轉(zhuǎn)載自《儀器儀表標(biāo)準(zhǔn)化與計(jì)量》

        ——在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《過(guò)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(huì)議上的發(fā)言
　　西門(mén)子（中國(guó)）有限公司I IA AS&SE BU　惠敦炎
　　機(jī)械工業(yè)儀器儀表綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所　劉丹
　　PROFIBUS是當(dāng)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(diǎn)總數(shù)已超過(guò)了2800萬(wàn)，預(yù)測(cè)2012年將突破5000萬(wàn)大關(guān)。十年前，這個(gè)數(shù)字才不過(guò)300萬(wàn)。PROFIBUS 20年的光輝成就使它在國(guó)際市場(chǎng)上贏得了當(dāng)之無(wú)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(kāi)拓了流程工業(yè)的應(yīng)用領(lǐng)域。PROFIBUS PA曾在INTERKAMA'95展會(huì)上首度亮相，引起了轟動(dòng)。1997年，本安型現(xiàn)場(chǎng)總線PROFIBUS PA首次在德國(guó)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(wèn)題。從此，PROFIBUS針對(duì)過(guò)程自動(dòng)化的解決方案，即PROFIBUS PA技術(shù)始終以市場(chǎng)要求為發(fā)展動(dòng)力，通過(guò)不斷的修訂和增補(bǔ)PA行規(guī)，以滿足過(guò)程工業(yè)日新月異的和持續(xù)增長(zhǎng)的要求。
        PROFIBUS PA 應(yīng)用行規(guī)(PA-Profil)是過(guò)程自動(dòng)化儀表設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。它為各種不同類型的儀表設(shè)備定義了與制造廠無(wú)關(guān)的儀表參數(shù)（如PV_SCALE,HI_HI_LIM,ALARM_HYS等所謂強(qiáng)制性參數(shù)）和應(yīng)用功能（如線性化），且通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的診斷信息（“故障F”、“維護(hù)要求M”、“功能檢驗(yàn)C”、“超出規(guī)范S”）為應(yīng)用的統(tǒng)一，簡(jiǎn)化工程設(shè)計(jì)，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(qiáng)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(duì)于PROFIBUS PA而言，無(wú)論過(guò)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(lái)的，這是因?yàn)橐环矫妗肮δ芙M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(chǎng)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(kāi)發(fā)PA現(xiàn)場(chǎng)儀表必須研讀與掌握的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)文件。

        圖1  各個(gè)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(guó)，PROFIBUS從眾多的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手中脫穎而出，于2006年第一個(gè)成為國(guó)標(biāo)GB/T的現(xiàn)場(chǎng)總線之后，受PNO委任的PROFIBUS PA測(cè)試實(shí)驗(yàn)室在京設(shè)立，國(guó)內(nèi)一些企業(yè)相繼根據(jù)PA行規(guī)（V.3.01）成功開(kāi)發(fā)了PA現(xiàn)場(chǎng)儀表，且在流程工業(yè)中獲得了實(shí)際應(yīng)用。這充分說(shuō)明PROFIBUS PA在我國(guó)的過(guò)程自動(dòng)化中已經(jīng)占據(jù)了重要的地位。因此，業(yè)內(nèi)人士對(duì)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(tái)的PNO PROFIBUS PA行規(guī)V3.02新版（2009年初）雖然姍姍來(lái)遲，因其與前版V3.0和V3.01相比增補(bǔ)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(yán)格的德國(guó)VDI/VDE/NAMUR(NE97,NE102,NE105,NE107)標(biāo)準(zhǔn)。正因?yàn)槿绱耍瑖?guó)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?jiǎng)恿?lái)自市場(chǎng)需求。圖3所示為從1999到2009的10年當(dāng)中市場(chǎng)需求被轉(zhuǎn)化為PA行規(guī)的情況。
        市場(chǎng)要求:

        如圖3可見(jiàn)，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(biāo)注），其總體結(jié)構(gòu)特征歸納如下（括號(hào)內(nèi)“M”為強(qiáng)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(shí)別與兼容* Device Version Identification and Compatibility(M)（參見(jiàn)5.5）;
        ——參數(shù)處理* Parameter Transaction(o)
        嚴(yán)格方式strict mode (參見(jiàn)5.4.2.3)
        平滑方式 smooth mode ( 參見(jiàn) 5.4.2.2)
        單緩存機(jī)制  single buffer mechanism(參見(jiàn)5.4.5.1)
        多緩存機(jī)制  multiple buffer mechanism(參見(jiàn)5.4.5.2)
        ——PROFIsafe*(o);
        ——I&M功能（M）。
        現(xiàn)僅就其中的幾項(xiàng)內(nèi)容點(diǎn)評(píng)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(lái)的使用實(shí)踐，對(duì)大量的診斷信息流“濃縮其精華”，以求“對(duì)癥下藥”，它對(duì)加強(qiáng)企業(yè)資產(chǎn)管理和提高生產(chǎn)設(shè)備的經(jīng)濟(jì)效益有重大作用。
        診斷數(shù)據(jù)的分析揭示一個(gè)生產(chǎn)設(shè)備的戰(zhàn)略目標(biāo)（如效益、可用性）與實(shí)況之間的偏差。資產(chǎn)管理的重點(diǎn)之一，就是生產(chǎn)設(shè)備的維護(hù)與維修。由于診斷信息量很大，用戶要求將大量單個(gè)信息在進(jìn)一步傳輸之前進(jìn)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(guó)NAMUR推薦標(biāo)準(zhǔn)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)診斷信息，即故障“F”、“功能檢驗(yàn)C”、“維護(hù)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(chǎng)儀表標(biāo)準(zhǔn)的和跨越生產(chǎn)廠家的診斷信息。應(yīng)當(dāng)指出的是，這部分內(nèi)容在新版V3.02里改為強(qiáng)制性的(M),它的實(shí)現(xiàn)將加速產(chǎn)品向市場(chǎng)滲透。

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

        二、設(shè)備版本識(shí)別與兼容
        PROFIBUS PA行規(guī)新版V3.02的最大亮點(diǎn)是它最先解決了市場(chǎng)中日益重要的硬軟件新舊版本在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)，即在生產(chǎn)設(shè)備整個(gè)生命周期內(nèi)（例如，10-20年內(nèi)）上下兼容，以確保未來(lái)設(shè)備的集成依然不變的問(wèn)題。為此，必須要制定一項(xiàng)有關(guān)儀表設(shè)備、儀表文件和軟件平臺(tái)可行的版本管理策略的標(biāo)準(zhǔn)。
        為了將設(shè)備的功能集成于自動(dòng)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(lái)加以描述的。其中，與MS0相關(guān)的設(shè)備功能用GSD來(lái)描述，而與MS1/ MS2相關(guān)的設(shè)備功能則使用EDD或DTM來(lái)描述。為了確保同屬一個(gè)樣本類型的變異產(chǎn)品之間的兼容，需要建立準(zhǔn)確無(wú)疑的設(shè)備功能的相關(guān)標(biāo)識(shí)，且需要提供驅(qū)動(dòng)軟件中的功能描述。與MS0通道相關(guān)的設(shè)備功能的識(shí)別是以設(shè)備無(wú)歧義的“PROFIBUS Ident_Number”來(lái)實(shí)現(xiàn)的。在設(shè)備研發(fā)過(guò)程中，制造廠商必須遵守一組嚴(yán)格的兼容規(guī)則。與MS1/MS2通道相關(guān)的設(shè)備功能的識(shí)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）。“device 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(duì)于設(shè)備與設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件的兼容性給予明文確認(rèn)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(dòng)軟件能夠在無(wú)須特別修改的情況下共同運(yùn)行，則表明現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和設(shè)備驅(qū)動(dòng)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(dòng)軟件之間的向上/向下兼容（up/downward compatibility）。

        圖6 設(shè)備驅(qū)動(dòng)軟件之間的向上/向下兼容

        由圖可見(jiàn)，在更換儀表設(shè)備時(shí)，運(yùn)用PA行規(guī)V3.02建立起自動(dòng)接納多個(gè)先前樣本各項(xiàng)功能的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)制。該機(jī)制一方面可以自動(dòng)識(shí)別所期待的先前儀表的版本，另一方面又能夠自動(dòng)地轉(zhuǎn)換到它的功能上。在進(jìn)行這類儀表更換時(shí)，（例如10年之后）備用儀表自動(dòng)地轉(zhuǎn)變?yōu)樗诖淖儺惍a(chǎn)品（automatic Ident_Number adaption），在以后計(jì)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(guò)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(jiǎn)化。
        三、參數(shù)處理（Parameter Transaction）
        PA行規(guī)V3.02通過(guò)參數(shù)處理這部分新增內(nèi)容可實(shí)現(xiàn)參數(shù)up/download傳輸時(shí)間的優(yōu)化。在現(xiàn)場(chǎng)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(yùn)過(guò)程中，被傳輸?shù)膮?shù)量最大，有一部分參數(shù)是在采取維護(hù)措施時(shí)被傳輸；另有一大部分則在更換儀表時(shí)被傳輸。根據(jù)儀器儀表不同的功能，傳輸300個(gè)參數(shù)并非少見(jiàn)，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(guò)參數(shù)分組、使用strict mode和smooth mode并采用簡(jiǎn)單、高效的單個(gè)與多個(gè)緩存機(jī)制，（single/multi buffer mechanism）優(yōu)化了參數(shù)的傳輸與處理，使傳輸時(shí)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(biāo)準(zhǔn)的傳輸機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)更加完善的一致性檢驗(yàn)以及參數(shù)的相互依賴性（例如，測(cè)量單位，參數(shù)的極限值）。
        四、PROFIsafe
        PROFIsafe是遵循IEC 61508準(zhǔn)許在一根且同一根總線-PROFIBUS上實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的和與安全相關(guān)的通信的第一個(gè)通信標(biāo)準(zhǔn)。如果將一個(gè)安全處理鏈（傳感器+控制器+執(zhí)行器）中通信的危險(xiǎn)失效概率評(píng)估為1%的份額，那么PROFIsafe所對(duì)應(yīng)的危險(xiǎn)失效概率為10^-9/h，相當(dāng)于或超過(guò)SIL3（3：10^-7/h）PROFIsafe能夠滿足制造業(yè)和過(guò)程工業(yè)的最高要求。眾所周知，PROFIsafe采取四大防范措施來(lái)識(shí)別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的傳輸，即序列號(hào)、時(shí)間監(jiān)控、通信雙方無(wú)歧義的識(shí)別代碼，以及循環(huán)冗余檢驗(yàn)CRC。
        原則上講，PROFIsafe行規(guī)可以原封不動(dòng)地用于過(guò)程自動(dòng)化的PROFIBUS PA儀表設(shè)備中，因?yàn)樗鼈兪褂玫氖峭粋€(gè)PROFIBUS DP協(xié)議。PROFIsafe是安插在一個(gè)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(jìn)入應(yīng)用層被繼續(xù)使用之前，對(duì)其進(jìn)行校驗(yàn)。
        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(wèn)題和使用所謂“運(yùn)行考核合格”（proven-in-use）的過(guò)程儀表設(shè)備的安全問(wèn)題（根據(jù)NAMUR NE97），而且也解決了PROFINET IO/CBA的安全應(yīng)用問(wèn)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(yùn)而生（2004）。I&M功能定義了過(guò)程儀表設(shè)備信息的統(tǒng)一語(yǔ)義、結(jié)構(gòu)和統(tǒng)一的存取方法。它使得統(tǒng)一識(shí)別現(xiàn)場(chǎng)儀表成為可能，而與設(shè)備制造廠商無(wú)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(shí)踐中的作用很大，例如根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備文檔或庫(kù)存及訂貨數(shù)據(jù)對(duì)已安裝的現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行調(diào)校，可以跨越生產(chǎn)企業(yè)對(duì)有關(guān)維護(hù)的設(shè)備傳輸進(jìn)行存取，等等。
        綜上所述，PROFIBUS PA以其新行規(guī)V3.02使市場(chǎng)要求向標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)化的工作登上一個(gè)新的臺(tái)階。正如德國(guó)NAMUR現(xiàn)場(chǎng)總線工作組在2008年一次新聞發(fā)布會(huì)上所評(píng)估的那樣，“PA行規(guī)V3.02在運(yùn)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)減少工程費(fèi)用與企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本方面作出了突出的貢獻(xiàn)，而且在實(shí)現(xiàn)生命周期費(fèi)用最小化方面也作出了積極的貢獻(xiàn)。”2008年NAMUR年會(huì)對(duì)PA行規(guī)V3.02給予了很高的評(píng)價(jià)，稱它為“積極的時(shí)效管理的范例”。
        對(duì)于工業(yè)實(shí)踐至關(guān)重要的仍是產(chǎn)品的供應(yīng)問(wèn)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(xiàn)：
        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(dòng)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(guò)程自動(dòng)化總線技術(shù)”，西南師范大學(xué)出版社 2007年

        作者簡(jiǎn)介 :
        惠敦炎（1938-）,西門(mén)子(中國(guó))有限公司 I IA AS SE BU 高級(jí)顧問(wèn),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(biāo)準(zhǔn)化及其在中國(guó)的戰(zhàn)略研究。近年來(lái)，撰寫(xiě)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(guò)程自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)”（作者：[德]克?迪德里希/托?班葛曼主編）出版以來(lái)頗受業(yè)內(nèi)人士歡迎。
　　1987年因參與并負(fù)責(zé)國(guó)家科委一項(xiàng)研究課題而獲得國(guó)家科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。
　　2006年獲德國(guó)西門(mén)子總公司A&D集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)人Mr.Anton Huber頒發(fā)的唯一的標(biāo)準(zhǔn)化大獎(jiǎng)；同年獲德國(guó)PROFIBUS用戶組織(PNO)頒發(fā)的獎(jiǎng)狀;2007年獲中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)和自動(dòng)化博覽雜志“2006年中國(guó)自動(dòng)化世紀(jì)行新聞人物獎(jiǎng)”。2008年6月，通過(guò)考試獲得由德國(guó)TüV和PNO共同頒發(fā)的“PROFIsafe Certified Designer——PROFIsafe 認(rèn)證設(shè)計(jì)師”資格證書(shū)。
        今后工作重點(diǎn)在PROFIBUS 與 PROFINET的安全通信技術(shù)-PROFIsafe，PROFIBUS PA和自動(dòng)化設(shè)備的電氣安全標(biāo)準(zhǔn)化工作方面。