总线专题：第四讲 FF的HSE

上一讲讲了基金会现场总线的低速部分H1,本讲的内容是FF的高速部分HSE。

1.HSE的由来

按照现场总线基金会原来的构思，基金会现场总线FF（Foundation Fieldbus）是由低速部分H1与高速部分H2共同组成，H2的传输速率有1Mbps与2.5Mbps二种，传输距离分别为750m与500m。由于技术的低速发展，互联网技术向控制网络的渗透，H2还未正式出台就已经显得不适应应用的需求而改为高速以太网HSE（High Speed Ethernet），其传输速率为100Mbps，并于2000年3月29日发布了HSE的规范。由于HSE采用了以太网，所以要简单地先介绍了一下以太网与工业以太网。

2.以太网的简介

（1）以太网的由来

以太网（Ethernet）最初是由美国Xerox公司于1975年推出的一种局域网，他以无源电缆作为总线来传送数据，并以曾经在历史上表示传播电磁波的以太（Ether）来命名，那个时候认为以太无所不在（实际上目前认为他并不存在），所以借此来理解为可以将大量数据一次送往任何各地。1980年9月，DEC(数据设备公司，目前已被Compact公司收购，已不存在)，Intel及Xerox合作公布了Ethernet物理层和数据链路层的规范，称为DIX规范。IEEE802.3是由美国电气与电子工程师协会IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers)公布了以太网物理层和数据链路层的规范。IEEE802.3是由IEEE在DIX规范基础上进行了修改而制定的标准，电子IEEE只是美国的电气和电子工程师协会，所以IEEE802.3并不是国际标准，只有当国际标准化组织ISO(International Standards Organigation)接受而成为ISO8802-3标准后，才能正式成为国际标准，于是以太网就获得快速的发展。严格来讲，以太网与IEEE802.3标准并不完全相同，但人们通常都将IEEE802.3就认为是以太网标准。

（2）介质访问控制协议CSMA/CD

最能表证以太网通信的基础就是CSMA/CD。在802.3以太网MAC(介质访问控制)层中，对介质的访问控制采用了载波监听多路访问/冲突检测协议CSMA/CD其主要思想可用“先听后说，边说边听”的形象来表示。“先听后说”是指在发送数据之前先监听总线的状态。在以太网上，每个设备可以在任何时候发送数据。发送给在发送数据之前先要检测通信信道中的载波信号，如果没有检测到载波信号，说明没有其他站在发送数据，或者说在信道上没有数据，该站可以发送。否则，说明信道上有数据，需等待一个随机的时间后再重复检测，直到能够发送数据为止。当信号在传送时，每个站均检查数据帧中的目的地址字段，并依此判定是接受该帧还是忽略该帧。由于数据在网中的传输需要时间，总线上可能会出现二个和二个以上的站点监听到总线上没有数据而发送数据帧，因此就会发生冲突，“边说边听”就是指在发送数据的过程的同时检测总线上的冲突。冲突检测最基本思想是一边将信息输送到传输介质上，一边从传输介质上接收信息，然后将发送出去的信息和接收的信息进行按位比较。如果二者一致，说明没有冲突；如果二者不一致，则说明总线上发生了冲突。一旦检出冲突以后，不必讲数据帧全部发完，CSMA/CD立即停止数据帧的发送，并向总线发送一串阻塞信号，让其总线上其他各线均能感知冲突已经发生。总线上各站点“听”到阻塞信号以后，均等待一段随机的时间，然后再去重发受冲突影响的数据帧。这一段随机的时间通常由网卡中的一个算法来决定。CSMA/CD的优势在于站点无需依靠中心控制就能进行数据发送。当网络通信量较小的时候，冲突很少发生，这种介质访问控制方式是快速而有效的。当网络负载较重的时候，就容易出现冲突，网络性能也相应降低。

这种通信方式，对通信量大而且没有实时性要求的场合是非常有效的，因此在办公自动化上应用非常适合；而在控制领域上应用时，由于不能满足实时性和时间上的确定性的要求，就出现了问题，必须采取相应措施才能奏效，这在以后有关实时以太网的讲座中，再行讲解。

（3）冲突退避算法

在802.3以太网中，当检测到冲突检测出来以后，就要重发原来的数据帧。冲突过的数据帧的重发又可能再次引起冲突。为避免这种情况的发生，经常采用错开各站的重发时间的办法来解决，重发时间的控制问题就是冲突退避算法问题。

最常用的计算重发时间间隔的算法就是二进制指数退避算法。其本质上是根据冲突的历史估计网上信息量而决定本次应等待的时间。按此算法，当发生冲突时，控制器延迟一个随机长度的间隔时间，如下式所示：

TN=R×A×(2N-1)

式中：R为0～1的随机数；A是时间片（可选总线循环一周的时间）；N是连续冲突的项数。整个算法过程可以理解为

1）每个帧在首次发生冲突时的退避时间为T1。

2）当重复发生一次冲突，则最大退避时间加倍，然后组织重传数据帧。

3）在10次碰撞发生后，该间距将被冻结在最大时间片（即1023）上。

4）16次碰撞后，控制器将停止发送，并向节点微处理器回报失败信息。

这个算法中等待时间的长短与冲突的历史有关，一个数据帧遭遇的冲突次数越多，则等待时间越长，说明网上传输的数据量越大。

3.工业以太网

以太网是用于办公自动化的技术，要用于工业领域必须在沿用以太网技术的基础上，采取相应的措施才行。

（1）以太网与工业以太网不同之点

1）早先的以太网规范只包括OSI通信模型中的物理层与数据链路层；而工业以太网则还包括了网络层，传输层和应用层，见图1所示。图中MAC代表介质访问控制（Media Access Control）,IP(Internet Protoeol)指网际互联协议，TCP（Transmission Control Protocol）为传输控制协议而UDP（User Datagram Protocol）则指用户数据报协议。

图1工业以太网与OSI互连参考模型的分层对照

2）要适应工业环境需采取的措施：

·优质的元器件及材料以保证其可靠性。

·机械环境的适应性，如耐根动、耐冲击。

·气候环境的适应性，如工作温度要求为-40～85℃，至少为-20～70℃，并要耐腐蚀、防尘与防水。

·电磁环境适应性或电磁兼容性EMC如符合EN50081-2、EN50082-2标准（EN为欧洲标准）

这样工业以太网的价格就比以太网要高得多。至于实时性，时间确定性，供电与防爆等问题在以后的实时工业以太网中讲解。

（2）在工业以太网中，一般利用TCP/IP协议来发送非实时数据；而用UDP/IP发送实时数据，非实时数据的特点是大小和发送频率经常变化；实时数据的特点是数据包短，负荷低。TCP/IP用来提供组态和诊断信息传输；而UDP/IP提供实时I/O传输 。

（3）存在的重要问题。信息的传送一般要有个“三部曲”：

1）互连。即要解决互相连接的问题，工业以太网在物理层都采用了标准的RJ45的连接器，因此这个互连的问题已经解决了。

2）互送。即要解决信息的互相传送到目的地的问题。现在工业以太网采用了TCP/IP协议以后，这个问题也已经解决。

3）互操作。即相互可以操作的问题。要想进行互操作，首先要“读懂”送来信息的内容，但目前由于各大公司的产品各有各的协议与规范，也就是数据格式各不相同。因此甲公司送给乙公司的信息，乙公司固然可以收到，但却不能解读。形象化来讲，如果甲给乙送来的“信件”是“中文”，而乙却只懂“英文”而不懂“中文”，这就需要统一“文字”或进行“翻译”。也就是目前存在的问题。毛病就处在大家的应用层上。

（4）解决的办法

1）比较彻底的办法，是建立一个国际标准。目前国际上已经有了一些组织如工业以太网协会（Industrial Ethernet Association）、工业自动化开放网络联合会IAONA(Industrial Automation Open Networking Alliance)、和IDA(Interface for Distributed Architecture)小组等组织，而IEC也在致力于建立标准，能否建立一个统一的国际标准，由于各大公司的互不相让，看来也难。

2）依靠OPC-XML(Extensible Mate up Language可推展标准语言)，也就是一种间接的办法，靠“翻译”来沟通。这种办法虽然并不理想，但还可行，正如目前各种现场总线还只能靠OPC办法来解决互操作的问题。

4.HSE

由于HSE本身就是工业以太网的一种，所以前面已经讲过以太网和工业以太网后，讲HSE就比较简单了。

（1）HSE的通信模型

图2表示了HSE通信模型的分层。他与工业以太网不同之处是在应用层上又加了用户层。而HSE的应用层又具有HSE特色的现场访问设备FDA(Field Device Access)，并按H1的惯例，HSE把从数据链路层到应用层的相关软件功能集成为通信栈，称为HSE Stack。用户层包括功能块、设备描述、网络与系统管理等功能。

图2 HSE通信模型的分层结构

（2）HSE通信系统的模块结构

图3表示了HSE通信系统各层的模块结构。图中SMIB代表系统管理信息库，NMIB为网络管理信息库，OD为对象字典，DD为设备描述，SNTP为简单网络定时协议，SNMP为简单网络管理协议，MAC为介质访问控制而PHY层为物理层。

图3 HSE通信系统的模块结构

（3）HSE的网络系统与设备类型

图4说明了HSE网络中各类设备的相互关系。其中链接设备LD（Linking Device）起到了重要作用。一方面LD负责从所挂接的H1网段收集现场总线信息，然后把H1地址转换成IPV4或者IPV6的地址，选择H1网段的数据就可以在TCP/UDP/IP网络上进行传递；另一方面将接收到TCP/UDP/IP信息的LD可以将IPV4/IPV6地址转换为H1地址，将发往H1网断的信息放到现场目的网段中进行传送。这样，通过LD就可以实现跨H1网段的组态；甚至可以把H1与PLC等其他控制系统集成起来。这样LD就同时具有了网桥与网关的功能。

图4 HSE的网络系统与设备类型

（4）HSE的应用

由于HSE与H1相比是后来推出的技术，算是比较新的，而且资料较少，设备也不多，所以尚未看到实用的例子。如今年6月中国与BP英国石油合资投产的Secco90万t乙烯装置，在世界上同期建设10个同类的项目中，Secco所采用的FF是最多的一个，其规模为I/O有4万个左右，FF仪表的1万3千多台，H1有2300多个网段，就是还没有用上HSE，因此暂缺应用实例。