应用行规与特殊行规优化技巧

图2-17 PROFISafe的故障安全模式

行规（Profiles）是由制造厂商和用户制定的有关设备和系统的特征、功能特性和行为的规范，行规规范定义了属于某个行规族的设备和系统的参数和行为特性，由于行规一致性的开发，使总线上设备的可互操作性变得容易并使可互换性成为可能。行规考虑了现场设备、控制和集成方法（工程）的应用和专用类型特殊性能。术语行规包括少数特殊设备类别的规范和用于特定工业应用的广泛规范，所有行规的通用术语都是应用行规。

1.应用行规

应用行规具有用于不同应用的实现选项（如PROFISafe行规、冗余行规、时间标签行规），应用行规描述多于一个应用的功能和特性，它们也可以与专用应用行规联合使用。

（1）PROFISafe

相当长的时期以来，用于工厂自动化和过程自动化的分布式现场总线技术受制的约束条件是，安全任务只能使用第2层的传统技术或分布式专用总线来解决。现在，PROFIBUS使用PROFISafe已经建立了一种全面的开放解决方案，它满足多数重要的安全准则，如图2-17所示。PROFISafe定义故障安全（Fail-Safe）设备紧急停机按钮，发光阵列（Light Arrays），溢出停车（Over Fill Cut Outs）等。通过PROFIBUS可以与故障安全控制器安全地通信，以使它们可以用于与安全相关的自动化任务，并达到符合EN 954、AK6或SIL3（Safety Integ-rity Level）的KAT4，通过行规也就是通过用户数据的特殊格式和特殊协议来实现安全通信。

制造厂商、用户、标准化委员会以及检查机构（Inspectorates）（TÜV，BIA）已经联合制定了PROFISafe规范。它以有关标准为基础，主要是IEC 61508，这些标准特别注重软件开发。PROFISafe考虑了许多在连续总线通信中出现的各种可能的出错，例如延误、数据的丢失或重复、错误的顺序、寻址或不可靠的数据等。在应用中可选择如下一些用于PROFISafe的补救措施：

1）安全报文的连续编号。

2）用于输入报文帧和它们确认的暂停时间（Timeout）。

3）发送者与接收者之间的标识（Password）。

4）附加的数据安全性。

由于这些补救措施与有关专利SILmonitor（故障报文频率的监视）的巧妙结合，PROFISafe实现安全等级达到SIL3，并可超过此等级。PROFISafe是单通道软件解决方案，它在设备中实现并作为第7层上的附加层，如图2-17所示，标准的PROFIBUS部件（如总线、ASIC或协议）保持不变，这就确保冗余模式和改进的能力。使用PROFISafe行规的设备能够与PROFIBUS标准设备无限制地在同一条总线（电缆）上共同运行。

PROFISafe使用非循环通信，并可以用RS-485、光纤或MBP传输技术，这就确保了快速响应时间（对于制造工业是重要的）和本征安全操作（对于过程工业是重要的）。

由于在应用期间（SIL2运行可靠性）可以组态故障安全功能，因此在处理技术方面只需提供和准备一个用于故障安全的标准设备类型或标准的操作。和通用的软件驱动程序一样，PROFISafe可用于广泛的开发和运行环境。

（2）PROFIBUS的HART规范

考虑到在现场已安装大量的HART设备，对大多数用户来说，将这些设备集成到现有的或新的PROFIBUS系统中是十分重要的。PROFIBUS的HART规范为解决此问题提供了一种开放的解决方案，它结合了PROFIBUS通信机制的优点，而对PROFIBUS协议和服务、PROFIBUSP-DU（协议数据单元）、状态机和功能特性等无需作任何改变。此规范定义为一种PROFIBUS的行规，在第7层之上，主站和从站中实现它，这样可以使HART客户机—主站—服务器（Cient-Master-Server）模型映象到PROFIBUS上。在规范制定工作方面，与HART基金会的合作，保证了本规范与HART规范的完全一致性。

HART—客户机应用被集成在PROFIBUS主站中，而HART主站被集成在PROFIBUS从站中，如图2-18所示，因此后者作为一个多路器并处理与HART设备的通信。用于HART报文传输的通信通道的操作与MS1和MS2连接无关。HMD（HART Master Device）可以支持若干个客户机，客户机的个数取决于它的实现，HART设备可以通过不同的元件将HMD连接到PROFIBUS（PROFIBUS导则是用于HART的PROFIBUS行规）。

图2-18 在PROFIBUS上运行的HART设备

（3）时间标签（Time Stamps）

在记录网络中的定时功能时，特别像在记录诊断和故障位置时，能提供带有时间标签的某些事件和动作是十分有用的，时间标签可使时间赋值精确。为此目的，PROFIBUS提供时间标签（Stime Stamp）行规。前提条件是在MS3服务上经由时钟主站对从站中的时钟进行控制，可以给事件一个精确的系统时间标签并相应地读出，使用等级报文的概念。在术语“报警”（Alerts）下摘要报文类型，报文类型分为高优先权的“报警”（传输一条诊断报文）和低优先权的“事件”。在这两种情况下，主站从现场设备的警报和事件缓存器中非循环地读出（用MS1服务）贴有时间标签的过程值和报警报文，如图2-19所示。

图2-19 时间标签和报警报文

图2-20 PROFIBUS中的从站冗余

（4）从站冗余

在许多应用中要求安装具有冗余通信特性的现场设备，为此，PROFIBUS已经制定了用于从站冗余机制的规范，如图2-20所示。从站设备包含两种不同的PROFIBUS接口，称之第一（Primary）和后备（Back-up）从站接口，它们既可以在单个设备中也可以分布在两个设备中。这些设备需装有两个具有特殊冗余扩展的独立的协议栈（Stack），在两个协议栈之间运行冗余通信（Red Com），即在一个设备内或在两个设备之间，这是独立于PROFIBUS的，并且主要由冗余转换次数（Reversing Times）来决定哪种执行能力（Performance Capability）。

在正常模式下，只在第一从站上发送通信；仅组态第一从站，此从站也可以发送后备从站的诊断数据。在第一从站出现故障的情况下，后备从站完成它的功能。出现此事件的原因是由于检查出第一从站本身有故障或因主站有此请求。此外，主站监视所有从站，一旦后备从站出现故障且无其他冗余时则发送诊断报文。冗余从站设备可以在一条PROFIBUS总线上运行，或在有附加冗余总线的情况下也可以在两条PROFIBUS总线上运行。对于用户来说，这种冗余解决方案有以下优点：

1）仅一种设备类型需要实现不同的冗余结构。

2）主站、总线和从站冗余是可以彼此独立使用的。

3）无需另外对后备从站配置，这样就不需要复杂的工具。

4）可以完全监视两个从站部分。

5）从站设备对总线负载无影响，因此也不影响PROFIBUS的动态响应。

6）PROFIBUS从站设备的冗余提供高有效性、缩短了转换时间、无数据丢失，从而确保了容错。(www.xing528.com)

2.特殊应用行规

由于PROFIBUS具有非常广泛的应用选项，因此PROFIBUS位于其他主要现场总线的前列。PROFIBUS的观念已经纳入新的国际标准中。它不仅已经开发了满足特殊工业用户要求的多种特殊应用行规，还成功地兼备了多种标准的、开放的现场总线系统所有应用中的所有重要方面，这样就充分保护了已有的投资。特殊应用行规是为特定的应用而开发的，如PROFIdrive，SEMI或PADevices行规；特殊应用行规描述可供现场设备使用的特定的系统性能。表2-13给出全部现有的及正在制定的PROFIBUS特殊应用行规。

行规PROFIdrive为PROFIBUS上的电气驱动器定义设备特性和对驱动器数据的存取程序，这些驱动器设备包括简单的变频器直到高级的动态伺服控制器。在自动化解决方案中集成驱动器在很大程度上取决于驱动器的任务。为此，PROFIdrive定义了6种应用类别，它们覆盖了大多数应用。

表2-13 PROFIBUS特殊应用行规

1）标准驱动器（Class1）。它使用主设定值（Set Point）（如旋转速度）来控制，速度控制在驱动器控制器中执行。

2）带有技术功能的标准驱动器（Class2）。在此情况下，自动化过程被分解为若干子过程，并且某些自动化功能从可编程序控制器转移到驱动器控制器上。在此情况下，PROFI-BUS作为技术接口。对于此种解决方案，在各个驱动器控制器之间需要从站对从站的通信。

3）定位驱动器（Class3）。在这种驱动器中集成了一个附加的位置控制器，这样就可覆盖非常宽阔的应用范围（如瓶盖的拧紧和拧松）。定位任务通过PROFIBUS传递给驱动器控制器并开始执行。

4）中央运动控制（Class4和Class5）能够协调多个驱动器的运动顺序，主要是通过中央数控（CNC）来控制运动。PROFIBUS用于闭环位置控制以及时钟同步，如图2-21所示。此种解决方案的位置控制概念（动态伺服控制）也支持非常成熟的线性电动机的应用。

5）借助于计时过程和电子旋转轴的分布式自动化（Class6），可以用从站对从站的通信和同步从站来实现，简单的应用包括电子传动装置、曲线盘（Curve Discs）和角同步处理（Processes）。

PROFIdrive把设备模型定义为内部共同运行的功能模块，它表现出驱动器系统的智能。这些模块的设计目标在行规中描述并用有关它们的功能来定义，驱动器的全部功能用它的参数总和来描述。与其他驱动器行规相比，PROFId-rive只定义对参数的存取机制和大约有30个行规参数的子集，这些参数包括故障缓存器、驱动器控制器、设备标识等。所有其他参数（在复杂设备中，其数量可能超过1000个）是制造厂商专用的，这给驱动器制造厂商在实现控制功能时提供了非常大的灵活性，可通过DP-V1的参数通道非循环地存取这些参数的元素。PROFIdrive（V.3）使用具有创新的从站对从站通信和同步模式的DP-V2作为它的通信协议，在互联网上有两种可用的应用行规版本，一种是用于变速驱动器的行规V.2；另一种是用于驱动器技术的PROFIdrive行规V.3。

3.系统行规

自动化技术中的行规为设备和系统定义特定的行为和特性，这样这些设备和系统（同类型或同族）会表现独特的特性，并且与制造商无关，从而支持在一条总线上设备的可互操作性和可互换性。PROFIBUS的主站行规描述控制器的类别，每一个类别支持所有可能的主站功能的特定子集，例如循环通信、非循环通信、诊断、报警处理、时钟控制、从站对从站通信、同步模式、安全。

PROFIBUS的系统行规更进一步地深入描述系统类别，包括主站功能、标准程序接口可能的功能（符合IEC 61131-3的FB、安全等级和FDT）和集成选项（GSD、EDD和DTM）。

PROFIBUS的主站和系统行规如图2-22所示，在PROFIBUS系统中，主站和系统行规对应用行规提供许多必要的副本，主站和系统行规描述可供现场设备使用的特定的系统参数，为了简化它们已定义的特性，应用行规需要特定的系统参数，系统应用行规如图2-23所示。

图2-21 PROFIdrive使用中央插补和位置控制的定位

图2-22 PROFIBUS的主站/系统行规

使用这些行规，设备制造厂商可以把精力集中在现有的或特定的系统行规上，而系统制造商可以提供现有行规或特定设备应用行规所需的平台。在现场试用和测试的应用基础上，PROFIBUS已经制定了多种系统行规。这些行规的制定可望纳入近期的规范中，并跟随未来发展要求，用其他行规来扩展。

（1）标准功能块（通信功能块）

为了实现独立于制造商的系统行规，除了已有的通信平台、应用程序员的接口（API）之外，还须规定使用标准的功能块。虽然应用程序员通常可以通过控制系统的过程映象来存取循环的通信数据（MS0通道），但在以前，没有用于非循环数据的中性系统的程序接口。考虑到制造厂商和设备的范围广泛，需要制定这一方面的标准，使得不同的现场设备可以集成，而且在不同控制系统的应用程序中无需特殊的通信知识。为此目的，现在PNO已经制定了它的导则——符合IEC61138-3的通信和代理服务器（Proxy）功能块。此导则以组合标准的方式来详细说明这些功能块，它们以广泛应用的IEC 61131-3标准（编程语言）为基础，同时还使用IEC 61158定义的PROFIBUS通信服务。

此导则为1类主站、2类主站和从站以及若干辅助功能定义通信功能块，可以在由所有功能块一贯使用的紧凑标识下寻址现场设备的技术功能，所有功能块也具有用于使用符合IEC 61158-6的编码显示出错的公共概念。

相应系统类别/行规的PLC制造厂商在PLC专用的IEC库中提供这些标准的通信功能块（Comm-FB），现场设备制造商可以用创建与所有控制系统一起使用的统一代理服务器功能块来响应。

（2）应用程序员的接口（API）

为了使应用程序员尽可能方便地使用通信服务，可以使用标准编程语言库中各种块或功能调用。与FDT接口、PROFIBUS Comm-FB一道扩展了应用程序员的接口，如图2-24所示。

图2-23 系统和应用行规（相关的）

图2-24 应用编程员的接口API

（3）代理服务器功能块（Proxy Function Blocks）

代理服务器功能块表示一种技术设备功能，它在块接口上提供所有必须的输入和输出参数。这些代理服务器功能块通常由现场设备制造商一次性创建，并可以在相关系统类别/行规的控制系统中实现，无需特别的调整，如图2-25所示。

图2-25 可移植的功能块