1　前言 　　基金會現場總線（FF）是專為過程自動化而設計的通訊協議。FF現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。但隨著多媒體技術的發展和工業自動化水平的提高，控制網絡的實時信息傳輸量越來越大，H2的設計能力已不能滿足實時信息傳輸的帶寬要求。鑒于此，現場總線基金會放棄了原有H2總線計劃，取而代之的是將現場總線技術與成熟的高速商用以太網技術相結合的新型高速現場總線-基金會HSE（High Speed Ethernet）現場總線，并于2000年3月發布了HSE的最終規范。 2　通信結構和網絡拓撲 　　HSE是一種基于Ethernet+TCP/IP協議、運行在100Base-T以太網上的高速現場總線。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　通信結構 　　HSE模型采用了OSI參考模型中物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層和應用層，并在應用層上增加了用戶層，形成6層的通信模型。HSE的通信結構和模型分層的對應關系如圖2—1所示。 　　HSE的結構是一個增強型的標準以太網模式。底層采用標準以太網IEEE802.3μ的最新技術和CS-MA/CD鏈路控制協議來進行介質的訪問控制。TCP/IP協議是標準以太網的重要協議，它位于網絡層和傳輸層，實現面向連接和無連接的數據傳送，并為分布式主機控制協議（DHCP）、簡單網絡時間協議（SNTP）、簡單網絡管理協議（SNMP）和現場設備訪問代理（FDAAgent）提供傳輸服務。HSE系統和網絡管理代理、功能塊、HSE管理代理和現場設備訪問代理都位于用戶層和應用層中，提供設備的描述和訪問、功能塊應需添加任何專用設備即可直接連入高速網絡，同時也從另一方面增強了HSE設備的互操作性。 　　2.2　網絡拓撲 　　HSE設備分為4類：主機設備、鏈接設備、網關設備和以太網現場設備，其功能分別為對系統進行組態、監控和管理，將H1總線段鏈入FF-HSE網絡，實現與其它標準總線通信，連接高速I/O設備或PLC。HSE可直接使用以太網的交換設備、路由器等，通過雙絞線或光纖等將HSE設備連接起來，建立HSE總線控制網絡。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，靈活的網絡和設備冗余形式以及靈活功能塊技術是HSE的兩個特色技術。 　　3.1　冗余形式 　　HSE的特色之一是它的冗余設計。HSE規范支持包括標準以太網應用的冗余。HSE冗余提供通信路徑冗余（冗余網絡）和設備冗余兩類，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、鏈接設備和主機系統之間的物理層介質冗余，或稱介質冗余。冗余路徑對應用是透明的，當其中一條路徑發生中斷時，可選用另一條路徑通信。而設備冗余是為了防止由于單個HSE設備的故障造成控制失敗，在同一網絡中附加多個相同設備。由圖2-1的通信模型結構可知，每個HSE設備中專門設計了一個HSE的LAN冗余實體（HSELRE），提供容錯處理，LAN冗余實體周期地發送和接收冗余診斷信息。每個HSE設備通過診斷信息建立一個網絡狀態表，它記錄著連入網絡中的所有HSE設備的詳細狀態信息，根據這張網絡狀態表，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絡的可靠性和安全性。 　　3.2　靈活功能塊 　　功能塊是FF的技術特色之一，但是在靈活功能塊推出之前，FF設備根本不接收傳統的離散信號。HSE不僅支持FF所有標準功能塊，而且增加了靈活功能塊（FFB，Flexible Function Blocks），以實現離散控制，這是HSE的又一特色。靈活功能塊是具體應用于混合、離散控制和I/O子系統集成的功能模塊，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用塊，并使用IEC61131-3定義的標準編程語言，也可以使用于H1中。靈活功能塊的應用包括聯動驅動、監控數據獲取、批處理、先進I/O子系統接口等，它支持多路技術、PLC和網關，可以說給用戶提供了一個標準化的企業綜合協議。 4　應用實例和前景展望 　　以下給出一個FF-HSE現場總線用于水位和溫度控制的例子，系統結構如圖4—1所示，整個系統采用Smar公司的FF現場總線控制設備與軟件。在系統中，通過10/100M的交換機，將DFI302、管理計算機和監控站連入到HSE網絡中。DFI302是結合了鏈路設備、現場設備、網關3種功能的FF現場總線控制器、接口和主機系統，其中的鏈接部件DF51將控制溫度、水位的H1控制鏈路接入HSE網絡。在上層監控站，通過SYSCON軟件進行系統邏輯和控制策略組態;采用支持OPC技術（OLEfor ProcessControl）的AIMAX組態軟件開發人機界面。 　　這種網絡形式，使得系統的開放性大大增強，用戶可以進行靈活的系統組態和系統集成。我們知道，無論是以太網還是TCP/IP都沒有形成一個完整的通訊協議棧，還需要應用層和用戶層來形成一個開放的標準。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議，使得從設備到會議室的信息集成變得緊密而簡潔。HSE的設計 　　目標就是具有控制功能的Internet，這種網絡形式為通過3 W的遠程操作奠定了基礎。它的多層次冗余設計大大增加了控制系統的可靠性，靈活的功能塊使得HSE可以為離散制造業提供理想的解決方案。 　　HSE充分體現了現場總線不僅是通訊協議，也是一種編程語言的概念，使得系統的組態、設備維護和診斷用統一的語言即可實現。HSE和H1相結合，使得基金會現場總線覆蓋了更寬廣的控制應用領域，將給工業自動化提供高性能的網絡結構形式。HSE將具有廣闊的應用前景。 5　結束語 　　HSE提供了一種以經濟的以太網硬件和軟件為構架，低成本、高速的過程控制網絡。以100Mbit/s運行的HSE用于高速過程自動化、批處理、離散控制應用中，同時也提供工廠管理和MIS系統的信息積累。HSE加強了以太網在工業領域中的地位，使FF技術涵蓋現場網絡層和控制網絡層，完全可以構筑大型帶有層次調度控制功能和儀表電氣綜合控制能力的系統。 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.現場總線技術及其應用[M].北京：清華大學出版社，1999. 　　[4]　馮冬芹，等.基金會現場總線的發展與特點[J].自動化儀表，2001，22（6）. 　　[5]　李嘉，楊佃福.引入以太網技術是現場總線技術發展的一個必然趨勢[J].自動化儀表，2001，22（5）.