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

西門子(中國)有限公司 惠敦炎

1 PRO FIsa fe簡述

PROFIsafe是與安全相關的自動化的一個應用行規,它以PROFIBUS DP以及PROFINET I/O為基礎。它連接與安全相關的傳感器，控制器和執行器。PROFIsafe可被視為一個單通道的“軟件解決方案”，它在設備中是作為一個在PROFIBUS以及PROFINET之上的附加層來實施的。標準部件，如導線、接插件/網絡組件、ASICS（芯片），或者協議仍保持原狀。尤其突出的是，符合PROFIsafe行規的現場設備可以不受限制地同標準的現場設備在一根且同一根總線電纜上共同運行。

在研發PROFIsafe中的任務是，要做出何種規定才能夠在串行通信中采取適當的防范措施，如序列號、時間監控、授權代碼名和附加的數據一致性校驗（CRC循環冗余碼校驗）來消除可能發生的典型錯誤，如偽裝、丟失、延遲插入、錯誤尋址。這其中最重要的是，即使同時出現兩個錯誤的情況下，系統總會被置于安全狀態。

PROFIsafe的成功主要表現在以下三方面：

（1） PROFIsafe可以通過已經在工業自動化的所有行業中建立的PROFIBUS和PROFINET系統來實現安全功能;

（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現端點對端點的安全通信;

（3）借助于PROFIsafe可以在驅動器中使用集成安全功能。

PROFIsafe不僅增強了靈活性，它也可以用來實現珍惜器材的運動過程。此外，它通過緊急停車之后的迅速再啟動也使設備有較高的可用性。

2 通過認證的安全技術

引入某種認證體系,包括所屬的測試環境在內,對于PROFIsafe獲得用戶的認同作出了重要貢獻。PROFIsafe要求通過一個獨立的檢測機構來對設備進行安全技術的查驗，以評估是否達到最高的質量要求。PNO所推出的V2.0版行規最終為安全相關產品既可在PROFIBUS系統中,又可在PROFINET系統中運行，創造了先決條件。PROFINET在汽車工業中獲得廣泛應用的道路已經打開。2005年，PROFIsafe V2.0順利通過了德國TUEV和BGIA的認證（德國工傷保險聯合會-BGIA：Berufsgenossenschaftliches Institut fuer Arbeitsschutz)。

3 PRO FIsa fe獲得認同

自2007年4月以來,出臺了一種基于運用WLAN或Bluetooth(蘭牙)的無線網絡的PROFIsafe規范。PROFIsafe技術上的不斷發展所獲得的回報是它在市場中所占有的顯赫地位。尤其要指出的是，AIDA（德國汽車制造商自動化倡導團體-Automatisierungsinitiative Deutscher Automobilherstel ler)的承諾起了決定作用:“我們將始終不渝地應用PROFIsafe安全行規轉向PROFINET”,AIDA發言人Ar jen Kreis這樣說道。“我們在2006年就已經開始在車身制造方面采用PROFINET/PROFIsafe,”BMW代表Peter Ziegler補充道。其它各工業部門的許多用戶也加入到應用PROFIsafe的行列之中。接下來，PROFIsafe對所有已在使用的和之后產生的解決方案的挑戰大獲成功,而今以近百萬個PROFIsafe節點一躍成為世界市場的引領者。當時的控制器來自各個生產企業,大約有50種不同類型的PROFIsafe設備。因此，用戶有廣泛的選擇空間，所選產品均通過認證。

此外，用戶可從PROFIsafe歷經十年的經驗中受益。過去和現在有一個重要的理由，那就是PROFIsafe可以無縫連接PROFINET I/O，后者已獲得用戶高度的認同。PROFIsafe也同樣無縫地連接PROFIBUS的變種PROFIBUS PA，因而可以在“經受使用考驗”（Betriebsbewaehrung/proven in us）的范圍內提供完整的解決方案。當時就有4000多臺PROFIBUS PA設備集成了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；靈活性極大而連線費用很少；在一個設備的整個生命周期中以更高的安全性增強防范。

已故的PNO主席Edgar Kuester早在2003年就看出這一發展勢頭。他在當時的一次PNO咨詢委員會的會議上就闡述了他的如下觀點：“運用PROFIsafe的PROFIBUS將取得‘開放的安全解決方案’全球市場引領者的地位”。

4 經受了實踐考驗的安全性

PROFIsafe多年來在實踐中經受住了考驗,以德國BASF催化劑廠(BASF Catalysts Germany)為例,該廠在催化劑生產中面臨著特殊的挑戰:奧托(四沖程)汽油發動機催化劑的涂層工藝是錯綜復雜的,由于材料昻貴對生產過程的安全性提出了很高的要求。加上催化劑的研發不斷進步，產品必須適應不斷更新的汽車模型的式樣。在此背景下，位于德國尼恩堡的BASF催化劑廠為其研發部門購置了一臺轉子發動機（Rundtaktmaschine），在它上面對試制部件進行涂層。該機采用了以PROFIsafe為基礎的安全方案，其結果是，安裝費用降低了，靈活性達到極致，從而滿足了BASF研發部門多方面的要求。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，且提供有價值的診斷信息。“它不僅僅是一個布線開銷很小，層次分明的硬件結構，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BASF催化劑廠維修部的Kai Schmitz解釋說。

即使在最復雜的流程中，如在以氫作為金屬部件熱處理中的保護氣體的作業中，PROFIsafe也是令人刮目相看。以氫作為保護氣體的作業要求非常專業的Know-how。德國Ebner工業爐制造公司（Ebner Industrieofenbau）是一家居全球領先地位的工業爐設備制造商，其產品主要用于黑色金屬與有色金屬半成品的熱處理。Ebner發明了一種用純氫作為保護氣體的工藝方法。不過，氫的可燃性對安全技術有很高的要求。國際標準明確規定了所使用的控制技術。在這些標準中明確指出，為進行壓力監控，用一臺標準的PLC及其標準的I/O尚不能滿足安全技術所提出的要求。因此，相關的安全功能除了軟件以外，還要通過繼電器技術來實施。由此產生了諸如設備、布線和質量控制等方面的額外費用。

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

在制定安全控制方案的過程中,他們盡可能地放棄觸點式設備。由于使用了故障安全控制器，在一臺設備中解決標準的和與安全相關的任務，促使總體上減少所要求的設備，從而降低故障概率。接線端子在很大程度上被取消，因為現場設備直接與分散式外部設備相連接。與此相連的布線開銷的減少也致使質量控制成本更低，安全技術的升級無需增加布線成本，以此編成的軟件標準被一致地應用于所有相關的設備上，這大大加快了生產進程，故障概率也隨之更低。“在此期間，我們設計規劃了一種標準化的控制柜。不同的工業爐設計方案的區別僅僅在于程序上的不同和輸入/輸出端的數量上。”Ebner公司電子與自動化技術負責人Erich Staelzhammer在其報告中說。“隨著大型工業爐設備的順利調試與投產，我們的期望圓滿地實現了。將來，我們要在全世界力推在此制定的控制方案。”這是Ebner銷售部經理Maximi l ian Kreindl的一番話。他的結論是：“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一步提高我們設備的質量，從而最終使用戶受益。”

夢幻般的世界，迷人的服飾，輕松有趣的故事情節，使得加拿大太陽雜技團（Cirque de Soleil）多年來以其精湛的演技吸引了全世界的眼球。PROFIsafe也在這里負責在美國拉斯維加MGM大飯店和俱樂部演出中投入巨資的舞臺技術的安全性。演出展示了在裝有飛行器械的3D-運動舞臺上進行的最為驚險的雜技表演，扣人心弦。舞臺技術中的受控對象有：32臺PLC，186臺驅動器和206根彼此協調的運動軸，由于應用了PROFIsafe技術，該雜技團的演出多年來從未發生過意外。

5 PRO FIsa fe面向未來

當今的PROFIsafe技術已非常成熟。盡管該協議日后不會有大的變更，PNO的專業委員會和工作組仍首先致力于為用戶提高工程設計的方便性并為其提供必要的運算結果。人們還積極從事于國際推廣工作。其間，PROFIsafe已是國際標準IEC 61784-3-3。

此外，作了重大改進的新版PROFIsafe開發-Entwicklungskit)業已上市。“我們希望，今后能有更多的現場設備家族，如機器人，編碼器，煤氣與火焰探測器，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”，Dr.Wol fgang Stripf語重心長地說。應當指出，由PNO和TUV聯合舉辦的定期的“PROFIsafe Certified Designer”-（持合格證書的PROFIsafe設計師 ）培訓，是對PROFIsafe應用推廣與發展的巨大促進。

PROFIsafe發展至今已有十余載，人們可以毫不夸張地說：運用PROFIsafe越來越安全。