按照國際電工委員會IEC/SC65C的定義，安裝在制造或過程區域的現場裝置與控制室內的自動控制裝置之間的數字式、串行和多點通信的數據總線稱為現場總線。根據使用場合和用途不同，現場總線又分為H1低速現場總線和H2高速現場總線。IEC/SC65C最初定義H1總線為用于制造或過程區域的、通過兩根傳輸線向現場裝置供電的低速串行總線，H2總線為無需解決兩線制供電，用于裝置間傳送信息的高速串行總線。H1和H2總線相輔相成構成了完整的工業自動化系統信息通信網絡。
經過長達15年的爭論，IEC61158用于工業控制系統的現場總線國際標準于2000年初終于獲得通過，現場總線之爭逐漸隨之退潮，IEC/SC65C/WG6現場總線標準委員會到此也完成了歷史使命。為了進一步完善IEC61158標準，IEC/SC65C成立了MT9現場總線修訂小組，繼續這方面的工作。MT9工作組在原來8種類型現場總線的基礎上不斷完善擴充，于2001年8月制定出由10種類型現場總線組成的第三版現場總線標準，它們是：Type1 TS61158 現場總線、Type2 ControlNet 和 Ethernet/IP 現場總線、Type3 Profibus現場總線、Type4 P-NET現場總線、Type5 FF HSE現場總線、Type6 Swift-Net 現場總線、Type7 WorldFIP現場總線、Type8 INTERBUS現場總線、Type9 FF H1現場總線以及Type10 PROFInet現場總線，該標準于2003年4月成為正式國際標準。限于篇幅，本文對10種類型總線做概要論述，并簡單綜述上述總線近三年來的最新進展。
1 Type1 TS61158 現場總線
Type1 現場總線標準由以下部分構成：
PhL：IEC61158-2：1993標準的超集（Superset）；
Foundation Fieldbus的超集；
WorldFIP的功能超集；
DLL：IEC TS61158-3，TS61158-4；
Foundation Fieldbus的超集；
WorldFIP的功能超集；
AL：IEC TS61158-5，TS61158-6。
1998年之前，IEC/SC65C只推薦一種類型的現場總線，該總線主要采納Foundation Fieldbus總線和WorldFIP總線基本技術，并嚴格按照IEC定義制定現場總線標準，由于各種原因，經過多輪投票未獲通過，只能按規定成為技術報告TS61158，以此為基礎形成了現在的Type1現場總線。國際電工委員會推薦的通用現場總線網絡結構如圖1所示，從圖中可以看出現場總線系統可以支持各種工業領域的信息處理、監視和控制系統，用于過程控制傳感器、執行器和本地控制器之間的低級通信，可以與工廠自動化的PLC實現互連。在這里，H1現場總線主要用于現場級，其速率為31.25Kbps，負責兩線制向現場儀表供電，并能支持帶總線供電設備的本質安全；H2現場總線主要面向過程控制級、監控管理級和高速工廠自動化的應用，其速率為1Mbps，2.5Mbps和100Mbps。
圖1 通用現場總線網絡結構
2 Type2 ControlNet和Ethernet/IP現場總線
由ControlNet International(CI)組織負責制定的Type2現場總線標準由以下部分組成：
PhL和DLL：ControlNet；
AL：Control Net和Ethernet/IP。
Type2現場總線系統體系結構如圖2所示。ControlNet采用一種新的通信模式，即生產者/客戶（Producer/Consumer）模式，這種模式允許網絡上的所有節點，同時從單個數據源存取相同的數據，其主要特點是增強了系統的功能，提高了效率和實現精確的同步。網絡的媒體送取，通過限制時間存取算法來控制，即采用并行時間域多路存取（CTDMA）方法，在每個網絡刷新間隔（NUI）內調節節點的傳送信息機會。
圖2 Type2 現場總線系統體系結構
Ethernet/IP以太網工業協議是一種開放的工業網絡，它使用有源星形拓撲結構，可以將10Mbps和100Mbps產品混合使用。該協議在TCP/UDP/IP之上附加控制和信息協議（CIP），提供一個公共的應用層。CIP的控制部分用于實時I/O報文，其信息部分用于報文交換。ControlNet和Ethernet/IP都使用該協議通信，分享相同的對象庫、對象和設備行規，使得多個供應商的設備能在上述整個網絡中實現即插即用。對象的定義是嚴格的，在同一種網絡上支持實時報文、組態和診斷。為了提高工業以太網的實時性能，ODVA（開放的DeviceNet供應商協會）于2003年8月公布了IEEE1588“用于Ethernet/IP實時控制應用的時鐘同步”標準。
3 Type3 Profibus 現場總線
Type3 現場總線得到Profibus用戶組織PNO的支持，德國西門子公司則是Profibus產品的主要供應商。Profibus系列由三個兼容部分組成，即Profibus-DP、Profibus-FMS和Profibus-PA三條總線構成。為了提高Profibus總線性能，近幾年PNO推出了新版本的Profibus-DP-V1和Profibus-DP-V2，同時逐步取消Profibus-FMS總線。擴展的Profibus-DP現場總線體系結構如圖3所示，Profibus-DP特別適用于設備級自動控制系統與分散I/O之間高速通信。Profibus-PA專為過程自動化設計，它能夠將變送器和執行器連接到一根公共總線，使用兩根線就可以完成供電和數據通信，并能實現本質安全性能。以此為基礎，擴展的DP功能DPV1進一步完善了Profibus-PA功能；DPV2解決了從站之間的通信與時間同步等重大問題。
圖3 Type3 Profibus現場總線體系結構
Profibus-DPV1主要是增加了非循環服務，并擴大了與2類主站的通信。眾所周知，Profibus-DP性能的特征是在循環連接（Mscy-C1）的基礎上應用數據交換服務，實現一個主站和一系列從站之間集中的數據交換。1類主站指PLC、PC或控制器。2類主站指操作員站和編程器等。DPV1擴展了上述功能，在已有的Mscy-C1連接基礎上，增加了非循環服務，利用新的服務可以對從站中任何數據組進行讀寫。過去，2類主站只能利用DP從站的無連接服務，現在則可通過面向連接的通信對數組進行非循環讀寫，同時為進入因特網通信擴充了功能。
Profibus-DPV2可以實現循環通信、非循環通信以及從站之間的通信。由于從站之間可直接通信，通信時間縮短1個DP總線周期和主站周期，從而使反應時間縮短60%至90%，同時建立了等時間間隔的總線循環周期，其時間偏差小于1μs，即適用于高精度定位控制，又可實現閉環控制。DPV2可根據不同的應用需要開發專用行規（profile），如用于運動控制的ProfiDrive和用于聯鎖保護的ProfiSafe等。
4 Type4 P-NET現場總線
P-NET現場總線由丹麥Process-Data Sikebory Aps公司從1983年開始開發，主要應用于啤酒、食品、農業和飼養業，它得到P-NET用戶組織的支持，在現場大約有5000多個應用系統。
圖4 Type4 P-NET現場總線體系結構
P-NET現場總線是一種多主站、多網絡系統，圖4給出了P-NET系統的體系結構。總線采用分段結構，每個總線分段上可以連接多個主站，主站之間通過接口能夠實現網上互連，它允許在幾個總線區直接尋址，無需遞階網絡結構。該總線通信協議包括1、2、3、4和7層，并利用信道機構定義用戶層。通信采用虛擬令牌（virtual token）傳遞方式，主站發送一個請求，被尋址的從站在390μs內立即返回一個響應，只有存放到從站內存中的數據才可被訪問。每個站節點都含有一個通用的單芯片微處理機，配套的2KB EPROM不僅可用作通信，而且可用于測量、標定、轉換和應用功能。P-NET接口芯片執行數據鏈路層的所有功能，第3層和第4層的功能由宿主處理器中的軟件解決。該總線物理層基于RS-485標準，使用屏蔽雙絞線電纜，傳輸距離1.2km，應用NRZ編碼異步傳輸。
5 Tpye5 FF HSE現場總線
1998年，美國Fieldbus Foundation（FF）基金會決定采用高速以太網（High Speed Ethernet，HSE）技術開發H2現場總線，作為現場總線控制系統控制級以上通信網絡的主干網，它與H1現場總線整合構成信息集成開放的體系結構，圖5給出了系統結構。HSE網絡遵循標準的以太網規范，并根據過程控制的需要適當增加了一些功能，但這些增加的功能可以在標準的Ethernet結構框架內無縫地進行操作，因而FF HSE總線可以使用當前流行的商用（COTS）以太網設備。100Mbps以太網拓撲是采用交換機形成星形連接，這種交換機具有防火墻功能，以阻斷特殊類型的信息出入網絡。HSE使用標準的IEEE802.3信號傳輸，標準的Ethernet接線和通信媒體。設備和交換機之間距離，使用雙絞線為100米，光纜可達2千米。HSE使用連接裝置（LD）連接H1子系統，LD執行網橋功能，它允許就地連在H1網絡上的各現場設備，以完成點對點對等通信。HSE支持冗余通信，網絡上的任何設備都能作冗余配置。
FF HSE的1~4層由現有的以太網、TCP/IP和IEEE標準所定義，HSE和H1使用同樣的用戶層，現場總線信息規范（FMS）在H1中定義了服務接口，現場設備訪問代理（FDA）為HSE提供接口。用戶層規定功能模塊、設備描述（DD）、功能文件（CF）以及系統管理（SM）。FF規范21種功能模塊供基本的和先進的過程控制使用。FF還規定了新的柔性功能模塊（FFB），用以進行復雜的批處理和混合控制應用，FFB支持數據采集的監控，子系統接口、事件順序、多路數據采集、PLC和其他協議通信的網間連接器。
圖5 Type5 FF HSE現場總線體系結構
6 Type6 SwiftNet現場總線
Type6 SwiftNet現場總線由美國SHIP STAR協會主持制定，得到美國波音公司的支持，主要用于航空和航天等領域。該總線是一種結構簡單、實時性高的總線，協議僅包括物理層和數據鏈路層。SwiftNet現場總線采用分層總線式拓撲結構，其通信體系結構如圖6所示。
圖6 Type 6 SwiftNet現場總線體系結構
物理層傳送速率為5Mbps，此時每秒傳送105個不同的報文。總線使用TDMA（Slotted time division multiple access）槽路時間片多路送取方式，提供專用高速、低抖動同步通道和按要求指定的通道。專用通道適用于自動狀態數據的分配或交換；按要求指定的通道則適用于非調度報文。TDMA方式是將總線上的時間分割為相等長度間隔，稱作槽路，只有當總線上的站分配到槽路時，它才能監聽和發送。每個站還能根據所占的比例，協調總線訪問、數據傳輸和接收數據。
SwiftNet總線的節點（從站）通過I/O通道連接智能傳感器，由于航空航天領域對傳感器和執行器要求高，該總線開始使用符合IEEE1451.1和IEEE1451.2標準的網絡傳感器。IEEE1451.2《用于傳感器和執行器的智能轉換器接口》標準是一個開放的標準，它在控制網絡和傳感器之間定義一個標準接口，從而使網絡傳感器成為現場總線系統現場級的數字化傳感器，并使用戶可以根據自己的需要選擇不同廠家生產的智能傳感器，實現真正意義上的即插即用。
7 Type7 WorldFIP現場總線
1987年成立的WorldFIP協會制定并大力推廣Type7 WorldFIP現場總線。WorldFIP協議是EN50170歐洲標準的第三部分，物理層采用IEC61158.2標準，其產品在法國占有60%市場，在歐洲占有大約25%份額，它廣泛應用于發電與輸配電、加工自動化、鐵路運輸、地鐵和過程自動化領域。
WorldFIP現場總線體系結構如圖7所示，系統分為三級，即過程級、控制級和監控級。它能滿足用戶各種需要，適合于各種類型的應用結構，集中型、分散型和主站/從站型。用單一的WorldFIP總線滿足過程控制、工廠制造加工和各種驅動系統的需要。為了適應低成本的要求，開發了低成本的Device WorldFIP（DWF）總線，它是設備一級網絡，能很好適應工業現場的各種惡劣環境，并具有本質安全防爆性能，可以實現多主站與從主站的通信。
圖7 Type7 WroldFIP現場總線體系結構
WorldFIP協議由物理層、數據鏈路層和應用層組成。數據鏈路層采用總線裁決方式，在任何一個給定瞬間，僅有一個站可以執行總線裁決功能，它使用一個ID-DAT幀在總線上廣播一個標識，連接到總線上所有站的鏈路層同時記錄ID-DAT幀，僅有一站被識別為標識的生產者，其它站僅作為使用者。應用層提供MPS和SubMMS服務，MPS是工廠周期/非周期服務，SubMMS則是工業報文的子集。
8 Type8 INTERBUS現場總線
Type8 INTERBUS現場總線由德國Phoenix Contact 公司開發，INTERBUS Club俱樂部支持。INTERBUS在全球有1000多家總線設備生產商，提供2500多種產品，到目前為止，INTERBUS在全球自動化領域已有50多萬套應用系統得到廣泛應用。
INTERBUS現場總線是一種開放的串行總線，可以構成各種拓撲形式，并允許有16級嵌套連接方式。該總線最多可掛512個現場設備，設備之間的最大距離400米，無需中繼器網絡的最大距離為12.8公里。INTERBUS總線包括遠程總線和本地總線，遠程總線用于遠距離傳送數據，采用RS-485傳輸，網絡本身不供電，通信速率為500Kbps和2Mbps。INTERBUS有自己獨特的環路結構，環路使用標準電纜同時傳送數據和電源。環路可以連接模擬、數字設備甚至復雜的傳感器/執行器，也允許直接接入智能終端儀表。
圖8 Type8 INTERBUS現場總線體系結構
協議包括物理層、數據鏈路層和應用層。數據鏈路層采用面向過程數據的傳輸方法及集總幀協議，可以傳輸循環過程數據和非循環數據，幀信息包括一個啟動信號、回送信息、數據安全/結束信息。集總幀具有非常高的傳輸效率，其效率高達52%，盡管INTERBUS通信速率為500Kbps和2Mbps，通信速度和效率很高。應用層服務用于實現實時數據交換、VFD支持、變量訪問、程序調用和12個相關的服務。
INTERBUS總線有很強的監視診斷功能，總線監控功能監視整個網絡系統的運行狀態，同時也提供總線網絡的變結構功能，能及時根據設計要求，關斷和連接總線的某個子總線段。監控功能是現場安裝、調試、診斷和維護的有力工具。具體功能是識別和確定安裝錯誤和部件錯誤，現場總線模塊具有輸入/輸出的狀態顯示，在調試時可設置輸出狀態，以及可以保存某些智能設備的參數。
為了提高工業網絡的安全性，以滿足制造業和過程工業自動化故障安全通信的要求，特別是在汽車制造業中具有安全總線的功能被放在首位。INTERBUS俱樂部從1999年開始進行INTERBUS安全總線研究，在2001年得到了德國BIA組織EN954-1 KAT.4標準的許可證明，并符合IEC61508安全通信標準。INTERBUS的安全總線由一個Safe Control控制模塊和現場分散式智能模塊組成，控制模塊的唯一功能就是控制安全數據。這種解決方案優于其它方案，它將控制系統與安全總線的功能截然分開，控制系統機構清晰簡單，不影響今后的擴展和修改，成本明顯降低。這是現場總線的一個發展方向。
9 Type9 FF H1現場總線
H1現場總線是由FF現場總線基金會負責制定的。FF基金會成員由世界著名的儀表制造商和用戶組成，其成員生產的變送器、DCS、執行器、流量儀表占世界市場的90%，它們對過程控制現場工業網絡的功能需求了解透徹，在過程控制方面積累了豐富的經驗，提出的現場總線網絡架構較為全面，其通信體系結構如圖9所示。Type9現場總線是Type1現場總線的子集。
FF H1現場總線協議由物理層、數據鏈路層、應用層以及考慮到現場裝置的控制功能和具體應用而增加的用戶層組成。H1總線支持多種傳輸媒體：雙絞線、電纜、光纜和無線媒體。傳輸速率為31.25Kbps，通信距離最大為1 900米。該總線支持總線供電和本質安全。
圖9 Type 9 FF H1現場總線體系結構
數據鏈路層負責實現鏈路活動調度、數據的接收發送、活動狀態的響應、總線上各設備間的鏈路時間同步等。這里，總線訪問控制采用鏈路活動調度器（LAS）方式，LAS擁有總線上所有設備的清單，由它負責總線段上各設備對總線的操作。
現場總線應用層由現場總線訪問（FAS）子層和現場總線報文規范(FMS)子層構成。FAS子層提供發布者/預訂者、客戶機/服務器和報告分發三種模式的報文服務。FMS子層提供對象字典（OD）服務、變量訪問服務和事件服務等。現場總線用戶層具有標準功能塊（FB）和裝置描述功能。標準規定32種功能塊，現場裝置使用這些功能塊完成控制策略。由于裝置描述功能包括描述裝置通信所需的所有信息，并且與主站無關，所以可使現場裝置實現真正的互操作。
10 Type10 PROFI net現場總線
PNO組織于2001年8月發表了PROFInet規范。PROFInet將工廠自動化和企業信息管理層IT技術有機地融為一體，同時又完全保留了Profibus現有的開放性。
PROFInet現場總線體系結構如圖10所示，從圖中看出，該方案支持開放的、面向對象的通信，這種通信建立在普遍使用的Ethernet TCP/IP基礎上，優化的通信機制還可以滿足實時通信的要求。基于對象應用的DCOM通信協議是通過該協議標準建立的。以對象的形式表示的PROFInet組件根據對象協議交換其自動化數據。自動化對象即COM對象作為PDU以DCOM協議定義的形式出現在通信總線上。連接對象活動控制（ACCO）確保已組態的互相連接的設備間通信關系的建立和數據交換。傳輸本身是由事件控制的，ACCO也負責故障后的恢復，包括質量代碼和時間標記的傳輸、連接的監視、連接丟失后的再建立以及相互連接性的測試和診斷。
圖10 Type10 PROFInet 現場總線體系結構
Profibus可以通過代理服務器(Proxy)很容易地實現與其它現場總線系統的集成，在該方案中，通過代理服務器將通用的Profibus網絡連接到工業以太網；通過以太網TCP/IP訪問Profibus設備是由Proxy使用遠方程序調用和Microsoft DCOM進行處理的。
PROFInet提供工程設計工具和制造商專用的編程和組態軟件，使用這種工具可以從控制器編程軟件開發的設備來創建基于COM的自動化對象，這種工具也將用于組態基于PROFInet的自動化系統，使用這種獨立于制造商的對象和連接編輯器可減少15%的開發時間。
結語
10種類型現場總線采用完全不同的通信協議。Type1采用LAS方式和Publisher/Subscriber模式；Type2 ControlNet使用CTDMA方法和Producer/Consumer模式，Ethernet/IP使用Ethernet TCP/IP協議；Type3是令牌環和主站/從站方式；Type4通信采用虛擬令牌傳遞方式；Type5采用CSMA/CD方式和Ethernet TCP/IP協議；Type6使用TDMA多路存取方式；Type7使用總線裁決方式；Type8采用整體幀協議；Type9采用LAS方式和Publisher/Subscriber模式；Type10使用Ethernet TCP/IP協議。
從以上論述可以看出，十種類型現場總線體系結構和通信協議都不相同，但對Ethernet TCP/IP工業以太網技術用于H2高速現場總線基本達成共識，Ethernet/IP、FF HSE和PROFInet工業以太網技術事實上已成為國際標準。
據了解，IEC61158標準的維護期為2007年12月31日，就是說在此之前不會增加新的現場總線，對目前標準內的現場總線也不會做修改。由此可見，現場總線系統的體系結構和格局已經基本確定，工業以太網和現場總線在系統中的定位已經明確，它們兩者之間的關系見表1。
表1 工業以太網與現場總線關系
表中列出了當前工業以太網技術的4個主要競爭者，FF HSE、EtherNet/IP和PROFInet現場級都有自己的現場總線，這種格局今后不會改變。Phoenix Contacts公司Type8 INTERBUS采用的IDA工業以太網技術發展很快，并將工業以太網延伸到現場I/O級，同時Modbus TCP/IP協議已被提交國際因特網工程特別工作組（IETF），希望這個協議能成為工業因特網協議標準。為了使此項工作加速推進，MODBUS組織和IDA組織于2003年10月底宣布合并。國內也正在開展工業以太網的開發工作，浙大中控技術有限公司開發的EPA工業以太網已經延伸到現場一級，并在化工廠獲得成功試用。
現場總線的長期爭論使人們逐漸認識到，數字技術的統一完全不同于模擬技術，現場總線控制系統的統一之路應該充分吸收Internet技術實現統一的成功經驗，面向市場，不斷創新，建立一個具有互操作性的工業以太網網絡，最終為工業自動化創建一個統一的信息平臺。
http://www.fieldbuses.com/n13c5p2.aspx
