第十章 现场总线技术
第十章 现场总线（ FieldBus）
技术
10.1 绪言
10.2 现场总线技术发展概况
10.3 现场总线控制系统（ FCS）的特点
10.4 五种典型现场总线 Feldbus
10.5 Fieldbus的应用
10.6 Fieldbus体系结构模式
第十章 现场总线技术
10.1 绪 言
到目前为止，自动化技术已经经历了两次飞跃,第一次 是
在 20世纪 50－ 60年代从传统的电气传动控制发展到以模拟
信号为主的电子装置和自动化仪表监控系统，这次飞跃是
以微电子技术进步为基础的。
第十章 现场总线技术
第二次 则是在 20世纪 70－ 80年代，分布式控制系统 DCS的出现，
把分散的、单回路的测控系统用计算机进行了统一的管理，
用各种 I/O功能模板代替了控制室的仪表，利用计算机高速运
算的强大功能，集中实现了回路调节，工矿连锁、参数显示
报警，历史数据储存，工艺流程动态显示等多种功能，在大
型控制系统中往往还带有操作指导和专家系统等软件。
第十章 现场总线技术
DCS技术对工业控制技术的发展起到了极大的推动作用，
得到了用户的肯定。这次飞跃是以计算机技术的飞速发展为
基础的。 4－ 20MA信号是 DCS系统与现场设备相互连接的最
本质点。是控制系统和仪表装置发展的一大进步。
进入 20世纪 90年代后，数字化和网络化成为当今控制技
术发展的主要方向。人们意识到传统的模拟信号只能提供原
始的测量和控制信息，而智能变送器在 4－ 20mA信号之上附
加信息的能力又受其低通信速率的制约，所以对整个过程控
制系统的机制进行数字化和网络化，应是其发展的必然趋势。
第十章 现场总线技术
Fieldbus的先驱可谓是 Honeywell公司在 1983年推出的 4－
20mA输出的差分信号驱动器它在 4－ 20mA信号上叠加了数字
信号，从而使现场装置与控制室控制装置间的连接由模拟信
号过渡到了数字信号。在此基础上，美国 Rosemount公司配
合使用了他自己的的 HART数字协议。 1987年美国 Foxboro公
司发表了 I/A智能式自动控制系统，系统使用了全数字通信。
Fieldbus网络体系结构及标准的研究和制定始于 1985年。
第十章 现场总线技术
选择何种网络形式－完全型还是简化型网络结构，是逐
步形成现场总线概念过程中考虑的一个最重要问题。 Fieldbus
选用了简化型网络结构，与 OSI未完全保持一致，只选用了三
层,物理层、数据链路层和应用层 。
现场总线在智能现场设备、自动化系统之间提供了一个 全数
字化的、双向的、多节点的通信链接 。 Fieldbus的出现促进了
现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制功能更加强大。
这一改进带来了过程控制系统的开放性，使 系统成为具有测
量、控制、执行和过程诊断的综合能力的控制网络。
第十章 现场总线技术
Fieldbus是现代计算机、通信和控制技术的集成，使自动化技
术正在进入 第三次飞跃。 可以预言，随着 Fieldbus技术的兴
起和逐渐成熟，将使 21世纪的自动化领域成为 Fieldbus的世
界。
第十章 现场总线技术
10.2 现场总线技术发展概况
现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中通讯
体系最底层的低成本网络。根据国际电工委员会 (IEC)的标
准和现场总线基金会（ 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、双向传输多分支结构
的通讯网络, 。
第十章 现场总线技术
基本内容包括,以串行通讯方式取代传统的 4－ 20mA模
拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点
连接，支持底层现场智能设备与高层系统利用公用传输介质
交换信息；其核心是它的通讯协议，协议必须根据 ISO的计
算机网络开放系统的 OSI参考模型来制定，它是一种开放的
七层网络协议标准,多数现场总线只使用其中的一、二和七
层协议（即物理层、数据链路层、应用层，这三层也是最重
要和必须考虑的） 。
即 Fieldbus采用了三层网络结构，流量控制和差错控制
在数据链路层执行，报文的可靠传输在数据链路层或应用层
执行。
第十章 现场总线技术
现场总线技术始于 20世纪 80年代中期，于 90年代初期
形成了几种较有影响的的标准，它们是 PROFIBUS（德国
和欧洲标准）,FIP（法国标准）,ISP（可交互系统标
准）,ISASP50（美国仪表协会标准）。
另外还有一些公司厂家推出了自己的现场总线产品，
形成了事实上的标准，比较著名的有 CAN,HART和
LONWorks。 1994年和 1995年 ISP与 WORLD FIP的北美和欧
洲分会宣布合并，成立了 FF（ Fieldbus Foundation）现场总
线基金会组织，旨在支持和帮助 ICE/ISA-SP标准化委员会
工作，推动和加速建立一个统一、开放、国际性的 Feldbus
国际标准。
第十章 现场总线技术
但因 FF通信协议的技术目标较高，涉及面广，受厂商自身商
业利益的影响，因而使标准的指定工作进展缓慢。而那些单
个厂商或组织制定的现场总线技术标准及其产品却往往有较
大业绩。
许多国际知名仪表公司和控制系统公司如 Honeywell,Simens、
Foxboro,Yokogawa等纷纷加入实力强大。
第十章 现场总线技术
10.3 现场总线控制系统（ FCS）
的特点
FCS与传统 DCS相比有着明显的优点。 根据国际电工委员会
(IEC)的标准和现场总线基金会（ FF）的定义,Fieldbus技术以
下 6个主要特点：
（ 1）数字信号完全取代 4－ 20mA模拟信号；实现现场管理和
控制的统一；
（ 2）使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场完
成；
（ 3）使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息以及
补偿信息等；
第十章 现场总线技术
（ 4）一般只负责发送或接收较小的数据报文，并且以这种数
据报文作为与较高一级的控制系统实现设备数据往返传送的
有效手段。
（ 6）网络结构简单、执行协议直观，价格低廉，与上层网络
的联接费用也不高。
（ 5） Fieldbus是一种开放式实时系统只具有简化的网络结构，
而与 OSI不完全保持一致。真正实现系统开放性、互操作性。
第十章 现场总线技术
21世纪是现场总线的世纪，因为,
、现场总线标准将开辟过程控制的新纪元；
、现场总线将对传统的控制系统结构带来根本性变革；
、目前制定的一些现场总线标准将在几十年中影响控制领域；
、现场总线将大大改变现有的实现控制和维护的全部方法。
Feldbus技术不仅是一种通信技术，实际上也融入了智能化
仪表、网络和开放系统互连（ OSI）等技术精粹。
第十章 现场总线技术
与传统 DCS相比优越性：
（ 1）系统结构大大简化，成本显著降低；
（ 2）现场设备自治性加强，系统性能全面提高；
（ 3）提高了信号传输的可靠性和精度；
（ 4）真正实现完全分散、全数字化的控制网络；
（ 5）用户始终拥有系统集成权。
第十章 现场总线技术
FCS和 DCS网络结构比较
第十章 现场总线技术
10.4 五种典型现场总线 Fieldbus
目前较流行的 5种是,CAN,LONWorks,PROFIBUS、
HART,FF。
1,CAN（控制器局域网络）
CAN（ Controller Area Network）是由德国 Bosch公司专门为
汽车检测和控制而设计的、逐步发展到用于其他工业领域
的现场控制。 CAN已成为国际标准化组织 ISO11898标准。
CAN具有如下特性：
第十章 现场总线技术
（ 1）通讯速率为 5kbps/10km,1Mbps/40m，节点数 110个，
传输介质为双绞线或光纤等。
（ 2）采用点对点、一点对多点及全局广播等方式发送接受
数据。
（ 3）可实现全分布式多机系统，且无主从机之分，每个节
点均主动发送报文，可方便的构成多机备份系统。
第十章 现场总线技术
（ 4）采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时
向网络发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而
优先级高的节点可不受影响地继续发送信息；按节点类型分
成不同的优先级字节数为 8个。这样传输时间短，受干扰的
概率低，具有较好的检错效果。
（ 5）采用 CRC校验及其他检错措施，保证了极低的信息出
错率。
（ 6）节点具有自动关闭功能，当节点错误严重的情况下，
自动切断与总线的联系，这样不影响总线的正常工作。
第十章 现场总线技术
（ 7） CAN单片机，如 Motorola公司生产的带 CAN模块的
MC68HC05x4,Philips公司生产的 82C200,Intel公司生产
带 CAN模块的 P8XG592。
（ 8） CAN控制器，如 Philips公司生产的 82C200和 Intel公
司生产的 82527。
（ 9） CAN I/O器件，如 Philips公司生产的 82C150，具有数
字和模拟 I/O接口。
第十章 现场总线技术
2,LONWorks（ 局部操作网络 ）
LONWorks(Local Operating Network)是美国 Echelon公
司研制的一种现场总线，主要特性有：
（ 1）通讯速率为 78kbps/2700m,1.25Mbps/130m、节点数
32000，传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电源线、电
力线以及无线传输等。
（ 2）采用 LONTalk通讯协议，该协议遵循 ISO定义的开放系
统互连 OSI（ Open Sysytem Interconnection）全部 7层模型。
（ 3） LONWorks的核心是 NEURON（神经元）芯片
（ MC143150和 MC143120，内含 3个 8位的 CPU：第一个
CPU为介质访问控制处理器，实现 LONTalk协议的第 1层和
第 2层；第二个 CPU为应用处理器，实现 LONTalk协议的第 7
层，执行用户编写的代码及用户用户代码调用的操作系统服
务）。
第十章 现场总线技术
（ 4） NEURON芯片的编程语言为 NEURON C，它是从
ANSI C派生出来的。 LONWorks提供了一套开发工具
LONBilder与 NodeBuilder。
（ 5） LONTalk协议提供了 5种基本类型的报文服务；确认
（ Acknowledged）、非确认（ Unacknowledged）、请求 /响
应（ Request/Reponse）、重复（ Repeated）、非确认重复
（ Un-acknowledged Repeated）。
（ 6） LONTalk协议的介质访问控制子层（ MAC）对 CSMA
作了改进，采用一种新的 Predictive P-Persistent CSMA，根
据总线负载随即调整时间槽 n（ 1－ 63），从而在负载较轻时
使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能最小
化。
第十章 现场总线技术
3,PROFIBUS（ 过程现场总线 ）
PROFIBUS（ Process Field Bus）是德国标准,1991年在
DIN19245中公布了标准,PROFIBUS有几种改进型分别用于
不同的场合，例如：
（ 1） PROFIBUS－ PA（ Process Automation）用于过程自动
化，通过总线供电，提供本质安全型，可用于危险防爆区域。
（ 2） PROFIBUS－ FMS（ Fieldbus message Specification）用
于一般自动化。
（ 3） PROFIBUS－ DP用于加工自动化，适用于分散的外围设
备。 PROFIBUS引入功能模块的概念，不同的应用需要使用
不同的模块。在一个确定的应用中，按照 PROFIBUS规范来
定义模块，规范设备功能与 PROFIBUS通信功能的一致性。
PROFIBUS为开放系统协议，为了保证产品质量，在德国
建立了 FZ1信息研究中心，对制造厂和用户开放，对其产
品进行一致性检测和实验性检测。
第十章 现场总线技术
4,HART（可寻址远程传感器数据通路通信协议）
HART（ Highway Addressable Remote Transducer）是美国
Rosemount研制的一种总线。 HART协议参照 ISO/OSI模型
的 1,2,7层，即物理层、数据链路层和应用层，主要特性
有：
（ 1）物理层
采用基于 Bell202通信标准的调频技术 FM，即在 4－ 20MA信
号上叠加 FSK数字信号，逻辑 1为 1200HZ，逻辑 0为 2200HZ，
波特率为 1200bps，调制信号为 ± 0.5mA或 0.25V（ p-p），
250Ω负载。用屏蔽双绞线单台设备距离 3000m，多台设备
互连距离 1500m。
（ 2）数据链路层
数据帧长度不固定，最长 25个字节。可寻地址为 0－ 15，当
地址为 0时，处于 4－ 20MA与数字通信兼容状态；当地址为
1－ 15时，则处于全数字状态。通信模式为问答式或广播式。
第十章 现场总线技术
（ 3）应用层
规定了三类命令，第一类是通用命令，适用于遵守 HART
协议的所有产品；第二类是普通命令，适用于遵守 HART
协议的大部分产品；第三类是特殊命令，适用于遵守
HART协议的特殊产品。另外为用户提供了设备描述语言
DDL（ Device Description Language）。
5,FF（现场总线基金会）现场总线
FF是国际公认的惟一不不附属于某企业的公正非商业化的国
际标准化组织，其宗旨是制定统一的现场总线国际标准，无
专利许可要求，可供任何人使用。总线标准参照 ISO/OSI模
型的 1,2,7层，另外增加了用户层。 FF推行的标准以
IEC/ISA SP－ 50标准为蓝本。
（ 1）物理层
定义了传输数据帧结构，信号波形幅度，以及传输介质速率
功耗和拓扑结构。
第十章 现场总线技术、传输介质可采用有线电缆、光纤和无线通信；
、传输速率为 31.25kbps/1900m,1Mbps/750m，
2.5Mbps/500m；
,FF支持总线型、树型和点－点拓扑结构；
、编码方式为半双工方式。
（ 2）数据链路层
由上下两部分组成，下层功能是对传输介质传送的信号进行发
送、接受和控制；上层功能是对数据链路进行控制。
（ 3）应用层
由访问子层 FAS和报文规范 FMS组成。 FAS提供三类服务：发
布 /索取、客户机 /服务器和报文分发。 FMS规定了访问应用进
程 AP和报文格式及服务。
第十章 现场总线技术
（ 4）用户层
规定了标准的功能模块供用户组态使用。利用功能块数据结
构执行数据采集、处理、控制和输出。给用户带来极大方便。
FF规定了如下基本功能块：模入 AI；控制选择 CS；模出 AO；
开入 DI； P,PD控制；开出 DO；手动 ML； PID,PI,I控制；
偏置 /增益 BG；比率 RA。
FF还规定了如下先进功能块：脉冲输入、步进输出 PID、输
入选择、复杂模出、装置控制、信号特征、复杂开关出、设
定值程序发生、定时、分离器、运算、模拟接口、超前滞后
补偿、积算、开关量接口、死区、模拟报警、算术运算、开
关量报警等。
第十章 现场总线技术
10.5 Fieldbus的应用
勿庸置疑 Fieldbus是 21世纪控制系统的主流和发展方向。
但是由于 Fieldbus技术目前还不够成熟，价格也比较贵，
完全的 Fieldbus系统大量普及还有待时日。特别是我国现
在工业自动化水平还不高，因此在相当长的一段时间内，
大多数企业不可能全面采用 Fieldbus技术，而必须走逐步
发展、过渡的道路。以下介绍几种可行方案：
第十章 现场总线技术
1,Fieldbus于 DCS系统 I/O总线上的集成
图 5.35中给出了在 DCS系统的 I/O总线上集成现场总线的
原理，其关键是通过一个挂在 DCS I/O总线上的 Fieldbus
接口卡，实现现场总线系统中的数据信息映射成原有 DCS
的 I/O总线 上对应的数据信息，如基本测量值、报警值或
工艺设定值等，使得在 DCS控制器所看到的 Fieldbus来的
信息就如同来自一个传统 DCS设备卡一样，这样便实现
了在 I/O总线上的 Fieldbus集成技术。
第十章 现场总线技术
该方案主要可用于 DCS系统已安装并稳定运行，而
Fieldbus首次引入系统的、规模较小的应用场合。也可用于
PLC系统。
第十章 现场总线技术
I / O 测控层
管理层
监控操作层
现场总线接口卡
现场总线
集成单元
在 DCS系统 I/O总线上集成现场总线
第十章 现场总线技术
2、现场总线于 DCS系统网络层的集成
除了在 I/O总线上的集成方案，还可在 DCS网络层上集
成现场总线系统。即 Fieldbus接口卡挂在 DCS的上层 LAN上，
结构如图 5.36。
该方案中,Fieldbus控制执行信息、测量以及现场仪表
的控制功能均可在 DCS操作站上进行浏览并修改。
第十章 现场总线技术
L A N
现场总线接口卡 I /O 网络接口
现场总线
集成系统
D C S 系统 I /O
在 DCS网络层集成现场总线
第十章 现场总线技术
其优点是原来必须由 DCS主计算机完成的一些控制和
计算功能，现在可下放到现场仪表实现，并可在 DCS操作
员站上得到相关的参数或数据信息；另一优点是不需对
DCS控制站进行改动，对原系统影响小。
第十章 现场总线技术
3,Fieldbus通过网关与 DCS系统并行集成
若在一个工厂中并行运行着 DCS和 Fieldbus系统，则
还可通过一个网关来网接两者如图 5.37示，网关完成 DCS
与 Fieldbus高速网之间的信息传递。该结构中,DCS的信
息能够在新的操作员界面上得到并显示。使用 H2网桥可
以安装大量的 H1低速 Fieldbus。 Fieldbus接口单元可提供
控制协调、报警管理和短时趋势收集等功能。
第十章 现场总线技术
通过网关与 DCS系统并行集成
第十章 现场总线技术
Fieldbus与 DCS的并行集成，完成整个工厂的控制系统和信
息系统的集成统一，并可通过 Web服务器实现 Internet与
Intranet的互联。这种方案的优点是丰富了网络的信息内容，
便于发挥数据信息和控制信息的综合优势；另外,Fieldbus
与通过网关集成在一起的 DCS系统是相互独立的。
现阶段 FieldbusDCS与系统的共存将使用户拥有更多的选择，
已实现更合理的控制系统。
第十章 现场总线技术
10.6 Fieldbus体系结构模式
用 户 程 序
应用层信息服务 网络管理
物理层
媒 体
数据链路
L L C 子层
M A C 子层
第十章 现场总线技术注释：
1,LLC逻辑链路控制子层：
1） LLC功能
（ 1）帧接收滤波
在 LLC子层上开始的帧跃变是独立的，其自身操作与先
前的帧跃变无关，帧内容由标识符命名。标识符不能指明帧
的目的地，但描述数据的含义，每个接收器通过帧接收滤波
确定此帧与其是否有关。
（ 2）超载通告
如果接收器内部条件要求延迟下一个 LLC数据和 LLC远程帧，
则通过 LLC子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧，
以延迟下一个数据帧或远程帧。
（ 3）恢复管理
发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧,LLC子层自动
重发。在发送成功之前，帧发送服务不被用户认可。
第十章 现场总线技术
2） LLC帧结构
（ 1） LLC数据帧
标 识 符 场 DLC场 LLC数据场
A、标识符,11Bbit，其最高 7位（ ID10－ ID4）不应全为 1。
B,DLC（ Data Length Code）场,4Bit，指出数据场字
节数（范围,0－ 8字节）。 DLC0－ DLC3按照二进制编码。
C、数据场：由数据帧内被发送的数据组成，包括 0－ 8个
字节。
第十章 现场总线技术
（ 2） LLC远程帧
2,MAC媒体访问控制子层
1） MAC子层结构功能模型
MAC子层功能由 IEEE802.3中规定的功能模型描述，如下图
示,MAC划分为完全独立的两个部分，即发送和接收。
标识符场 DLC场
LLC远程帧标识符与 LLC数据帧标识符格式相同，只是无数
据场,DLC数值是独立的，对应数据帧的数据长度码。
第十章 现场总线技术
发送数据封装 接收数据卸装
发送媒体访问管理 接受媒体访问管理
发送数据解码 接受数据解码
L L C 子层
对L L C 子层访问
对物理接口访问
物理层信令
第十章 现场总线技术
2） MAC帧结构
（ 1）数据帧
帧起始 仲裁场 控制场 CRC场 ACK场 帧结束
帧起始 仲裁场 控制场 数据场 CRC场 ACK场 帧结束
（ 2）远程帧
（ 3）出错帧
错误标志场 错误界定符场
（ 4）超载帧
超载标志场 超载界定符场
第十章 现场总线技术
数据帧和远程帧同前述的任何帧（数据帧、远程帧、
出错帧、超载帧）以称之为帧间空间的位场隔开。与此相
反，超载帧和错误帧前面不存在帧间空间，并且多个超载
帧也不用帧间空间分隔。
帧间空间包括：
、间歇场：间歇期间不允许节点开始发送数据帧或远程帧，
仅起标注超载条件作用。
（ 5）帧间空间
第十章 现场总线技术
、暂停发送场：“错误－认可”节点发送完成后，在紧随间
歇后，被允许发送下一帧前送出 8位“隐性”位。其间若有
发送启动（由其它节点引起），则节点变为该帧的接收器。
、总线空闲场：空闲时间可以是任意长度，总线空闲时，任
何节点均可访问总线以便发送。其他帧发送期间，待发送的
帧在紧随间歇场后的的第一位启动。如果在总线空闲期间检
测到总线上“显性”位将被理解为帧起始。
第十章 现场总线技术
3） MAC帧编码和发送 /接收
4）媒体访问和仲裁
5）错误检测
第十章 现场总线技术
主要特征 分布式系统的形式
Fielbus 较高级通信网络
监视与控制能力 强 弱
可靠性与故障容限 高 高
实时响应性 好 中
报文长度 小 中, 大
实现成本 极低 中, 高
与 OSI的一致性 差 中, 好
体系结构与协议的复杂性 简单 中, 复杂
与其他网络的互联能力 差, 中 强
通信功能的完备程度 中 可扩展
通信速率 中 高
对环境要求 低 高
表 Fieldbus与其他分布式系统的主要特征比较
第十章 现场总线（ FieldBus）
技术
10.1 绪言
10.2 现场总线技术发展概况
10.3 现场总线控制系统（ FCS）的特点
10.4 五种典型现场总线 Feldbus
10.5 Fieldbus的应用
10.6 Fieldbus体系结构模式
第十章 现场总线技术
10.1 绪 言
到目前为止，自动化技术已经经历了两次飞跃,第一次 是
在 20世纪 50－ 60年代从传统的电气传动控制发展到以模拟
信号为主的电子装置和自动化仪表监控系统，这次飞跃是
以微电子技术进步为基础的。
第十章 现场总线技术
第二次 则是在 20世纪 70－ 80年代，分布式控制系统 DCS的出现，
把分散的、单回路的测控系统用计算机进行了统一的管理，
用各种 I/O功能模板代替了控制室的仪表，利用计算机高速运
算的强大功能，集中实现了回路调节，工矿连锁、参数显示
报警，历史数据储存，工艺流程动态显示等多种功能，在大
型控制系统中往往还带有操作指导和专家系统等软件。
第十章 现场总线技术
DCS技术对工业控制技术的发展起到了极大的推动作用，
得到了用户的肯定。这次飞跃是以计算机技术的飞速发展为
基础的。 4－ 20MA信号是 DCS系统与现场设备相互连接的最
本质点。是控制系统和仪表装置发展的一大进步。
进入 20世纪 90年代后，数字化和网络化成为当今控制技
术发展的主要方向。人们意识到传统的模拟信号只能提供原
始的测量和控制信息，而智能变送器在 4－ 20mA信号之上附
加信息的能力又受其低通信速率的制约，所以对整个过程控
制系统的机制进行数字化和网络化，应是其发展的必然趋势。
第十章 现场总线技术
Fieldbus的先驱可谓是 Honeywell公司在 1983年推出的 4－
20mA输出的差分信号驱动器它在 4－ 20mA信号上叠加了数字
信号，从而使现场装置与控制室控制装置间的连接由模拟信
号过渡到了数字信号。在此基础上，美国 Rosemount公司配
合使用了他自己的的 HART数字协议。 1987年美国 Foxboro公
司发表了 I/A智能式自动控制系统，系统使用了全数字通信。
Fieldbus网络体系结构及标准的研究和制定始于 1985年。
第十章 现场总线技术
选择何种网络形式－完全型还是简化型网络结构，是逐
步形成现场总线概念过程中考虑的一个最重要问题。 Fieldbus
选用了简化型网络结构，与 OSI未完全保持一致，只选用了三
层,物理层、数据链路层和应用层 。
现场总线在智能现场设备、自动化系统之间提供了一个 全数
字化的、双向的、多节点的通信链接 。 Fieldbus的出现促进了
现场设备的数字化和网络化，并且使现场控制功能更加强大。
这一改进带来了过程控制系统的开放性，使 系统成为具有测
量、控制、执行和过程诊断的综合能力的控制网络。
第十章 现场总线技术
Fieldbus是现代计算机、通信和控制技术的集成，使自动化技
术正在进入 第三次飞跃。 可以预言，随着 Fieldbus技术的兴
起和逐渐成熟，将使 21世纪的自动化领域成为 Fieldbus的世
界。
第十章 现场总线技术
10.2 现场总线技术发展概况
现场总线是一种工业数据总线，是自动化领域中通讯
体系最底层的低成本网络。根据国际电工委员会 (IEC)的标
准和现场总线基金会（ 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、双向传输多分支结构
的通讯网络, 。
第十章 现场总线技术
基本内容包括,以串行通讯方式取代传统的 4－ 20mA模
拟信号，一条现场总线可为众多的可寻址现场设备实现多点
连接，支持底层现场智能设备与高层系统利用公用传输介质
交换信息；其核心是它的通讯协议，协议必须根据 ISO的计
算机网络开放系统的 OSI参考模型来制定，它是一种开放的
七层网络协议标准,多数现场总线只使用其中的一、二和七
层协议（即物理层、数据链路层、应用层，这三层也是最重
要和必须考虑的） 。
即 Fieldbus采用了三层网络结构，流量控制和差错控制
在数据链路层执行，报文的可靠传输在数据链路层或应用层
执行。
第十章 现场总线技术
现场总线技术始于 20世纪 80年代中期，于 90年代初期
形成了几种较有影响的的标准，它们是 PROFIBUS（德国
和欧洲标准）,FIP（法国标准）,ISP（可交互系统标
准）,ISASP50（美国仪表协会标准）。
另外还有一些公司厂家推出了自己的现场总线产品，
形成了事实上的标准，比较著名的有 CAN,HART和
LONWorks。 1994年和 1995年 ISP与 WORLD FIP的北美和欧
洲分会宣布合并，成立了 FF（ Fieldbus Foundation）现场总
线基金会组织，旨在支持和帮助 ICE/ISA-SP标准化委员会
工作，推动和加速建立一个统一、开放、国际性的 Feldbus
国际标准。
第十章 现场总线技术
但因 FF通信协议的技术目标较高，涉及面广，受厂商自身商
业利益的影响，因而使标准的指定工作进展缓慢。而那些单
个厂商或组织制定的现场总线技术标准及其产品却往往有较
大业绩。
许多国际知名仪表公司和控制系统公司如 Honeywell,Simens、
Foxboro,Yokogawa等纷纷加入实力强大。
第十章 现场总线技术
10.3 现场总线控制系统（ FCS）
的特点
FCS与传统 DCS相比有着明显的优点。 根据国际电工委员会
(IEC)的标准和现场总线基金会（ FF）的定义,Fieldbus技术以
下 6个主要特点：
（ 1）数字信号完全取代 4－ 20mA模拟信号；实现现场管理和
控制的统一；
（ 2）使基本过程控制、报警和计算功能等完全分布在现场完
成；
（ 3）使设备增加非控制信息，如自诊断信息、组态信息以及
补偿信息等；
第十章 现场总线技术
（ 4）一般只负责发送或接收较小的数据报文，并且以这种数
据报文作为与较高一级的控制系统实现设备数据往返传送的
有效手段。
（ 6）网络结构简单、执行协议直观，价格低廉，与上层网络
的联接费用也不高。
（ 5） Fieldbus是一种开放式实时系统只具有简化的网络结构，
而与 OSI不完全保持一致。真正实现系统开放性、互操作性。
第十章 现场总线技术
21世纪是现场总线的世纪，因为,
、现场总线标准将开辟过程控制的新纪元；
、现场总线将对传统的控制系统结构带来根本性变革；
、目前制定的一些现场总线标准将在几十年中影响控制领域；
、现场总线将大大改变现有的实现控制和维护的全部方法。
Feldbus技术不仅是一种通信技术，实际上也融入了智能化
仪表、网络和开放系统互连（ OSI）等技术精粹。
第十章 现场总线技术
与传统 DCS相比优越性：
（ 1）系统结构大大简化，成本显著降低；
（ 2）现场设备自治性加强，系统性能全面提高；
（ 3）提高了信号传输的可靠性和精度；
（ 4）真正实现完全分散、全数字化的控制网络；
（ 5）用户始终拥有系统集成权。
第十章 现场总线技术
FCS和 DCS网络结构比较
第十章 现场总线技术
10.4 五种典型现场总线 Fieldbus
目前较流行的 5种是,CAN,LONWorks,PROFIBUS、
HART,FF。
1,CAN（控制器局域网络）
CAN（ Controller Area Network）是由德国 Bosch公司专门为
汽车检测和控制而设计的、逐步发展到用于其他工业领域
的现场控制。 CAN已成为国际标准化组织 ISO11898标准。
CAN具有如下特性：
第十章 现场总线技术
（ 1）通讯速率为 5kbps/10km,1Mbps/40m，节点数 110个，
传输介质为双绞线或光纤等。
（ 2）采用点对点、一点对多点及全局广播等方式发送接受
数据。
（ 3）可实现全分布式多机系统，且无主从机之分，每个节
点均主动发送报文，可方便的构成多机备份系统。
第十章 现场总线技术
（ 4）采用非破坏性总线优先级仲裁技术，当两个节点同时
向网络发送信息时，优先级低的节点主动停止发送数据，而
优先级高的节点可不受影响地继续发送信息；按节点类型分
成不同的优先级字节数为 8个。这样传输时间短，受干扰的
概率低，具有较好的检错效果。
（ 5）采用 CRC校验及其他检错措施，保证了极低的信息出
错率。
（ 6）节点具有自动关闭功能，当节点错误严重的情况下，
自动切断与总线的联系，这样不影响总线的正常工作。
第十章 现场总线技术
（ 7） CAN单片机，如 Motorola公司生产的带 CAN模块的
MC68HC05x4,Philips公司生产的 82C200,Intel公司生产
带 CAN模块的 P8XG592。
（ 8） CAN控制器，如 Philips公司生产的 82C200和 Intel公
司生产的 82527。
（ 9） CAN I/O器件，如 Philips公司生产的 82C150，具有数
字和模拟 I/O接口。
第十章 现场总线技术
2,LONWorks（ 局部操作网络 ）
LONWorks(Local Operating Network)是美国 Echelon公
司研制的一种现场总线，主要特性有：
（ 1）通讯速率为 78kbps/2700m,1.25Mbps/130m、节点数
32000，传输介质为双绞线、同轴电缆、光纤、电源线、电
力线以及无线传输等。
（ 2）采用 LONTalk通讯协议，该协议遵循 ISO定义的开放系
统互连 OSI（ Open Sysytem Interconnection）全部 7层模型。
（ 3） LONWorks的核心是 NEURON（神经元）芯片
（ MC143150和 MC143120，内含 3个 8位的 CPU：第一个
CPU为介质访问控制处理器，实现 LONTalk协议的第 1层和
第 2层；第二个 CPU为应用处理器，实现 LONTalk协议的第 7
层，执行用户编写的代码及用户用户代码调用的操作系统服
务）。
第十章 现场总线技术
（ 4） NEURON芯片的编程语言为 NEURON C，它是从
ANSI C派生出来的。 LONWorks提供了一套开发工具
LONBilder与 NodeBuilder。
（ 5） LONTalk协议提供了 5种基本类型的报文服务；确认
（ Acknowledged）、非确认（ Unacknowledged）、请求 /响
应（ Request/Reponse）、重复（ Repeated）、非确认重复
（ Un-acknowledged Repeated）。
（ 6） LONTalk协议的介质访问控制子层（ MAC）对 CSMA
作了改进，采用一种新的 Predictive P-Persistent CSMA，根
据总线负载随即调整时间槽 n（ 1－ 63），从而在负载较轻时
使介质访问延迟最小化，而在负载较重时使冲突的可能最小
化。
第十章 现场总线技术
3,PROFIBUS（ 过程现场总线 ）
PROFIBUS（ Process Field Bus）是德国标准,1991年在
DIN19245中公布了标准,PROFIBUS有几种改进型分别用于
不同的场合，例如：
（ 1） PROFIBUS－ PA（ Process Automation）用于过程自动
化，通过总线供电，提供本质安全型，可用于危险防爆区域。
（ 2） PROFIBUS－ FMS（ Fieldbus message Specification）用
于一般自动化。
（ 3） PROFIBUS－ DP用于加工自动化，适用于分散的外围设
备。 PROFIBUS引入功能模块的概念，不同的应用需要使用
不同的模块。在一个确定的应用中，按照 PROFIBUS规范来
定义模块，规范设备功能与 PROFIBUS通信功能的一致性。
PROFIBUS为开放系统协议，为了保证产品质量，在德国
建立了 FZ1信息研究中心，对制造厂和用户开放，对其产
品进行一致性检测和实验性检测。
第十章 现场总线技术
4,HART（可寻址远程传感器数据通路通信协议）
HART（ Highway Addressable Remote Transducer）是美国
Rosemount研制的一种总线。 HART协议参照 ISO/OSI模型
的 1,2,7层，即物理层、数据链路层和应用层，主要特性
有：
（ 1）物理层
采用基于 Bell202通信标准的调频技术 FM，即在 4－ 20MA信
号上叠加 FSK数字信号，逻辑 1为 1200HZ，逻辑 0为 2200HZ，
波特率为 1200bps，调制信号为 ± 0.5mA或 0.25V（ p-p），
250Ω负载。用屏蔽双绞线单台设备距离 3000m，多台设备
互连距离 1500m。
（ 2）数据链路层
数据帧长度不固定，最长 25个字节。可寻地址为 0－ 15，当
地址为 0时，处于 4－ 20MA与数字通信兼容状态；当地址为
1－ 15时，则处于全数字状态。通信模式为问答式或广播式。
第十章 现场总线技术
（ 3）应用层
规定了三类命令，第一类是通用命令，适用于遵守 HART
协议的所有产品；第二类是普通命令，适用于遵守 HART
协议的大部分产品；第三类是特殊命令，适用于遵守
HART协议的特殊产品。另外为用户提供了设备描述语言
DDL（ Device Description Language）。
5,FF（现场总线基金会）现场总线
FF是国际公认的惟一不不附属于某企业的公正非商业化的国
际标准化组织，其宗旨是制定统一的现场总线国际标准，无
专利许可要求，可供任何人使用。总线标准参照 ISO/OSI模
型的 1,2,7层，另外增加了用户层。 FF推行的标准以
IEC/ISA SP－ 50标准为蓝本。
（ 1）物理层
定义了传输数据帧结构，信号波形幅度，以及传输介质速率
功耗和拓扑结构。
第十章 现场总线技术、传输介质可采用有线电缆、光纤和无线通信；
、传输速率为 31.25kbps/1900m,1Mbps/750m，
2.5Mbps/500m；
,FF支持总线型、树型和点－点拓扑结构；
、编码方式为半双工方式。
（ 2）数据链路层
由上下两部分组成，下层功能是对传输介质传送的信号进行发
送、接受和控制；上层功能是对数据链路进行控制。
（ 3）应用层
由访问子层 FAS和报文规范 FMS组成。 FAS提供三类服务：发
布 /索取、客户机 /服务器和报文分发。 FMS规定了访问应用进
程 AP和报文格式及服务。
第十章 现场总线技术
（ 4）用户层
规定了标准的功能模块供用户组态使用。利用功能块数据结
构执行数据采集、处理、控制和输出。给用户带来极大方便。
FF规定了如下基本功能块：模入 AI；控制选择 CS；模出 AO；
开入 DI； P,PD控制；开出 DO；手动 ML； PID,PI,I控制；
偏置 /增益 BG；比率 RA。
FF还规定了如下先进功能块：脉冲输入、步进输出 PID、输
入选择、复杂模出、装置控制、信号特征、复杂开关出、设
定值程序发生、定时、分离器、运算、模拟接口、超前滞后
补偿、积算、开关量接口、死区、模拟报警、算术运算、开
关量报警等。
第十章 现场总线技术
10.5 Fieldbus的应用
勿庸置疑 Fieldbus是 21世纪控制系统的主流和发展方向。
但是由于 Fieldbus技术目前还不够成熟，价格也比较贵，
完全的 Fieldbus系统大量普及还有待时日。特别是我国现
在工业自动化水平还不高，因此在相当长的一段时间内，
大多数企业不可能全面采用 Fieldbus技术，而必须走逐步
发展、过渡的道路。以下介绍几种可行方案：
第十章 现场总线技术
1,Fieldbus于 DCS系统 I/O总线上的集成
图 5.35中给出了在 DCS系统的 I/O总线上集成现场总线的
原理，其关键是通过一个挂在 DCS I/O总线上的 Fieldbus
接口卡，实现现场总线系统中的数据信息映射成原有 DCS
的 I/O总线 上对应的数据信息，如基本测量值、报警值或
工艺设定值等，使得在 DCS控制器所看到的 Fieldbus来的
信息就如同来自一个传统 DCS设备卡一样，这样便实现
了在 I/O总线上的 Fieldbus集成技术。
第十章 现场总线技术
该方案主要可用于 DCS系统已安装并稳定运行，而
Fieldbus首次引入系统的、规模较小的应用场合。也可用于
PLC系统。
第十章 现场总线技术
I / O 测控层
管理层
监控操作层
现场总线接口卡
现场总线
集成单元
在 DCS系统 I/O总线上集成现场总线
第十章 现场总线技术
2、现场总线于 DCS系统网络层的集成
除了在 I/O总线上的集成方案，还可在 DCS网络层上集
成现场总线系统。即 Fieldbus接口卡挂在 DCS的上层 LAN上，
结构如图 5.36。
该方案中,Fieldbus控制执行信息、测量以及现场仪表
的控制功能均可在 DCS操作站上进行浏览并修改。
第十章 现场总线技术
L A N
现场总线接口卡 I /O 网络接口
现场总线
集成系统
D C S 系统 I /O
在 DCS网络层集成现场总线
第十章 现场总线技术
其优点是原来必须由 DCS主计算机完成的一些控制和
计算功能，现在可下放到现场仪表实现，并可在 DCS操作
员站上得到相关的参数或数据信息；另一优点是不需对
DCS控制站进行改动，对原系统影响小。
第十章 现场总线技术
3,Fieldbus通过网关与 DCS系统并行集成
若在一个工厂中并行运行着 DCS和 Fieldbus系统，则
还可通过一个网关来网接两者如图 5.37示，网关完成 DCS
与 Fieldbus高速网之间的信息传递。该结构中,DCS的信
息能够在新的操作员界面上得到并显示。使用 H2网桥可
以安装大量的 H1低速 Fieldbus。 Fieldbus接口单元可提供
控制协调、报警管理和短时趋势收集等功能。
第十章 现场总线技术
通过网关与 DCS系统并行集成
第十章 现场总线技术
Fieldbus与 DCS的并行集成，完成整个工厂的控制系统和信
息系统的集成统一，并可通过 Web服务器实现 Internet与
Intranet的互联。这种方案的优点是丰富了网络的信息内容，
便于发挥数据信息和控制信息的综合优势；另外,Fieldbus
与通过网关集成在一起的 DCS系统是相互独立的。
现阶段 FieldbusDCS与系统的共存将使用户拥有更多的选择，
已实现更合理的控制系统。
第十章 现场总线技术
10.6 Fieldbus体系结构模式
用 户 程 序
应用层信息服务 网络管理
物理层
媒 体
数据链路
L L C 子层
M A C 子层
第十章 现场总线技术注释：
1,LLC逻辑链路控制子层：
1） LLC功能
（ 1）帧接收滤波
在 LLC子层上开始的帧跃变是独立的，其自身操作与先
前的帧跃变无关，帧内容由标识符命名。标识符不能指明帧
的目的地，但描述数据的含义，每个接收器通过帧接收滤波
确定此帧与其是否有关。
（ 2）超载通告
如果接收器内部条件要求延迟下一个 LLC数据和 LLC远程帧，
则通过 LLC子层开始发送超载帧。最多可产生两个超载帧，
以延迟下一个数据帧或远程帧。
（ 3）恢复管理
发送期间，对于丢失仲裁或被错误干扰的帧,LLC子层自动
重发。在发送成功之前，帧发送服务不被用户认可。
第十章 现场总线技术
2） LLC帧结构
（ 1） LLC数据帧
标 识 符 场 DLC场 LLC数据场
A、标识符,11Bbit，其最高 7位（ ID10－ ID4）不应全为 1。
B,DLC（ Data Length Code）场,4Bit，指出数据场字
节数（范围,0－ 8字节）。 DLC0－ DLC3按照二进制编码。
C、数据场：由数据帧内被发送的数据组成，包括 0－ 8个
字节。
第十章 现场总线技术
（ 2） LLC远程帧
2,MAC媒体访问控制子层
1） MAC子层结构功能模型
MAC子层功能由 IEEE802.3中规定的功能模型描述，如下图
示,MAC划分为完全独立的两个部分，即发送和接收。
标识符场 DLC场
LLC远程帧标识符与 LLC数据帧标识符格式相同，只是无数
据场,DLC数值是独立的，对应数据帧的数据长度码。
第十章 现场总线技术
发送数据封装 接收数据卸装
发送媒体访问管理 接受媒体访问管理
发送数据解码 接受数据解码
L L C 子层
对L L C 子层访问
对物理接口访问
物理层信令
第十章 现场总线技术
2） MAC帧结构
（ 1）数据帧
帧起始 仲裁场 控制场 CRC场 ACK场 帧结束
帧起始 仲裁场 控制场 数据场 CRC场 ACK场 帧结束
（ 2）远程帧
（ 3）出错帧
错误标志场 错误界定符场
（ 4）超载帧
超载标志场 超载界定符场
第十章 现场总线技术
数据帧和远程帧同前述的任何帧（数据帧、远程帧、
出错帧、超载帧）以称之为帧间空间的位场隔开。与此相
反，超载帧和错误帧前面不存在帧间空间，并且多个超载
帧也不用帧间空间分隔。
帧间空间包括：
、间歇场：间歇期间不允许节点开始发送数据帧或远程帧，
仅起标注超载条件作用。
（ 5）帧间空间
第十章 现场总线技术
、暂停发送场：“错误－认可”节点发送完成后，在紧随间
歇后，被允许发送下一帧前送出 8位“隐性”位。其间若有
发送启动（由其它节点引起），则节点变为该帧的接收器。
、总线空闲场：空闲时间可以是任意长度，总线空闲时，任
何节点均可访问总线以便发送。其他帧发送期间，待发送的
帧在紧随间歇场后的的第一位启动。如果在总线空闲期间检
测到总线上“显性”位将被理解为帧起始。
第十章 现场总线技术
3） MAC帧编码和发送 /接收
4）媒体访问和仲裁
5）错误检测
第十章 现场总线技术
主要特征 分布式系统的形式
Fielbus 较高级通信网络
监视与控制能力 强 弱
可靠性与故障容限 高 高
实时响应性 好 中
报文长度 小 中, 大
实现成本 极低 中, 高
与 OSI的一致性 差 中, 好
体系结构与协议的复杂性 简单 中, 复杂
与其他网络的互联能力 差, 中 强
通信功能的完备程度 中 可扩展
通信速率 中 高
对环境要求 低 高
表 Fieldbus与其他分布式系统的主要特征比较
