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現場總線在過程工業中
        當終端用戶發現現場總線應用在過程自動化的好處時，他們就開始考慮，他們為什么不能在安全儀表系統中也享受同樣的好處呢？大多數客戶反映，使用現場總線的好處并不是前期的安裝節省費用，而是在使用過程中使用高級診斷和評估管理工具所帶來的費用節省。
        安全現場總線可以進行高級的診斷，并可以很容易的進行互鎖測試，這是一項每年都需要重復的工作。分布式控制（DCS）用戶使用標準現場總線一直在享有這項服務，然而，DCS用戶卻無需頻繁的測試互鎖。
是什么阻止用戶在他們的安全系統上使用現場總線技術呢？這份白皮書研究了安全現場總線的歷史、現狀，預測了安全現場總線在過程工業上的未來發展前景。

安全現場總線的歷史
        在安全系統之內進行數字通訊這個概念和應用已經不再陌生了。實際上，自從20世紀末期，可編程安全系統出現在市場上開始，安全總線通訊就已經在商業系統上使用了。
        在可編程安全系統上最常見的安全現場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I/O總線。如果在這些通訊中有未診斷錯誤，后果將是災難性的（如輸入輸出任意的開啟或是斷開）。所以，整個系統的整體性安全要求通訊可靠、即時、無損失的進行。這些年來，制造商已經研發了很多專有的、安全的I/O總線已經滿足了這些要求，并且已經應用于他們的系統當中。
        隨著系統變的越來越龐大，在系統之間傳遞關鍵安全信號變的越來越重要。所以，制造商們又在系統范圍內的通訊總線上開發了專有的通訊協議，支持無故障點對點通訊，這又一次成為系統的一部分。圖1描述的系統同時擁有無故障、點對點通訊和安全認證的I/O通訊。

圖1 擁有無故障、點對點通訊和安全認證I/O通訊的系統
       在20世紀90年代末，一些制造商生產的為機械安全應用而設計自動化產品，開發了安全認證總線，根據IEC61508達到EN954-1、Category 4 和SIL3標準。這些總線支持很多類型的機械安全傳感器，如安全光幕、激光掃描儀、限位開關、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顯示了一個典型的配有完整的安全現場總線的機械安全系統。
        安全現場總線的安全電路不是特別復雜，應為電纜和連接的減少，設計、安裝、調試費用也相對降低。另外，因為綜合診斷的有效性，安全總線設備在可靠性上有很大改善，并且維護費用降低。正因為此，機械自動化部門正在迅速的采用安全現場總線。例如，PROFIBUS總部最近聲明，PROFIsafe-abled型號的系統在全球的應用已經超過20,000。在安全設備方面，已經顯示超過188,000,000個節點。

在過程應用方面已經取得安全通訊認證
        為什么還有一些過程自動化部門在他們的過程安全應用中沒有采用安全現場總線呢？
其中一個原因可能是，許多用安全儀表應用系統的國家的或是特殊應用目的的標準禁止為與安全相關的信號使用總線通訊。例如，ANSI/SA S84.01-1996中條款7.4.1.3聲稱，每個獨立的現場總線設備與系統之間應該有自己的專有布線。另外一個原因，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應該要格外準確”。

圖2 使用綜合安全現場總線裝置的典型結構安全系統
        2003年公布的國際標準IEC61511表明，“功能安全——加工部門的安全儀表系統”已經改變了人們的這種思考方式。這個標準，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，“每個現場總線設備都應該有自己專有的連到輸入輸出的布線，以下情況除外，一個服務于安全儀表功能的數字總線通訊，它為了滿足完整性要求而擁有全部安全性能?！边@項說明已經在安全儀表系統的應用上成為全球的指示標，為制造商使用SIL認證的安全通訊總線開發進程打開了一扇門。
        相應的，一些標準組織開始根據在過程工廠使用安全現場總線的情況著手研制一系列的指導性建議和方針。NAMUR NE 97“安全應用現場總線”于2003年3月公布，規定了有關安全的信號可以通過的現場總線網絡的原則。
        為了向可能應用數字現場總線且有可能產生不利影響的組織引起足夠的注意，ISA SP84專題討論會議，成立了一號工作小組（SP84.WG1），來進一步研究關于高水平、安全現場總線的問題。WG1已經起草了一份技術報告，為用已經通過的安全現場總線的設備和協議取代現行的4－20mA安全儀表系統提供一系列仿真?！癐SA TR-84.00.06：為過程工業部門應用安全現場總線設備設計的參考意見”。這份技術報告已經是第六版，正在準備通過SP84委員會的投票通過。

技術現狀
        就像前邊所講述的那樣，現在的安全現場總線大多數為機械安全應用而設計。還好，現在許多已經通過認證的技術可以應用于過程安全。例如，PROFIsafe是PROFIBUS的一個高度完善的通訊行規，它描述了無故障設備之間的通訊，并使用專門的檢測機制來解決可能的通訊失敗。
        PROFIsafe從1999年開始，已經通過了IEC61508 SIL3和EN954-1Category認證。PROFIsafe安全方法已經在軟件中得以實現，知識簡單的在設備的PROFIBUS第七層之上添加了安全層，而對其它層毫無影響。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，支持電纜上的本質安全傳輸和電能。在過程自動化中PA設備中采用PROFIsafe行規在2004年12月通過批準，PROFIsafe-enabled PROFIBUSPA設備的認證已經開始。這個行規遵循NE 97的建議。根據PROFIBUS國際組織的調查顯示，大約有10%的已安裝的PROFIsafe設備在過程工廠，PROFIsafe設備備用來停止泵系統或是初始化停車。
        除了標準數據，安全信息也封裝在PROFIBUS報文中，這樣構成的PROFIsafe構架允許在發送和接收之間無損失的傳送。安全方法壓內置于通訊設備中，這樣就形成了“黑色通道”，如圖4所示。黑色通道的優點就是通訊的安全完整性是于傳播媒質無關的，也就是說它可以在任何傳輸系統中傳輸，包括無線設備。

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

圖4安全方法內置于設備，于是形成“黑色通道”，允許網絡與媒質獨立

        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立。
        除了PROFIBUS，基金會現現場總線在2006年宣布TUV已經批準了其協議類型，基金會現場總線安全儀表規范認證。這個規范與IEC61508標準要求兼容達到或包括安全完整等級3（SIL3）。
        PROFIsafe和FF-SIS認證實用性增強了制造商使用PROFIBUS-PA或是基金會現場總線設備與IEC61508的兼容性。第三方組織，例如TUV和exida.Com，將會證明這些設備是否適合在安全儀表系統上應用。

圖5 安全和非安全相關的通訊共享相同的相同通道，減少安裝和調試費用
        第一個安全現場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 展會提出。在美國，它由ISA與2006年十月的秋季會議上引入，現在已經在正式使用。當然，下一步將會是已認證的現場設備（傳感器和最終控制原件）在他們的功能上使用PROFIsafe協議。這篇文章同時也指出，這些功能上有限的，但是，許多大型的國際化制造商已經做了不少投資。

圖6 2006年4月interkoma+展會上展示的首批安全現場使能儀表

安全現場總線可以被過程工業接收嗎？
       首先第一個障礙就必須跨越，就是在安全現場總線被過程工業采納之前，要保證安全現場總線要和傳統的4－20mA系統一樣穩定。

       安全問題比較好解決，因為IEC61508認證的安全現場總線的危險失敗率已經被量化，所以，大多數專家同意，倘若他們在指定的平均故障率范圍內使用IEC認證的協議，SIF可以設計成滿足SIL3保護，當分析，SIF時可以通過對儀表和系統之間的“通訊線路”和相關通訊設備分配平均故障率的值來進行模擬。安全現場總線的一個經常被忽略的優點就是I/O卡沒有必要使用了，所以卡連同它的相關品平均故障率時間值可以省去。實際上，省去了一些硬件可以使安全現場總線 SIF比傳統的4－20mA設備更加安全。
         有效性的問題比較難解決，這是因為數據和模擬工具不能夠分析平均誤跳時間，無論是在傳統設備還是安全現場總線的構架下。然而，隨著技術的發展，SIL認證軟件供應商可以進入到這個領域。供應商還可以開發既標準又安全的容錯現場總線系統。

安全現場總線在過程工業的未來
        從用戶中反饋的信息表明，他們希望把SIS儀表系統集成在他們的資產評估系統。在智能SIS原件中對狀態信息的連續的訪問，有助于分析SIS的安全性能，幫助用戶避免誤跳。
        在過程自動化中使用有效的安全現場總線，一些用戶已經轉向使用HART技術作為達到這個目的的過渡方法。然而，HART不是，很可能永遠也不會是一個安全認證的協議，問題就是要找到一種方法，使用HART數據的同時不干擾或是降低安全功能。長遠來看，他們的過程控制系統和安全儀表系統使用相同的基礎現場總線，用戶是最大的受益者。
        與用戶討論安全現場總線和資產評估系統的過程中，定期的驗證性測試是產生的最主要的問題。這是因為大多數公司可以設計出工作良好的安全儀表系統，但是相當多的公司卻在測試上并不是十分用心。帶有高級診斷功能的智能SIF可以幫助用戶最小化、計劃、執行和證明他們的手動測試。例如，一個智能的SIF可以用預測方法，在有必要進行手動測試時進行提醒，或是適當的時機出現時，發出通知，而不影響生產。當然，所有的不論是自動、手動、計劃還是非計劃，都需要備份。安全現場總線自動報告系統的訪問數據和診斷信息的功能。
         剩下的似乎就是它被采用的速度問題了，毫無疑問，安全現場總線技術在不斷發展。來自主要的過程現場總線組織（Profibus和FF）和過程自動化供應商處的巨大支持、安裝、維護、測試費用的降低等優點，將會驅使這項技術與標準現場總線同步發展，甚至更快。