現(xiàn)場(chǎng)總線在過程工業(yè)中
        當(dāng)終端用戶發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用在過程自動(dòng)化的好處時(shí)，他們就開始考慮，他們?yōu)槭裁床荒茉诎踩珒x表系統(tǒng)中也享受同樣的好處呢？大多數(shù)客戶反映，使用現(xiàn)場(chǎng)總線的好處并不是前期的安裝節(jié)省費(fèi)用，而是在使用過程中使用高級(jí)診斷和評(píng)估管理工具所帶來的費(fèi)用節(jié)省。
        安全現(xiàn)場(chǎng)總線可以進(jìn)行高級(jí)的診斷，并可以很容易的進(jìn)行互鎖測(cè)試，這是一項(xiàng)每年都需要重復(fù)的工作。分布式控制（DCS）用戶使用標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線一直在享有這項(xiàng)服務(wù)，然而，DCS用戶卻無需頻繁的測(cè)試互鎖。
是什么阻止用戶在他們的安全系統(tǒng)上使用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)呢？這份白皮書研究了安全現(xiàn)場(chǎng)總線的歷史、現(xiàn)狀，預(yù)測(cè)了安全現(xiàn)場(chǎng)總線在過程工業(yè)上的未來發(fā)展前景。

安全現(xiàn)場(chǎng)總線的歷史
        在安全系統(tǒng)之內(nèi)進(jìn)行數(shù)字通訊這個(gè)概念和應(yīng)用已經(jīng)不再陌生了。實(shí)際上，自從20世紀(jì)末期，可編程安全系統(tǒng)出現(xiàn)在市場(chǎng)上開始，安全總線通訊就已經(jīng)在商業(yè)系統(tǒng)上使用了。
        在可編程安全系統(tǒng)上最常見的安全現(xiàn)場(chǎng)總線就是在控制模塊和I/O模塊之間的通訊總線，通常是指系統(tǒng)I/O總線。如果在這些通訊中有未診斷錯(cuò)誤，后果將是災(zāi)難性的（如輸入輸出任意的開啟或是斷開）。所以，整個(gè)系統(tǒng)的整體性安全要求通訊可靠、即時(shí)、無損失的進(jìn)行。這些年來，制造商已經(jīng)研發(fā)了很多專有的、安全的I/O總線已經(jīng)滿足了這些要求，并且已經(jīng)應(yīng)用于他們的系統(tǒng)當(dāng)中。
        隨著系統(tǒng)變的越來越龐大，在系統(tǒng)之間傳遞關(guān)鍵安全信號(hào)變的越來越重要。所以，制造商們又在系統(tǒng)范圍內(nèi)的通訊總線上開發(fā)了專有的通訊協(xié)議，支持無故障點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊，這又一次成為系統(tǒng)的一部分。圖1描述的系統(tǒng)同時(shí)擁有無故障、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊和安全認(rèn)證的I/O通訊。

圖1 擁有無故障、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊和安全認(rèn)證I/O通訊的系統(tǒng)
       在20世紀(jì)90年代末，一些制造商生產(chǎn)的為機(jī)械安全應(yīng)用而設(shè)計(jì)自動(dòng)化產(chǎn)品，開發(fā)了安全認(rèn)證總線，根據(jù)IEC61508達(dá)到EN954-1、Category 4 和SIL3標(biāo)準(zhǔn)。這些總線支持很多類型的機(jī)械安全傳感器，如安全光幕、激光掃描儀、限位開關(guān)、緊急停車按鈕。此類總線包括SafetyBus p、Interbus S、PROFIsafe、AS-I Safety@ work、還有 DeviceNet Safty。圖2顯示了一個(gè)典型的配有完整的安全現(xiàn)場(chǎng)總線的機(jī)械安全系統(tǒng)。
        安全現(xiàn)場(chǎng)總線的安全電路不是特別復(fù)雜，應(yīng)為電纜和連接的減少，設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試費(fèi)用也相對(duì)降低。另外，因?yàn)榫C合診斷的有效性，安全總線設(shè)備在可靠性上有很大改善，并且維護(hù)費(fèi)用降低。正因?yàn)榇?，機(jī)械自動(dòng)化部門正在迅速的采用安全現(xiàn)場(chǎng)總線。例如，PROFIBUS總部最近聲明，PROFIsafe-abled型號(hào)的系統(tǒng)在全球的應(yīng)用已經(jīng)超過20,000。在安全設(shè)備方面，已經(jīng)顯示超過188,000,000個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在過程應(yīng)用方面已經(jīng)取得安全通訊認(rèn)證
        為什么還有一些過程自動(dòng)化部門在他們的過程安全應(yīng)用中沒有采用安全現(xiàn)場(chǎng)總線呢？
其中一個(gè)原因可能是，許多用安全儀表應(yīng)用系統(tǒng)的國家的或是特殊應(yīng)用目的的標(biāo)準(zhǔn)禁止為與安全相關(guān)的信號(hào)使用總線通訊。例如，ANSI/SA S84.01-1996中條款7.4.1.3聲稱，每個(gè)獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備與系統(tǒng)之間應(yīng)該有自己的專有布線。另外一個(gè)原因，可能是NFPA 8502-1999條款4-3.2.3.6所表述的那樣，“控制原油傳輸軌道的信號(hào)應(yīng)該要格外準(zhǔn)確”。

圖2 使用綜合安全現(xiàn)場(chǎng)總線裝置的典型結(jié)構(gòu)安全系統(tǒng)
        2003年公布的國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61511表明，“功能安全——加工部門的安全儀表系統(tǒng)”已經(jīng)改變了人們的這種思考方式。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，美國在2004年采納，ANSI/ISA84.00.01-2004在條款11.6.3中所表述的那樣，“每個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備都應(yīng)該有自己專有的連到輸入輸出的布線，以下情況除外，一個(gè)服務(wù)于安全儀表功能的數(shù)字總線通訊，它為了滿足完整性要求而擁有全部安全性能?！边@項(xiàng)說明已經(jīng)在安全儀表系統(tǒng)的應(yīng)用上成為全球的指示標(biāo)，為制造商使用SIL認(rèn)證的安全通訊總線開發(fā)進(jìn)程打開了一扇門。
        相應(yīng)的，一些標(biāo)準(zhǔn)組織開始根據(jù)在過程工廠使用安全現(xiàn)場(chǎng)總線的情況著手研制一系列的指導(dǎo)性建議和方針。NAMUR NE 97“安全應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線”于2003年3月公布，規(guī)定了有關(guān)安全的信號(hào)可以通過的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的原則。
        為了向可能應(yīng)用數(shù)字現(xiàn)場(chǎng)總線且有可能產(chǎn)生不利影響的組織引起足夠的注意，ISA SP84專題討論會(huì)議，成立了一號(hào)工作小組（SP84.WG1），來進(jìn)一步研究關(guān)于高水平、安全現(xiàn)場(chǎng)總線的問題。WG1已經(jīng)起草了一份技術(shù)報(bào)告，為用已經(jīng)通過的安全現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)備和協(xié)議取代現(xiàn)行的4－20mA安全儀表系統(tǒng)提供一系列仿真。“ISA TR-84.00.06：為過程工業(yè)部門應(yīng)用安全現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備設(shè)計(jì)的參考意見”。這份技術(shù)報(bào)告已經(jīng)是第六版，正在準(zhǔn)備通過SP84委員會(huì)的投票通過。

技術(shù)現(xiàn)狀
        就像前邊所講述的那樣，現(xiàn)在的安全現(xiàn)場(chǎng)總線大多數(shù)為機(jī)械安全應(yīng)用而設(shè)計(jì)。還好，現(xiàn)在許多已經(jīng)通過認(rèn)證的技術(shù)可以應(yīng)用于過程安全。例如，PROFIsafe是PROFIBUS的一個(gè)高度完善的通訊行規(guī)，它描述了無故障設(shè)備之間的通訊，并使用專門的檢測(cè)機(jī)制來解決可能的通訊失敗。
        PROFIsafe從1999年開始，已經(jīng)通過了IEC61508 SIL3和EN954-1Category認(rèn)證。PROFIsafe安全方法已經(jīng)在軟件中得以實(shí)現(xiàn)，知識(shí)簡(jiǎn)單的在設(shè)備的PROFIBUS第七層之上添加了安全層，而對(duì)其它層毫無影響。這就表示，如圖3所示，PROFIsafe可以被PROFINET和PROFIBUS-DP使用，PROFIBUS-PA備用來連接過程儀表，支持電纜上的本質(zhì)安全傳輸和電能。在過程自動(dòng)化中PA設(shè)備中采用PROFIsafe行規(guī)在2004年12月通過批準(zhǔn)，PROFIsafe-enabled PROFIBUSPA設(shè)備的認(rèn)證已經(jīng)開始。這個(gè)行規(guī)遵循NE 97的建議。根據(jù)PROFIBUS國際組織的調(diào)查顯示，大約有10%的已安裝的PROFIsafe設(shè)備在過程工廠，PROFIsafe設(shè)備備用來停止泵系統(tǒng)或是初始化停車。
        除了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)，安全信息也封裝在PROFIBUS報(bào)文中，這樣構(gòu)成的PROFIsafe構(gòu)架允許在發(fā)送和接收之間無損失的傳送。安全方法壓內(nèi)置于通訊設(shè)備中，這樣就形成了“黑色通道”，如圖4所示。黑色通道的優(yōu)點(diǎn)就是通訊的安全完整性是于傳播媒質(zhì)無關(guān)的，也就是說它可以在任何傳輸系統(tǒng)中傳輸，包括無線設(shè)備。

圖3 PROFIsafe可以在PROFINET、PROFIBUS-DP、PROFIBUS-PA中使用

圖4安全方法內(nèi)置于設(shè)備，于是形成“黑色通道”，允許網(wǎng)絡(luò)與媒質(zhì)獨(dú)立

        這種封裝方法的顯著收益，圖5所示，就是允許安全和非安全相關(guān)的通訊共同使用相同的通道，而且為了滿足安全要求，各種功能之間保持必要程度的獨(dú)立。
        除了PROFIBUS，基金會(huì)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線在2006年宣布TUV已經(jīng)批準(zhǔn)了其協(xié)議類型，基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線安全儀表規(guī)范認(rèn)證。這個(gè)規(guī)范與IEC61508標(biāo)準(zhǔn)要求兼容達(dá)到或包括安全完整等級(jí)3（SIL3）。
        PROFIsafe和FF-SIS認(rèn)證實(shí)用性增強(qiáng)了制造商使用PROFIBUS-PA或是基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備與IEC61508的兼容性。第三方組織，例如TUV和exida.Com，將會(huì)證明這些設(shè)備是否適合在安全儀表系統(tǒng)上應(yīng)用。

圖5 安全和非安全相關(guān)的通訊共享相同的相同通道，減少安裝和調(diào)試費(fèi)用
        第一個(gè)安全現(xiàn)場(chǎng)使能儀表和安裝的概念，首先在2006年4月在interkama＋和2006年5月在Achema 展會(huì)提出。在美國，它由ISA與2006年十月的秋季會(huì)議上引入，現(xiàn)在已經(jīng)在正式使用。當(dāng)然，下一步將會(huì)是已認(rèn)證的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備（傳感器和最終控制原件）在他們的功能上使用PROFIsafe協(xié)議。這篇文章同時(shí)也指出，這些功能上有限的，但是，許多大型的國際化制造商已經(jīng)做了不少投資。

圖6 2006年4月interkoma+展會(huì)上展示的首批安全現(xiàn)場(chǎng)使能儀表

安全現(xiàn)場(chǎng)總線可以被過程工業(yè)接收嗎？
       首先第一個(gè)障礙就必須跨越，就是在安全現(xiàn)場(chǎng)總線被過程工業(yè)采納之前，要保證安全現(xiàn)場(chǎng)總線要和傳統(tǒng)的4－20mA系統(tǒng)一樣穩(wěn)定。

       安全問題比較好解決，因?yàn)镮EC61508認(rèn)證的安全現(xiàn)場(chǎng)總線的危險(xiǎn)失敗率已經(jīng)被量化，所以，大多數(shù)專家同意，倘若他們?cè)谥付ǖ钠骄收下史秶鷥?nèi)使用IEC認(rèn)證的協(xié)議，SIF可以設(shè)計(jì)成滿足SIL3保護(hù)，當(dāng)分析，SIF時(shí)可以通過對(duì)儀表和系統(tǒng)之間的“通訊線路”和相關(guān)通訊設(shè)備分配平均故障率的值來進(jìn)行模擬。安全現(xiàn)場(chǎng)總線的一個(gè)經(jīng)常被忽略的優(yōu)點(diǎn)就是I/O卡沒有必要使用了，所以卡連同它的相關(guān)品平均故障率時(shí)間值可以省去。實(shí)際上，省去了一些硬件可以使安全現(xiàn)場(chǎng)總線 SIF比傳統(tǒng)的4－20mA設(shè)備更加安全。
         有效性的問題比較難解決，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)和模擬工具不能夠分析平均誤跳時(shí)間，無論是在傳統(tǒng)設(shè)備還是安全現(xiàn)場(chǎng)總線的構(gòu)架下。然而，隨著技術(shù)的發(fā)展，SIL認(rèn)證軟件供應(yīng)商可以進(jìn)入到這個(gè)領(lǐng)域。供應(yīng)商還可以開發(fā)既標(biāo)準(zhǔn)又安全的容錯(cuò)現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)。

安全現(xiàn)場(chǎng)總線在過程工業(yè)的未來
        從用戶中反饋的信息表明，他們希望把SIS儀表系統(tǒng)集成在他們的資產(chǎn)評(píng)估系統(tǒng)。在智能SIS原件中對(duì)狀態(tài)信息的連續(xù)的訪問，有助于分析SIS的安全性能，幫助用戶避免誤跳。
        在過程自動(dòng)化中使用有效的安全現(xiàn)場(chǎng)總線，一些用戶已經(jīng)轉(zhuǎn)向使用HART技術(shù)作為達(dá)到這個(gè)目的的過渡方法。然而，HART不是，很可能永遠(yuǎn)也不會(huì)是一個(gè)安全認(rèn)證的協(xié)議，問題就是要找到一種方法，使用HART數(shù)據(jù)的同時(shí)不干擾或是降低安全功能。長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，他們的過程控制系統(tǒng)和安全儀表系統(tǒng)使用相同的基礎(chǔ)現(xiàn)場(chǎng)總線，用戶是最大的受益者。
        與用戶討論安全現(xiàn)場(chǎng)總線和資產(chǎn)評(píng)估系統(tǒng)的過程中，定期的驗(yàn)證性測(cè)試是產(chǎn)生的最主要的問題。這是因?yàn)榇蠖鄶?shù)公司可以設(shè)計(jì)出工作良好的安全儀表系統(tǒng)，但是相當(dāng)多的公司卻在測(cè)試上并不是十分用心。帶有高級(jí)診斷功能的智能SIF可以幫助用戶最小化、計(jì)劃、執(zhí)行和證明他們的手動(dòng)測(cè)試。例如，一個(gè)智能的SIF可以用預(yù)測(cè)方法，在有必要進(jìn)行手動(dòng)測(cè)試時(shí)進(jìn)行提醒，或是適當(dāng)?shù)臅r(shí)機(jī)出現(xiàn)時(shí)，發(fā)出通知，而不影響生產(chǎn)。當(dāng)然，所有的不論是自動(dòng)、手動(dòng)、計(jì)劃還是非計(jì)劃，都需要備份。安全現(xiàn)場(chǎng)總線自動(dòng)報(bào)告系統(tǒng)的訪問數(shù)據(jù)和診斷信息的功能。
         剩下的似乎就是它被采用的速度問題了，毫無疑問，安全現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在不斷發(fā)展。來自主要的過程現(xiàn)場(chǎng)總線組織（Profibus和FF）和過程自動(dòng)化供應(yīng)商處的巨大支持、安裝、維護(hù)、測(cè)試費(fèi)用的降低等優(yōu)點(diǎn)，將會(huì)驅(qū)使這項(xiàng)技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場(chǎng)總線同步發(fā)展，甚至更快。