现场总线

现场总线（fieldbus）是一类用于实时分布式控制的工业数字通信网络。现场总线的各种协议由国际电工委员会（IEC）标准化为IEC 61784/61158，不过也有一些现场总线未列在IEC 61158中，如Modbus、LonWorks、CANopen等。
一个复杂的自动化工业系统（例如组装生产线）通常按分布式控制系统（DCS）的分层结构组织。在此阶层的顶端一般是人机界面（Human Machine Interface, HMI），可以让操作员监控及使用此系统，用于生产管理的上层通过非实时关键通信系统（如以太网）与直接控制层的可编程逻辑控制器（PLC）相连接。现场总线则将直接控制层的PLC与现场层的组件连接起来，如感测器、致动器、马达、开关、阀门、接触器等实际动作或侦测的元件，并取代了通过电流环或数字输入/输出信号的直接连接。因此，现场总线的要求通常具有实时性要求和对成本的敏感性。自新千年以来，基于实时以太网的一系列现场总线技术得以建立，并有望在长期内取代传统现场总线。
描述.
现场总线是一种用于实时分布式控制的工业网络系统，它是连接制造厂中各类仪表的一种方式。现场总线采用一种网络结构，通常支持菊花链、星形、环形、分支型和树形等多种网络拓扑结构。早期的计算机连接使用的是RS-232（串行通信），该方式仅允许两个设备之间的通信。这类似于当前使用的4-20 mA通信方案，每个设备在控制器层面需要一个独立的通信端口；而现场总线则类似于当前的局域网连接，仅需一个控制器通信端口，便可同时连接多个（可达数百个）模拟信号和数字信号点。这不仅减少了电缆长度，也减少了所需电缆的数量。
此外，由于通过现场总线通信的设备通常内置微处理器，同一设备通常可提供多个信号点。一些现场总线设备现在已支持诸如PID控制等控制方案的设备端实现，而无需全部由控制器来处理。
历史.
在分布式控制系统中使用现场总线的最重要动机，是在不降低自动化系统的高可用性和可靠性的前提下，减少安装与维护成本。其目标是通过一根双绞线以及简单的配置，实现来自不同制造商的现场外设设备的互联。根据具体应用，传感器与执行器的数量可能从单台设备中的数百个，到大型工厂中分布的数千个不等。现场总线的发展历程正是围绕实现这一目标展开的。
现场总线的前身.
通用接口总线.
可以说，现场总线技术的前身是1975年在IEEE 488中描述的HP-IB。它后来被称为“通用接口总线”（GPIB），并成为工业自动化仪器控制的事实标准。
GPIB主要用于自动测量领域，以实现来自不同厂商仪器的互联。它是一种并行总线，通过一根带有24根导线的电缆与连接器进行通信，其最大电缆长度为20米。
Bitbus.
最早广泛使用的现场总线技术是Bitbus。Bitbus由英特尔公司开发，用于提升Multibus系统在工业环境中的应用能力，通过将较慢的I/O功能与更快的内存访问分离开来。1983年，英特尔在其现有的8051微控制器上加入现场总线固件，推出了8044 Bitbus微控制器。Bitbus在物理层采用EIA-485标准，使用两对双绞线——一对用于数据，另一对用于时钟和信号。其在数据链路层使用SDLC协议，使得一个段上可连接250个节点，总传输距离达13.2公里。Bitbus采用主从结构，一个主节点控制多个从节点，从节点只响应主节点请求。在网络层上，Bitbus未定义路由机制。8044仅支持相对较小的数据包（13字节），但集成了高效的RAC（远程访问与控制）任务集，且支持自定义RAC任务。1990年，电气电子工程师协会（IEEE）将Bitbus采纳为微控制器系统串行控制总线（IEEE-1118）标准。
目前，BITBUS由BITBUS欧洲用户组织（BEUG）负责维护。
自动化用计算机网络.
办公网络并不适用于自动化应用，因为它们缺乏确定的传输延迟上限。ARCNET作为早在1975年就被构思用于办公室连接的网络，采用令牌传递机制，因此后来被应用于工业领域。
制造自动化协议.
制造自动化协议（MAP）是通用汽车公司于1984年发起的一项将OSI标准协议应用于自动化技术的项目。MAP成为了一个由多家制造商支持的LAN标准化提案，主要用于工厂自动化。MAP使用10兆位每秒的IEEE 802.4令牌总线作为传输媒介。
由于其范围广泛且结构复杂，MAP未能实现广泛应用。为了降低复杂性并在资源减少的情况下提高处理速度，1988年开发了增强性能架构（EPA）MAP，即MiniMap，它仅包含开放系统互联基本参考模型的第1、2和7层。该结构后被后续的现场总线标准所采纳。
MAP最重要的成果是制造消息规范（MMS），即MAP的应用层。
制造消息规范.
制造消息规范（MMS）是国际标准ISO 9506，规定了用于在网络设备或计算机应用之间传输实时过程数据和监控控制信息的应用协议和服务，第一版于1986年发布。
MMS成为许多其他工业通信标准发展的模型，如用于Profibus的FMS或CANopen的SDO。它仍作为应用层方案被用于例如IEC 61850标准中的电力系统自动化。
制造自动化中的现场总线.
在制造自动化领域，现场总线的需求在于支持短反应时间，并以传输少量比特或字节为特征，通信距离通常不超过数百米。
MODBUS.
1979年，Modicon（现为施耐德电气）定义了一种串行总线，用于连接其可编程逻辑控制器（PLC），命名为Modbus。在最初的版本中，Modbus采用双线电缆，传输EIA-485UART信号。该协议本身非常简单，基于主从模式，支持的数据类型也仅限于当时PLC所能理解的类型。尽管如此，Modbus（尤其是其Modbus-TCP版本）仍是目前使用最广泛的工业网络之一，主要应用于楼宇自动化领域。
PROFIBUS.
在德国政府资助的研究项目推动下，1987年开发了基于“现场总线消息规范”（FMS）的现场总线PROFIBUS。但在实际应用中，FMS被发现过于复杂，不便于现场使用。1994年，西门子提出了一种改进的应用层“分布式外围”（DP），该版本在制造业中获得了良好反响。到2016年，PROFIBUS成为全球安装数量最多的现场总线之一，至2018年其安装节点数已超过6000万。
INTERBUS.
1987年，菲尼克斯电气开发了一种串行总线，用于将分布在不同空间的输入输出模块连接到中央控制器。控制器通过一个物理环发送一帧数据，该帧包含所有输入和输出信息。所用电缆包含5根线：一根接地线、两根发送帧线、两根接收帧线。通过该电缆，可以实现整个系统的树状拓扑结构。
INTERBUS在制造业中非常成功，现场已安装超过2290万个设备。该技术已融合入以太网现场总线Profinet之中，目前由Profibus用户组织e.V.负责维护。
CAN.
20世纪80年代，为了解决汽车中不同控制系统间的通信问题，德国博世公司首次开发了控制器局域网络（CAN）。CAN的核心思想是：所有设备通过一组线缆连接，并可彼此自由交换数据。很快，CAN便扩展到了工厂自动化领域。
DeviceNet由美国公司艾伦-布拉德利（Allen-Bradley）（现为罗克韦尔自动化）和ODVA（开放DeviceNet供应商协会）共同开发，是一种基于CAN协议的开放现场总线标准，已被欧洲标准EN 50325采纳。DeviceNet标准的制定与维护由ODVA负责。与ControlNet和EtherNet/IP一样，DeviceNet属于CIP（通用工业协议）网络家族。CIP作为这三种工业网络的通用应用层，使它们之间协调良好，并为管理层（EtherNet/IP）、单元层（ControlNet）与现场层（DeviceNet）提供分级通信体系。DeviceNet是一种面向对象的总线系统，采用生产者/消费者模式，设备既可作为客户端（主站），也可作为服务端（从站），甚至同时具备两者功能。客户端和服务端可以是生产者、消费者或同时是二者。
CANopen由CiA（CAN in Automation——CANopen用户与制造商协会）开发，自2002年底起成为欧洲标准EN 50325-4。CANopen使用CAN标准（ISO 11898-2）的第1、2层，并对引脚定义、传输速率及应用层进行了扩展。
过程自动化中的现场总线.
在过程自动化系统中，传统上大多数现场变送器通过4-20mA的电流环与控制设备连接。这种方式不仅能通过电流水平传输测量值，还能用一根两芯电缆为设备供电，传输距离可超过一千米。这类系统也常用于危险区域。根据NAMUR标准，在这类应用中，现场总线需满足特定要求。专为仪表设计的IEC/EN 60079-27标准中，对用于0区、1区或2区的本质安全现场总线概念（FISCO）提出了相关要求。
WorldFIP.
FIP（工厂仪表协议）标准起源于1982年法国发起的一项关于未来现场总线标准的需求分析。该研究促成了1986年6月的欧洲Eureka项目，旨在制定现场总线标准，项目共有13个合作伙伴参与。开发小组（法语名为“réseaux locaux industriels”）提出了首个在法国标准化的方案。FIP现场总线名称最初来源于法语“Flux d'Information vers le Processus”（向过程流动的信息），后期也采用英文名称“Factory Instrumentation Protocol”（工厂仪表协议）。
FIP在后来的十年中逐渐被PROFIBUS取代，在欧洲市场失去主导地位——WorldFIP官网自2002年起就没有新的新闻发布。不过，FIP系列的一个近亲今天依然活跃于列车车厢通信中的Wire Train Bus。此外，WorldFIP的一个特定子集——FIPIO协议，目前仍被广泛应用于机器部件中。
Foundation现场总线（FF）.
Foundation现场总线由国际自动化学会（ISA）以SP50项目的形式历时多年开发而成。如今，Foundation现场总线在许多重型流程行业中得到广泛应用，如炼油、石化、发电、食品与饮料、制药以及核能行业。
自2015年1月1日起，Foundation现场总线已并入新的FieldComm Group。
PROFIBUS-PA.
Profibus PA（过程自动化）用于测量和过程仪表、执行器与过程控制系统或PLC/DCS之间的通信。Profibus PA是Profibus的一个适用于过程自动化的物理层版本，其中多个“PA段”可以通过所谓的耦合器连接到Profibus DP上。段内的两线制总线电缆不仅负责通信，还提供设备的供电（使用MBP传输技术）。Profibus PA的另一重要特性是广泛应用的设备配置文件“PA Devices”（PA配置文件），该配置文件将主要的现场设备功能在跨厂商间实现了标准化。
建筑自动化领域的现场总线.
建筑自动化市场对现场总线的应用也提出了不同的要求：
1989年在法国定义的BatiBUS、扩展为欧洲安装总线（EIB）的Instabus、以及三者于1999年合并为标准，编号为（ISO/IEC 14543-3）。到2020年，已有495家成员公司在全球190个国家提供8,000款具备KNX接口的产品。
LonWorks.
可追溯到上世纪80年代，与其他网络不同，LonWorks是由埃施朗公司的计算机科学家研发的成果。1999年，其通信协议（当时称为LonTalk）被提交至ANSI并被采纳为控制网络标准（ANSI/CEA-709.1-B），并于2005年成为欧洲建筑自动化标准EN 14908。该协议也是BACnet（ASHRAE/ANSI建筑自动化标准）多个数据链路/物理层协议之一。
BACnet.
BACnet标准最初由美国供热、制冷与空调工程师学会（ASHRAE）于1987年开发，现在由其负责维护。BACnet自1995年起成为美国国家标准（ANSI）135，也是多个国家的国家标准，并于2003年成为全球性的ISO标准（ISO 16484）。截至2017年，BACnet在建筑自动化市场的份额达到60%。
标准化.
现场总线科技在1988年就已产生，并且有相关的标准ISA S50.02，但国际标准的发展却耗时多年。1999年时国际电工协会（IEC）的SC65C/WG6标准委员会开会，设法解决在IEC现场总线标准草案上的差异及歧见，会议的结果形成了第二版的IEC 61158标准，其中有八种（type）不同的通讯协定。
该标准的设计初衷是为欧洲共同市场服务，重点并非协议统一性，而是为了消除国家间的贸易壁垒。协议的统一性问题则留给各个支持相应类型的国际组织处理。标准一经批准，IEC的相关开发工作便停止，该委员会也随之解散。新成立的IEC SC65C/MT-9委员会继续负责协调IEC 61158中超过4000页内容的形式与实质问题。当前，协议类型的主要开发已基本完成。如安全现场总线、实时以太网现场总线等新协议会在典型的5年维护周期中被纳入国际现场总线标准。2008版标准中，现场总线类型被重新划分为“通信配置族”（CPF）。
总线结构标准.
曾有许多竞争性的现场总线技术，因此最初期望建立统一通信机制的设想未能实现。这种结果并不出人意料，因为现场总线技术在不同应用中的实现方式需要因地制宜；例如汽车工业中的现场总线功能上就与流程工厂控制中的现场总线不同。
IEC 61158：工业通信网络 - 现场总线规范.
1999年6月，IEC 行动委员会（CA）决定采用一种新的现场总线标准结构，并在2000年1月1日作为第一版正式生效，以迎接新千年的到来：在大型标准 IEC 61158 中，各种现场总线都有其对应的位置。 专家们决定，IEC 61158 的结构将按不同的层进行维护，划分为服务层和协议层。每种现场总线作为一种不同类型被纳入该结构中。
IEC 61158《工业通信网络 - 现场总线规范》标准分为以下几个部分：
每一部分依然包含数千页内容，因此这些部分又进一步细分为子部分。每种协议类型都被赋予一个编号，并根据需要拥有独立的子部分。
为了查找IEC 61158各部分中与特定现场总线家族对应的子部分，必须了解该协议所属的类型编号。
截至2019年版本，IEC 61158 中已规范了多达26种不同类型的协议。在 IEC 61158 的标准化过程中，品牌名称被回避，而是使用技术术语或缩写来代替。例如，“以太网”用技术术语 CSMA/CD 或 ISO 8802.3 来表示。现场总线的名称也一律被替换为类型编号。因此，在 IEC 61158 标准中，您找不到如 PROFIBUS 或 DeviceNet 这样的术语。在定义IEC 61784章节中提供了完整的对应参考表。
IEC 61784：工业通信网络 - 配置文件.
很明显，IEC 61158 中的这些现场总线标准合集本身并不适用于直接实施。它需要配合使用指南进行补充。这些指南说明了如何组合并使用 IEC 61158 的各部分，从而构建出可运行的系统。此类“组装说明”随后被编纂为 IEC 61784 现场总线配置文件。
根据 IEC 61158-1，IEC 61784标准划分为以下部分：
IEC 61784-1：现场总线配置文件.
IEC 61784 第1部分 标准的名称是《连续和离散制造用现场总线的配置文件》（"Profile sets for continuous and discrete manufacturing relative to fieldbus use in industrial control systems"），列出了各国标准机构推荐的所有现场总线。2003 年第一版中引入了 7 个通信配置文件家族（CPF）：
其中 wiftNet在飞机制造（如波音）中应用广泛，因此被纳入首版。但这后来被证明是个错误，在2007年的第二版中该协议被移除。同时新增了CPF 8 CC-Link、CPF 9 HART协议和CPF 16 。在 2014 年的第4版中，最后一个现场总线 CPF 19 MECHATROLINK被纳入标准。2019 年的第5版仅为维护性修订，没有新增配置文件。
参见自动化通讯协定列表，其中列出了未包含在该标准中的现场总线。
IEC 61784-2：实时以太网.
在第二版现场总线配置文件中首次引入了基于以太网物理层的配置文件。 所有新开发的实时以太网（RTE）协议被归入IEC 61784第2部分，其标准名称为《基于 ISO/IEC 8802-3 的实时网络附加现场总线配置文件》。其中包括 Ethernet/IP、三种版本的PROFINET IO（A、B、C 类）、以及P-NET、Vnet/IP、TCnet、EtherCAT、Ethernet POWERLINK、用于工厂自动化的以太网（EPA），以及支持实时发布-订阅的新型MODBUS-RTPS和传统的MODBUS-TCP。
SERCOS是一个有趣的例子，它原为运动控制领域的专用网络，拥有独立标准 IEC 61491。随着基于以太网的出现，该标准被拆分，通信部分并入IEC 61158/61784，应用部分与其他驱动方案一起被整合至IEC 61800-7驱动专用标准中。
2007 年第一版中已列出的RTE配置文件：
2010 年第二版新增：
2019 年第四版新增：
2023 年：
2014 年第三版加入了工业以太网（IE）版本的 CC-Link。CPF 20 ADS-net和CPF 19 FL-net被加入至2019年第4版。
更多关于这些实时以太网协议的细节，请参阅工业以太网词条。
IEC 61784-3：安全性.
针对功能安全，不同的联盟开发了不同的协议，以用于符合IEC 61508的安全完整性等级3（SIL）或符合ISO 13849的性能等级“e”（PL）的安全应用。大多数解决方案的共同点在于它们基于“黑通道”（Black Channel），因此可以通过不同的现场总线和网络进行传输。根据具体的协议配置，安全协议会提供诸如计数器、CRC、回显、超时、唯一的发送者与接收者ID或交叉校验等措施。
IEC 61784第3部分的第一版于2007年发布，标题为《工业通信网络–协议–功能安全现场总线》（"Industrialcommunication networks – Profiles – Functional safety fieldbuses"），包含以下通信协议族（CommunicationProfileFamilies，CPF）：
SERCOS也使用“CIP safety”协议。2010年发布的第二版中，标准增加了如下CPF：
在2016年发布的第三版中，最后一个安全协议CPF 17 SafetyNET p被添加。第四版预计将在2021年发布。目前标准包含了9种不同的安全协议配置，这些内容都在下节中的全球符合性表中包含并引用。
定义IEC 61784.
每个品牌的协议族被称为通信协议族（Communication Profile Family），简称为CPF加编号。每个协议族可以定义现场总线、实时以太网解决方案、安装规范和功能安全协议。这些可能的协议族在IEC 61784中被规定，并整理在下表中。
例如，要查找PROFIBUS-DP的相关标准。它属于CPF 3族，对应配置为CP 3/1。在表5中可以看到它的协议范围定义在IEC 61784第1部分中。它使用的协议类型为3，因此需要IEC 61158-3-3、61158-4-3、61158-5-3和61158-6-3来定义协议。物理接口则由61158-2中的类型3统一定义。安装规范可在IEC 61784-5-3的附录A中找到。它还可与FSCP3/1结合，作为PROFIsafe，其定义见IEC 61784-3-3标准。
为了避免制造商必须显式列出所有这些标准，标准中通过引用配置文件来进行规范。例如对于PROFIBUS-DP，相关标准的规范表达如下：
"Compliance to IEC 61784-1 Ed.3:2019 CPF 3/1"
IEC 62026：控制器-设备接口（CDI）.
过程自动化应用（如流量计、压力变送器及石化和电力等行业中的其它测量设备与控制阀）所需的现场总线网络，与离散制造（如汽车制造中使用大量离散传感器如运动传感器、位置传感器等）的网络需求不同。离散型现场总线网络通常称为“设备网络”。
早在2000年，国际电工委员会（IEC）就决定由技术委员会TC 121“低压开关设备和控制设备”指定一套“控制器-设备接口”（CDI），以涵盖设备网络。这一编号为IEC 62026的标准集，在2019年版本中包括以下部分：
以下部分已于2006年撤销并不再维护：
成本优势.
与4-20mA安装方式相比，现场总线所需的布线量大大减少。这是因为多个设备可以以多点方式共用一套电缆，而不像4–20mA那样每个设备需要一套独立电缆。此外，现场总线网络中每个设备可以传输多个参数，而在4–20mA连接中每条线路只能传输一个参数。现场总线还为创建预测性和主动维护策略提供了良好的基础，设备所提供的诊断信息可显著提高运维效率。
网络结构.
尽管各种技术都统称为“现场总线”（fieldbus），但不同的现场总线并不容易互换。它们之间的差异非常显著，以至于无法轻易互连。要理解各种现场总线标准之间的差异，首先需要了解现场总线网络的设计方式。以OSI模型为参照，现场总线标准主要体现在物理传输媒介，以及参考模型中的第1层、第2层和第7层。
对于每项技术，其物理媒介和物理层标准详细规定了位时序、同步方式、编码与解码、带宽、总线长度以及收发器与通信线路的物理连接方式。数据链路层标准则全面定义了消息在物理层发送前的组装方式、错误处理、消息过滤、总线仲裁机制，以及这些功能在硬件中的实现方法。应用层标准主要规定了通信数据如何与需要通信的应用程序对接，描述了消息格式、网络管理机制以及应用对服务请求的响应。第3至第6层在现场总线标准中通常并未涵盖。
功能特性.
不同的现场总线提供了不同的功能和性能特征。由于数据传输方法存在根本差异，因此现场总线之间的性能难以做出统一比较。在下表中，仅列出各类现场总线是否通常支持1毫秒或更快的数据更新周期。
市场状况.
截至2008年，在过程控制系统领域，市场主要由Foundation现场总线和Profibus PA主导。 这两种技术采用相同的物理层规范（基于曼彻斯特编码的2线制电流调制，频率为31.25 kHz），但二者并不兼容。通常而言，使用可编程逻辑控制器（PLC）进行控制与监测的系统更倾向于采用PROFIBUS，而采用分布式控制系统（DCS）进行控制的应用更倾向使用Foundation现场总线。PROFIBUS技术由总部设在德国卡尔斯鲁厄的Profibus International推广，而Foundation现场总线技术则由位于美国德克萨斯州奥斯汀的Fieldbus Foundation拥有并推广。