轉(zhuǎn)載自《儀器儀表標準化與計量》

        ——在國家標準《過程控制設(shè)備行規(guī)-PROFIBUS PA規(guī)范》起草工作組第一次工作組會議上的發(fā)言
　　西門子（中國）有限公司I IA AS&SE BU　惠敦炎
　　機械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟研究所　劉丹
　　PROFIBUS是當今全球最為成功的現(xiàn)代通信技術(shù)。根據(jù)PNO最新發(fā)布的數(shù)字，截止2008年，PROFIBUS全球安裝節(jié)點總數(shù)已超過了2800萬，預(yù)測2012年將突破5000萬大關(guān)。十年前，這個數(shù)字才不過300萬。PROFIBUS 20年的光輝成就使它在國際市場上贏得了當之無愧的領(lǐng)導(dǎo)地位。
　　1995年，PROFIBUS在解決了總線供電和本質(zhì)安全（應(yīng)用FISCO模型）等技術(shù)難題之后，尤其是隨著“PROFIBUS PA行規(guī)”(PROFIBUS PA-Profil)首次發(fā)布，開拓了流程工業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域。PROFIBUS PA曾在INTERKAMA'95展會上首度亮相，引起了轟動。1997年，本安型現(xiàn)場總線PROFIBUS PA首次在德國瓦克爾化工廠的應(yīng)用大獲成功，解決了化工生產(chǎn)中的防爆問題。從此，PROFIBUS針對過程自動化的解決方案，即PROFIBUS PA技術(shù)始終以市場要求為發(fā)展動力，通過不斷的修訂和增補PA行規(guī)，以滿足過程工業(yè)日新月異的和持續(xù)增長的要求。
        PROFIBUS PA 應(yīng)用行規(guī)(PA-Profil)是過程自動化儀表設(shè)備的標準。它為各種不同類型的儀表設(shè)備定義了與制造廠無關(guān)的儀表參數(shù)（如PV_SCALE,HI_HI_LIM,ALARM_HYS等所謂強制性參數(shù)）和應(yīng)用功能（如線性化），且通過標準化的診斷信息（“故障F”、“維護要求M”、“功能檢驗C”、“超出規(guī)范S”）為應(yīng)用的統(tǒng)一，簡化工程設(shè)計，設(shè)備的集成和技術(shù)操作，確保不同制造廠儀表設(shè)備的互操作性和互換性，加強工廠資產(chǎn)管理（Plant Asset Management）和提高生產(chǎn)設(shè)備的安全性與可靠性奠定基礎(chǔ)。對于PROFIBUS PA而言，無論過去和現(xiàn)在，行規(guī)都是在功能組件模型的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，這是因為一方面“功能組件的理念”在流程與化工領(lǐng)域已為人們所熟知；另一方面功能組件模型非常符合現(xiàn)場儀表的多樣性與結(jié)構(gòu)的要求（圖1-2）。因此，PA行規(guī)也是開發(fā)PA現(xiàn)場儀表必須研讀與掌握的指導(dǎo)性標準文件。

        圖1  各個塊、塊參數(shù)與目錄之間的關(guān)系（V3.0-V3.02）

        圖2  PA行規(guī)中各方塊一覽圖(V3.0-V3.02)

        在中國，PROFIBUS從眾多的競爭對手中脫穎而出，于2006年第一個成為國標GB/T的現(xiàn)場總線之后，受PNO委任的PROFIBUS PA測試實驗室在京設(shè)立，國內(nèi)一些企業(yè)相繼根據(jù)PA行規(guī)（V.3.01）成功開發(fā)了PA現(xiàn)場儀表，且在流程工業(yè)中獲得了實際應(yīng)用。這充分說明PROFIBUS PA在我國的過程自動化中已經(jīng)占據(jù)了重要的地位。因此，業(yè)內(nèi)人士對于PA應(yīng)用行規(guī)的改版與更新自然十分關(guān)注。
        前不久出臺的PNO PROFIBUS PA行規(guī)V3.02新版（2009年初）雖然姍姍來遲，因其與前版V3.0和V3.01相比增補了一些極為重要的新內(nèi)容，如PROFISAFE,儀表設(shè)備版本的上下兼容等，更加貼近用戶的要求，更加符合極為嚴格的德國VDI/VDE/NAMUR(NE97,NE102,NE105,NE107)標準。正因為如此，國內(nèi)專家依然懷著極大的興趣與熱情著手PA行規(guī)V3.02新版的GB/T轉(zhuǎn)化工作。
        如上所述，PROFIBUS PA技術(shù)發(fā)展的主要動力來自市場需求。圖3所示為從1999到2009的10年當中市場需求被轉(zhuǎn)化為PA行規(guī)的情況。
        市場要求:

        如圖3可見，新版PA 行規(guī)V3.02在涵蓋了V3.0和V3.01的基礎(chǔ)上增加了新的內(nèi)容（以“*”標注），其總體結(jié)構(gòu)特征歸納如下（括號內(nèi)“M”為強制的；“O”為可選的）：
        ——濃縮狀態(tài)與診斷Condensed Status/Diagnosis(M);
        ——經(jīng)典狀態(tài)與診斷 Classic Status/Diagnosis(o);
        ——設(shè)備版本識別與兼容* Device Version Identification and Compatibility(M)（參見5.5）;
        ——參數(shù)處理* Parameter Transaction(o)
        嚴格方式strict mode (參見5.4.2.3)
        平滑方式 smooth mode ( 參見 5.4.2.2)
        單緩存機制  single buffer mechanism(參見5.4.5.1)
        多緩存機制  multiple buffer mechanism(參見5.4.5.2)
        ——PROFIsafe*(o);
        ——I&M功能（M）。
        現(xiàn)僅就其中的幾項內(nèi)容點評如下。
        一、濃縮狀態(tài)與診斷
        “濃縮診斷”這一新概念源自PROFIBUS PA 5年來的使用實踐，對大量的診斷信息流“濃縮其精華”，以求“對癥下藥”，它對加強企業(yè)資產(chǎn)管理和提高生產(chǎn)設(shè)備的經(jīng)濟效益有重大作用。
        診斷數(shù)據(jù)的分析揭示一個生產(chǎn)設(shè)備的戰(zhàn)略目標（如效益、可用性）與實況之間的偏差。資產(chǎn)管理的重點之一，就是生產(chǎn)設(shè)備的維護與維修。由于診斷信息量很大，用戶要求將大量單個信息在進一步傳輸之前進行參數(shù)化歸類整理，使之符合規(guī)定的分類方法（根據(jù)德國NAMUR推薦標準NE107）,且最終有選擇地分發(fā)給不同的需求者，如操作人員、維修人員或企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者。
        上述用戶要求已在PA行規(guī)V3.01版修改文本2“濃縮狀態(tài)與診斷信息”（Amendment 2:Condensed status & Diagnostic Message）中被轉(zhuǎn)化為同德國標準VDI/VDE 2650 和NAMUR NE 107 一致的PA儀表行規(guī)。新的PA行規(guī)V3.02保留了V3.01的內(nèi)容，其中除狀態(tài)“好/良”（Good）以外，還定義了4種統(tǒng)一的標準診斷信息，即故障“F”、“功能檢驗C”、“維護要求M”和“超出規(guī)范/不確定S”。圖4所示為根據(jù)NAMUR NE 107類別規(guī)定的PA現(xiàn)場儀表標準的和跨越生產(chǎn)廠家的診斷信息。應(yīng)當指出的是，這部分內(nèi)容在新版V3.02里改為強制性的(M),它的實現(xiàn)將加速產(chǎn)品向市場滲透。

        圖4  根據(jù)NE107規(guī)定的PA現(xiàn)場儀表的診斷信息

        二、設(shè)備版本識別與兼容
        PROFIBUS PA行規(guī)新版V3.02的最大亮點是它最先解決了市場中日益重要的硬軟件新舊版本在相當長時間內(nèi)，即在生產(chǎn)設(shè)備整個生命周期內(nèi)（例如，10-20年內(nèi)）上下兼容，以確保未來設(shè)備的集成依然不變的問題。為此，必須要制定一項有關(guān)儀表設(shè)備、儀表文件和軟件平臺可行的版本管理策略的標準。
        為了將設(shè)備的功能集成于自動化系統(tǒng)中，設(shè)備功能是由設(shè)備制造商使用各種集成工具（圖5）來加以描述的。其中，與MS0相關(guān)的設(shè)備功能用GSD來描述，而與MS1/ MS2相關(guān)的設(shè)備功能則使用EDD或DTM來描述。為了確保同屬一個樣本類型的變異產(chǎn)品之間的兼容，需要建立準確無疑的設(shè)備功能的相關(guān)標識，且需要提供驅(qū)動軟件中的功能描述。與MS0通道相關(guān)的設(shè)備功能的識別是以設(shè)備無歧義的“PROFIBUS Ident_Number”來實現(xiàn)的。在設(shè)備研發(fā)過程中，制造廠商必須遵守一組嚴格的兼容規(guī)則。與MS1/MS2通道相關(guān)的設(shè)備功能的識別--用EDD或DTM描述--是基于特定的版本參數(shù)（設(shè)備修正device revision）（圖5）?！癲evice revision”使設(shè)備軟件版本的 演變同與MS0通道相關(guān)的設(shè)備功能不發(fā)生任何聯(lián)系。定義的參數(shù)是主控集成工具（Host Integration Tool）內(nèi)對于設(shè)備與設(shè)備驅(qū)動軟件的兼容性給予明文確認的基礎(chǔ)（Dev_Rev_Comp≤DEVICE_REVISION≤Dev_Rev）。

        圖5 PROFIBUS的集成技術(shù)

        如果新老設(shè)備和設(shè)備驅(qū)動軟件能夠在無須特別修改的情況下共同運行，則表明現(xiàn)場設(shè)備和設(shè)備驅(qū)動軟件的兼容性是存在的。圖6所示為設(shè)備與設(shè)備驅(qū)動軟件之間的向上/向下兼容（up/downward compatibility）。

        圖6 設(shè)備驅(qū)動軟件之間的向上/向下兼容

        由圖可見，在更換儀表設(shè)備時，運用PA行規(guī)V3.02建立起自動接納多個先前樣本各項功能的標準機制。該機制一方面可以自動識別所期待的先前儀表的版本，另一方面又能夠自動地轉(zhuǎn)換到它的功能上。在進行這類儀表更換時，（例如10年之后）備用儀表自動地轉(zhuǎn)變?yōu)樗诖淖儺惍a(chǎn)品（automatic Ident_Number adaption），在以后計劃安排的停車狀態(tài)下， 如有必要，備用儀表的新功能可以通過更改描述文件被集成到控制系統(tǒng)中，從而使設(shè)備集成大為簡化。
        三、參數(shù)處理（Parameter Transaction）
        PA行規(guī)V3.02通過參數(shù)處理這部分新增內(nèi)容可實現(xiàn)參數(shù)up/download傳輸時間的優(yōu)化。在現(xiàn)場儀表生命周期的不同階段，必須傳輸不同數(shù)量的數(shù)據(jù)。在投運過程中，被傳輸?shù)膮?shù)量最大，有一部分參數(shù)是在采取維護措施時被傳輸；另有一大部分則在更換儀表時被傳輸。根據(jù)儀器儀表不同的功能，傳輸300個參數(shù)并非少見，因此參數(shù)的處理、傳輸?shù)闹匾栽诓粩嗟卦龃蟆?br>        新的PA行規(guī)V3.02通過參數(shù)分組、使用strict mode和smooth mode并采用簡單、高效的單個與多個緩存機制，（single/multi buffer mechanism）優(yōu)化了參數(shù)的傳輸與處理，使傳輸時間成倍地減少（根據(jù)數(shù)據(jù)量的大小，可減少至5-10倍不等）。上述標準的傳輸機制可以實現(xiàn)更加完善的一致性檢驗以及參數(shù)的相互依賴性（例如，測量單位，參數(shù)的極限值）。
        四、PROFIsafe
        PROFIsafe是遵循IEC 61508準許在一根且同一根總線-PROFIBUS上實現(xiàn)標準的和與安全相關(guān)的通信的第一個通信標準。如果將一個安全處理鏈（傳感器+控制器+執(zhí)行器）中通信的危險失效概率評估為1%的份額，那么PROFIsafe所對應(yīng)的危險失效概率為10^-9/h，相當于或超過SIL3（3：10^-7/h）PROFIsafe能夠滿足制造業(yè)和過程工業(yè)的最高要求。眾所周知，PROFIsafe采取四大防范措施來識別錯誤數(shù)據(jù)的傳輸，即序列號、時間監(jiān)控、通信雙方無歧義的識別代碼，以及循環(huán)冗余檢驗CRC。
        原則上講，PROFIsafe行規(guī)可以原封不動地用于過程自動化的PROFIBUS PA儀表設(shè)備中，因為它們使用的是同一個PROFIBUS DP協(xié)議。PROFIsafe是安插在一個PA儀表設(shè)備ISO/OSI模型中的附加層-F安全層。該層的任務(wù)是在循環(huán)傳輸中的故障安全有用數(shù)據(jù)與參數(shù)進入應(yīng)用層被繼續(xù)使用之前，對其進行校驗。
        PA行規(guī)V3.02以可選的方式接納了PROFIsafe V1和V2 mode，不僅解決了PROFIBUS PA循環(huán)/非循環(huán)通信的安全問題和使用所謂“運行考核合格”（proven-in-use）的過程儀表設(shè)備的安全問題（根據(jù)NAMUR NE97），而且也解決了PROFINET IO/CBA的安全應(yīng)用問題。
        五、I&M功能
        隨著工廠在線資產(chǎn)管理（Online-Plant Asset Management）的意義與日俱增，I&M功能規(guī)范也應(yīng)運而生（2004）。I&M功能定義了過程儀表設(shè)備信息的統(tǒng)一語義、結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的存取方法。它使得統(tǒng)一識別現(xiàn)場儀表成為可能，而與設(shè)備制造廠商無關(guān)。PA行規(guī)V3.02完全保留了3.01中“I&M功能”部分。I&M功能在實踐中的作用很大，例如根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備文檔或庫存及訂貨數(shù)據(jù)對已安裝的現(xiàn)場儀表進行調(diào)校，可以跨越生產(chǎn)企業(yè)對有關(guān)維護的設(shè)備傳輸進行存取，等等。
        綜上所述，PROFIBUS PA以其新行規(guī)V3.02使市場要求向標準轉(zhuǎn)化的工作登上一個新的臺階。正如德國NAMUR現(xiàn)場總線工作組在2008年一次新聞發(fā)布會上所評估的那樣，“PA行規(guī)V3.02在運用現(xiàn)場總線技術(shù)減少工程費用與企業(yè)運營成本方面作出了突出的貢獻，而且在實現(xiàn)生命周期費用最小化方面也作出了積極的貢獻。”2008年NAMUR年會對PA行規(guī)V3.02給予了很高的評價，稱它為“積極的時效管理的范例”。
        對于工業(yè)實踐至關(guān)重要的仍是產(chǎn)品的供應(yīng)問題。據(jù)悉，新行規(guī)在這方面的轉(zhuǎn)化也是很快的，首批基于PA行規(guī)V3.02的產(chǎn)品可望在2009年6月之后上市。
        參考文獻：
        1. PNO：PROFIBUS PA Profile for Process Control Devices V3.02 WG3 Draft for PI Review，06.2009
        2. PNO：PROFIBUS &PROFINET Excellence in Automation，20 Jahre Erfahrung in industrieller Kommunikation，2009
        3. 惠敦炎：“PROFIBUS PA 漸入佳境”，自動化博覽，12/2007
        4. 克?迪德里布/托?班葛曼【德】主編，惠敦炎譯：“PROFIBUS PA過程自動化總線技術(shù)”，西南師范大學(xué)出版社 2007年

        作者簡介 :
        惠敦炎（1938-）,西門子(中國)有限公司 I IA AS SE BU 高級顧問,西南大學(xué)兼職教授。從1996年至今，一直從事PROFIBUS（-PA，-DP），PROFINET技術(shù)應(yīng)用與標準化及其在中國的戰(zhàn)略研究。近年來，撰寫論述10多篇，已在各專業(yè)期刊上發(fā)表。2007年的譯著“PROFIBUS PA 過程自動化現(xiàn)場總線技術(shù)”（作者：[德]克?迪德里希/托?班葛曼主編）出版以來頗受業(yè)內(nèi)人士歡迎。
　　1987年因參與并負責(zé)國家科委一項研究課題而獲得國家科技進步三等獎。
　　2006年獲德國西門子總公司A&D集團領(lǐng)導(dǎo)人Mr.Anton Huber頒發(fā)的唯一的標準化大獎；同年獲德國PROFIBUS用戶組織(PNO)頒發(fā)的獎狀;2007年獲中國自動化學(xué)會和自動化博覽雜志“2006年中國自動化世紀行新聞人物獎”。2008年6月，通過考試獲得由德國TüV和PNO共同頒發(fā)的“PROFIsafe Certified Designer——PROFIsafe 認證設(shè)計師”資格證書。
        今后工作重點在PROFIBUS 與 PROFINET的安全通信技術(shù)-PROFIsafe，PROFIBUS PA和自動化設(shè)備的電氣安全標準化工作方面。