转载自《仪器仪表标准化与计量》
——在国家标准《过程控制设备行规-PROFIBUS PA规范》起草工作组第一次工作组会议上的发言
西门子（中国）有限公司I IA AS&SE BU 惠敦炎
机械工业仪器仪表综合技术经济研究所 刘丹
PROFIBUS是当今全球最为成功的现代通信技术。根据PNO最新发布的数字，截止2008年，PROFIBUS全球安装节点总数已超过了2800万，预测2012年将突破5000万大关。十年前，这个数字才不过300万。PROFIBUS 20年的光辉成就使它在国际市场上赢得了当之无愧的领导地位。
1995年，PROFIBUS在解决了总线供电和本质安全（应用FISCO模型）等技术难题之后，尤其是随着“PROFIBUS PA行规”(PROFIBUS PA-Profil)首次发布，开拓了流程工业的应用领域。PROFIBUS PA曾在INTERKAMA'95展会上首度亮相，引起了轰动。1997年，本安型现场总线PROFIBUS PA首次在德国瓦克尔化工厂的应用大获成功，解决了化工生产中的防爆问题。从此，PROFIBUS针对过程自动化的解决方案，即PROFIBUS PA技术始终以市场要求为发展动力，通过不断的修订和增补PA行规，以满足过程工业日新月异的和持续增长的要求。
PROFIBUS PA 应用行规(PA-Profil)是过程自动化仪表设备的标准。它为各种不同类型的仪表设备定义了与制造厂无关的仪表参数（如PV_SCALE,HI_HI_LIM,ALARM_HYS等所谓强制性参数）和应用功能（如线性化），且通过标准化的诊断信息（“故障F”、“维护要求M”、“功能检验C”、“超出规范S”）为应用的统一，简化工程设计，设备的集成和技术操作，确保不同制造厂仪表设备的互操作性和互换性，加强工厂资产管理（Plant Asset Management）和提高生产设备的安全性与可靠性奠定基础。对于PROFIBUS PA而言，无论过去和现在，行规都是在功能组件模型的基础上发展起来的，这是因为一方面“功能组件的理念”在流程与化工领域已为人们所熟知；另一方面功能组件模型非常符合现场仪表的多样性与结构的要求（图1-2）。因此，PA行规也是开发PA现场仪表必须研读与掌握的指导性标准文件。
图1 各个块、块参数与目录之间的关系（V3.0-V3.02）
图2 PA行规中各方块一览图(V3.0-V3.02)
在中国，PROFIBUS从众多的竞争对手中脱颖而出，于2006年第一个成为国标GB/T的现场总线之后，受PNO委任的PROFIBUS PA测试实验室在京设立，国内一些企业相继根据PA行规（V.3.01）成功开发了PA现场仪表，且在流程工业中获得了实际应用。这充分说明PROFIBUS PA在我国的过程自动化中已经占据了重要的地位。因此，业内人士对于PA应用行规的改版与更新自然十分关注。
前不久出台的PNO PROFIBUS PA行规V3.02新版（2009年初）虽然姗姗来迟，因其与前版V3.0和V3.01相比增补了一些极为重要的新内容，如PROFISAFE,仪表设备版本的上下兼容等，更加贴近用户的要求，更加符合极为严格的德国VDI/VDE/NAMUR(NE97,NE102,NE105,NE107)标准。正因为如此，国内专家依然怀着极大的兴趣与热情着手PA行规V3.02新版的GB/T转化工作。
如上所述，PROFIBUS PA技术发展的主要动力来自市场需求。图3所示为从1999到2009的10年当中市场需求被转化为PA行规的情况。
市场要求:
如图3可见，新版PA 行规V3.02在涵盖了V3.0和V3.01的基础上增加了新的内容（以“*”标注），其总体结构特征归纳如下（括号内“M”为强制的；“O”为可选的）：
——浓缩状态与诊断Condensed Status/Diagnosis(M);
——经典状态与诊断 Classic Status/Diagnosis(o);
——设备版本识别与兼容* Device Version Identification and Compatibility(M)（参见5.5）;
——参数处理* Parameter Transaction(o)
严格方式strict mode (参见5.4.2.3)
平滑方式 smooth mode ( 参见 5.4.2.2)
单缓存机制 single buffer mechanism(参见5.4.5.1)
多缓存机制 multiple buffer mechanism(参见5.4.5.2)
——PROFIsafe*(o);
——I&M功能（M）。
现仅就其中的几项内容点评如下。
一、浓缩状态与诊断
“浓缩诊断”这一新概念源自PROFIBUS PA 5年来的使用实践，对大量的诊断信息流“浓缩其精华”，以求“对症下药”，它对加强企业资产管理和提高生产设备的经济效益有重大作用。
诊断数据的分析揭示一个生产设备的战略目标（如效益、可用性）与实况之间的偏差。资产管理的重点之一，就是生产设备的维护与维修。由于诊断信息量很大，用户要求将大量单个信息在进一步传输之前进行参数化归类整理，使之符合规定的分类方法（根据德国NAMUR推荐标准NE107）,且最终有选择地分发给不同的需求者，如操作人员、维修人员或企业领导者。
上述用户要求已在PA行规V3.01版修改文本2“浓缩状态与诊断信息”（Amendment 2:Condensed status & Diagnostic Message）中被转化为同德国标准VDI/VDE 2650 和NAMUR NE 107 一致的PA仪表行规。新的PA行规V3.02保留了V3.01的内容，其中除状态“好/良”（Good）以外，还定义了4种统一的标准诊断信息，即故障“F”、“功能检验C”、“维护要求M”和“超出规范/不确定S”。图4所示为根据NAMUR NE 107类别规定的PA现场仪表标准的和跨越生产厂家的诊断信息。应当指出的是，这部分内容在新版V3.02里改为强制性的(M),它的实现将加速产品向市场渗透。
图4 根据NE107规定的PA现场仪表的诊断信息
二、设备版本识别与兼容
PROFIBUS PA行规新版V3.02的最大亮点是它最先解决了市场中日益重要的硬软件新旧版本在相当长时间内，即在生产设备整个生命周期内（例如，10-20年内）上下兼容，以确保未来设备的集成依然不变的问题。为此，必须要制定一项有关仪表设备、仪表文件和软件平台可行的版本管理策略的标准。
为了将设备的功能集成于自动化系统中，设备功能是由设备制造商使用各种集成工具（图5）来加以描述的。其中，与MS0相关的设备功能用GSD来描述，而与MS1/ MS2相关的设备功能则使用EDD或DTM来描述。为了确保同属一个样本类型的变异产品之间的兼容，需要建立准确无疑的设备功能的相关标识，且需要提供驱动软件中的功能描述。与MS0通道相关的设备功能的识别是以设备无歧义的“PROFIBUS Ident_Number”来实现的。在设备研发过程中，制造厂商必须遵守一组严格的兼容规则。与MS1/MS2通道相关的设备功能的识别--用EDD或DTM描述--是基于特定的版本参数（设备修正device revision）（图5）。“device revision”使设备软件版本的 演变同与MS0通道相关的设备功能不发生任何联系。定义的参数是主控集成工具（Host Integration Tool）内对于设备与设备驱动软件的兼容性给予明文确认的基础（Dev_Rev_Comp≤DEVICE_REVISION≤Dev_Rev）。
图5 PROFIBUS的集成技术
如果新老设备和设备驱动软件能够在无须特别修改的情况下共同运行，则表明现场设备和设备驱动软件的兼容性是存在的。图6所示为设备与设备驱动软件之间的向上/向下兼容（up/downward compatibility）。
图6 设备驱动软件之间的向上/向下兼容
由图可见，在更换仪表设备时，运用PA行规V3.02建立起自动接纳多个先前样本各项功能的标准机制。该机制一方面可以自动识别所期待的先前仪表的版本，另一方面又能够自动地转换到它的功能上。在进行这类仪表更换时，（例如10年之后）备用仪表自动地转变为所期待的变异产品（automatic Ident_Number adaption），在以后计划安排的停车状态下， 如有必要，备用仪表的新功能可以通过更改描述文件被集成到控制系统中，从而使设备集成大为简化。
三、参数处理（Parameter Transaction）
PA行规V3.02通过参数处理这部分新增内容可实现参数up/download传输时间的优化。在现场仪表生命周期的不同阶段，必须传输不同数量的数据。在投运过程中，被传输的参数量最大，有一部分参数是在采取维护措施时被传输；另有一大部分则在更换仪表时被传输。根据仪器仪表不同的功能，传输300个参数并非少见，因此参数的处理、传输的重要性在不断地增大。
新的PA行规V3.02通过参数分组、使用strict mode和smooth mode并采用简单、高效的单个与多个缓存机制，（single/multi buffer mechanism）优化了参数的传输与处理，使传输时间成倍地减少（根据数据量的大小，可减少至5-10倍不等）。上述标准的传输机制可以实现更加完善的一致性检验以及参数的相互依赖性（例如，测量单位，参数的极限值）。
四、PROFIsafe
PROFIsafe是遵循IEC 61508准许在一根且同一根总线-PROFIBUS上实现标准的和与安全相关的通信的第一个通信标准。如果将一个安全处理链（传感器+控制器+执行器）中通信的危险失效概率评估为1%的份额，那么PROFIsafe所对应的危险失效概率为10-9/h，相当于或超过SIL3（3：10-7/h）PROFIsafe能够满足制造业和过程工业的最高要求。众所周知，PROFIsafe采取四大防范措施来识别错误数据的传输，即序列号、时间监控、通信双方无歧义的识别代码，以及循环冗余检验CRC。
原则上讲，PROFIsafe行规可以原封不动地用于过程自动化的PROFIBUS PA仪表设备中，因为它们使用的是同一个PROFIBUS DP协议。PROFIsafe是安插在一个PA仪表设备ISO/OSI模型中的附加层-F安全层。该层的任务是在循环传输中的故障安全有用数据与参数进入应用层被继续使用之前，对其进行校验。
PA行规V3.02以可选的方式接纳了PROFIsafe V1和V2 mode，不仅解决了PROFIBUS PA循环/非循环通信的安全问题和使用所谓“运行考核合格”（proven-in-use）的过程仪表设备的安全问题（根据NAMUR NE97），而且也解决了PROFINET IO/CBA的安全应用问题。
五、I&M功能
随着工厂在线资产管理（Online-Plant Asset Management）的意义与日俱增，I&M功能规范也应运而生（2004）。I&M功能定义了过程仪表设备信息的统一语义、结构和统一的存取方法。它使得统一识别现场仪表成为可能，而与设备制造厂商无关。PA行规V3.02完全保留了3.01中“I&M功能”部分。I&M功能在实践中的作用很大，例如根据生产设备文档或库存及订货数据对已安装的现场仪表进行调校，可以跨越生产企业对有关维护的设备传输进行存取，等等。
综上所述，PROFIBUS PA以其新行规V3.02使市场要求向标准转化的工作登上一个新的台阶。正如德国NAMUR现场总线工作组在2008年一次新闻发布会上所评估的那样，“PA行规V3.02在运用现场总线技术减少工程费用与企业运营成本方面作出了突出的贡献，而且在实现生命周期费用最小化方面也作出了积极的贡献。”2008年NAMUR年会对PA行规V3.02给予了很高的评价，称它为“积极的时效管理的范例”。
对于工业实践至关重要的仍是产品的供应问题。据悉，新行规在这方面的转化也是很快的，首批基于PA行规V3.02的产品可望在2009年6月之后上市。
参考文献：
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 渐入佳境”，自动化博览，12/2007
4. 克?迪德里布/托?班葛曼【德】主编，惠敦炎译：“PROFIBUS PA过程自动化总线技术”，西南师范大学出版社 2007年
作者简介 :
惠敦炎（1938-）,西门子(中国)有限公司 I IA AS SE BU 高级顾问,西南大学兼职教授。从1996年至今，一直从事PROFIBUS（-PA，-DP），PROFINET技术应用与标准化及其在中国的战略研究。近年来，撰写论述10多篇，已在各专业期刊上发表。2007年的译著“PROFIBUS PA 过程自动化现场总线技术”（作者：[德]克?迪德里希/托?班葛曼主编）出版以来颇受业内人士欢迎。
1987年因参与并负责国家科委一项研究课题而获得国家科技进步三等奖。
2006年获德国西门子总公司A&D集团领导人Mr.Anton Huber颁发的唯一的标准化大奖；同年获德国PROFIBUS用户组织(PNO)颁发的奖状;2007年获中国自动化学会和自动化博览杂志“2006年中国自动化世纪行新闻人物奖”。2008年6月，通过考试获得由德国TüV和PNO共同颁发的“PROFIsafe Certified Designer——PROFIsafe 认证设计师”资格证书。
今后工作重点在PROFIBUS 与 PROFINET的安全通信技术-PROFIsafe，PROFIBUS PA和自动化设备的电气安全标准化工作方面。
