1.2 现场总线及其发展
1.现场总线的技术特点
根据国际电工委员会标准和现场总线基金会的定义，现场总线的技术特点主要体现在以下几个方面。
（1）现场设备互连
现场设备是指在生产现场安装的自动化仪器仪表，按功能可分为变送器、执行器、服务器和网桥等，这些现场设备通过双绞线、同轴电缆、光缆、红外线、微波等传输介质进行相互连接、相互交换信息。
（2）现场通信网络
现场总线作为一种数字式通信网络一直延伸到生产现场中的现场设备，使得现场设备之间互连、现场设备与外界网络互连，从而构成企业信息网络，完成生产现场到控制层和管理层之间的信息传递。
（3）互操作性
现场设备种类繁多，这就要求不同厂家的产品能够实现交互操作与信息互换，避免因选择了某一品牌的产品而被限制选择可使用设备的范围。用户把不同制造商的各种智能设备集成在一起，进行统一组态和管理，构成需要的控制回路。现场设备互连是最基本的要求，但只有实现设备的互操作性，才能使得用户能够根据需求自由集成现场总线控制系统。
（4）分散功能块
FCS系统对DCS系统的结构进行了调整，摒弃了DCS的输入/输出单元和控制站，把DCS控制站的功能分散到现场具有智能的芯片或功能块中，使控制功能彻底分散，直接面对对象。如图1-4所示，压差变送器用来测量模拟输入量；而处理后的模拟输出量则用来控制调节阀；功能块AI100被置入变送器中，功能块PID100、AO100被置入调节阀中。由系统对这3个标准的功能块及其信号连接关系进行组态，并通过通信调度来执行控制系统的应用功能；将AI功能块的输出发送给PID功能块，把经过PID功能块运算得到的输出发送给AO功能块，由AO功能块的输出来控制阀门的开度，从而实现对被控流量的控制。
图1-4 现场总线的分散功能块
由于将控制功能分散到多台现场仪表中，并可统一组态，所以用户可灵活选用各种功能块，构成所需的控制系统，彻底实现系统的分散控制。
（5）总线供电
总线在传输信息的同时，还可以给现场设备提供工作电源。这种供电方式能用于要求本质安全（简称为本安）环境的低功耗现场仪表，为现场总线控制系统在易燃易爆环境中的应用奠定了基础。
本质安全技术是在易燃易爆工作环境下使用电气设备时确保安全的一种方法。通常许多生产现场都有易燃易爆物质，为了确保设备及人身安全，必须采取安全措施，严格遵守安全防爆标准，以保证易燃易爆等工作场所的安全性。
本安电气设备与可燃性气体的接触将不会产生潜在的环境危险。整个系统的设计使得即使在设备或连接电缆出现故障的情况下，可能出现的电火花或热效应也不足以引起燃烧或爆炸。本安技术仅适用于低电压和低功耗的设备。
（6）开放式互联网络
现场总线为开放式互联网络，既可与同层网络互联，又可与不同层网络互联。其采用公开化、标准化、规范化的通信协议，只要符合现场总线协议，就可以把不同制造商的现场设备互连成系统，用户不需要在硬件或软件上花费太多精力，就可以实现网络数据库的共享。
通过以上阐述，现场总线控制系统（FCS）的关键要点如下：
1）FCS的核心是现场总线，即总线标准。
2）FCS的基础是数字智能现场装置。
3）FCS的本质是信息处理现场化。
2.现场总线的优越性
现场总线的优越性体现在以下几个方面。
（1）开放性
现场总线的开放性主要包含两方面的含义。一方面其通信规约开放，也就是开发的开放性；另一方面能与不同的控制系统相连接，也就是应用的开放性。开放系统把系统集成的权利交给了用户，用户可按自己的需求，把来自不同供应商的产品组成大小随意、功能不同的系统。
（2）互操作性和互用性
互操作性是指实现生产现场设备与设备之间、设备与系统之间信息的传送与沟通；而互用性则意味着不同生产厂家的同类设备可以进行相互替换从而实现设备的互用。
（3）现场设备的智能化与功能自治性
现场总线将传感测量、补偿计算、工程量处理与控制等功能下放到现场设备中完成，因此单独的现场设备就可完成自动控制的基本功能，随时自我诊断运行状态。
（4）系统结构的高度分散性
由于现场设备的智能化与功能自治性，使得现场总线构成了一种新型的全分布式控制系统的体系结构，各控制单元高度分散、自成体系，提高了系统的可靠性。
（5）对现场环境的适应性
现场总线是专为工业现场设计的，可支持双绞线、同轴电缆、光缆、微波、红外线等传输介质，具有较强的抗干扰能力，可根据现场环境要求进行选择；能采用两线制实现通信与送电，可满足本质安全防爆要求。
由于现场总线本身所具有的技术特点，使得控制系统从设计、安装、投入运行到正常生产运行及检修维护等方面都体现出了极大的优越性。现场总线技术使自动控制设备与系统步入了信息网络的行列，为其应用开拓了更为广阔的领域。
3.现场总线的标准
现场总线的发展是与微处理器技术、通信技术、网络技术等高新技术的发展及自动控制技术的不断进步分不开的。Honeywell公司在1983年推出了Smart智能变送器，在原有模拟仪表的基础上增加了复杂的计算功能，并采用模拟信号与数字信号叠加的方法，使现场与控制室之间的连接由模拟信号过渡到数字信号，为现场总线仪表提出了新的发展方向。其后世界上各大公司相继推出了具有不同特色的智能仪表，如Rosemount公司推出了1151智能变送器，Foxboro公司推出了820、860智能变送器等，这些智能变送器带有微处理器和存储器，能够进行模拟信号到数字信号的转换处理，还可完成各种信号的滤波和预处理，给自动化仪表的发展带来了新的生机，为现场总线的产生奠定了一定基础。
国际电工委员会（IEC）非常重视现场总线标准的制定，早在1984年就成立了IEC/TC65/SC65C/WG6工作组起草现场总线技术标准（即IEC 61158），但由于行业、应用地域的不同及产品推出的时间不同等多种因素，加上各公司和企业集团受自身利益的驱使，致使现场总线标准的制定工作进展十分缓慢，且形成了多种总线并存的局面，使得每种总线在应用与发展中都形成了自己的特点和应用领域。根据相关资料统计，已出现的现场总线有100多种，其中宣称为开放型总线的就有40多种。
现场总线的多样性使得它在短时间内难以统一，设备的互连、互通与互操作问题就很难解决，而以太网的优势可以使其延伸至过程控制领域，并已逐渐被工业自动化系统接受。为了满足实时性能应用的需要，各大公司和标准组织提出了各种提升工业以太网实时性的技术解决方案，产生了实时以太网（Real Time Ethernet，RTE）。
国际上对现场总线标准在不断地修订和增减，工作非常活跃。2007年，第四版国际现场总线标准IEC 61158发布，具体类型见表1-1所示。其中，类型6（Swift Net总线）因为市场推广应用不理想等原因被撤销。
表1-1 IEC 61158（第四版）现场总线类型
IEC 61158系列标准的各部分正陆续由全国工业过程测量控制和自动化技术委员会（SAC/TC124）转化为我国国家标准。
IEC 61158系列标准代表了现场总线技术和实时以太网技术的最新发展。各主要企业在力推自己的总线产品的同时，也都尽力开发接口技术，将自己的总线产品与其他总线相连接。目前，现场总线技术还处于发展和完善阶段，标准的完善和统一在短期内还很难实现；总的来说，现场总线将向着工业以太网以及统一的国际标准方向发展。
4.对工业控制系统的影响
现场总线为工业控制系统向分散化、网络化、智能化发展提供了解决方法，它的出现使得目前生产的自动化仪表、集散控制系统、可编程序控制器在产品的体系结构、功能结构方面有了较大的变革，自动化设备的制造厂家被迫面临产品更新换代的又一次挑战。使得传统的模拟仪表逐步向智能化数字仪表方向发展，并具有数字通信功能；出现了一批集检测、运算、控制功能于一体的变送控制器；出现了集检测温度、压力、流量于一体的多变量变送器；出现了带控制模块和具有故障诊断信息的执行器；并由此大大改变了现有的设备维护管理方法。因此，现场总线作为工业自动化技术的热点，受到了普遍的关注，且对企业的生产方式、管理模式都将产生深远的影响。