1　前言 　　基金會現(xiàn)場總線（FF）是專為過程自動化而設(shè)計的通訊協(xié)議。FF現(xiàn)場總線最初包括低速總線H1（速率為31.25kbps）和高速總線H2（速率為1Mbps和2.5Mbps）兩部分。但隨著多媒體技術(shù)的發(fā)展和工業(yè)自動化水平的提高，控制網(wǎng)絡(luò)的實時信息傳輸量越來越大，H2的設(shè)計能力已不能滿足實時信息傳輸?shù)膸捯?。鑒于此，現(xiàn)場總線基金會放棄了原有H2總線計劃，取而代之的是將現(xiàn)場總線技術(shù)與成熟的高速商用以太網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的新型高速現(xiàn)場總線-基金會HSE（High Speed Ethernet）現(xiàn)場總線，并于2000年3月發(fā)布了HSE的最終規(guī)范。 2　通信結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓撲 　　HSE是一種基于Ethernet+TCP/IP協(xié)議、運行在100Base-T以太網(wǎng)上的高速現(xiàn)場總線。它能支持低速總線H1的所有功能，是對H1的補充和增強。 　　2.1　通信結(jié)構(gòu) 　　HSE模型采用了OSI參考模型中物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層，并在應(yīng)用層上增加了用戶層，形成6層的通信模型。HSE的通信結(jié)構(gòu)和模型分層的對應(yīng)關(guān)系如圖2—1所示。 　　HSE的結(jié)構(gòu)是一個增強型的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)模式。底層采用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)IEEE802.3μ的最新技術(shù)和CS-MA/CD鏈路控制協(xié)議來進行介質(zhì)的訪問控制。TCP/IP協(xié)議是標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的重要協(xié)議，它位于網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層，實現(xiàn)面向連接和無連接的數(shù)據(jù)傳送，并為分布式主機控制協(xié)議（DHCP）、簡單網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議（SNTP）、簡單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）和現(xiàn)場設(shè)備訪問代理（FDAAgent）提供傳輸服務(wù)。HSE系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)管理代理、功能塊、HSE管理代理和現(xiàn)場設(shè)備訪問代理都位于用戶層和應(yīng)用層中，提供設(shè)備的描述和訪問、功能塊應(yīng)需添加任何專用設(shè)備即可直接連入高速網(wǎng)絡(luò)，同時也從另一方面增強了HSE設(shè)備的互操作性。 　　2.2　網(wǎng)絡(luò)拓撲 　　HSE設(shè)備分為4類：主機設(shè)備、鏈接設(shè)備、網(wǎng)關(guān)設(shè)備和以太網(wǎng)現(xiàn)場設(shè)備，其功能分別為對系統(tǒng)進行組態(tài)、監(jiān)控和管理，將H1總線段鏈入FF-HSE網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)與其它標(biāo)準(zhǔn)總線通信，連接高速I/O設(shè)備或PLC。HSE可直接使用以太網(wǎng)的交換設(shè)備、路由器等，通過雙絞線或光纖等將HSE設(shè)備連接起來，建立HSE總線控制網(wǎng)絡(luò)。如圖2—2所示。 3　HSE功能特色 　　HSE除了具有高帶寬和更好的開放性之外，靈活的網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備冗余形式以及靈活功能塊技術(shù)是HSE的兩個特色技術(shù)。 　　3.1　冗余形式 　　HSE的特色之一是它的冗余設(shè)計。HSE規(guī)范支持包括標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)應(yīng)用的冗余。HSE冗余提供通信路徑冗余（冗余網(wǎng)絡(luò)）和設(shè)備冗余兩類，允許所有端口通過選擇連接，如圖3—1所示。 　　通信路徑冗余是HSE交換機、鏈接設(shè)備和主機系統(tǒng)之間的物理層介質(zhì)冗余，或稱介質(zhì)冗余。冗余路徑對應(yīng)用是透明的，當(dāng)其中一條路徑發(fā)生中斷時，可選用另一條路徑通信。而設(shè)備冗余是為了防止由于單個HSE設(shè)備的故障造成控制失敗，在同一網(wǎng)絡(luò)中附加多個相同設(shè)備。由圖2-1的通信模型結(jié)構(gòu)可知，每個HSE設(shè)備中專門設(shè)計了一個HSE的LAN冗余實體（HSELRE），提供容錯處理，LAN冗余實體周期地發(fā)送和接收冗余診斷信息。每個HSE設(shè)備通過診斷信息建立一個網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)表，它記錄著連入網(wǎng)絡(luò)中的所有HSE設(shè)備的詳細狀態(tài)信息，根據(jù)這張網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)表，LRE來選擇決定使用哪條路徑或端口來傳送信息。HSE的容錯處理方法增強了控制網(wǎng)絡(luò)的可靠性和安全性。 　　3.2　靈活功能塊 　　功能塊是FF的技術(shù)特色之一，但是在靈活功能塊推出之前，F(xiàn)F設(shè)備根本不接收傳統(tǒng)的離散信號。HSE不僅支持FF所有標(biāo)準(zhǔn)功能塊，而且增加了靈活功能塊（FFB，F(xiàn)lexible Function Blocks），以實現(xiàn)離散控制，這是HSE的又一特色。靈活功能塊是具體應(yīng)用于混合、離散控制和I/O子系統(tǒng)集成的功能模塊，它包含了8個通道的多路模擬量輸入輸出、離散量輸入輸出和特殊應(yīng)用塊，并使用IEC61131-3定義的標(biāo)準(zhǔn)編程語言，也可以使用于H1中。靈活功能塊的應(yīng)用包括聯(lián)動驅(qū)動、監(jiān)控數(shù)據(jù)獲取、批處理、先進I/O子系統(tǒng)接口等，它支持多路技術(shù)、PLC和網(wǎng)關(guān)，可以說給用戶提供了一個標(biāo)準(zhǔn)化的企業(yè)綜合協(xié)議。 4　應(yīng)用實例和前景展望 　　以下給出一個FF-HSE現(xiàn)場總線用于水位和溫度控制的例子，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4—1所示，整個系統(tǒng)采用Smar公司的FF現(xiàn)場總線控制設(shè)備與軟件。在系統(tǒng)中，通過10/100M的交換機，將DFI302、管理計算機和監(jiān)控站連入到HSE網(wǎng)絡(luò)中。DFI302是結(jié)合了鏈路設(shè)備、現(xiàn)場設(shè)備、網(wǎng)關(guān)3種功能的FF現(xiàn)場總線控制器、接口和主機系統(tǒng)，其中的鏈接部件DF51將控制溫度、水位的H1控制鏈路接入HSE網(wǎng)絡(luò)。在上層監(jiān)控站，通過SYSCON軟件進行系統(tǒng)邏輯和控制策略組態(tài);采用支持OPC技術(shù)（OLEfor ProcessControl）的AIMAX組態(tài)軟件開發(fā)人機界面。 　　這種網(wǎng)絡(luò)形式，使得系統(tǒng)的開放性大大增強，用戶可以進行靈活的系統(tǒng)組態(tài)和系統(tǒng)集成。我們知道，無論是以太網(wǎng)還是TCP/IP都沒有形成一個完整的通訊協(xié)議棧，還需要應(yīng)用層和用戶層來形成一個開放的標(biāo)準(zhǔn)。HSE恰恰包括了所有這些層次，使得HSE成為真正意義上的完全開放協(xié)議，使得從設(shè)備到會議室的信息集成變得緊密而簡潔。HSE的設(shè)計 　　目標(biāo)就是具有控制功能的Internet，這種網(wǎng)絡(luò)形式為通過3 W的遠程操作奠定了基礎(chǔ)。它的多層次冗余設(shè)計大大增加了控制系統(tǒng)的可靠性，靈活的功能塊使得HSE可以為離散制造業(yè)提供理想的解決方案。 　　HSE充分體現(xiàn)了現(xiàn)場總線不僅是通訊協(xié)議，也是一種編程語言的概念，使得系統(tǒng)的組態(tài)、設(shè)備維護和診斷用統(tǒng)一的語言即可實現(xiàn)。HSE和H1相結(jié)合，使得基金會現(xiàn)場總線覆蓋了更寬廣的控制應(yīng)用領(lǐng)域，將給工業(yè)自動化提供高性能的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式。HSE將具有廣闊的應(yīng)用前景。 5　結(jié)束語 　　HSE提供了一種以經(jīng)濟的以太網(wǎng)硬件和軟件為構(gòu)架，低成本、高速的過程控制網(wǎng)絡(luò)。以100Mbit/s運行的HSE用于高速過程自動化、批處理、離散控制應(yīng)用中，同時也提供工廠管理和MIS系統(tǒng)的信息積累。HSE加強了以太網(wǎng)在工業(yè)領(lǐng)域中的地位，使FF技術(shù)涵蓋現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)層和控制網(wǎng)絡(luò)層，完全可以構(gòu)筑大型帶有層次調(diào)度控制功能和儀表電氣綜合控制能力的系統(tǒng)。 參考文獻： 　　[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]　陽憲惠.現(xiàn)場總線技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，1999. 　　[4]　馮冬芹，等.基金會現(xiàn)場總線的發(fā)展與特點[J].自動化儀表，2001，22（6）. 　　[5]　李嘉，楊佃福.引入以太網(wǎng)技術(shù)是現(xiàn)場總線技術(shù)發(fā)展的一個必然趨勢[J].自動化儀表，2001，22（5）.