上述兩條規(guī)定決定了當(dāng)前國內(nèi)石油化工安全儀表系統(tǒng)只能采用模擬信號儀表作為輸入輸出設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)是實(shí)踐的總結(jié)，并且用來規(guī)范和指導(dǎo)實(shí)踐。這些規(guī)定反映了當(dāng)時的技術(shù)水平。
與模擬信號儀表相比，現(xiàn)場總線儀表、工業(yè)以太網(wǎng)儀表等數(shù)字通信型儀表有著巨大的性能優(yōu)勢。隨著技術(shù)進(jìn)步，數(shù)字通信型儀表的可靠性不斷提高，具備了應(yīng)用于安全儀表系統(tǒng)的可行性。
IEC61784-3-2021《工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)-行規(guī)-第3部分：功能安全現(xiàn)場總線-通用規(guī)則和行規(guī)定義》規(guī)定了工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議和通信規(guī)范。
IEC61784-3主要涉及工業(yè)自動化領(lǐng)域中的實(shí)時現(xiàn)場總線和以太網(wǎng)通信，包括數(shù)據(jù)傳輸速率、數(shù)據(jù)傳輸方式、數(shù)據(jù)幀格式、數(shù)據(jù)傳輸控制以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等方面的內(nèi)容。該標(biāo)準(zhǔn)的目的是為工業(yè)自動化安全儀表系統(tǒng)領(lǐng)域提供一種可靠、高效的通信方式，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換和信息共享。
符合IEC61784-3的通信協(xié)議可以理解為具有功能安全特性同時又滿足工業(yè)現(xiàn)場總線要求的安全通信過程。滿足工業(yè)現(xiàn)場總線要求即意味著滿足整個IEC61784系列標(biāo)準(zhǔn)，具有功能安全特性即是具有相應(yīng)的SIL能力。
對安全通信的基本要求是：通信過程的殘余差錯率應(yīng)該小于要求SIL對應(yīng)PFD或PFH的1%，例如某個安全回路要求實(shí)現(xiàn)SIL3，其整個回路的PFH要求應(yīng)該小于10E-7，而其中安全通信的殘余差錯率應(yīng)該小于10E-9。
從功能安全的角度，實(shí)現(xiàn)安全通信的方式主要為黑通道技術(shù)。黑通道的含義是兩端的設(shè)備(安全數(shù)據(jù)發(fā)送和安全數(shù)據(jù)最終接收)符合IEC61508，中間的通信過程符合IEC61784-3，中間的軟硬件不要求符合IEC61508要求。采用黑色通道實(shí)現(xiàn)安全通信的基本理念如下圖所示：
實(shí)現(xiàn)安全通信的關(guān)鍵是設(shè)計(jì)安全通信層(SCL)，對安全數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行封裝。至于實(shí)現(xiàn)通信過程的其他層：物理、數(shù)據(jù)鏈路、會話、傳輸、應(yīng)用等可以根據(jù)具體的應(yīng)用自行設(shè)計(jì)，包括通信過程中的所有中間管道，包括網(wǎng)關(guān)、路由器、無線等都可以自行設(shè)計(jì)，這些設(shè)備的軟硬件沒有任何額外的要求。
安全通信層是位于黑通道之上的一層，它包含了所有必要的措施以確保數(shù)據(jù)安全傳輸，滿足IEC61508標(biāo)準(zhǔn)的功能安全要求。SCL負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的完整性、時間戳、連接認(rèn)證、冗余校驗(yàn)等安全措施。
SCL的關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)包括：
1、數(shù)據(jù)完整性：通過使用如循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)等校驗(yàn)方法，確保傳輸數(shù)據(jù)未被損壞。
2、時間戳：消息中包含時間戳，以確保數(shù)據(jù)在特定時間點(diǎn)的準(zhǔn)確性。
3、連接認(rèn)證：確保消息來源和目的地的正確性。
4、冗余與交叉檢查：通過發(fā)送多份相同消息并進(jìn)行比對，以檢測和糾正錯誤。
5、不同數(shù)據(jù)完整性保證系統(tǒng)：如果通過同一總線傳輸安全相關(guān)(SR)和非安全相關(guān)(NSR)數(shù)據(jù)，可以使用不同的數(shù)據(jù)完整性保證系統(tǒng)或編碼原則，以確保NSR消息不會影響SR接收器中的任何安全功能。
在評估和測試安全通信系統(tǒng)時，需要驗(yàn)證SCL的實(shí)現(xiàn)是否符合IEC 61508標(biāo)準(zhǔn)的要求，并確保所選的安全通信配置文件(FSCP)能夠在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)所需的安全完整性等級(SIL)。
綜上所述，符合IEC61784-3的數(shù)字通信型儀表符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和安全等級要求，能夠有效保護(hù)裝置安全運(yùn)行，可以用于安全儀表儀表系統(tǒng)。現(xiàn)行國標(biāo)中不應(yīng)使用現(xiàn)場總線或者其他通信方式儀表的規(guī)定與現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展水平有差距，未能充分利用新技術(shù)發(fā)展帶來的能力，希望未來的標(biāo)準(zhǔn)修訂能夠有所改進(jìn)。
作者：魏毅
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