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现场总线技术综述
szzunzheng 发表于 2007/9/6 8:31:08 1057 查看 1 回复 [上一主题] [下一主题]
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上海宝信软件股份有限公司 丛力群
〖摘要〗：由于现场总线技术在诸多方面的优点，应用日益普及，是当今自动控制技术发展的热点，代表了工业控制领域今后的一种发展方向。如果仅仅把现场总线理解为省掉了几根电缆，是没有理解到它的实质。现场总线技术不仅是一种通信技术，它实际上融入了智能化电气仪表、计算机网络和开放系统互连（OSI）等技术的精粹。信息处理的现场化才是智能化仪表和现场总线所追求的目标，也是现场总线不同与其它计算机通信技术的标志。本文着重介绍现场总线的基本概念和技术，并阐述现场总线的发展和应用的前景。
〖关键词〗：现场总线、IEC6lI58标准、DCS、FCS
The Overview of Fieldbus Techniques
Abstract: The fieldbus technique has been widely used recently and has been a hot point in the development of automation technology because of its advantages in various respects. It is wrong to think filedbus as only less cable. In fact, fieldbus technique is not only a kind of communication technique, but also comprehensive use of intelligent equipment, computer network, as well as Open System Integration technique. Information Processing on-site is the aim to use intelligent instruments and fieldbus, and is the difference between fieldbus and computer communication. This paper mainly introduce the basic idea of fieldbus, and describe the prospect of fieldbus application in the future.
Keyworks: Fieldbus, IEC61158 Standard, DCS, FCS
一、综述
现场总线出现于80年代中后期，随着计算机技术，通信技术，集成电路技术及智能传感技术的发展，在工业控制领域形成了一种新兴的控制技术，即现场总线。采用现场总线技术构建控制系统是继基地式气动仪表控制系统，电动单元组合式模拟仪表控制系统，集中式数字控制系统、集散式控制系统(DCS)后的新一代控制系统。
现代工业控制思想的核心是“分散控制，集中监控”。现在流行的DCS 控制是区别于DDC控制而发展起来的，但是由于技术的发展和设备可靠性的提高，用于工业过程控制的过程控制站规模变得日益庞大，功能变得日益集中，现场信号的检测、传输和控制均采用4～20mA的模拟信号，这正是对“分散控制，集中监控”思想的违背。而FCS 控制系统真正做到了这一点，把控制彻底地下放到现场，现场的智能仪表就能完成诸如数据采集，数据处理，控制运算和数据输出大部分现场功能，只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才由上位机来完成。而且现场节点之间可以相互通信实现互操作，现场节点也可以把自己的诊断数据传送给上位机，有益于设备管理。
现场总线是用于智能化现场设备和基于微处理器的控制室自动化系统间的全数字化、多站总线式的双向多信息数字通讯的通讯规程，是互相操作以及数据共享的公共协议。可以认为，现场总线是通信总线在现场设备中的延伸，允许将各种现场设备，如变送器、调节阀、基地式控制器、记录仪、显示器、PLC及手持终端和控制系统之间，通过同一总线进行双向多变量数字通讯。
根据国际电工委员会IEC和现场总线基金会FF的定义，现场总线技术具有以下5个主要特点：
① 数字信号完全取代4～20mA模拟信号；
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，提高设备的智能化；
④ 实现现场管理和控制的统一；
⑤ 真正实现系统开放性、互操作性。
二、 几种常见的现场总线简介
从1984年IEC开始制订现场总线国际标准至今，经过16年的努力和有关各方的协商妥协，最终，采用包括8种类型现场总线的IEC6lI58标准，并于1999年底的投票中得以通过。
2.1 Type l IEC技术报告（即FF H1）
FF H1现场总线的网络协议是按照 ISO OSI参考模型建立的，它由物理层、数据链路层、应用层，以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用户层组成。
基金会现场总线（FF）是Type1现场总线的一个子集（Subset）。
2.2 Type 2 ControlNet
ControlNet现场总线得到美国Rockwell公司支持。它采用了一种新的通信模式：生产者/客户（Producer/Consumer model）模式。这种模式允许网络上的所有节点，同时从单个数据源存取相同的数据。这种模式最主要的特点是增强了系统的功能，提高了效率和实现精确的同步。
2.3 Type 3 Profibus
Profibus得到德国 Siemens公司支持。Profibus数据链路层总线存取有两种方式，即令牌环（Token-Ring）方式和主站/从站（Master/Slave）方式。
Profibus系列由3个兼容部分组成，即Profibus-DP、Profibus-FMS和 Profibus-PA。
Profibus-DP适用于设备级控制系统与分散I/O之间高速通信，它使用物理层、数据链路层以及用户接口。
Profibus-FMS适用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。
Profibus-PA专为过程自动化设计，它能够将变送器和执行器连接到一根公共总线，符合IEC61158.2物理层规范，使用两根线可以完成供电和数据通信，并实现本质安全。
2.4 Type 4 P－Net
P-Net得到丹麦 Process Data公司支持。P-Net为带多网络和多端口功能的多主总线，允许在几个总线区直接寻址，无需递阶网络结构，是一种多网络结构。通信采用虚拟令牌（Virtual-Token）传递方式。该总线物理层基于RS-485标准，使用屏蔽双绞线电缆，传输距离l.2km。
2.5 Type 5 FF HSE
FF HSE即原 FF H2，美国Fisher-Rosemount公司支持。FF HSE现场总线使用框架式以太网（Shelf-Ethernet）技术，传输速率从100Mb/s到1Gb/s或更高。 HSE完全支持Type 1现场总线的各项功能，并允许基于以太网的装置通过一种连接装置与H1装置相连接。
HSE总线成功地采用CSMA/CD链路控制协议和TCP/IP传输协议，并使用了高速以太网 IEEE 802.3 11标准的最新技术。
2.6 Type 6 SwiftNet
SwiftNet得到美国波音公司支持。SwiftNet现场总线是一种结构简单、实时性强的总线，协议仅包括物理层和数据链路层，在标准中没有定义应用层。
2.7 Type 7 WorldFIP
WorldFIP得到法国AlStom公司支持。WorldFIP现场总线分为3级，即过程级、控制级和监控级。它能满足用户的各种需要，适合于各种类型的应用结构，集中型、分散型和主站/从站型。
2.8 Type 8 Interbus
InterbuS得到德国 Phoenix Contact公司支持。Interbus现场总线可构成主/从式和环型拓扑网络，传输速率为500kb/S，采用RS－485屏蔽双绞线电缆。
Interbus总线对单主机的远程1/O具有良好的诊断能力。
三、现场总线模型
3.1 现场总线模型
ISA和IEC共同提出了粗略的现场总线框架模型，它是国际标准化组织ISO开放系统互连（OSI）模型的简化型。OSI模型原本有互相独立的7层：物理层、数据链路层、网络层、传送层、会话层、表示层和应用层，规定了每一层的功能及其对于上一层的服务。现场总线模型采用了其中的第1、2、7层，没有“网络”层到“表示”层（即第3～6层）,又增加了一个用户层，作为第8层。所以，该模型的4个功能层分别是：物理层、数据链路层、应用层和用户层。
与OSI参考模型的相应层次相比，现场总线标准的物理层、链路层与其有相同的含义。从应用层看，现场总线有很大特色。
物理层：该层规定了现场总线的传输介质、传输速率、每条线路可接仪表数量、最大传输距离、电源、连接方式及信号类型等。
数据链路层：该层规定了物理层和应用层间的接口，其中包括：数据结构、传输差错控制、多主站使用的规范化等。该层将通过帧数据检验保证信息传输的正确性及完整性。
应用层：它向用户提供了一个简单的接口，其中定义了读、写、解释或执行一个信息或一条命令的方法。其中很大部分是定义信息的语法。此外，应用层还定义了信息传输的方式，如：周期式、立即响应式、一次性方式及使用者请求方式等。
用户层：该层定义了过程控制的基本内容。其中，包括现场总线内部信息的存取方法及信息在网内同一节点或不同节点的其它设备间的传送方法。现场总线结构的基础是功能块，由各功能块完成数据采集、控制或输出。每个功能块都包含一个算法功能和运算中所需的数据库以及由用户定义的该功能块的唯一标识符。
3.2 现场总线分类
按照与其传送的平均数据分组（data packet）长度相关的复杂程度分，现场总线又可分为三类：
Ø 位级（bit-level）总线或称为位式传感器—执行器总线：用于简单I／O，满足开／关和传感器／执行器需要的基本数据的高速总线；
Ø 字节级（byte-level）总线或设备总线：满足智能型离散设备,如PLS和以微处理器为基础的离散现场设备先进通信要求的总线；
Ø 数据流级（block-level）总线或称为现场总线：对速度要求较低而对过程信息通信量要求较高的连续过程的测量与控制用的总线。
（表一和表二见附件）
四、 现场总线控制系统（FCS）结构与特点
4.1 FCS结构
现场总线技术的出现，促进了自动化控制技术的进一步发展。目前FCS的模型一般是针对小型系统，在这类系统中，控制站的一部分功能下移分散到现场仪表中，减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的控制算法。对于简单的控制应用，可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成FCS。
一个控制系统，无论是传统的DCS还是采用现场总线技术，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线和智能检测和执行设备后，可以得到更多的有关现场与设备的状态信息，以便于诊断、维护和管理。现场总线系统的信息量大大增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力、减少多余信息的传递。另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。
如果仅仅把现场总线理解为省掉了几根电缆，是没有理解到它的实质。信息处理的现场化才是智能化现场元件和现场总线所追求的目标，也是现场总线不同与其它计算机通信技术的标志。
4.2 FCS特点
现场总线对传统DCS的冲击来源于其本质上优越于DCS系统的技术特征。
FCS更好地体现了DCS中“信息集中，控制分散”的概念。与传统的DCS 相比，FCS是全分散的系统，它可以由现场仪表组成自治的控制回路。
连线简单将大大降低安装和连线的费用，现场装置的智能化将增强现场设备的功能，减少一半甚至一半以上的I/O设备，并提供更多的信息流动。
由于结构上的改变，FCS比DCS节约硬件设备。使用FCS可以减少1/2～2/3的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O机柜，这样就节省了I/O装置及装置室的空间；同时减少大量电缆，使施工、调试大大简化。
与此同时，FCS比DCS性能有所提高。通过将PID功能植入到变送器或执行器中去，使控制周期大为缩短。目前可以从DCS的每秒调节2～5次增加到每秒调节10～20次，改善了调节性能。
FCS与DCS相比，便于使用和维护。FCS使用统一的组态方式，安装、运行、维修简便；利用智能化现场仪表，使维修预报（Predicted maintenance）成为可能；用户可以自由选择不同品牌的设备达到最佳的系统集成，在设备出现故障时，可以自由选择替换的设备，保障用户的最大利益。
现场总线技术不仅是一种通信技术，它实际上融入了智能化现场元件、计算机网络和开放系统互连等技术的精粹。所有这些特点使得以现场总线技术为基础的FCS相对于传统DCS系统具有巨大的优越性：
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 真正实现全分散、全数字化的控制网络；
⑤ 用户始终拥有系统集成权。
五、现场总线的发展和选择
5.1 现场总线的发展现状
现场总线是一种全数字化的、实时、双向、多站的通信系统，用于现场级设备互连，以及现场设备与控制系统相连。按照其应用范围，可将现场总线分为二类，即：用于加工制造自动化的现场总线，其特征是高速、短信息；用于过程控制的现场总线，其特征是低速、长信息，有时候还要求本质安全。
受工业市场需求的驱动，迫切需要基础自动化这一层面的设备（如变送器、执行器等），即使由不同的厂商供货，也具有互操作性，并确保管理系统可对这些设备进行数据存取。不过由于应用领域的不同，要求的功能也不同，近十多年来市场上出现多种现场总线网络，其开放性、网络容量、硬件/软件的可用性和标准支持，都有很大的差异。
不同类型的现场总线在功能、性能和价格上有很大区别，各有自己的适用范围。据美国ARC公司的市场调查，世界市场对各种FCS需求的实际份额为：
Ø 过程自动化15％（FF、Profibus-PA、WorldFIP）；
Ø 医药领域 18％（FF、Profibus-PA、WorldFIP）；
Ø 加工制造 18％（Profibus-DP、CC-Link）；
Ø 交通运输 15％（Profibus-DP、CANBus、DeviceNet）；
Ø 航空、国防 34％（Profibus-FMS、Lonworks、DeviceNet、ControlNet）；
Ø 农业（未统计，P-Net、CANBus、 Profibus-DP/PA、 DevlceNet、 ControlNet）；
Ø 楼宇（未统计，Lonworks、Profibus-FMS、DeviceNet）。
但现阶段，DCS仍然是自动化控制中的主要方式，最可行的方案是考虑如何使现场总线与传统的DCS系统尽可能地协同工作，这种集成方案能够得到灵活的系统组态，以适用于更广泛的、富于实用价值的应用。利用现场总线实现控制功能下移至现场层，使DCS的 多层网络被扁平化，各个现场设备节点的独立功能得以加强。
5.2现场总线的发展趋势
现场总线的国际标准虽然制订出来了，但是，由于采用了不同的网络技术，现场总线技术不能实现统一，它与IEC（国际电工委员会）于1984年开始制订现场总线时的初衷是相违背的。因此，现场总线今后的发展将呈以下趋势。
1．多种总线并存
现场总线国际标准IEC61158中采用的8种类型，以及其他一些现场总线，如Lonworks等，将在今后一段时间内共同发展，并相互竞争相互取长补短。此外；国际跨国公司除了从事他们所支持的现场总线技术的研究与开发，还兼顾其他总线的应用。
2. 每种现场总线将形成其特定的应用领域
目前全球用于连接分散的I/O产品和控制器的总线和网络产品多种多样，但未来将有越来越多的市场份额集中在越来越少的总线和网络产品上，随之会产生新的市场领导者。随着时间的推移，占有市场 80％左右的总线将只有六七种，而且其应用领域比较明确。
3．以大网的引入成为新的热点
以太网在没有任何标准化组织的支持，但它是目前通讯技术事实上的标准，正在工业自动化和过程控制市场上迅速增长。据1999年10月Inter-Kama展览会的情况看，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，在销售各自PLC产品的同时，提供与远程I/O和基于PC的控制系统相连接的接口。在今后 3年以太网的市场占有率将达到 20％以上。可以肯定的是，TCP（传输控制协议）已成为以太网事实上的网络层、传送层的通信规约；以太网已变为网络拓扑的唯一选择。Ethernet技术渗透到工业控制中，出现了现场总线型网络技术与以太网／因特网开放型网络技术的自然结合，以太网不仅可以成为工业高层网络上的信息系统，也可以上下贯通直接与现场设备相连。有专家预言，Ethernet是高性能现场总线极好的选择。
六、未来趋势
由于现场总线技术的发展和实际应用，控制和自动化行业正在经历着巨大的技术变革。从自动控制系统的发展史来看，曾有过两次大的革新：一次是50年代末由旧式模拟仪表向电动或气动单元组合仪表的转变；另一次是80年代从电子模拟仪表到DCS的转变。这两次大的转变，远远不及现场总线对控制系统发展的影响那样深刻。现场总线使控制系统发生了概念上的全新变化。它使传统的控制系统结构发生了根本的变化，在某种意义上，可认为现场总线最终将完全代替DCS。它将开辟过程控制的新纪元。
〖摘要〗：由于现场总线技术在诸多方面的优点，应用日益普及，是当今自动控制技术发展的热点，代表了工业控制领域今后的一种发展方向。如果仅仅把现场总线理解为省掉了几根电缆，是没有理解到它的实质。现场总线技术不仅是一种通信技术，它实际上融入了智能化电气仪表、计算机网络和开放系统互连（OSI）等技术的精粹。信息处理的现场化才是智能化仪表和现场总线所追求的目标，也是现场总线不同与其它计算机通信技术的标志。本文着重介绍现场总线的基本概念和技术，并阐述现场总线的发展和应用的前景。
〖关键词〗：现场总线、IEC6lI58标准、DCS、FCS
The Overview of Fieldbus Techniques
Abstract: The fieldbus technique has been widely used recently and has been a hot point in the development of automation technology because of its advantages in various respects. It is wrong to think filedbus as only less cable. In fact, fieldbus technique is not only a kind of communication technique, but also comprehensive use of intelligent equipment, computer network, as well as Open System Integration technique. Information Processing on-site is the aim to use intelligent instruments and fieldbus, and is the difference between fieldbus and computer communication. This paper mainly introduce the basic idea of fieldbus, and describe the prospect of fieldbus application in the future.
Keyworks: Fieldbus, IEC61158 Standard, DCS, FCS
一、综述
现场总线出现于80年代中后期，随着计算机技术，通信技术，集成电路技术及智能传感技术的发展，在工业控制领域形成了一种新兴的控制技术，即现场总线。采用现场总线技术构建控制系统是继基地式气动仪表控制系统，电动单元组合式模拟仪表控制系统，集中式数字控制系统、集散式控制系统(DCS)后的新一代控制系统。
现代工业控制思想的核心是“分散控制，集中监控”。现在流行的DCS 控制是区别于DDC控制而发展起来的，但是由于技术的发展和设备可靠性的提高，用于工业过程控制的过程控制站规模变得日益庞大，功能变得日益集中，现场信号的检测、传输和控制均采用4～20mA的模拟信号，这正是对“分散控制，集中监控”思想的违背。而FCS 控制系统真正做到了这一点，把控制彻底地下放到现场，现场的智能仪表就能完成诸如数据采集，数据处理，控制运算和数据输出大部分现场功能，只有一些现场仪表无法完成的高级控制功能才由上位机来完成。而且现场节点之间可以相互通信实现互操作，现场节点也可以把自己的诊断数据传送给上位机，有益于设备管理。
现场总线是用于智能化现场设备和基于微处理器的控制室自动化系统间的全数字化、多站总线式的双向多信息数字通讯的通讯规程，是互相操作以及数据共享的公共协议。可以认为，现场总线是通信总线在现场设备中的延伸，允许将各种现场设备，如变送器、调节阀、基地式控制器、记录仪、显示器、PLC及手持终端和控制系统之间，通过同一总线进行双向多变量数字通讯。
根据国际电工委员会IEC和现场总线基金会FF的定义，现场总线技术具有以下5个主要特点：
① 数字信号完全取代4～20mA模拟信号；
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，提高设备的智能化；
④ 实现现场管理和控制的统一；
⑤ 真正实现系统开放性、互操作性。
二、 几种常见的现场总线简介
从1984年IEC开始制订现场总线国际标准至今，经过16年的努力和有关各方的协商妥协，最终，采用包括8种类型现场总线的IEC6lI58标准，并于1999年底的投票中得以通过。
2.1 Type l IEC技术报告（即FF H1）
FF H1现场总线的网络协议是按照 ISO OSI参考模型建立的，它由物理层、数据链路层、应用层，以及考虑到现场装置的控制功能和具体应用而增加的用户层组成。
基金会现场总线（FF）是Type1现场总线的一个子集（Subset）。
2.2 Type 2 ControlNet
ControlNet现场总线得到美国Rockwell公司支持。它采用了一种新的通信模式：生产者/客户（Producer/Consumer model）模式。这种模式允许网络上的所有节点，同时从单个数据源存取相同的数据。这种模式最主要的特点是增强了系统的功能，提高了效率和实现精确的同步。
2.3 Type 3 Profibus
Profibus得到德国 Siemens公司支持。Profibus数据链路层总线存取有两种方式，即令牌环（Token-Ring）方式和主站/从站（Master/Slave）方式。
Profibus系列由3个兼容部分组成，即Profibus-DP、Profibus-FMS和 Profibus-PA。
Profibus-DP适用于设备级控制系统与分散I/O之间高速通信，它使用物理层、数据链路层以及用户接口。
Profibus-FMS适用于车间级监控网络，是一个令牌结构、实时多主网络。
Profibus-PA专为过程自动化设计，它能够将变送器和执行器连接到一根公共总线，符合IEC61158.2物理层规范，使用两根线可以完成供电和数据通信，并实现本质安全。
2.4 Type 4 P－Net
P-Net得到丹麦 Process Data公司支持。P-Net为带多网络和多端口功能的多主总线，允许在几个总线区直接寻址，无需递阶网络结构，是一种多网络结构。通信采用虚拟令牌（Virtual-Token）传递方式。该总线物理层基于RS-485标准，使用屏蔽双绞线电缆，传输距离l.2km。
2.5 Type 5 FF HSE
FF HSE即原 FF H2，美国Fisher-Rosemount公司支持。FF HSE现场总线使用框架式以太网（Shelf-Ethernet）技术，传输速率从100Mb/s到1Gb/s或更高。 HSE完全支持Type 1现场总线的各项功能，并允许基于以太网的装置通过一种连接装置与H1装置相连接。
HSE总线成功地采用CSMA/CD链路控制协议和TCP/IP传输协议，并使用了高速以太网 IEEE 802.3 11标准的最新技术。
2.6 Type 6 SwiftNet
SwiftNet得到美国波音公司支持。SwiftNet现场总线是一种结构简单、实时性强的总线，协议仅包括物理层和数据链路层，在标准中没有定义应用层。
2.7 Type 7 WorldFIP
WorldFIP得到法国AlStom公司支持。WorldFIP现场总线分为3级，即过程级、控制级和监控级。它能满足用户的各种需要，适合于各种类型的应用结构，集中型、分散型和主站/从站型。
2.8 Type 8 Interbus
InterbuS得到德国 Phoenix Contact公司支持。Interbus现场总线可构成主/从式和环型拓扑网络，传输速率为500kb/S，采用RS－485屏蔽双绞线电缆。
Interbus总线对单主机的远程1/O具有良好的诊断能力。
三、现场总线模型
3.1 现场总线模型
ISA和IEC共同提出了粗略的现场总线框架模型，它是国际标准化组织ISO开放系统互连（OSI）模型的简化型。OSI模型原本有互相独立的7层：物理层、数据链路层、网络层、传送层、会话层、表示层和应用层，规定了每一层的功能及其对于上一层的服务。现场总线模型采用了其中的第1、2、7层，没有“网络”层到“表示”层（即第3～6层）,又增加了一个用户层，作为第8层。所以，该模型的4个功能层分别是：物理层、数据链路层、应用层和用户层。
与OSI参考模型的相应层次相比，现场总线标准的物理层、链路层与其有相同的含义。从应用层看，现场总线有很大特色。
物理层：该层规定了现场总线的传输介质、传输速率、每条线路可接仪表数量、最大传输距离、电源、连接方式及信号类型等。
数据链路层：该层规定了物理层和应用层间的接口，其中包括：数据结构、传输差错控制、多主站使用的规范化等。该层将通过帧数据检验保证信息传输的正确性及完整性。
应用层：它向用户提供了一个简单的接口，其中定义了读、写、解释或执行一个信息或一条命令的方法。其中很大部分是定义信息的语法。此外，应用层还定义了信息传输的方式，如：周期式、立即响应式、一次性方式及使用者请求方式等。
用户层：该层定义了过程控制的基本内容。其中，包括现场总线内部信息的存取方法及信息在网内同一节点或不同节点的其它设备间的传送方法。现场总线结构的基础是功能块，由各功能块完成数据采集、控制或输出。每个功能块都包含一个算法功能和运算中所需的数据库以及由用户定义的该功能块的唯一标识符。
3.2 现场总线分类
按照与其传送的平均数据分组（data packet）长度相关的复杂程度分，现场总线又可分为三类：
Ø 位级（bit-level）总线或称为位式传感器—执行器总线：用于简单I／O，满足开／关和传感器／执行器需要的基本数据的高速总线；
Ø 字节级（byte-level）总线或设备总线：满足智能型离散设备,如PLS和以微处理器为基础的离散现场设备先进通信要求的总线；
Ø 数据流级（block-level）总线或称为现场总线：对速度要求较低而对过程信息通信量要求较高的连续过程的测量与控制用的总线。
（表一和表二见附件）
四、 现场总线控制系统（FCS）结构与特点
4.1 FCS结构
现场总线技术的出现，促进了自动化控制技术的进一步发展。目前FCS的模型一般是针对小型系统，在这类系统中，控制站的一部分功能下移分散到现场仪表中，减轻了控制站负担，使得控制站可以专职于执行复杂的控制算法。对于简单的控制应用，可以把控制站取消，在控制站的位置代之以起连接现场总线作用的网桥和集线器，操作站直接与现场仪表相连，构成FCS。
一个控制系统，无论是传统的DCS还是采用现场总线技术，系统需要处理的信息量至少是一样多的。实际上，采用现场总线和智能检测和执行设备后，可以得到更多的有关现场与设备的状态信息，以便于诊断、维护和管理。现场总线系统的信息量大大增加了，而传输信息的线缆却大大减少了。这就要求一方面要大大提高线缆传输信息的能力、减少多余信息的传递。另一方面要让大量信息在现场就地完成处理，减少现场与控制机房之间的信息往返。
如果仅仅把现场总线理解为省掉了几根电缆，是没有理解到它的实质。信息处理的现场化才是智能化现场元件和现场总线所追求的目标，也是现场总线不同与其它计算机通信技术的标志。
4.2 FCS特点
现场总线对传统DCS的冲击来源于其本质上优越于DCS系统的技术特征。
FCS更好地体现了DCS中“信息集中，控制分散”的概念。与传统的DCS 相比，FCS是全分散的系统，它可以由现场仪表组成自治的控制回路。
连线简单将大大降低安装和连线的费用，现场装置的智能化将增强现场设备的功能，减少一半甚至一半以上的I/O设备，并提供更多的信息流动。
由于结构上的改变，FCS比DCS节约硬件设备。使用FCS可以减少1/2～2/3的隔离器、端子柜、I/O终端、I/O卡件、I/O文件及I/O机柜，这样就节省了I/O装置及装置室的空间；同时减少大量电缆，使施工、调试大大简化。
与此同时，FCS比DCS性能有所提高。通过将PID功能植入到变送器或执行器中去，使控制周期大为缩短。目前可以从DCS的每秒调节2～5次增加到每秒调节10～20次，改善了调节性能。
FCS与DCS相比，便于使用和维护。FCS使用统一的组态方式，安装、运行、维修简便；利用智能化现场仪表，使维修预报（Predicted maintenance）成为可能；用户可以自由选择不同品牌的设备达到最佳的系统集成，在设备出现故障时，可以自由选择替换的设备，保障用户的最大利益。
现场总线技术不仅是一种通信技术，它实际上融入了智能化现场元件、计算机网络和开放系统互连等技术的精粹。所有这些特点使得以现场总线技术为基础的FCS相对于传统DCS系统具有巨大的优越性：
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 真正实现全分散、全数字化的控制网络；
⑤ 用户始终拥有系统集成权。
五、现场总线的发展和选择
5.1 现场总线的发展现状
现场总线是一种全数字化的、实时、双向、多站的通信系统，用于现场级设备互连，以及现场设备与控制系统相连。按照其应用范围，可将现场总线分为二类，即：用于加工制造自动化的现场总线，其特征是高速、短信息；用于过程控制的现场总线，其特征是低速、长信息，有时候还要求本质安全。
受工业市场需求的驱动，迫切需要基础自动化这一层面的设备（如变送器、执行器等），即使由不同的厂商供货，也具有互操作性，并确保管理系统可对这些设备进行数据存取。不过由于应用领域的不同，要求的功能也不同，近十多年来市场上出现多种现场总线网络，其开放性、网络容量、硬件/软件的可用性和标准支持，都有很大的差异。
不同类型的现场总线在功能、性能和价格上有很大区别，各有自己的适用范围。据美国ARC公司的市场调查，世界市场对各种FCS需求的实际份额为：
Ø 过程自动化15％（FF、Profibus-PA、WorldFIP）；
Ø 医药领域 18％（FF、Profibus-PA、WorldFIP）；
Ø 加工制造 18％（Profibus-DP、CC-Link）；
Ø 交通运输 15％（Profibus-DP、CANBus、DeviceNet）；
Ø 航空、国防 34％（Profibus-FMS、Lonworks、DeviceNet、ControlNet）；
Ø 农业（未统计，P-Net、CANBus、 Profibus-DP/PA、 DevlceNet、 ControlNet）；
Ø 楼宇（未统计，Lonworks、Profibus-FMS、DeviceNet）。
但现阶段，DCS仍然是自动化控制中的主要方式，最可行的方案是考虑如何使现场总线与传统的DCS系统尽可能地协同工作，这种集成方案能够得到灵活的系统组态，以适用于更广泛的、富于实用价值的应用。利用现场总线实现控制功能下移至现场层，使DCS的 多层网络被扁平化，各个现场设备节点的独立功能得以加强。
5.2现场总线的发展趋势
现场总线的国际标准虽然制订出来了，但是，由于采用了不同的网络技术，现场总线技术不能实现统一，它与IEC（国际电工委员会）于1984年开始制订现场总线时的初衷是相违背的。因此，现场总线今后的发展将呈以下趋势。
1．多种总线并存
现场总线国际标准IEC61158中采用的8种类型，以及其他一些现场总线，如Lonworks等，将在今后一段时间内共同发展，并相互竞争相互取长补短。此外；国际跨国公司除了从事他们所支持的现场总线技术的研究与开发，还兼顾其他总线的应用。
2. 每种现场总线将形成其特定的应用领域
目前全球用于连接分散的I/O产品和控制器的总线和网络产品多种多样，但未来将有越来越多的市场份额集中在越来越少的总线和网络产品上，随之会产生新的市场领导者。随着时间的推移，占有市场 80％左右的总线将只有六七种，而且其应用领域比较明确。
3．以大网的引入成为新的热点
以太网在没有任何标准化组织的支持，但它是目前通讯技术事实上的标准，正在工业自动化和过程控制市场上迅速增长。据1999年10月Inter-Kama展览会的情况看，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，在销售各自PLC产品的同时，提供与远程I/O和基于PC的控制系统相连接的接口。在今后 3年以太网的市场占有率将达到 20％以上。可以肯定的是，TCP（传输控制协议）已成为以太网事实上的网络层、传送层的通信规约；以太网已变为网络拓扑的唯一选择。Ethernet技术渗透到工业控制中，出现了现场总线型网络技术与以太网／因特网开放型网络技术的自然结合，以太网不仅可以成为工业高层网络上的信息系统，也可以上下贯通直接与现场设备相连。有专家预言，Ethernet是高性能现场总线极好的选择。
六、未来趋势
由于现场总线技术的发展和实际应用，控制和自动化行业正在经历着巨大的技术变革。从自动控制系统的发展史来看，曾有过两次大的革新：一次是50年代末由旧式模拟仪表向电动或气动单元组合仪表的转变；另一次是80年代从电子模拟仪表到DCS的转变。这两次大的转变，远远不及现场总线对控制系统发展的影响那样深刻。现场总线使控制系统发生了概念上的全新变化。它使传统的控制系统结构发生了根本的变化，在某种意义上，可认为现场总线最终将完全代替DCS。它将开辟过程控制的新纪元。