基金會(huì)高速現(xiàn)場總線FF-HSE分析與應(yīng)用研究
時(shí)間:2008-05-19 13:13:00來源:ronggang
導(dǎo)語:?HSE提供了一種以經(jīng)濟(jì)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(yùn)行的HSE用于高速過程自動(dòng)化、批處理、離散控制應(yīng)用中,同時(shí)也提供工廠管理和MIS系統(tǒng)的信息積累
1 前言
基金會(huì)現(xiàn)場總線(FF)是專為過程自動(dòng)化而設(shè)計(jì)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(dòng)化水平的提高,控制網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)信息傳輸量越來越大,H2的設(shè)計(jì)能力已不能滿足實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)膸捯?。鑒于此,現(xiàn)場總線基金會(huì)放棄了原有H2總線計(jì)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(huì)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?fù)?/b>
HSE是一種基于Ethernet+TCP/IP協(xié)議、運(yùn)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(bǔ)充和增強(qiáng)。
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(gè)增強(qiáng)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(jìn)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(shí)現(xiàn)面向連接和無連接的數(shù)據(jù)傳送,并為分布式主機(jī)控制協(xié)議(DHCP)、簡單網(wǎng)絡(luò)時(shí)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(shí)也從另一方面增強(qiáng)了HSE設(shè)備的互操作性。
2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?
HSE設(shè)備分為4類:主機(jī)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(jìn)行組態(tài)、監(jiān)控和管理,將H1總線段鏈入FF-HSE網(wǎng)絡(luò),實(shí)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(gè)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(jì)。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(jī)、鏈接設(shè)備和主機(jī)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(shí),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(gè)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(gè)相同設(shè)備。由圖2-1的通信模型結(jié)構(gòu)可知,每個(gè)HSE設(shè)備中專門設(shè)計(jì)了一個(gè)HSE的LAN冗余實(shí)體(HSELRE),提供容錯(cuò)處理,LAN冗余實(shí)體周期地發(fā)送和接收冗余診斷信息。每個(gè)HSE設(shè)備通過診斷信息建立一個(gè)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(xì)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(cuò)處理方法增強(qiáng)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(shí)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(gè)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(dòng)驅(qū)動(dòng)、監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)獲取、批處理、先進(jìn)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的企業(yè)綜合協(xié)議。
4 應(yīng)用實(shí)例和前景展望
以下給出一個(gè)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(gè)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(jī),將DFI302、管理計(jì)算機(jī)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(jī)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(jìn)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(jī)界面。
這種網(wǎng)絡(luò)形式,使得系統(tǒng)的開放性大大增強(qiáng),用戶可以進(jìn)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(gè)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(gè)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(huì)議室的信息集成變得緊密而簡潔。HSE的設(shè)計(jì)
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(yuǎn)程操作奠定了基礎(chǔ)。它的多層次冗余設(shè)計(jì)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(hù)和診斷用統(tǒng)一的語言即可實(shí)現(xiàn)。HSE和H1相結(jié)合,使得基金會(huì)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(dòng)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(jì)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(yùn)行的HSE用于高速過程自動(dòng)化、批處理、離散控制應(yīng)用中,同時(shí)也提供工廠管理和MIS系統(tǒng)的信息積累。HSE加強(qiáng)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)。
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