现场总线控制系统结构示意图

3.3.4　现场总线技术

工业现场控制是随着通信、微处理器、微电子学等技术的进步而不断发展产生的。20世纪80年代微处理器被嵌入到各种仪器设备中而形成了分布式控制系统（DCS），并提出了现场总线的基本方案。1995年ISP和World FIP将IEC/ISP50标准作为统一标准推出了单一的现场总线网络标准，并成立了现场总线基金会（FF）。

1．现场总线技术特点

根据IEC和FF的定义：现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多路分支结构的通信网络，其技术特点为：

（1）现场总线是一个全数字化的现场通信网络

现场总线是用于过程自动化和制造自动化的现场设备或现场仪表互连的现场数字通信网络。利用数字信号代替模拟信号，其传输抗干扰性强，测量精度高，大大提高了系统性能。

（2）现场总线网络是开放式的互连网络

用户可自由集成不同制造商的通信网络，通过网络对现场设备和功能块统一组态，把不同厂商的网络及设备有机地融合为一体，构成统一的现场控制系统（FCS）。

（3）现场设备通过一对传输线互连

一对传输线互连N台仪器，双向传输多个信号，可大大减少连线数量，使系统的安装成本降低，易于推广维护，提高了系统的可靠性。

（4）增强系统的自治性

智能化的现场设备可完成部分控制功能，将简单的控制任务迁移到现场设备中，使现场设备既有检测、变换功能，又有运算和控制功能，使控制更加安全可靠。

2．现场总线体系结构

现场总线有FIP、Profibus、World FIP、LONWORK、CANbus等被广泛使用的标准。FF现场总线的体系结构是参照ISO的开放系统互连协议（OSI）而制定的。OSI是一个七层网络结构。FF使用了其中的物理层、数据链路层和应用层，并在应用层上增加了用户层。

（1）物理层

该层规定了现场总线的传输介质、传输速率、最大传输距离、拓扑结构及其信号类型等。现场总线的传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤和无线电等；传输速率有低速的H1现场总线和高速的H2现场总线。H1的传输速率为31.25Kb/s，传输距离为200～1900m，总线最多可连接4台中继器。H2的传输速率为1Mb/s，传输距离为750m或者2.5Mb/s，传输距离为500m。H1每段最多节点数为32个，H2每段最多节点数为124个。

现场总线的拓扑结构如图3.24所示。

图3.24　FF现场总线拓扑结构

（2）数据链路层

在FF现场总线标准中，数据链路层的定义十分重要，所有连接到同一物理层的应用进程都是通过数据链路层的实时管理来协调的。现场总线中采用了集中式的管理方式，减小了实时通信的延时。

现场总线的数据链路层分为两种：BASIC DEVICE和LINK MASTER DEVICE。BASIC DEVICE不能主动发起一次通信，只能接受查询；LINK MASTER DEVICE可在得到令牌时发起通信。每个网段都有一个特殊的LINK MASTER DEVICE，它负责调度本网络段中设备的通信活动。

（3）应用层

应用层的主要任务是定义现场总线的命令、响应、数据和事件。应用层可分为现场总线报文规范（FMS）和现场总线访问（FAS）子层，FMS规定了用于向用户进程对象提供的服务及报文格式，在现场设备之间传送报文，FAS与数据链路层连接，可提供发布/索取方式、客户机/服务器方式和报告分发方式三种服务类型。

（4）用户层

用户层是现场总线标准在OSI模型外新增的层，用于规定一些标准的功能模块供用户组构成系统。其中基本功能模块10个，先进功能模块7个，计算功能模块7个，辅助功能模块5个，这些功能模块由输入、输出、算法和参数等四部分构成，以满足不同的控制需要。

现场总线是工业控制中先进的总线技术，它将网络与控制结合为一体，使工业控制系统发生了全新的变化，对工业控制发展起着深远的影响。工业控制领域的下一个时代必将是基于现场总线智能化时代。