6ES7214-2AD23-0XB8选型手册

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 现场总线是一种已被大家所熟知和广泛使用的比较成熟的控制系统技术。一直以来，安全控制技术落后于标准的控制技术，而刚刚起步的“安全现场总线”技术则是在现有“标准现场总线”的基础上发展起来的具有安全总线协议的新型的安全控制系统技术。本期让我们共同关注安全总线的特点、作用和实际应用前景。

    走向成熟的安全现场总线

    何华先生：安全现场总线技术是在现有标准现场总线的基础上发展起来的具有安全总线协议的新型的安全控制系统技术。安全现场总线能够确保在应用中有很高级别的完整性，包括报文冗余、交叉核对，确保安全信息能够在预定时间内，可靠地从一个设备传输到另一个设备，并能保证数据内容的完整性。

    从安全总线在**的应用范围来看,实践证明已经采用安全总线的行业包括汽车、机床、机械、船舶等行业,以及过程工业中的石化、炼油、电厂、锅炉控制和燃烧控制、高压应用等。此外,它还应用于远程遥控、无人值守以及维护费用十分昂贵的场合(例如大型储罐区)。

    许玮先生：安全现场总线是一个开放性的总线系统，用于传输一系列与安全相关的数据。整套系统用来完成安全相关的功能，例如紧急停机，安全门监控，安全光栅监控等。安全现场总线推出的目的与标准现场总线的目的类似，就是使控制分散化、现场化，系统结构灵活化，使安全系统控制的范围更广。

    安全总线系统基本由安全控制器（安全PLC）和现场分散安全模块组成（例如分散式I/O安全模块）。安全控制器是安全总线系统的核心，安全系统中所有的逻辑运算处理、以及安全总线系统的运作管理等都由安全控制器完成。现场分散安全模块用于处理安全输入信号以及安全输出信号。安全控制器和现场分散安全模块必须符合安全相关要求，经过安全相关机构的认证，达到一定的安全等级。这两者之间就是通过安全现场总线（Cable）来连接，在这根Cable上安全相关的数据传递于安全控制器和现场分散安全模块之间。由于安全相关数据在传递过程中的正确性、安全性、反应时间及可靠性等会直接影响安全功能，所以这根安全现场总线（Cable）也必须经过安全相关机构的认证。

    当前主流的安全总线标准

    上官小晶先生：现在安全总线都以各自的现场总线技术为基础，发展相应的安全解决方案，这样不利于标准化。未来的发展方向必然是安全总线技术的标准化，这样才有利于技术和产品的推广。

    当前行业内主流的安全总线标准如下：

    EthernetPowerbbbbSafety：2001年11月贝加莱推出EthernetPowerbbbb，2003年1月EPSG成立，2003年11月EPSG推出EthernetPowerbbbbV2。近期推出以EthernetPowerbbbb为基础的Safety方案，满足安全等级SIL3（IEC61508），同时循环时间下降到200μs，符合TÜV认证。

    ProfiSafe：1999年在西门子问世，ProfiSafeV1.30以ProfiBus为基础，拥有TÜV，BGIA，UL等机构认证，达到SIL3安全等级（IEC61508）。2005年6月ProfiSafeV2推出，进入工业以太网ProfiNet的应用范畴。

    CIPSafety：由ODVA提出，CIPSafety以CIP网络（DeviceNet，ControlNet，Ethernet/IP）为基础，达到SIL3安全等级（IEC61508）。

    SafetyNetp：1999年PILZ推出安全、开放的现场总线系统SafetyBusp，近期推出了安全的工业以太网系统SafetyNetp。

    InterbusSafety：由InterbusClub和PhoenixContact公司开发，以Interbus总线为基础，2001年得到德国BIA组织EN954-ILKAT4标准许可证明，达到SIL3安全等（IEC61508）。

    CC-bbbbSafety：由CLPA推出，以CC-bbbb为基础，达到SIL3安全等级（IEC61508）。

    与标准现场总线系统的兼容

    许玮先生：其实安全控制系统与标准控制系统两者在控制上是相互独立的，但是彼此之间又存在着一定的关联。从如下的一张图中可以明白标准的安全总线、现场总线和较终的受控对象之间的关系。

    在逻辑结构上安全控制系统的输出与标准控制系统的输出做了个“与”功能，其意义就在于当安全控制系统经过对安全输入信号的处理之后得出现场工况不存在一定的危险性时，其安全输出闭合，此时标准控制系统的标准输出通过本身的通或断来控制较终的受控对象。一旦安全控制系统发现现场需要紧急停机时，其会把安全输出给切断，此时由于控制回路已经断开，所以标准控制系统将无法使较终受控对象再次运行。

    安全现场总线和标准现场总线之间在控制上是一个独立的关系，那它们之间就没有一点关联吗？Pilz的安全现场总线SafetyBUSp于1999年推出。经过多年来的不断发展，现在通过我们的安全PLC（PSS）上的标准现场总线接口能够将SafetyBUSp的信息传输给标准控制器（标准PLC），实现安全现场总线和标准现场总线之间的通信功能。目前我们的PSS可以和如下的标准现场总线进行通信：Profibus-DP、DeviceNet、CANopen、Interbus-S、ControlNet、MPI以及Ethernet。

    2005年Pilz推出了较新的安全现场分散模块PSSuniversal。其采用了模块化结构，实现了一个现场总线分站能够拥有两个现场总线接口-安全总线接口+标准总线接口。使安全现场总线和标准现场总线在现场总线分站上相互兼容，在这个分站上既可以拥有安全输入输出也可以拥有标准输入输出，可以节省用户大量的项目成本。由于安全现场总线和标准总线在现场总线分站上的相互兼容，标准PLC可以直接通过标准现场总线读取现场总线分站上安全输入输出相关的信息以及该现场总线分站上的模块诊断信息，大大地节省用户的项目开发时间。此外PSSuniversal具有现场使能原理，可以使得原本在外部硬件实现的安全输出和标准输出的“与”功能在PSSuniversal现场分站的内部通过软件的方式完成。这样既可以减少用户的接线的工作量也可以节省一定的成本。

    与现场总线之间的区别

    李女士：安全现场总线和标准现场总线的主要区别在于通信协议的标准不同。安全现场总线的协议是对标准协议的扩展，（CIPSafety=CIPStandard+CIPsafetyextensions，CIP：CommonIndustrialProtocol）。

    安全总线的主要特点是提供节点之间（如，安全输入/输出设备、安全门开关、安全光幕、安全网络控制器等）的故障安全通信；它满足现有的IEC61508标准，即“可编程电子系统的功能安全”，能达到安全完整性等级3级（SIL3）；它能够在同一网络上将安全设备和标准设备结合在一起，实现无缝集成，增强灵活性；它使安全数据能穿过多个连接实现路由，减少了对特殊网关的需求。CIP安全协议可以确保安全网络上安全设备间的高度完整性通信。

    上官小晶：与标准的现场总线相比，安全总线的特点是实现了安全的智能化，如打开一个保护盖的时候，降低速度就足够了，不需要停止系统。根据配置，安全总线可以适应各种安全的场合。此外，安全总线系统的安全是对标准协议的扩展，使得标准及安全装置可在同一个网络上运行。其*特之处就在于安全通信的实现*诸如网关、网桥等昂贵的硬件设备，仅仅通过软件层就可实现。

    应对来自安全网络的挑战

    刘荣兴先生：安全网络的使用已经有20多年，如今，得益于一些行业标准的建立，工控行业已经开发出多种创新的产品包括安全PLC、安全级的网络控制器等，但是挑战依然存在。

    企业在享受安全网络（总线）带来的众多优点的同时，也面临以下两种挑战。1.系统的响应时间是否因为网络通信的原因变得太慢，结果是需要增加安全装置（安全光幕）与机器设备（机器人）之间的安全（缓冲）距离。2.怎样降低各种使用成本，包括软硬件的成本。编程是否方便，通信语言格式是否兼容于各种硬件，是否适应于各种现场情况，是否防水防尘，安装接线的距离是否可以缩短，更换或变更设备是否方便，查找故障是否快捷？等等。

    在设计安全网络时，除应考虑首期投入外，还需要考虑在整个设备运行生命周期内可能发生的成本，最后才能够确定是否值得投资。

    我们认为解决上述挑战的方案应有如下两点：

    1.如何缩短安全（缓冲）距离。根据所在的国家、地区、行业等法规要求，厂家或设备生产商必须对使用的设备进行风险性评估，并确保有一个风险的可靠方法。例如我国机械式压力机使用光电保护是有一份官方的文件，GB4584－200X，规定安全光幕与模具之间必须有足够的安全（缓冲）距离，让系统从检测到人体手部后，于它到达模具前有足够的时间停止。根据人体学，手部的伸展速度和走动速度都有科学的统计。如果希望缩短安全距离，是必须提高系统的响应速度。根据统计，总线的响应时间比继电器要慢很多，继电器为20～60ms，安全逻辑控制器为10～100ms，安全网络（总线）为40～300ms。如果网络比较庞大，就更为复杂，会使总响应时间延长，从而降低生产效率。

    2.为了平衡安全与生产效率，我们开发了一个*特的技术，名称是“safetylogix”，把原来需要主机（安全PLC）负责的逻辑下载到总线模块，即把部分安全PLC的功能结合到总线模块，它代替PLC对执行机构发出瞬间急停指令，同时把较新的操作状态信息发送到主机上，这样整个网络的响应时间就能从300ms降到8ms，而安全距离会降低一半，从而提高工人的工作效率。而且，厂家不需要买一个贵重的安全PLC,完全可以用一个普通的PLC来代替安全PLC，因为现场工况大都需要防水防尘，所以“safetylogix”现场控制器都是IP67防护等级，接线方便，电缆的长度也会降低，也有利于降。

新的基于现场总线技术的控制策略和网络结构将对现有的仪表及控制系统产生性的影响。从现场总线技术的本质特征析了其对传统分散控制系统DCS的冲击，并结合dcs的网络结构特点，给出了现场总线集成于dcs的3种实现方法。

    工业控制从早期的就地控制、集中控制，已经发展到现在的集散控制(dcs)，在过去的20年中，过程工业对dcs系统及相关的仪表装置进行了大量的投入，dcs系统的应用结果得到了用户的肯定。4-20mA信号是dcs系统及现场设备相互连接的较本质特点，这是控制系统和仪表装置发展的一大进步。

    然而现在，数字化和网络化成为当今控制网络发展的主要方向。人们意识到传统的模拟信号只能提供原始的测量和控制信息，而智能变送器在4-20mA信号之上附加信息的能力又受其低通信速率的制约，所以对整个过程控制系统的机制进行数字化和网络化，应是其发展的必然趋势。

    现场总线在智能现场设备、自动化系统之间提供了一个全数字化的、双向的、多节点的通信链接。现场总线的出现促进了现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制的功能更加强大。这一改进带来了过程控制系统的开放性，使系统成为具有测量、控制、执行和—过程诊断的综合能力的控制网络。

    1现场总线对传统dcs的冲击

    现场总线对传统dcs的冲击来源于其本质上优越于dcs系统的技术特征。根据国际电工**IEC和现场总线基金会FF的定义，现场总线技术具有以下5个主要特点：

    ①数字信号完全取代4-20mA模拟信号;

    ②使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场完成;

    ③使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息以及补偿信息等;

    ④实现现场管理和控制的统一;

    ⑤真正实现系统开放性、互操作性。

    现场总线技术不仅是一种通信技术，它实际上融人了智能化仪表、计算机网络和开放系统互连(OSI)等技术的精粹。所有这些特点使得以现场总线技术为基础的现场总线控制系统(FCS)相对于传统dcs系统具有巨大的优越性：

    ①系统结构大大简化，成本显著降低;

    ②现场设备自治性加强，系统性能全面提高;

    ③提高了信号传输的可靠性和精度;

    ④真正实现全分散、全数字化的控制网络;

    ⑤用户始终拥有系统集成权。

    这些优越性可从dcs和现场总线系统的网络结构比较后得到验证。

    2现场总线集成于dcs系统是现阶段控制网络的发展趋势

    尽管用户对控制系统的结构改进表示欢迎，但他们并不希望对他们现有的仪表系统做大的改动。目前在现场总线的发展初期，大多数用户更倾向于对他们现有的仪表系统进行逐步的增添和替换;另一方面，dcs系统及其仪表的消失或完全被取代，对于费用或人力而言也都是不合理的。现阶段较可行的方案是考虑如何使现场总线与传统的dcs系统尽可能地协同工作，这种集成方案能够得到灵活的系统组态，以适用于更广泛的、富于实用价值的应用。

    3现场总线于dcs系统I/0总线上的集成

    在dcs的结构体系中，自上而下大体可分为3层：管理层，监控操作层和I/O测控层。在I/O测控层的I/O总线上，挂有dcs控制器和各种I/O卡件，I/O卡件用于连接现场4-20mA设备、离散量或PIC等现场信号，dcs控制器负责现场控制。

    在dcs系统的I/O总线上集成现场总线的关键是通过一个现场总线接口卡挂在dcs的I/O总线上，实现现场总线系统中的数据信息映射成原有dcs的I/O总线上相对应的数据信息，如基本测量值、报警值或工艺设定值等，使得在dcs控制器所看到的现场总线来的信息就如同来自一个传统的dcs设备卡一样。这样便实现了在I/O总线上的现场总线技术集成。

    这种方案主要可用于dcs系统已经安装并稳定运行，而现场总线**引入系统的、规模较小的应用场合;此方案也可应用于PLC系统。

    这种方案的优点是结构比较简单，缺点是集成规模受到现场总线接口卡的限制。

    Fisher-Rosemount公司推出的dcs系统DeltaV采用的就是此种集成方案。DeltaV系统在它的I/O卡件中专门开发设计了此种功能的接口卡——现场总线H1通信模块(31.25kbit/s)，成功地将现场总线技术集成在DeltaV系统中，可实现与现场总线仪表相连，较大地节省了安装、操作以及维护费用，同样的控制器可兼容H1与传统的I/O模块，有利于从传统的控制模.式向现场总线控制模式的过渡和转变。

    在DeltaV系统的现场总线H1通信模块中具有特定的Driver，用以实现现场总线系统数据信息与I/O总线上对应信息的映射。

    4现场总线于dcs系统网络层的集成

    除了在I/O总线上的集成方案，还可以在更高一层——dcs网络层上集成现场总线系统。在这种方案中，现场总线接口卡不是挂在dcs的I/O总线上，而是在dcs的上层LAN上。

    在这种方案中，现场总线控制执行信息、测量以及现场仪表的控制功能均可在dcs操作站进行浏览并修改。它的优点是原来必须由dcs主计算机完成的一些控制和计算功能，现在可下放到现场仪表实现，并且可以在dcs操作员界面上得到相关的参数或数据信息;它的另一个优点是不需要对dcs控制站进行改动，对原有系统影响较小。

    这种集成方案在工程实际中也有应用。如Smar公司的302系列现场总线产品可以实现在dcs系统网络层集成其现场总线功能。

    5现场总线通过网关与dcs系统并行集成

    若在一个工厂中并行运行着dcs系统和现场总线系统，则还可以通过一个网关来网接两者，安装网关以完成dcs系统与现场总线高速网络之间的信息传递。在这一结构中，dcs系统的信息能够在新的操作员界面上得到并显示。通过使用抛网桥可以安装大量的H1低速总线。现场总线接口单元可提供控制协调、报警管理和短时趋势收集等功能。

    现场总线与dcs的并行集成，完成整个工厂的控制系统和信息系统的集成统一，并可以通过Web服务器实现Infranet与Inernet的互连。这种方案的优点是丰富了网络的信息内容，便于发挥数据信息和控制信息的综合优势;另外，在这种集成方案中，现场总线系统与通过网关而集成在一起的dcs系统是相互独立的。

    6结论

    综上所述，我们相信现场总线系统将广泛地应用到过程工业控制中，通过对过程控制系统进行一些必要的修改，将现场总线技术引入到dcs中，将会给用户带来大量的收益;另一方面，即使大多数的连续控制环路将由现场总线系统来完成，dcs系统仍将在许多诸如实时要求较高的控制场合扮演重要的角色。现阶段现场总线与dcs系统的共存将使用户拥有更多的选择，以实现更合理的控制系统