1.1 现场总线简介

现场总线（Fieldbus）自产生以来，一直是自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网，各自动化厂商纷纷推出自己的现场总线产品，并在不同的领域和行业得到了越来越广泛的应用，现在已处于稳定发展期。近几年，无线传感网络与物联网（IoT）技术也融入工业测控系统中。

按照国际电工委员会（IEC）对现场总线一词的定义，现场总线是一种应用于生产现场，在现场设备之间、现场设备与控制装置之间实行双向、串行及多节点数字通信的技术。它作为工业数据通信网络的基础，沟通了生产过程现场级控制设备之间，及其与更高控制管理层之间的联系。它不仅是一个基层网络，而且还是一种开放式、新型全分布式控制系统。这项以智能传感、控制、计算机及数据通信为主要内容的综合技术，已成为自动化技术发展的热点，并将导致自动化系统结构与设备的深刻变革。

1.1.1 现场总线的产生

在过程控制领域中，从20世纪50年代至今一直都在使用着一种信号标准，那就是4～20mA的模拟信号标准。20世纪70年代，数字式计算机引入到测控系统中，而此时的计算机提供的是集中式控制处理。20世纪80年代微处理器在控制领域得到应用，微处理器被嵌入到各种仪器设备中，形成了分布式控制系统。在分布式控制系统中，各微处理器被指定运行一组特定任务，通信则由一个带有附属“网关”的专有网络提供，网关的程序大部分是由用户编写的。

随着微处理器的发展和广泛应用，产生了以IC代替常规电子线路，以微处理器为核心，实施信息采集、显示、处理、传输及优化控制等功能的智能设备。对于一些具有专家辅助推断分析与决策能力的数字式智能化仪表产品，其本身具备了诸如自动量程转换、自动调零、自校正及自诊断等功能，还能提供故障诊断、历史信息报告、状态报告及趋势图等功能。通信技术的发展，促使传送数字化信息的网络技术开始广泛应用。与此同时，基于质量分析的维护管理、与安全相关系统的测试的记录以及环境监视需求的增加，都要求仪表能在当地处理信息，并在必要时允许被管理和访问，这些也使现场仪表与上级控制系统的通信量大增。另外，从实际应用的角度，控制界也不断在控制精度、可操作性、可维护性及可移植性等方面提出新需求。由此，现场总线产生了。

现场总线就是用于现场智能化装置与控制室自动化系统之间的一个标准化的数字式通信链路，可进行全数字化、双向及多站总线式的信息数字通信，实现相互操作以及数据共享。现场总线的主要目的是用于控制、报警和事件报告等工作。现场总线通信协议的基本要求是响应速度和操作的可预测性的最优化。现场总线是一个低层次的网络协议，在其之上还允许有上级的监控和管理网络，负责文件传送等工作。现场总线为引入智能现场仪表提供了一个开放平台，基于现场总线的分布式控制系统（FCS），将是继DCS后的新一代控制系统。

1.1.2 现场总线标准的制定

数字技术的发展完全不同于模拟技术，数字技术标准的制订往往早于产品的开发，标准决定着新兴产业的健康发展。国际电工委员会/国际标准协会（IEC/ISA）自1984年起着手现场总线标准工作，但统一的标准至今仍未完成。

IEC TC65（负责工业测量和控制的第65标准化技术委员会）于1999年底通过的8种类型的现场总线作为IEC61158最早的国际标准。

最新的IEC61158Ed.4标准于2007年7月出版。

IEC 61158Ed.4由多个部分组成，主要包括以下内容：

IEC 61158-1总论与导则；

IEC 61158-2物理层服务定义与协议规范；

IEC 61158-300数据链路层服务定义；

IEC 61158-400数据链路层协议规范；

IEC 61158-500应用层服务定义；

IEC 61158-600应用层协议规范。

IEC 61158Ed.4标准包括的现场总线类型如下：

Type 1IEC61158（FF的H1）；

Type 2CIP现场总线；

Type 3PROFIBUS现场总线；

Type 4P-Net现场总线；

Type 5FFHSE现场总线；

Type 6SwiftNet被撤销；

Type 7WorldFIP现场总线；

Type 8INTERBUS现场总线；

Type 9FFH1以太网；

Type 10PROFINET实时以太网；

Type 11TCnet实时以太网；

Type 12EtherCAT实时以太网；

Type 13EtherNetPowerlink实时以太网；

Type 14EPA实时以太网；

Type 15Modbus-RTPS实时以太网；

Type 16SERCOS Ⅰ、Ⅱ现场总线；

Type 17VNET/IP实时以太网；

Type 18CC-Link现场总线；

Type 19SERCOS Ⅲ现场总线；

Type 20HART现场总线。

每种总线都有其产生的背景和应用领域。总线是为了满足自动化发展的需求而产生的，由于不同领域的自动化需求各有其特点，因此，在某个领域中产生的总线技术一般对这一特定领域的满足度高一些，应用多一些，适用性也好一些。

1.1.3 工业以太网引入工业领域

现场总线打破了传统控制系统的结构形式，采用数字信号替代模拟信号的传输，在一对双绞线上可以挂接多个节点。但在传输速率等方面具有一定的局限性，比如运动控制场合需要微妙级的数据刷新周期，现场总线难以满足其要求。工业以太网以其应用广泛、通信速率高及成本低廉等优势引入到工业控制领域，成为新的热点。工业以太网使用率正在工业自动化和过程控制市场上迅速增长，几乎所有远程I/O接口技术的供应商均提供一个支持TCP/IP协议的以太网接口，如Siemens、Rockwell、GE、Fanuc等，他们销售各自的PLC产品，但同时提供与远程I/O和基于PC的控制系统相连接的接口。