摘要:
現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在制造業(yè)、汽車(chē)業(yè)和機(jī)械業(yè)的過(guò)程控制中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)是眾所周知的。因而,已經(jīng)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)制定了一系列相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn),如:IEC-IEC/SC 65C/MT 9, ANSI/ISA 50.02,和 IEC-61158。但是,現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有解決現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)安全應(yīng)用的問(wèn)題。(例如,IEC-61508標(biāo)準(zhǔn)是指“電氣/電子/可編程電子安全系統(tǒng)的功能安全”標(biāo)準(zhǔn);IEC-61511標(biāo)準(zhǔn)是指“功能安全:加工業(yè)的安全儀表系統(tǒng)”標(biāo)準(zhǔn);IEC- 61513標(biāo)準(zhǔn)是指“核電廠—儀表和控制系統(tǒng)的安全”標(biāo)準(zhǔn)。)換句話(huà)說(shuō),過(guò)程控制中應(yīng)用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)并沒(méi)有解決減少危險(xiǎn)因素,以及安全完整性等級(jí)(SIL)和可靠性要求的問(wèn)題。截止目前,沒(méi)有任何一個(gè)安全總線(xiàn)的國(guó)家或國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立,除了某些公認(rèn)的安全總線(xiàn)協(xié)議,如機(jī)械行業(yè)中的PROFIBUS。安全總線(xiàn)在加工業(yè)界還沒(méi)有并完全接受。此外,ISA的84委員會(huì)還憂(yōu)慮某些安全總線(xiàn)的實(shí)施將會(huì)對(duì)安全性帶來(lái)不利影響。為了解決對(duì)于使用安全總線(xiàn)的種種顧慮,ISA專(zhuān)門(mén)成立了一個(gè)工作組(WG-1)。本文將討論已經(jīng)被用戶(hù)和供應(yīng)商廣泛認(rèn)識(shí)到的安全總線(xiàn)要求。此外,這些要求將列在ISA技術(shù)報(bào)告ISA SP84中, WG1工作組將詳細(xì)討論。
引言
大約1985年為了下一代儀表控制系統(tǒng)而首次提出了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn),倡導(dǎo)者宣稱(chēng):
Ÿ 減少工程成本,例如I/O接線(xiàn),機(jī)柜,接線(xiàn)盒等
Ÿ 幫助工廠依據(jù)OSHA標(biāo)準(zhǔn)、EPA標(biāo)準(zhǔn)的記錄、維修等
Ÿ 擁有更為強(qiáng)大的職能通訊策略。
Ÿ 使資產(chǎn)管理信息化,并優(yōu)化過(guò)程控制。
Ÿ 全面降低維護(hù)費(fèi)用。
在此后的20年,人們會(huì)發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)對(duì)于成本的節(jié)約與傳統(tǒng)硬接線(xiàn)相比是微不足道的。而今天,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的備受關(guān)注的真正原因是改善了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的診斷能力,并實(shí)現(xiàn)了資產(chǎn)管理的信息化。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)布線(xiàn),現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)絕對(duì)不必傳統(tǒng)布線(xiàn)方式節(jié)省用線(xiàn),因而由于在此領(lǐng)域不存在任何優(yōu)勢(shì),采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的做法也就被廢除了。而Herman Storey[5]在其杰出的論文中,對(duì)用于控制系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)存在的問(wèn)題發(fā)出了警告。Storey先生關(guān)注于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在互操作性上的挑戰(zhàn),并指出:“支持互操作,是一個(gè)喜憂(yōu)參半的安全功能,它既可能成為機(jī)遇,也可能由于很難管理成為風(fēng)險(xiǎn)。 ”
盡管選用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)還是存在很多問(wèn)題和挑戰(zhàn),但是其過(guò)程工業(yè)中的實(shí)際需求正持續(xù)增長(zhǎng),并且其建立的資產(chǎn)管理系統(tǒng)取得了巨大的成功。
IEC-IEC/SC 65C/MT 9、ANSI/ISA 50.02和 IEC-61158是指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)使用的標(biāo)準(zhǔn)和準(zhǔn)則。但是,他們?nèi)匀粵](méi)有解決現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)安全應(yīng)用的一系列問(wèn)題。
安全標(biāo)準(zhǔn)
現(xiàn)有的國(guó)家和國(guó)際安全標(biāo)準(zhǔn)都沒(méi)有專(zhuān)門(mén)為數(shù)字總線(xiàn)通信設(shè)立具體要求,因?yàn)槠渲饕阅苤笜?biāo)一直沒(méi)有規(guī)范性的描述。因此,數(shù)字通信總線(xiàn)的技術(shù)協(xié)議一直未得到解決。IEC-61511-1在第11.6.3節(jié)中指出:
除了以下幾種情況外,每個(gè)獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都應(yīng)配有專(zhuān)用的輸入/輸出布線(xiàn)系統(tǒng):
Ÿ 單輸入串聯(lián)的多個(gè)分立傳感器,而且這些傳感器監(jiān)控的目的全都一致(例如:汽車(chē)超載)。
Ÿ 多設(shè)備的單輸出。
注意:當(dāng)兩個(gè)閥門(mén)連接一個(gè)輸出時(shí),為了保證所有與兩個(gè)閥門(mén)有關(guān)聯(lián)的安全儀表的正常運(yùn)行,則必須同時(shí)改變兩個(gè)閥門(mén)的狀態(tài)。
Ÿ 數(shù)字總線(xiàn)通信的總安全性能應(yīng)滿(mǎn)足其使用場(chǎng)合中對(duì)安全儀表功能(SIF)的所有要求。
ISA 84-1996 在第 7.4.1.3條款中指出:每個(gè)獨(dú)立的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備都應(yīng)配有專(zhuān)用的輸入/輸出布線(xiàn)系統(tǒng);在第1.2.10條款中指出:標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有解決現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在安全系統(tǒng)中使用的技術(shù)問(wèn)題,但修訂相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將使現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的安全使用成為可能。
目前,IEC SC65A MT13工作組1正全力以赴的修訂IEC-61508標(biāo)準(zhǔn),以使其能包括安全總線(xiàn)的各項(xiàng)規(guī)定要求。
安全總線(xiàn)
當(dāng)今,有大約七種主流的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)安全系統(tǒng):
1、 FoundationFieldbus 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)(簡(jiǎn)稱(chēng)FF)的FF-SIS安全儀表系統(tǒng)
2、 DeviceNet安全系統(tǒng)
3、 Profisafe 安全系統(tǒng)
4、 IDA安全系統(tǒng)
5、 AS-I安全系統(tǒng)
6、 SafetyBUS p安全系統(tǒng)
7、 Interbus安全系統(tǒng)
其中,FF-SIS似乎擁有最為先進(jìn)的安全總線(xiàn)協(xié)議,并且,剛剛通過(guò)了TÜV認(rèn)證。在2004年2月5號(hào)的新聞稿如下: 2004年2月5日,得克薩斯州-奧斯汀,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)基金會(huì)宣布其FF-SIS已經(jīng)通過(guò)了TÜV Anlagentechnik GmbH(其為自動(dòng)化、軟件和信息技術(shù)的全球性認(rèn)證機(jī)構(gòu))機(jī)構(gòu)的認(rèn)證。早在2002年10月FF-SIS已經(jīng)被基金會(huì)董事局批準(zhǔn),并向最終用戶(hù)推廣。2004年TÜV通過(guò)了FF-SIS技術(shù)規(guī)范的認(rèn)證。
真的需要安全總線(xiàn)嗎?
現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)在控制系統(tǒng)中的廣泛使用,不僅可以保證系統(tǒng)擁有更高的安全性能,而且,還有助于系統(tǒng)功能的擴(kuò)展,如診斷功能、資產(chǎn)管理、預(yù)先維修、調(diào)校和配置管理。據(jù)預(yù)測(cè),安全總線(xiàn)還將改善閥門(mén)的調(diào)節(jié)以及業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)。此外,現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)還將有益于網(wǎng)絡(luò)的集中控制,以保證故障處理時(shí)對(duì)于系統(tǒng)和程序的牽連盡可能的少。雖然這種說(shuō)法尚未得到證實(shí),但這一概念的提出受到了眾多關(guān)鍵過(guò)程工業(yè)的歡迎,如乙烯廠和計(jì)算機(jī)芯片產(chǎn)業(yè)。
從上文可以看出,目前的安全總線(xiàn)還僅僅使用在離線(xiàn)信號(hào)、機(jī)器人和光柵等領(lǐng)域中,并沒(méi)有被廣泛的接受。作者認(rèn)為:現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)用于控制系統(tǒng)還是很難讓關(guān)鍵性過(guò)程工業(yè)、大公司所接受。盡管存在諸多疑慮,但安全總線(xiàn)技術(shù)仍然以迅猛的速度發(fā)展著。筆者曾在20世紀(jì)80年代同樣提醒過(guò)對(duì)于PLC安全應(yīng)用的問(wèn)題:因?yàn)?,?dāng)時(shí)PLC的應(yīng)用并沒(méi)有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,則可能對(duì)過(guò)程安全造成不利的影響。經(jīng)驗(yàn)證明,憂(yōu)慮的問(wèn)題確實(shí)是存在的,并且在標(biāo)準(zhǔn)ANSI/S84.01加入了相應(yīng)書(shū)面說(shuō)明。繼S84標(biāo)準(zhǔn)后,國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC - 61511也對(duì)PLC的安全應(yīng)用添加了相應(yīng)的規(guī)定。之后的實(shí)踐中,不斷的證明了這些規(guī)定的添加是相當(dāng)必要的。類(lèi)比20世紀(jì)80年對(duì)于PLC的憂(yōu)慮與2004年對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的憂(yōu)慮,會(huì)發(fā)現(xiàn)為安全總線(xiàn)設(shè)立適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)是必須的。如上所述,目前還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)針對(duì)安全總線(xiàn)的正規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。因而,ISA S84正在考慮相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)。日前,尚未決定是否成立一個(gè)委員會(huì)草擬一份安全總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn),但在過(guò)渡時(shí)期,ISA的WG1工作組已經(jīng)針對(duì)安全總線(xiàn)在過(guò)程工業(yè)的應(yīng)用向全球發(fā)布了一份技術(shù)報(bào)告草案。
設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問(wèn)題
ISA S84 WG1工作組對(duì)于設(shè)計(jì)要求給出如下一系列建議,(詳見(jiàn)[6]):
安全要求
•安全總線(xiàn)應(yīng)符合安全儀表系統(tǒng)(SIS)中安全完整性等級(jí)(SIL)的最高要求 。
•非冗余結(jié)構(gòu)中安全總線(xiàn)應(yīng)能滿(mǎn)足SIL-4的安全要求。
響應(yīng)速度
•實(shí)時(shí)響應(yīng)的安全總線(xiàn)其響應(yīng)時(shí)間不得超過(guò)安全儀表功能(SIF)中響應(yīng)最快的響應(yīng)時(shí)間的一半。
•安全總線(xiàn)應(yīng)擁有足夠的帶寬,以保證對(duì)所有設(shè)備的任何部分的詢(xún)問(wèn)(輸入)或回應(yīng)(輸出)的時(shí)間少于安全時(shí)間的一半。
互操作性
•安全總線(xiàn)應(yīng)是非專(zhuān)用的,應(yīng)具有是開(kāi)放性的、公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。
•安全總線(xiàn)必須適用于任何制造環(huán)境中,應(yīng)與各種設(shè)備兼容,并具有互換性,而且不論在任何情況下,都應(yīng)不會(huì)減低設(shè)備的SIL等級(jí)、系統(tǒng)的實(shí)用性以及安全總線(xiàn)的通信速度。
•安全總線(xiàn)不需要物理手段,就可以實(shí)現(xiàn)安全與非安全設(shè)備和數(shù)據(jù)的分離。
•安全總線(xiàn)必須允許分離BPCS和安全功能。這將包括分離和獨(dú)立的安全配置和維護(hù)工具。
•安全總線(xiàn)應(yīng)允許非認(rèn)證設(shè)備(即證明的使用, FMEDA )的使用,以保證系統(tǒng)的安全通信。
•最終用戶(hù)必須能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其安全系統(tǒng)中安全總線(xiàn)的“自我證明”。
•所有當(dāng)前的總線(xiàn)中存在的互操作性問(wèn)題都需要得到處理和解決,以確保真正的即插即用的互操作性。
容錯(cuò)性
•安全總線(xiàn)應(yīng)具有冗余性,以提高聯(lián)網(wǎng)能力(即防止滋擾停機(jī))。
•依據(jù)IEC 61511標(biāo)準(zhǔn)安全總線(xiàn)應(yīng)積極支持冗余、2oo2模式的運(yùn)行、以及可以提供了最高等級(jí)的安全性能和聯(lián)網(wǎng)能力。
•任何設(shè)備與安全總線(xiàn)的連接故障,應(yīng)不會(huì)降低安全總線(xiàn)的安全等級(jí),也會(huì)降低任何其他設(shè)備的安全等級(jí)。
•在多重總線(xiàn)SIS中任何單個(gè)安全總線(xiàn)故障,都不應(yīng)降低其他安全總線(xiàn)的性能也不應(yīng)降低任何與總線(xiàn)相連設(shè)備的性能。
安全
•安全總線(xiàn)須具有充足的安全保障,以防止意外更改配置而影響安全功能。
•安全有關(guān)的設(shè)備必須有一個(gè)閉鎖功能,以確保參數(shù)不能改變。為防止無(wú)意的改動(dòng)必須在某些地方設(shè)置寫(xiě)保護(hù)功能。
•配置的更改只能由授權(quán)人員進(jìn)行。進(jìn)入安全總線(xiàn)設(shè)備應(yīng)要求用戶(hù)名的注冊(cè)和密碼驗(yàn)證。
運(yùn)行
•同一個(gè)設(shè)備既可能成為安全設(shè)備也可能成為非安全設(shè)備。
•在線(xiàn)更換設(shè)備應(yīng)盡可能不影響安全總線(xiàn)(即,設(shè)備的缺失應(yīng)盡可能不造成故障)。在一定時(shí)間限制內(nèi)。
•安全總線(xiàn)的性能應(yīng)與其介質(zhì)無(wú)關(guān)。其介質(zhì)的選擇應(yīng)依據(jù)不同場(chǎng)合的需求選定(如電線(xiàn),光纖,無(wú)線(xiàn)等) 。
•安全總線(xiàn)應(yīng)支持多達(dá)32 種設(shè)備的,每一個(gè)設(shè)備有一個(gè)唯一的地址。
•安全總線(xiàn)的失效模式應(yīng)始終是“關(guān)閉”狀態(tài)。
診斷
•安全總線(xiàn)診斷應(yīng)實(shí)施透明的方式面向用戶(hù)。并及時(shí)想向用戶(hù)提供運(yùn)行狀況和接口情況。
•安全總線(xiàn)應(yīng)能捕獲和傳達(dá)足夠的傳感器和最終設(shè)備的診斷信息,而確保資產(chǎn)管理系統(tǒng)的有充足的信息來(lái)源以保證系統(tǒng)及時(shí)的維修、測(cè)試,使得系統(tǒng)的SIL等級(jí)得以維持。
•可靠的故障模式審議應(yīng)包括所有故障因素的檢測(cè),如傳輸通道,傳輸誤差,重復(fù),缺失,插入,測(cè)序,延遲和偽裝。
•所有軟件和硬件的通信或診斷中使用的安全總線(xiàn)的SIL等級(jí)都應(yīng)事先聲明,而不是自動(dòng)診斷出來(lái)的。
文件
•安全總線(xiàn)文件應(yīng)按不同行業(yè)而有針對(duì)性的編寫(xiě)(如、加工、機(jī)械、鐵路、航空)。
•安全總線(xiàn)文件應(yīng)對(duì)其SIL等級(jí)和實(shí)用性做出明確的定義(如,依據(jù)IEC 61508 ) 。
•安全總線(xiàn)文件應(yīng)包括安全手冊(cè)(依據(jù)IEC 61508 ),而此手冊(cè)也應(yīng)依據(jù)特定行業(yè)編寫(xiě)(如,依據(jù)IEC61511 ) 。這是因?yàn)橐环N總線(xiàn)不一定適用于所有行業(yè)。
•安全總線(xiàn)通過(guò)自診斷發(fā)現(xiàn)失效模式,應(yīng)能將其診斷信息以及診斷測(cè)試間隔發(fā)布在安全總線(xiàn)應(yīng)用信息系統(tǒng)中。
•安全總線(xiàn)通過(guò)自診斷未發(fā)現(xiàn)失效模式,則應(yīng)能將其診斷信息以及操作系統(tǒng)的隨機(jī)硬件故障率和通訊故障率發(fā)布在安全總線(xiàn)應(yīng)用信息系統(tǒng)中。
•硬件容錯(cuò)性(在符合IEC 61508 )應(yīng)發(fā)布在安全總線(xiàn)應(yīng)用信息系統(tǒng)中。
測(cè)試
•安全總線(xiàn)必須保證功能安全(也就是說(shuō),一旦功能被確定下來(lái),則安全總線(xiàn)應(yīng)能完成其功能的實(shí)現(xiàn))。對(duì)于不太確定SIL等級(jí)的設(shè)備為了保證功能安全,則必須保持適當(dāng)?shù)耐ㄓ?。而為了?shí)現(xiàn)系統(tǒng)相應(yīng)的功能則必須進(jìn)行詳細(xì)的功能測(cè)試,并與功能的書(shū)面規(guī)范相對(duì)照。
•不論是單個(gè)測(cè)試還是整合測(cè)試都必須依據(jù)相應(yīng)的書(shū)面規(guī)范進(jìn)行。整合測(cè)試必須包括安全總線(xiàn)的設(shè)備和主系統(tǒng)(工程、維護(hù)和操作界面)。
•應(yīng)用應(yīng)限于功能已被審定,并擁有正式的書(shū)面測(cè)試報(bào)告的項(xiàng)目。
•單個(gè)測(cè)試、整合測(cè)試和應(yīng)用的責(zé)任是與供應(yīng)商、第三方代理、集成商和最終用戶(hù)都息息相關(guān)的
•說(shuō)明書(shū)與試驗(yàn)應(yīng)有足夠的重疊,以保證良好的測(cè)試覆蓋率。
結(jié)論
數(shù)字總線(xiàn)通信在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的應(yīng)用,正在各個(gè)行業(yè)中迅速擴(kuò)大,而過(guò)程工業(yè)中尤為明顯?,F(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)以其諸多優(yōu)點(diǎn),如資產(chǎn)管理、流程優(yōu)化,而引起人們的關(guān)注,并廣泛使用應(yīng)用實(shí)際系統(tǒng)中。但是現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的使用仍然存在著一些問(wèn)題,其中兼容性是備受關(guān)注。有很多國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中都涵蓋了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)的通信問(wèn)題,但是到目前為止,還沒(méi)有任何現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)解決了現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的安全應(yīng)用問(wèn)題。TÜV已經(jīng)通過(guò)了安全總線(xiàn)的認(rèn)證,但是它們僅僅是面向機(jī)械和機(jī)器人的,而不是面向過(guò)程工業(yè)的。這些問(wèn)題已經(jīng)引起了廣泛的關(guān)注,如果沒(méi)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn),過(guò)程安全可能會(huì)受到損害。因而,引出“安全總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)很快會(huì)出臺(tái)嗎?”的問(wèn)題。目前,只有ISA S84 正在考慮組建一個(gè)委員會(huì)撰寫(xiě)針對(duì)過(guò)程工業(yè)的安全總線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)。由S84工作組1針對(duì)當(dāng)前主流的或正在研發(fā)的安全總線(xiàn)而撰寫(xiě)的技術(shù)報(bào)告草案現(xiàn)已經(jīng)印發(fā)(過(guò)程工業(yè)的安全總線(xiàn)設(shè)計(jì)構(gòu)思)。這份臨時(shí)報(bào)告的目的是明確用戶(hù)所關(guān)注的安全總線(xiàn)功能,并為今后安全總線(xiàn)協(xié)議的制定提供必要的參考。
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