基金会高速现场总线FF－HSE分析与应用研究

1　前言 

　　基金会现场总线（FF）是专为过程自动化而设计的通讯协议。FF现场总线最初包括低速总线H1（速率为31.25kbps）和高速总线H2（速率为1Mbps和2.5Mbps）两部分。但随着多媒体技术的发展和工业自动化水平的提高，控制网络的实时信息传输量越来越大，H2的设计能力已不能满足实时信息传输的带宽要求。鉴于此，现场总线基金会放弃了原有H2总线计划，取而代之的是将现场总线技术与成熟的高速商用以太网技术相结合的新型高速现场总线-基金会HSE（High Speed Ethernet）现场总线，并于2000年3月发布了HSE的最终规范。 

2　通信结构和网络拓扑 

　　HSE是一种基于Ethernet+TCP/IP协议、运行在100Base-T以太网上的高速现场总线。它能支持低速总线H1的所有功能，是对H1的补充和增强。 

　　2.1　通信结构 

　　HSE模型采用了OSI参考模型中物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层，并在应用层上增加了用户层，形成6层的通信模型。HSE的通信结构和模型分层的对应关系如图2—1所示。 

　　HSE的结构是一个增强型的标准以太网模式。底层采用标准以太网IEEE802.3μ的最新技术和CS-MA/CD链路控制协议来进行介质的访问控制。TCP/IP协议是标准以太网的重要协议，它位于网络层和传输层，实现面向连接和无连接的数据传送，并为分布式主机控制协议（DHCP）、简单网络时间协议（SNTP）、简单网络管理协议（SNMP）和现场设备访问代理（FDAAgent）提供传输服务。HSE系统和网络管理代理、功能块、HSE管理代理和现场设备访问代理都位于用户层和应用层中，提供设备的描述和访问、功能块应需添加任何专用设备即可直接连入高速网络，同时也从另一方面增强了HSE设备的互操作性。 

　　2.2　网络拓扑 

　　HSE设备分为4类：主机设备、链接设备、网关设备和以太网现场设备，其功能分别为对系统进行组态、监控和管理，将H1总线段链入FF-HSE网络，实现与其它标准总线通信，连接高速I/O设备或PLC。HSE可直接使用以太网的交换设备、路由器等，通过双绞线或光纤等将HSE设备连接起来，建立HSE总线控制网络。如图2—2所示。 




3　HSE功能特色 

　　HSE除了具有高带宽和更好的开放性之外，灵活的网络和设备冗余形式以及灵活功能块技术是HSE的两个特色技术。 

　　3.1　冗余形式 

　　HSE的特色之一是它的冗余设计。HSE规范支持包括标准以太网应用的冗余。HSE冗余提供通信路径冗余（冗余网络）和设备冗余两类，允许所有端口通过选择连接，如图3—1所示。 

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　　通信路径冗余是HSE交换机、链接设备和主机系统之间的物理层介质冗余，或称介质冗余。冗余路径对应用是透明的，当其中一条路径发生中断时，可选用另一条路径通信。而设备冗余是为了防止由于单个HSE设备的故障造成控制失败，在同一网络中附加多个相同设备。由图2-1的通信模型结构可知，每个HSE设备中专门设计了一个HSE的LAN冗余实体（HSELRE），提供容错处理，LAN冗余实体周期地发送和接收冗余诊断信息。每个HSE设备通过诊断信息建立一个网络状态表，它记录着连入网络中的所有HSE设备的详细状态信息，根据这张网络状态表，LRE来选择决定使用哪条路径或端口来传送信息。HSE的容错处理方法增强了控制网络的可靠性和安全性。 

　　3.2　灵活功能块 

　　功能块是FF的技术特色之一，但是在灵活功能块推出之前，FF设备根本不接收传统的离散信号。HSE不仅支持FF所有标准功能块，而且增加了灵活功能块（FFB，Flexible Function Blocks），以实现离散控制，这是HSE的又一特色。灵活功能块是具体应用于混合、离散控制和I/O子系统集成的功能模块，它包含了8个通道的多路模拟量输入输出、离散量输入输出和特殊应用块，并使用IEC61131-3定义的标准编程语言，也可以使用于H1中。灵活功能块的应用包括联动驱动、监控数据获取、批处理、先进I/O子系统接口等，它支持多路技术、PLC和网关，可以说给用户提供了一个标准化的企业综合协议。 

4　应用实例和前景展望 

　　以下给出一个FF-HSE现场总线用于水位和温度控制的例子，系统结构如图4—1所示，整个系统采用Smar公司的FF现场总线控制设备与软件。在系统中，通过10/100M的交换机，将DFI302、管理计算机和监控站连入到HSE网络中。DFI302是结合了链路设备、现场设备、网关3种功能的FF现场总线控制器、接口和主机系统，其中的链接部件DF51将控制温度、水位的H1控制链路接入HSE网络。在上层监控站，通过SYSCON软件进行系统逻辑和控制策略组态;采用支持OPC技术（OLEfor ProcessControl）的AIMAX组态软件开发人机界面。




　　这种网络形式，使得系统的开放性大大增强，用户可以进行灵活的系统组态和系统集成。我们知道，无论是以太网还是TCP/IP都没有形成一个完整的通讯协议栈，还需要应用层和用户层来形成一个开放的标准。HSE恰恰包括了所有这些层次，使得HSE成为真正意义上的完全开放协议，使得从设备到会议室的信息集成变得紧密而简洁。HSE的设计目标就是具有控制功能的Internet，这种网络形式为通过3 W的远程操作奠定了基础。它的多层次冗余设计大大增加了控制系统的可靠性，灵活的功能块使得HSE可以为离散制造业提供理想的解决方案。 

　　HSE充分体现了现场总线不仅是通讯协议，也是一种编程语言的概念，使得系统的组态、设备维护和诊断用统一的语言即可实现。HSE和H1相结合，使得基金会现场总线覆盖了更宽广的控制应用领域，将给工业自动化提供高性能的网络结构形式。HSE将具有广阔的应用前景。 

5　结束语 

　　HSE提供了一种以经济的以太网硬件和软件为构架，低成本、高速的过程控制网络。以100Mbit/s运行的HSE用于高速过程自动化、批处理、离散控制应用中，同时也提供工厂管理和MIS系统的信息积累。HSE加强了以太网在工业领域中的地位，使FF技术涵盖现场网络层和控制网络层，完全可以构筑大型带有层次调度控制功能和仪表电气综合控制能力的系统。 

参考文献： 

　　[1]　Dr.Manfred Patz.Fieldbus Foundation High Speed Ethernet　　[J].Softing GmbH.2000. 

　　[2]　S.J.Vincent.FOUNDATIONTMFieldbus High Speed Ethernet Control System[J].Fieldbus Inc.2001. 

　　[3]　阳宪惠.现场总线技术及其应用[M].北京：清华大学出版社，1999. 

　　[4]　冯冬芹，等.基金会现场总线的发展与特点[J].自动化仪表，2001，22（6）. 

　　[5]　李嘉，杨佃福.引入以太网技术是现场总线技术发展的一个必然趋势[J].自动化仪表，2001，22（5）.