形式出现的趋势信息和图例数据保存的改进（动态存储器）。仅在图形扩展方面就包罗了charts，Gauge，Baragraph，Strip，Sweep，Scope，Graph，Image和Gird。新增的可视化功能因采用动态图形（用于实时显示设备数据）或直方图而使面向应用的操作十分方便。数据管理方面，新增功能支持测量值和诊断数据的文档化，并实现了资产管理图示的标准化。
　　EDDL的用户和仪表设备制造厂共同创造了一种设备描述的认证方法。2006年9月，PNO颁布的文件中包含了有关技术要求。在其基础上开发成功可执行的测试案例和一个测试系统，用来测试下列内容：
　　描述与EDDL标准的一致性；
　　描述对设备的兼容性；
　　描述对系统的兼容性。
　　该测试方法包括设备描述的句法和语义学。此外，通过测试证实所有被描述参数和参数依赖性同设备固件中的描述状态机是否一致。为此，除进行静态分析外，还要对设备进行在线测试（On-line-Test）。
　　2007年3月，PNO公布了测试案例之后不久，“PROFIBUS-EDD-Tester”（PROFIBUS-EDD-测试器）即应用于认证工作。仪表制造厂不仅能够确保其产品质量，而且也能够保证其产品使用EDDL的质量。
　　I&M（Identification & Maintenance，识别&维护）功能
　　I&M功能被归纳在一个“强制性”的设备行规中，它适用于非循环通信的所有PROFIBUS仪表设备，也适用于过程自动化设备。I&M是PA行规的增补部分，被写入修订本3中（Amendment3：Identification and Maintenance）。I&M行规包含有关设备制造厂、设备系列、软件版本的详细说明，一方面用于简单的、无证的设备标识；另一方面则通过对设备制造厂的网页进行访问，为设备的维护提供实时重要信息，并在当前的或可预见的设备故障情况下，为迅速供应备品、备件创造可能。因此，I&M对设备可用性的提高和在线资产管理尤为重要。
　　展望
　　正当2000万台以上的PROFIBUS设备，其中也包括近1/4的PROFIBUS PA设备，安装在过程自动化中的时候，人们的目光又开始投向更新的实时以太网通信技术PROFINET，于是PROFIBUS（DP/PA）如何向PROFINET顺利过渡以及有关

投资保护的问题备受关注。
　　PROFIBUS（DP/PA）既适用于制造业又适用于过程工业自动化，PROFINET目前仅应用于制造业，虽然人们早已开始探索将其应用到过程自动化中，但多年悬而未决，足见其技术难度之深。
　　依笔者之见，这两种技术各具优势，并非相互对立，而是互补的和长期共存的。用户可以根据实际需要理性选择，或者两种兼顾，实为上策。
　　为了在保护现有的PROFIBUS PA投资的条件下充分地利用PROFINET的优势，应将PROFIBUS PA统一集成到PROFINET之中。为此，应采取以下措施：
　　在PROFINET 上操作PA仪表设备，应原封不动地保留PA行规，将其映射至PROFINET；
　　使用Proxy全面地集成现有的PROFIBUS系统，以实现PROFIBUS和PROFINET两个系统之间物理的和通信技术切换。这样既可以继续保留专为过程自动化开发的PROFIBUS PA的性能，又能够充分地利用PROFINET的许多优点。
　　近十年来，在线分析技术虽有很大的发展，但在过程自动化中的实际应用并不多见。以德国拜耳公司（Bayer-Niederrheinwerk）为例，95%的过程信息涉及4个基本参数，即压力、温度、液位和流量。而采用过程分析技术，在这里为分光光谱和色谱分析仪器的测量点仅占5%。今后，以产品质量直接作为目标参数的过程控制（Quality Based Process Control）将成为人们奋斗的目标。在线分析技术（Online-Analytic）在过程自动化中的应用比例将有所增加。有资料显示，在线分析技术在工程项目中的投资回收期（ROI）与传统的过程控制（P，L，T，F 四大参数）相比，在一年之内。未来的过程自动化系统必定是一个安全的、容错的、环保的、能源及材料低耗的、经济的、产品优质的系统。PROFIBUS PA技术及其应用行规为这一目标的实现，搭建了一个广阔的平台。
　　参考文献
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　　[5]  Christian Diedrich, Ulrich Jecht, Volker Oestreich: Mit Ger?tediagnose zum Asset Management, atp 46(2004), Heft4,49-55.
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　　[7]  Siemens AG:Safety Integrated for Process Automation, Broschüre, Nov.2006.