profisafe

隨著現場匯流排技術的發展和廣泛應用，故障安全通信技術近年也得到了飛速發展，安全匯流排系統的應用使得工業控制系統更具安全性和可用性，同時提高了系統靈活性，有效節約了布線和工程施工的成本。

與SafetyBus p這種獨立的安全網路和獨立的安全PLC想比，Siemens推出的安全通信協議PROFIsafe將安全設備和標準設備的數據流完全整合在以PROFIBUS為平台的匯流排系統中，使標準設備和安全設備能同時共用一條通信鏈路。從1999年PROFIsafe引入以來，TUV已經認證了其在PROFIBUS上運用的安全性，達到了IEC61508中SIL3的等級，最近它還獲得了PROFInet上使用安全性的認證。開放架構的PROFIsafe使得選擇其他廠商的產品成為可能。目前有大量的廠商都提供支持PROFIsafe的設備，如Banner，Beckhoff，Sick，Turck和Wago等。

與傳統安全系統相比PROFIsafe具有如下優點：

（1）安全通信和標準通信在同一根電纜上共存；

（2）PROFIsafe-故障安全性建立在單通道通信系統之上，安全通信不通過冗餘電纜來達到目的；

（3）標準通信部件，如電纜、專用晶元、DP-棧軟體等等，無任何變化；

（4）故障安全措施封閉在終端模塊中(F-Master，F-Slave) ，採用專利SIL監視器獲得極高的安全性；

（5）最高故障安全完整性等級為SIL3(IEC61508)；

（6）既可用於低能耗(Ex-i)的過程自動化，又可用於反應迅速的製造業自動化；

PROFIsafe使標準現場匯流排技術和故障安全技術合為一個系統，即故障安全通信和標準通信在同一根電纜上共存，安全通信不通過冗餘電纜來實現。這不僅在布線上和品種多樣性方面可以節約成本，而且也方便日後系統的改造。

最新版 PROFIsafe 行規提供了 V1 和 V2 兩 種操作模式，如圖 1 所示。

V1 模式的措施對 於單獨的 Profibus DP 網路上的安全數據傳輸 是足夠的，而更“大量”的 Ethernet/Profinet IO特徵（如較廣的地址空間和緩存轉換元素）需要對 PROFIsafe 行規做某些擴展，這樣形成了 V2 模式。V1 模式限用於 Profibus DP，而 V2 模 式可用於 Profinet IO 和/或 Profibus DP。

PROFIsafe V2 模式的主要改進包括：

① 隨著 Profinet IO 的使用，使共享設備、每報文的擴展過程（I/O）數據和擴展參Ⅱ數等的改進成為可能；

② 緩存在網路部件（如暫時存儲全部報文序列的交換機）中的報文錯誤可以被控制。V1 模式不能完全覆蓋這些風險；

③ 對“黑色通道”下的 CRC 多項式不再加以限制，如禁止使用同樣的 CRC 多項式或禁止使用一個可被整除的多項式；

④ 安全設備的第三方參數化工具可簡單調用的介面。

2.1 一般要求

① 在同樣的 Profinet IO 和/或 Profibus DP 系統中使用標準設備和“安全設備”時，可以保證安全相關通信和標準通信間的獨立性；

② 適用於安全完整性等級 SIL 3（IEC 61508）、性能等級“e”（ISO 13849-1）和控制類別 4（EN 954-1）；

③ 滿足單通道通信系統的安全要求→冗餘只用於提高可用性；

④ 安全傳輸功能的實現應該被限制在通信終端設備（CPU/主機－現場設備和/或 I/O 模塊）中；

⑤ F-設備與其 F-主機之間總是 1 對 1 通信關係；

⑥ 傳輸持續時間被監控；

⑦ 環境條件符合通用 Profibus 的要求（主要是 IEC 61131-2 和 IEC 61326-3）；

⑧ 傳輸設備（如控制器、ASIC、鏈路、耦合器等）應保持不變（黑色通道）→安全功能位於 OSI 第 7 層

之上（即不改變或增加標準協議）。

2.2 安全通信原理（黑色通道）

PROFIsafe

安全通信由下述系統執行：

① 標準傳輸系統（即 Profinet IO 和/或 Profibus DP）；

② 標準傳輸系統之上附加的安全傳輸協議。安全應用和標準應用同時共享同一個 Profinet IO 或

Profibus DP 通信系統。安全傳輸功能由下述所有措施組成，這些措施可以

確定性地發現經由標準傳輸系統滲透的各種可能的故障/危害，或者使殘餘誤差（故障）概率保持在某一限值以

下。包括：① 隨機故障，例如由於 EMI 對傳輸通道的影響；② 標準硬體的失效/故障；③ 標準硬體和軟體的 組件的系統故障。

2.3 “黑色通道”的邊界條件和約束

對安全評價和殘餘錯誤率的計算的邊界條件和約束如下所述。

2.3.1 安全相關的 通常具有以下兩個條件：

① 所有的設備應提供電氣安全 SELV/PELV 和 Profibus 證書；② 安全設備應符合 IEC 61000-6-2 或 IEC

61131-2 規定的通用工業環境設計，並符合 IEC 61326-3 規定的增強抗擾性。

V1 模式：

① 每秒和每傳輸技術的安全相關報文的假定數目為

Profibus DP/RS485/FO 100

Profibus PA/MBP/MBP-IS 10

② 每通道類型的重試次數

Profibus DP/RS485/FO 15（IEC 61158 最大 8） Profibus PA/MBP/MBP-IS 15（IEC 61158 最大 8）背板匯流排 8（主機或模塊化現場設備內）

③ 黑色通道 CRC 多項式

黑色通道不應使用 PROFIsafe CRC 多項式 14EABh 和 1F4ACFB13h

黑色通道多項式不應被 C599h 整除

④ 有源緩存網路元素 Profibus PA/MBP/MBP-IS 最大 2 個報文，帶有 DP/PA 鏈接器和/或中繼器

⑤ 安全 PDU 不允許按位元組劃分。

V2 模式：

① 每秒和每 1 對 1 的 PROFIsafe 通信關係的安全相關報文的假定數目<10 000

② 每通道類型的重試次數無限制

③ 黑色通道 CRC 多項式無限制

④ 有源緩存網路元素無限制；允許任何交換機

PROFIsafe 島不允許使用單埠路由器作為 PROFIsafe 島的邊界

⑤ 安全 PDU 按位元組劃分無限制。

2.3.2 非安全相關的 在規定時間（生存標記）內主機和現場設備間循環數

據交換，並保證整個 PROFIsafe 幀（數據完整性）在安全 層上傳送。通常：① Profibus DP/RS485 無分支（支線）；

② Profinet IO 每個子模塊只有一個 F-主機；③ 乙太網交 換機應適用於 IEC 61131-2 所定義的標準工業環境；④ 標 准設備和安全設備可以共用同一個 24 V 電源。

3.1 系統特徵

在圖 3 中表示的系統配置描述了一個典型的結構，它包括了互連的主機/PC、面向安全的主機/PLC、遠程

I/O、I/O 設備、安全 I/O 設備和 Profinet IO 的監控單元。

在這個結構中，面向安全的主機/PLC 通過 Profinet IO 控制器，控制幾個從屬的面向安全的和非面向安全的

Profinet IO-設備單元/模塊。（閉環）傳輸系統可以通過路由器互連的多個段進行擴展。用戶有責任採取適當的措

施（例如複查、防火牆等），以確保來自連接編程工具和/或工程工具的非授權訪問不危害安全操作。這些設備 通常不參與安全操作。

通常 PLC/IPC 是 Profinet IO 或 ProfibusDP 系統中的主機。相關 Profinet IO 控制器或 DP 主站在相關聯的獨 立單元內，或集成在主機中的子單元內。I/O 站分別是 I/O 設備或從站。在一個匯流排循環內，控制器（主站）尋

址每個 IO-設備（從站）一次。在 Profinet IO 中，在同一匯流排循環內宜為非同步響應。在 Profibus DP 中，它宜是 槽時間內直接地（同步地）來自從站的響應。在這個過程中，固定數量的輸出位元組送往從站，或者從站分別返回固定數量的輸入位元組。圖 4 表示了主機及其設備間的一對一關係。

3.3 安全層使用的標準通信服務

安全相關的 IO 數據通過 Profinet IO 的實時通道 RT 或 IRT 進行傳輸，如圖 5 所示。

非循環服務（TCP/IP 或 UDP/IP）用於傳輸非安全相關數據和安全相關參數。這部分設備參數是安全相關的，並且通過循環數據交換進行循環性驗證。

自 1999 年 PROFIsafe 行規首版公布以來，PROFIsafe 在應用於製造業自動化的開放現場匯流排中一直處於領 先地位。它實現了在一根電纜上標準的與安全的通信共存的構想。它不僅簡化了運用集成安全技術控制器和分 散 I/O 設備的開發，而且也簡化了運用集成安全監控功能的驅動器的開發。

由於 PROFIsafe 只能在 Profibus DP 中使用，這限制了其進一步的應用和發展。但現在，最新版的 PROFIsafe 行規（V2.0）已經能夠把 PROFIsafe 行規應用到 Profinet IO 上。為此，可以利用其較大的規模（地址空間、有 效數據等）及其有源的網路部件（交換機、路由器等）來有效地擴充過去的行規，並為今後的應用留有餘地。對於已有的 PROFIsafe 設備而言，可以採取以下的策略：在單純的 Profibus DP 網路中，不需要變更軟體，設備

運行在 V1 模式下；如果同 DP 連接的 PROFIsafe 設備要經過一個網關連接到 PROFINET IO 控制器，那麼這些

設備可以選擇運行在 V2 模式下。涵蓋了DP 和PA 的寬廣應用領域、V1 和 V2 模式的靈活配置方式必然使 PROFIsafe

功能安全通信技術在自動化領域繼續保持其領先地位。