原理介紹
隨著現場匯流排技術的發展和廣泛套用，故障安全通信技術近年也得到了飛速發展，安全匯流排系統的套用使得工業控制系統更具安全性和可用性，同時提高了系統靈活性，有效節約了布線和工程施工的成本。
與SafetyBus p這種獨立的安全網路和獨立的安全PLC想比，Siemens推出的安全通信協定PROFIsafe將安全設備和標準設備的數據流完全整合在以PROFIBUS為平台的匯流排系統中，使標準設備和安全設備能同時共用一條通信鏈路。從1999年PROFIsafe引入以來，TUV已經認證了其在PROFIBUS上運用的安全性，達到了IEC61508中SIL3的等級，最近它還獲得了PROFInet上使用安全性的認證。開放架構的PROFIsafe使得選擇其他廠商的產品成為可能。目前有大量的廠商都提供支持PROFIsafe的設備，如Banner，Beckhoff，Sick，Turck和Wago等。
與傳統安全系統相比PROFIsafe具有如下優點：
（1）安全通信和標準通信在同一根電纜上共存；
（2）PROFIsafe-故障安全性建立在單信道通信系統之上，安全通信不通過冗餘電纜來達到目的；
（3）標準通信部件，如電纜、專用晶片、DP-棧軟體等等，無任何變化；
（4）故障安全措施封閉在終端模組中(F-Master，F-Slave) ，採用專利SIL監視器獲得極高的安全性；
（5）最高故障安全完整性等級為SIL3(IEC61508)；
（6）既可用於低能耗(Ex-i)的過程自動化，又可用於反應迅速的製造業自動化；
PROFIsafe使標準現場匯流排技術和故障安全技術合為一個系統，即故障安全通信和標準通信在同一根電纜上共存，安全通信不通過冗餘電纜來實現。這不僅在布線上和品種多樣性方面可以節約成本，而且也方便日後系統的改造。
操作模式
最新版 PROFIsafe 行規提供了 V1 和 V2 兩 種操作模式，如圖 1 所示。
V1 模式的措施對 於單獨的 Profibus DP 網路上的安全數據傳輸 是足夠的，而更“大量”的 Ethernet/Profinet IO特徵（如較廣的地址空間和快取轉換元素）需要對 PROFIsafe 行規做某些擴展，這樣形成了 V2 模式。V1 模式限用於 Profibus DP，而 V2 模 式可用於 Profinet IO 和/或 Profibus DP。
PROFIsafe V2 模式的主要改進包括：
① 隨著 Profinet IO 的使用，使共享設備、每報文的擴展過程（I/O）數據和擴展參Ⅱ數等的改進成為可能；
② 快取在網路部件（如暫時存儲全部報文序列的交換機）中的報文錯誤可以被控制。V1 模式不能完全覆蓋這些風險；
③ 對“黑色通道”下的 CRC 多項式不再加以限制，如禁止使用同樣的 CRC 多項式或禁止使用一個可被整除的多項式；
④ 安全設備的第三方參數化工具可簡單調用的接口。
安全通信原理
2.1 一般要求
① 在同樣的 Profinet IO 和/或 Profibus DP 系統中使用標準設備和“安全設備”時，可以保證安全相關通信和標準通信間的獨立性；
② 適用於安全完整性等級 SIL 3（IEC 61508）、性能等級“e”（ISO 13849-1）和控制類別 4（EN 954-1）；
③ 滿足單通道通信系統的安全要求→冗餘只用於提高可用性；
④ 安全傳輸功能的實現應該被限制在通信終端設備（CPU/主機－現場設備和/或 I/O 模組）中；
⑤ F-設備與其 F-主機之間總是 1 對 1 通信關係；
⑥ 傳輸持續時間被監控；
⑦ 環境條件符合通用 Profibus 的要求（主要是 IEC 61131-2 和 IEC 61326-3）；
⑧ 傳輸設備（如控制器、ASIC、鏈路、耦合器等）應保持不變（黑色通道）→安全功能位於 OSI 第 7 層
之上（即不改變或增加標準協定）。
2.2 安全通信原理（黑色通道）
PROFIsafe
安全通信由下述系統執行：
① 標準傳輸系統（即 Profinet IO 和/或 Profibus DP）；
② 標準傳輸系統之上附加的安全傳輸協定。 安全套用和標準套用同時共享同一個 Profinet IO 或
Profibus DP 通信系統。 安全傳輸功能由下述所有措施組成，這些措施可以
確定性地發現經由標準傳輸系統滲透的各種可能的故障/危害，或者使殘餘誤差（故障）機率保持在某一限值以
下。包括：① 隨機故障，例如由於 EMI 對傳輸通道的影響；② 標準硬體的失效/故障；③ 標準硬體和軟體的 組件的系統故障。
2.3 “黑色通道”的邊界條件和約束
對安全評價和殘餘錯誤率的計算的邊界條件和約束如下所述。
2.3.1 安全相關的 通常具有以下兩個條件：
① 所有的設備應提供電氣安全 SELV/PELV 和 Profibus 證書；② 安全設備應符合 IEC 61000-6-2 或 IEC
61131-2 規定的通用工業環境設計，並符合 IEC 61326-3 規定的增強抗擾性。
V1 模式：
① 每秒和每傳輸技術的安全相關報文的假定數目為
Profibus DP/RS485/FO 100
Profibus PA/MBP/MBP-IS 10
② 每通道類型的重試次數
Profibus DP/RS485/FO 15（IEC 61158 最大 8） Profibus PA/MBP/MBP-IS 15（IEC 61158 最大 8） 背板匯流排 8（主機或模組化現場設備內）
③ 黑色通道 CRC 多項式
黑色通道不應使用 PROFIsafe CRC 多項式 14EABh 和 1F4ACFB13h
黑色通道多項式不應被 C599h 整除
④ 有源快取網路元素 Profibus PA/MBP/MBP-IS 最大 2 個報文，帶有 DP/PA 連結器和/或中繼器
⑤ 安全 PDU 不允許按位元組劃分。
V2 模式：
① 每秒和每 1 對 1 的 PROFIsafe 通信關係的安全相關報文的假定數目<10 000
② 每通道類型的重試次數無限制
③ 黑色通道 CRC 多項式無限制
④ 有源快取網路元素無限制；允許任何交換機
PROFIsafe 島不允許使用單連線埠路由器作為 PROFIsafe 島的邊界
⑤ 安全 PDU 按位元組劃分無限制。
2.3.2 非安全相關的 在規定時間（生存標記）內主機和現場設備間循環數
據交換，並保證整個 PROFIsafe 幀（數據完整性）在安全 層上傳送。通常：① Profibus DP/RS485 無分支（支線）；
② Profinet IO 每個子模組只有一個 F-主機；③ 乙太網交 換機應適用於 IEC 61131-2 所定義的標準工業環境；④ 標 準設備和安全設備可以共用同一個 24 V 電源。
通信特徵
3.1 系統特徵
在圖 3 中表示的系統配置描述了一個典型的結構，它包括了互連的主機/PC、面向安全的主機/PLC、遠程
I/O、I/O 設備、安全 I/O 設備和 Profinet IO 的監控單元。
在這個結構中，面向安全的主機/PLC 通過 Profinet IO 控制器，控制幾個從屬的面向安全的和非面向安全的
Profinet IO-設備單元/模組。（閉環）傳輸系統可以通過路由器互連的多個段進行擴展。用戶有責任採取適當的措
施（例如複查、防火牆等），以確保來自連線編程工具和/或工程工具的非授權訪問不危害安全操作。這些設備 通常不參與安全操作。
循環數據交換
通常 PLC/IPC 是 Profinet IO 或 ProfibusDP 系統中的主機。相關 Profinet IO 控制器或 DP 主站在相關聯的獨 立單元內，或集成在主機中的子單元內。I/O 站分別是 I/O 設備或從站。在一個匯流排循環內，控制器（主站）尋
址每個 IO-設備（從站）一次。在 Profinet IO 中，在同一匯流排循環內宜為異步回響。在 Profibus DP 中，它宜是 槽時間內直接地（同步地）來自從站的回響。在這個過程中，固定數量的輸出位元組送往從站，或者從站分別返回固定數量的輸入位元組。圖 4 表示了主機及其設備間的一對一關係。
3.3 安全層使用的標準通信服務
安全相關的 IO 數據通過 Profinet IO 的實時通道 RT 或 IRT 進行傳輸，如圖 5 所示。
非循環服務（TCP/IP 或 UDP/IP）用於傳輸非安全相關數據和安全相關參數。這部分設備參數是安全相關的， 並且通過循環數據交換進行循環性驗證。
結束語
自 1999 年 PROFIsafe 行規首版公布以來，PROFIsafe 在套用於製造業自動化的開放現場匯流排中一直處於領 先地位。它實現了在一根電纜上標準的與安全的通信共存的構想。它不僅簡化了運用集成安全技術控制器和分 散 I/O 設備的開發，而且也簡化了運用集成安全監控功能的驅動器的開發。
由於 PROFIsafe 只能在 Profibus DP 中使用，這限制了其進一步的套用和發展。但現在，最新版的 PROFIsafe 行規（V2.0）已經能夠把 PROFIsafe 行規套用到 Profinet IO 上。為此，可以利用其較大的規模（地址空間、有 效數據等）及其有源的網路部件（交換機、路由器等）來有效地擴充過去的行規，並為今後的套用留有餘地。 對於已有的 PROFIsafe 設備而言，可以採取以下的策略：在單純的 Profibus DP 網路中，不需要變更軟體，設備
運行在 V1 模式下；如果同 DP 連線的 PROFIsafe 設備要經過一個網關連線到 PROFINET IO 控制器，那么這些
設備可以選擇運行在 V2 模式下。涵蓋了DP 和PA 的寬廣套用領域、V1 和 V2 模式的靈活配置方式必然使 PROFIsafe
功能安全通信技術在自動化領域繼續保持其領先地位。
