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1．1 现场总线的基本概念
1．1．1 现场总线的由来
1．数据采集与处理
2．直接数字控制系统
3．监督计算机控制系统
4．集散控制系统
5．现场总线控制系统
1．1．2 现场总线的定义
1．2 现场总线的特点
1．2．1 现场总线的基本特性
1．2．2 现场总线与 IT 计算机网络技术的区别
1．3 现场总线的现状
1．3．1 现场总线国际标准
1．国际电工委员会制定的现场总线国际标准
2．国际标准化组织制定的现场总线国际标准
1．3．2 造成多个标准共存的原因
1．3．3 现场总线标准的共性与分类
1．现场总线之间的公共基础
2．分类方法
1．4 现场总线的未来
1．4．1 积极推动单一现场总线国际标准的制订
1．4．2 从冲突走向合作
测量与控制技术、通信网络技术、计算机技术、芯片技术的高度发展，使得自动化领域
在设备制造、控制方式、系统集成、系统维护等方面发生了深刻的变革，并直接导致了现场
总线这一新技术的产生和发展。时至今日，建立在现场总线基础上的现场总线控制系统，正
在逐步取代传统的模拟仪表控制系统、直接数字控制系统和集散控制系统，并从根本上改变
了传统控制系统的结构，对自动化产品及控制系统的设计方法也产生了巨大冲击，为自动化
系统的最终用户带来更大的实惠和方便。
1．1 现场总线的基本概念
现场总线的原始思想非常简单，就是想用一个开放的、互可操作的、多点的数字通信
系统代替已使用很久的 4~20mA 标准。但是，这样一个概念的实现却异常困难，不仅涉及众
多技术领域，单就理解现场总线的含义和复杂性，就花去工业界近十年的时间。
导致对这一概念长时间酝酿的原因有两个。首先，不同的国际标准化组织对各自设计
的现场总线的优缺点存在激烈争论；第二，现场总线远不只是简单代替 4~20mA 标准。由此
看来，要想真正掌握现场总线这一新兴技术并不是一件简单的事。为了便于学习现场总线，
我们首先简单介绍一下其产生和发展过程，然后给出它的定义。
1．1．1 现场总线的由来
事实上，现场总线的产生与发展，与计算机在工业控制领域的应用密切相关。这里将
通过回顾计算机在控制系统中的应用历程，帮助我们理解现场总线技术。
1．数据采集与处理
计算机在控制系统中的应用始于 20 世纪 50 年代，此时的计算机主要是对大量的过程
参数进行巡回检测、数据记录、数据计算、越限报警以及对大量数据进行累积和实时分析。
典型系统结构如图 1-1 所示。
在这种应用结构中，计算机并不直接参与控制，对生产过程不会产生直接影响，但其作
用还是很明显的。它表现在能对整个生产过程进行集中监视，故对指导生产过程控制有一定
的积极作用，同时可进行越限报警，以确保生产过程的安全。此外，这种应用方式可以得到
大量统计数据，有利于对生产过程进行研究，以便建立和改善生产过程的数学模型，即找到
生产过程中各参数（包括被控量、干扰、控制量）之间关系的数学表达式。这样就为计算机
直接参与控制创造了条件。
2．直接数字控制系统
20 世纪 60 年代以前，虽然计算机已经应用于控制系统，但仍不能称之为过程计算机控
制，其根本原因在于它不直接参与过程控制，充其量不过是一个离线数据分析工具而已。60
年代以后，由于计算机上提供了与过程装置之间的接口，人们开始试验用直接连接的方法，
使计算机与变送器、执行器之间的信号传送都不用人工干预，并获得了成功，其结构如图
1-2 所示。
在这种系统中，主要是由计算机参与闭环控制过程，无需模拟控制器，计算机
通过过程输入通道对一个或多个被控参数进行巡回检测，并根据确定的控制规律进行运算，然后发出控制信号，通过输出通道直接操纵控制阀等执行机构，构成闭环控制回路。一般情况下，这类控制系统有一个功能较齐全的运行操作台，设定、显示、报警等集中在这个控制台上，操作方便。也就是说，计算机配备上变送器、执行器和信号连接装置就完全可以实现过程的检测、监视、控制和管理了。这种计算机控制系统能够替代模拟控制仪表，实现由模拟技术到数字技术的转换，而系统的功能却保持不变。因此，该系统已经成为计算机控制技术的基础，通常称为直接数字控制系统（DDC，Direct DigitalControl）。
然而，在 DDC 系统中，由于计算机与过程装置之间的双向信号流动是通过硬性物理连
接装置来实现的，其中流动的信号都是电气信号，因此计算机不可能与现场装置离得太远，
所以每台计算机所控制和管理的过程装置数量很少。当单台计算机控制着几十甚至几百个回
路时，除可能因运算量大，计算机负荷过载外，危险也集中了，一旦计算机发生故障，将导
致生产过程全面瘫痪。因此，DDC 在多数情况下的应用为单回路控制。
3．监督计算机控制系统
在 DDC 方式中，对生产过程产生直接影响的被控参数设定值是预先设定的，并且存入
微型计算机内存中，这个设定值不能根据过程条件和生产工艺信息的变化及时修改，故直接
数字控制方式无法使生产过程处于最优工况，这显然是不够理想的。
监督计算机控制（SCC，Supervisory Computer Control）系统中，计算机根据原始工艺
信息和其它参数，按照描述生产过程的数学模型或其它方法，自动地改变模拟控制器或以直
接数字方式工作的微型计算机中的设定值，从而使生产过程始终处于最优工况。
监督计算机控制方式的控制效果，主要取决于数学模型的优劣。数学模型一般是针对某一目
标函数设计的，如果数学模型能使一目标函数达到最优，那么，这种控制方式就能实现最优控制。
当数学模型不理想时，控制效果也不会太好。监督控制的结构形式如图 1-3 所示。
SCC 一般由两级计算机组成，第一级计算机与生产过程连接，并承担测量和控制任务，即完
成 DDC 控制。因此要求可靠性高，抗干扰性强，能独立工作。第二级计算机按照生产过程工况、操作条件的变更信息和数学模型进行必要的转换，给第一级计算机提供最佳设定值和最优控制量等各种控制信息。第一级计算机和第二级计算机之间的数据通信，通常采用串行数据链路规程，传送速率一般较低。
4．集散控制系统
工业生产过程中，管理的集中性和控制的分散性，进一步推动了计算机控制技术的发
展。20 世纪 70 年代中期出现了集散控制系统（DCS，Distributed Control System），它是以
微型计算机为核心，采用单元组合方式，根据不同需要灵活组合的一个完整系统。即基础级
是以微型计算机为核心的基本控制站，实现 DDC 控制。各基本控制站通过网络和上级监控
计算机、CRT 操作站等联系起来。监控级可采用高性能的 32 位微型计算机，CRT 操作站的
核心部件也是微处理器。到了 20 世纪八、九十年代，DCS 已在自动化领域中占据主导地位，
其基本结构如图 1-4 所示。
从整体逻辑结构上讲，DCS 是一个分支树型结构，整个系统既集中又分散，现场控制站分布在各个工业现场，通过数字通信网络联系起来，可在中央控制室通过监控计算机、操作站等进行集中监视、维护和管理。其重要特点是：采用网络技术实现数据的高速远距离传送；采用分布的、
相对独立的控制站在一定程度上避免了多回路集中控制的风险；通过控制站的冗余设计提高了控制系统的可靠性。因此，目前 DCS被广泛应用于大型厂矿企业中。
5．现场总线控制系统
前面讲述的 DCS 系统虽然已经在控制室内实现了数字化，但处于现场的大量变送器、
执行器仍然是模拟的，每台现场仪表都必须各自用 2 芯或 4 芯电缆将 4~20mA 的直流模拟信
号通往控制站，随着测点的增加，所需控制电缆数势必随之增长。另外，大量测控信息必须
通过控制站才能实现控制和管理，并没有实现真正意义上的分布式控制，也就是说，没有将
控制回路完全下放到生产现场的变送器或执行器上，只是实现了控制站的相对分散。
20 世纪 80 年代，随着通信网络技术、微型计算机技术的发展，通用或专用的微处理器
开始逐步进入测量与控制仪表，使之具有数字计算和数字通信能力。逐步放弃常规的
4~20mA 模拟信号传输标准，采用一定的媒体作为通信线路，按照公开、规范的通信协议，
在位于现场的多个设备之间，以及现场设备与远程监控计算机之间，实现全数字传输和信息
交换，形成各种适应实际需要的控制系统成为一种趋势，现场总线控制系统（FCS，Fieldbus
Control System）正是在这种背景下产生的。
1．1．2 现场总线的定义
数字技术的发展完全不同于模拟技术，数字技术标准的制定往往早于产品开发。为保
证新兴产业的健康发展，国际权威组织国际电工委员会（IEC，International Electrotechnical
Commission）极为重视现场总线标准的制定，早在 1984 年就筹备成立了专门的工作组
（IEC/SC65C/WG6）起草现场总线标准，并对现场总线做出如下定义。
在生产现场的测量控制设备之间实现双向、串行、多点数字通信的系统称为现场总线，
也被称为控制领域的计算机局域网。
我们可以认为现场总线就是一直延伸到现场测控设备的通信 总线，它使得许多现场设备（如变送
器、调节阀、基地式控制器、记录仪、PLC、便携式终端等）与控制室自动化设备可以在同一总线上进行双向、多信息数字通信。形象一点说，现场总线是用全数字化、双向、多变量的通信方式来代替了目前普遍使用的 4~20mA 单变量、单向模拟传输方式。通常，我们将建立在现场总线基础上的控制系统称为 FCS，其基本结构如图 1-5 所示。
FCS 是一种新型的网络集成式全分布控制系统。现场总线作为设备的联系纽带，把挂
接在总线上的、作为网络节点的智能设备连接成网络系统，并通过组态进一步成为控制系统，
实现基本控制、补偿计算、参数修改、报警、显示、监控、优化以及测、控、管一体化的综
合自动化功能。由此可以看到，现场总线是一个以智能传感器、自动控制、计算机、通信、
网络等技术为主要内容的多学科交叉的新兴技术，在过程工业、制造工业、楼宇自动化、交
通运输、电力配送等领域都有广泛的应用前景，被誉为 21 世纪最有希望的自动化技术。
与 SCC、DCS 等其它类型控制系统相比，建立在现场总线基础上的 FCS 具有更大的优
越性，为了便于理解，我们将在下一节里专门进行介绍。
1．2 现场总线的特点
长久以来，过程控制现场的设备之间主要采用点对点连接，用模拟电压、电流信号进
行测量与控制，难以实现设备与设备之间、系统与外界的信息交换。现场总线的出现，将从
根本上改变这种状况。
1．2．1 现场总线的基本特性
采用全数字通信的现场总线，不同于 DDC、PLC、DCS 等系统，它是在吸收了这些系
统优点的基础上发展起来的一门新技术，具有很强的生命力和优越性。
⑴ 开放性。开放是指相关标准的一致性、公开性，强调对标准的共识与遵从。所谓开
放系统，是指它可以与任何遵守相同标准的其它设备或系统连接。现场总线标准是公开的、
一致的，对用户是透明的。不同厂家的设备或网络之间可以实现信息交换，用户可根据自己
的需要，使用来自不同厂家的产品，组成大小可调整的、开放的互连系统。
⑵ 互可操作性与互换性。互可操作性是指互连的设备之间、系统之间可以相互通信或
操作；而互换性则意味着不同厂家生产的性能类似的设备可以相互替换。
⑶ 设备智能化。全数字化通信的前提是设备具有数字信号处理能力，以微处理器为基础的现场总线设备，不仅能够满足这一要求，而且能够实现各种功能，如滤波、标度变换、报警、修正补偿、状态诊断以及自动控制等。另外，从图 1-6 中可以看出，由于减少了 A/D 与D/A 转换环节，也使得测控精度得到提高。
⑷ 彻底分散。现场总线构成一种全分布式控制系统结构，从根本上改变了集中与分散相结合的 DCS 结构。例如，在 FCS 中可将 PID运算等植入现场仪表中，实现现场自主调节。
⑸ 现场环境适应性。现场总线是为适应现场环境而专门设计的。支持双绞线、同轴电缆、光缆、电力线和无线传输媒体；能实现两线制供电；可满足本质安全要求等，具有较强的抗干扰能力。
⑹ 系统可靠性。现场总线采用数字传送，避免了 4~20mA 模拟传输所带来的问题，如
共模抑制、噪声、绝缘等，提高了系统可靠性。
⑺ 信息一致性。当几个用户共享同一物理信息时，所有用户有相同的过程“图像”。采
用广播方式传送的现场总线允许对连到总线上的设备状态同时采样，总线上的信息对连在总
线上的所有用户有同等可用性。
⑻ 经济性。建立在现场总线基础上的 FCS，不仅电缆费用急剧减小，而且由于减少了
I/O 卡、端子板、安全栅（I.S.）和控制室占用空间等，系统总成本也降低了。图 1-7 给出了
在本安场合中 FCS 与 DCS 之间硬件的区别。
⑼ 易于安装和维护。在 FCS 中，不同用途或地点的系统子组合可分别进行测试和快速
集成；增加现场设备只是简单地安装一个连接器到网络电缆上，而不是铺设新的电缆以
及在控制设备上增加新的电路板。传统控制系统中，操作员只能看到 I/O 点上的信息，
而且是单向的。现场总线拓宽了操作员的监控范围，信息传送是双向的。现场设备具有
自诊断和简单故障处理能力，并能通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室；操
作员可以监控总线上所有设备的运行、诊断和维护信息，以便早期分析故障原因并快速
排除。
以上只列举了现场总线的一些较普通的特性，其技术优越性将在本书以后章节中
进行详细阐述。可以肯定的是，随着这一技术的不断发展，越来越多的研究人员、企事业单位会认识到其重要性和远大前景。
现场总线是厂矿企业中所需要的一种底层控制网络。涉及到网络就不可避免地使人联想
到现在非常普及的信息技术（IT，Information Technology）网络，我们有必要了解它们之间
的不同之处。
1．2．2 现场总线与 IT 计算机网络技术的区别
用于测量和控制的数据通信既不同于以传递信息为主的邮电通信，也不同于一般信息技
术的计算机网络通信。现场总线传递信息是以引起物质或能量的运动为最终目的的，其数据
通信是允许对事件进行实时响应的驱动通信，需要具有很高的可用性和数据完整性，当运行
环境中存在电磁干扰、地电位差、易燃易爆等情况时，也能正常工作。
以下将从 5 个方面阐述现场总线与 IT 网络技术的差别。
⑴ 实时性。所谓“实时”是指信号的输入、运算和输出都要在一定时间范围内完成，
亦即系统（如计算机）对输入信息，以足够快的速度进行处理，并在一定时间内做出响应或
进行控制，超出了这个时间，就失去了控制的时机，控制也就失去了意义。应用于工业控制
系统的现场总线，必须满足数据传输和系统响应的实时性要求。通常情况下，过程控制系统
的响应时间要求为 0.01~0.5s；制造自动化系统的响应时间是 0.5~2s，而 IT 网络的响应时间
为 2~6s。因此，在 IT 网络的大部分应用中，实时性是可以忽略的。
例如，在过程控制系统中，主要通过现场设备（例如传感器、执行器等）实现与外
部物理过程的不间断相互作用，其中包括从传感器中读取数据、完成计算和发送新的命
令等。一般说来，这些步骤是周期性进行的，响应时间在毫秒级，对数据通信实时性具有较高要求。表 1-1 给出了部分传感器和执行器的时间特性和数据长度。
⑵ 环境适应性与安全性。在安装计算机网络时，都要考虑良好工作环境的设计问题，
这样做的目的绝不是因为人的因素，而是现有网络设备的工作条件太苛刻。直到今天，要使
IT 网络正常工作，仍有许多限制，有些限制在工业现场是不可能得到满足的。尽管在控制
和 I/O 层次上，IT 网络已经占有了工业网络的一席之地，但在工业现场应用时，网络设备必
须具有工业强度。这里所说的工业强度包括：设备使用低压电源，例如 18~24VDC；具有抗
噪声干扰能力，如工业现场的振动、交流声及大型电机和焊接机器人等产生的冲激噪声，极
易造成数字通信失误；能在﹣45°~85°C 环境中运行等。现今为 IT 网络所设计的接插件、集
线器和电缆等的抗干扰技术，不能满足上述要求。
工业控制系统中，特别是在易燃、易爆环境中，通常采用总线供电，电源电压及电流大
小都要受到限制，作为负载的现场设备，其功率也要受到约束。尽管在危险的地方 IT 网络
可以使用防爆导线，但就目前而言，还没有验证其防爆性能的方案。实际情况是，IT 网络
缺少相应的处理措施。另外，IT 网络根本没有考虑总线供电问题。
三重冗余设计已被控制领域认为是保证信息安全传输的基准，IT 网络可以作到两重冗
余设计，却难以实现三重冗余设计。今天，商业领域使用的安全系统已经高度专业化，并且
事实上是专用的。除非 IT 网络由安全系统生产商进行设计，否则它在安全系统中的应用是
非常有限的。
⑶ 额外开销。IT 网络的额外开销也是潜在的工业用户所关心的问题。IT 网络使用以太
网协议，该协议需要 32 位地址长度，32 位循环冗余帧检验码，以及最小为 46 个字节的报
文长度。为了能够检测网络中不同设备所发生的通信冲突，IT 网络使用这样大的报文长度
是必须的。而工业网络的每个网段上只有少量节点，因此，现场总线并不需要支持使用长报
文、长地址传递数据。
⑷ 逻辑链路控制服务形式。现场总线拥有两种逻辑链路控制（LLC）服务形式，即面
向连接的服务和无连接的服务。面向连接的服务提供很高的服务质量，在连接的每一端，服
务提供者始终监视着发送和接收的数据单元，并增加了差错恢复和避免重读等特性。非连接
服务十分简单，它支持点对点、多点及广播等不同工作方式，它无需启动时间就能实现通信。
然而，IT 网络中的两个自主系统之间只建立暂时的一对一工作方式。
⑸ 通信要求。IT 计算机网络通信与现场总线的现场装置之间的网络通信，其要求有所
不同，前者通信量较后者大。但 FCS 通信系统的信流最终都要变成物流、能流、动作流程，
任何通信差错都可能带来严重后果。因此，现场总线采用的网络技术不仅要先进，更重要的
是必须成熟和实用。
FCS 对数据通信的要求十分严格，但它仍然是信息系统，不能简单地把它与普及的
Ethernet、Internet 等信息技术通信对立起来。某些场合 FCS 不宜用 IT 通信，但有些场合 FCS
却需要 IT 通信
应该理解的是，IT 网络本身并没有提供完整的网络解决方案。但是，由于网络协议对
网络用户来说是透明的，尽管用户听说过许多这方面的名词，如 TCP/IP，但并不一定十分
了解，只要应用信息可靠、安全、准时的流入和流出，用户并不关心网络的层次或规范。现
在的情况是，如果想用 IT 网络解决工业控制中的问题，不仅仅是以相对较小的成本获得处
理大量数据的能力，要想将其移植到工业平台上，如上所述，还存在许多问题需要解决。
工业系统如炼钢厂、核反应堆等一旦投入运行，通常不允许出现不可控制的失误。所以，
工控领域的每项新技术，都要经过长时间的实验和试运行，当实际应用的可靠性达到一定程
度时，才有工程师敢于将新技术应用于重要工程。企业将新的控制技术直接列入自己的新投
资项目中，这种情况是很少见的。正是由于控制工程师仍然对使用 IT 网络感到忧虑，至今
还没有一个 IT 网络的工业实现方案为全球所认可。
1．3 现场总线的现状
现场总线协议最先出现在核领域和军事领域，以 CAMAC 和 MIL-STD1553 为标志，仪
器仪表领域提出 HPIB 总线是在 1978 年。这三种总线的概念与今天所提的现场总线存在较大差别，它们之中只有 MIL-STD1553 是串行总线。尽管如此，由于这一新技术蕴涵着巨大
的市场潜力，在当时技术尚不成熟的情况下，发达国家和一些大型的控制设备制造商为抢先
占领市场，就纷纷开始推出各自的现场总线技术和产品，并出现了许多有影响的现场总线标
准化国际组织，如：国际标准化组织（ISO）、国际电工委员会、现场总线基金会（FF，Fieldbus
Foundation）、WorldFIP（World Factory Instrumentation Protocol）协会等。
成立于 1947 年的 ISO，是国际上制定国际标准的权威机构之一。1978 年，ISO 建立了
一个“开放系统互连”分技术委员会，起草了“开放系统互连参考模型”的建议草案，1983
年成为正式国际标准 ISO7498，1986 年又对该标准进行了进一步的完善和补充。ISO 提出的
网络层次结构建议，是世界上已出现的各种网络协议走向国际化标准的重要步骤。ISO 把此
建议称为开放系统互连（OSI，Open System Interconnection）参考模型，该模型使用七个层
次来描述通信系统，由低到高分别为物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示
层和应用层，顺序编号依次为第 1、2、…、7 层。每一层执行通信中的一个特别任务，且与
上下两层都有接口，所有通信由称作协议的数据交换规则进行控制。
现场总线作为应用于工业现场底层的控制网络，并没有用到参考模型描述的所有层次。
这是由于工业现场大量使用的是传感器、控制器、执行器等，它们通常零散地分布在一个较
大的范围内，由它们构成的控制网络，单个节点面向控制的信息量不大，信息传输任务相对
比较简单，但实时性、环境适应性要求较高。如果使用 ISO/OSI 七层模型，层间操作与转换
非常复杂，时间开销与网络接口造价也显得过高。因此，现场总线在既遵循开放系统互连的
原则，又充分兼顾测量与控制应用特点的情况下，将通信模型主要集中在四个层次上：
⑴ 物理层。数据通信媒体，替代 4~20mA 模拟信号标准。
⑵ 数据链路层。监督各种设备之间的通信，并能进行全部错误检测。
⑶ 应用层。将数据变成所有网上设备都能理解的报文，并提供过程控制服务。
⑷ 用户层。连接分离的各个厂区并提供应用环境，实现高层控制功能。
自现场总线的概念产生以来，已经形成了 50 多种较有影响的现场总线协议，它们大都
以 ISO/OSI 参考模型作为基本框架，并根据应用行业的需要施加某些特殊规定后形成标准，
并在较大范围内取得了用户与设备制造商的认可。
由于标准，特别是国际标准，对产品的研发、生产、销售和应用至关重要，迫切需要国
际标准化组织开发一个统一的、开放的现场总线国际标准。通过这一标准可以集成多种检测
仪表和控制系统，能够实现完全可互换性和互可操作性，不同仪器仪表制造商生产的各种产
品可以实现无缝连接。
时至今日，这一令人胆怯的任务没有获得预期的高潮。一个重要原因是一些设备制造商
觉察到开放的通信协议可能影响到他们的市场地位，因此不断提升自己的专用协议产品，缺
少对统一现场总线标准的兴趣。为保证设备和工厂的正常运行能力，自动化终端用户要依靠
系统供应商，只能被动地追随他们。正因为如此，二十多年过去了，始终未能推出一个统一
的标准。
1．3．1 现场总线国际标准
长期以来，有关现场总线的标准问题争论不休，互连、互通、互操作以及实时性问题很
难解决。不仅已有的 50 多种现场总线仍然没有走向统一，而且仍在不断推出新的标准，如
FlexRay。从各种数字技术的发展经历来看，国际标准开发组织影响力较大，因此这里将简
单介绍由它们推出的现场总线国际标准。
1．国际电工委员会制定的现场总线国际标准
⑴ IEC61158。IEC 作为一个国际标准化组织，对批准一个标准是严格的。按照其规定，
一个标准需要经过 9 个程序或阶段，层层过关。在表决方法上，必须有 75%以上有表决权的国家投赞成票且反对票（包括观察员国在内）少于 25%，这个标准才能通过。因此，尽
管 1984 年 IEC 就成立了制定现场总线标准的工作组（IEC/SC65C/WG6），因为各国意见很
不一致，工作进展十分缓慢。
经过十多年的努力，IEC 61158.2 现场总线物理层规范正式成为国际标准；IEC 61158.3
数据链路层服务定义和 IEC 61158.4 数据链路层协议规范经过 5 轮投票于 1998 年 2 月成为
国际标准最终草案（FDIS，Final Draft of International Standards）；IEC 61158.5 应用层服务定
义和 IEC 61158.6 应用层协议规范于 1997 年 10 月成为 FDIS。1998 年 9 月，对 IEC 61158.3~6
这四个 FDIS 草案进行的最后一轮表决，决定是否成为国际标准，投票结果是 68%的国家赞
成，32%的国家反对，现场总线标准未获通过。在随后的 10 月份，IEC/TC65 召开年会，经
过对投票结果的充分讨论和协商，决定将四个 FDIS 文件于 1999 年第一季度作为技术规范
（TS，Technical Specification）出版，于是诞生了 IEC61158 现场总线标准第一版 TS61158。
长期的争论并未到此结束，各国代表为了各自利益，要求修改 IEC61158 第一版的技术
规范，使其至少包含另外一种行规（profile）。因此，IEC/SC65C/WG6 工作组着手制定单一
标准的、多功能的现场总线标准。修改后的 IEC61158 标准第二版，于 2000 年 1 月，经 IEC
各国委员会投票表决最终通过。IEC61158 第二版保留了原来的技术规范，并作为 Type1，
来自其它总线开发组织的总线按照 IEC 原技术规范的格式作为 Type2~Type8 进入 IEC61158
中。至此，历经 15 个年头，IEC/SC65C/WG6 现场总线工作组的工作告一段落，IEC61158
标准的修订和维护由新成立的维护工作组（IEC/SC65C/MT9）负责。
IEC61158 标准第二版包含 8 种现场总线，其类型编号和技术名称如下：
Type1：TS 61158 现场总线（基金会现场总线 FF-H1 是 Type 1 的一个子集）；
Type2：ControlNet 现场总线；
Type3：Profibus 现场总线；
Type4：P-Net 现场总线；
Type5：FF HSE 高速以太网；
Type6：SwiftNet 现场总线；
Type7：WorldFIP 现场总线；
Type8：Interbus 现场总线。
IEC61158 标准第二版并不是一个功能单一的标准，而是一个由多个部分组成的标准。
尽管 8 种类型的总线都属于 IEC 61158 标准第二版，但每种总线的产生背景和应用领域等存
在较大差异。
上述 8 种类型的现场总线中，P-Net 和 SwiftNet 是用于有限领域的专用现场总线，主要
考虑所适应对象的特定要求，这类总线的功能相对比较简单；ControlNet、Profibus、WorldFIP
和 Interbus 现场总线是由 PLC 为基础的控制系统发展而来的，从本质上讲，它们是以远程
I/O 总线技术为基础的，通常不具备通过总线向现场设备供电性能和本安性能。如果进一步
划分，ControlNet 只是监控级总线，Interbus 仅是现场设备级总线，Profibus 和 WorldFIP 则
是包括现场设备级和监控级两个层次的总线；FF-H1 和 FF-HSE 总线是由传统的 DCS 发展
而来的现场总线，FF-H1 用于现场设备之间的通信，充分考虑了向现场设备两线制供电和本
质安全要求，功能较为复杂；而 FF-HSE 是监控级现场总线。
8 种现场总线采用完全不同的通信协议。FF-H1 采用链路活动调度器方式和发布/预订接
收模式；ControlNet 使用并行时间域多路访问（CTDMA）方式和生产者/用户模式；Profibus
采用令牌环方式和主站/从站方式；P-Net 采用虚拟令牌传递方式；FF-HSE 为 CSMA/CD 方
式；SwiftNet 使用槽路时分多路访问（STDMA）方式；WorldFIP 使用总线裁决方式；Interbus
则采用集总帧协议。由此可见，要实现这些总线的完全兼容和互操作，几乎是不可能的。
实际上，IEC61158 第二版中已经包括了所有在国际上影响力较大的现场总线。从以上对它们的简要分析中，我们可以发现，要想将 IEC 颁布的 8 种总线协议统一起来，是十分
困难的。尽管如此，由于 IEC 的巨大影响力，所有现场总线产品最终都将向 IEC 靠拢。
为了反映现场总线与工业以太网技术的最新发展，IEC/SC65C/MT9 工作组对 IEC61158
标准第二版进行了扩充和修订，并于 2003 年 4 月正式推出 IEC61158 标准第三版。标准的
第三版在原有的 8 种类型现场总线基础上，增加了 2 种总线：
Type9：FF-H1 现场总线；
Type10：ProfiNet 实时以太网。
由于各种现场总线都存在某些方面的不足，如互可操作性、时间确定性等。于是现场总
线的研究开始转向在 IT 领域广泛应用的、开放的、成熟的以太网技术，经过近几年的努力，
以太网在测量与控制系统中的应用逐渐扩大。为了满足控制系统中的实时性要求，各大公司
和标准化组织纷纷提出各种提升以太网实时性的技术解决方案，从而产生了实时以太网
（RTE，Real-time Ethernet）。为了规范这部分工作的行为，2003 年 5 月，IEC/SC65C 专门
成立了 WG11 实时以太网工作组，负责制定“基于 ISO/IEC8802.3 的实时应用系统工业通信
网络行规”国际标准，于是又出现了 IEC61158 标准第四版。2007 年出版的这一版本中就加
入了 7 种新的实时以太网规范。
IEC61158 第四版共有 20 种类型的现场总线，新增 10 种如下：
Type11：TCnet 实时以太网；
Type12：EtherCAT 实时以太网；
Type13：Ethernet Powerlink 实时以太网；
Type14：EPA 实时以太网；
Type15：Modbus-RTPS 实时以太网；
Type16：SERCOSⅠ、Ⅱ现场总线；
Type17：VNET/IP 实时以太网；
Type18：CC-Link 现场总线；
Type19：SERCOSⅢ实时以太网；
Type20：HART 现场总线。
在第四版标准中，将 Type2 作了扩充，除包含原有的 ControlNet 现场总线外，还增加了
DeviceNet 和 Ethernet/IP 实时以太网，其技术名称也改变为 CIP 现场总线。Type6：SwiftNet
现场总线是美国飞机制造商波音公司推出的，因为市场推广应用不理想将被撤消。至于
HART，它是 4~20mA 标准向现场总线过渡的产品，通过在 4~20mA 模拟信号上叠加一个数
字信号实现数字通信，并不是全数字化的，严格的说，不能算是现场总线，放在标准之中的
内容，有价值的只是 HART 的应用层协议而已。
⑵ IEC62026。IEC 分管低压开关设备和控制设备的分技术委员会（IEC/TC17/SC17B），
根据低压电器的特点，制订了现场总线国际标准 IEC62026。
IEC62026 中包括 5 个部分，第一部分为总则，其它四个部分介绍了 4 种现场总线标准，
从第二部分到第五部分依次为：
第二部分：AS-i（执行器-传感器接口，Actuator Sensor Interface）现场总线。它是针对
机床控制中的二进制开/关设备开发的总线。
第三部分：DeviceNet 现场总线。提供现场设备和控制设备中速连接的总线。
第四部分：SDS（智能分散型系统，Smart Distributed System）现场总线。专为 I/O 级控
制应用而设计的总线。
第五部分：Seriplex（串联多路控制总线，Serial multiplexed control bus）现场总线。主
要用于位级工业控制和数据采集的总线。
2．国际标准化组织制定的现场总线国际标准
CAN 是控制器局域网（Controller Area Network）的简称，这是一种串行通信总线，最
初是由德国 Robert Bosch 公司设计的，主要目的是提供车辆内电子控制单元（ECUs，
Electronic Control Units）之间的串行通信，其特点是实时性强，传输可靠性和数据安全性高，
且 CAN 产品种类多、成本低。现在，CAN 的应用范围已不再局限于汽车工业，在其它领域
也得到广泛使用。1991 年 9 月，Philips Semiconductor 制定并发布了 CAN 技术规范，1993
年 11 月，ISO 将其列为国际标准。
CAN 标准第一版：ISO11519（低速 CAN，1993）。信号传输速率高达 125kbps，使用标
准的 11 位标识符。
CAN 标准第二版：ISO11898（高速 CAN，1993）。信号传输速率为 125kbps~1Mbps，
也使用 11 位标识符，通常称为标准 CAN 2.0A 版。
CAN 标准 修订 版： ISO 11898 修订 版（高速 CAN ，1995）。信号传输 速率 仍为
125kbps~1Mbps，而标识符长度可扩展到 29 位，通常称为扩展 CAN 2.0B 版。
CAN 不是一种完整的网络协议，缺少应用层和网络管理部分。领先的用户定义了他们
自己的协议，今天存在的应用层协议有：DeviceNet、SDS、CANopen、CAN Kingdom 等。
综上所述，现场总线的国际标准共有 25 种，其中包括 IEC61158 的 20 种、IEC62026
的 4 种，以及 ISO 的 CAN 1 种。
1．3．2 造成多个标准共存的原因
产生多个现场总线标准的原因十分复杂，主要包括以下几个方面：
⑴ 某些大公司由于早期投入大量资金使得现场总线产品问世较早，一旦国际标准与其
技术不符，其投入的大量资金则必然化为乌有，因此他们不得不尽力争取成为国际标准。
⑵ 各种现场总线开发组织都受到国际上一些处于垄断地位的跨国公司的支持，而他们
所开发的却是打破垄断、全面开放的现场总线，这本身就是一对矛盾。为了从自己的专有技
术（如 DCS 和 PLC 等）中取得更多、更大的利润，从某种程度上讲，他们并不迫切希望看
到统一的现场总线标准早日出现。而另一方面，这些跨国公司为了他们的长远利益和保持他
们的垄断地位又不得不去开发现场总线，以领导新潮流。
⑶ IEC 是多极化组织，其代表来自各个国家的一些大公司，根据 IEC 有关章程，统一
的国际标准需要得到 75％以上有投票资格国家的赞成。一些小国家在技术和经济上很大程
度地依赖于一些跨国公司，这些小国为了自己的利益，在 IEC 投票表决中常常发生摇摆而
不能自主。
⑷ 统一的现场总线国际标准之所以难以制定，其技术原因在于使用一种技术方案满足
不同用户千差万别的需求，的确是件很难的事，更何况到目前为止，还没有哪种总线在技术
上占有绝对优势。既然现场总线是为了满足测量与控制技术发展的需要而产生的，不同领域
的测量与控制需求又各有特点，因此在某个领域中产生的总线技术一般对这一特定领域的满
足度高一些，适应性好一些，应用多一些。现场总线用户必须依赖设备制造商，才能确保设
备和工厂的正常运行能力，只能被动地追随他们。
1．3．3 现场总线标准的共性与分类
现场总线种类很多，各有特色，但它们之间也存在共同点。
1．现场总线之间的公共基础
对于世界范围内如此之多的现场总线规范，必须有一个统一的、全面的理解，IEC61158
标准为工业网络通信提供了这种理解的公共基础。为此，IEC61158 要求进入该标准的现场
总线，对于每一层的描述都要尽可能地使用公共的观点、概念、定义和描述方法。IEC61158
系列标准规定各类型现场总线都采用如下的基本概念：
⑴ ISO/OSI 模型作为通信任务的分解参考。ISO/OSI 参考模型为通信标准提供了分层
方法，说明了各层应具有的功能，其中每一层都可以单独进行开发和修改。现场总线的复杂
通信任务可以分解为基于这个参考模型的不同层，分层描述的方法有助于提供结构化功能和
接口。同时，模块化结构也有助于实现各种不同的技术。
⑵ 层规范化。各种类型的现场总线都由一个或多个层规范构成。多数现场总线包括大
量可供选择的服务和协议，实际工作系统需要这样的选择。各种现场总线服务，其相应选择
被以通信行规形式予以规范化。大多数行规得到了某些联合会或贸易协会的支持。
⑶ 服务和协议的差异处理。各种现场总线的物理层、数据链路层和应用层所提供的服
务和协议之间可以存在差异，但能够以互补的方式进行描述。
⑷ 工程应用能力。各种类型的现场总线协议，在经过工程化以后，都能支持信息处理、
监视和控制系统，用于过程自动化工厂传感器、执行器和本地控制器之间的底层通信，它们
与 PLC 系统互连可广泛应用于各种工业领域。
2．分类方法
各种现场总线在上述方面拥有共同的特征，但离统一的通信标准尚有较大距离。各种总
线规范不仅带有典型行业特色，在网络通信能力、现场设备的互可操作性等方面也存在较大
差异。另外，现场总线是多种技术共同发展的产物，其知识面不再局限于某个特定的技术范
畴。所有这些，给我们学习和掌握现场总线技术带来很大不便。
为了便于读者较为全面地掌握现场总线这一测量与控制领域的新技术，本书除了讲述现
场总线的基础知识外，还按照传输数据宽度，把较有影响的多种现场总线分为 4 个大类，在
每个大类中各选择一种有代表意义的总线，对其特点、原理及应用进行重点阐述，并给出每
个大类中各种总线之间的异同之处。这 4 个大类分别是：输入输出位传输现场总线、设备现
场总线、狭义现场总线和工业以太网。表 1-2 给出了各类总线的共同特点，以及本书要涉及
到的总线实例。
1．4 现场总线的未来
在剧烈的市场竞争中，企业为提高经济效益，增强竞争力，需要进行生产经营的整体优
化，把生产过程、企业管理、市场营销等环节组织为一个系统，从全局角度制定各功能层次
的实施策略，实现一体化目标下的网络化综合管理。长期以来，困扰这一发展的主要原因就
是工业自动化系统的信息孤岛问题，现场总线的出现，彻底打破了这个多年来未从解决的格
局。
随着现场总线技术研究工作不断深入，许多方面已经突破了对现场总线功能的最初设计
目标，导致了测量与控制领域许多新概念的产生，如多变量测量设备、现场分布式控制等。
在具有双向通信能力的现场总线中，不仅工程师能够访问现场设备中的信息，现场设备本身也能够完成很多任务，如通过网络广播信息、为其它控制器提供实时数据等。如此以来，控
制网络也能实现从底层现场设备到上层信息网的数据交换，为企业的信息化管理奠定了基
础。
现场总线已经成为现代信息管理系统中的一个重要组成部分，随着这项技术的应用和发
展，其优越性将被更好的体现出来，越来越多的科研、设计和工程应用人员将会投入其研究
中，促进这一技术向着更高的目标发展。
1．4．1 积极推动单一现场总线国际标准的制订
推动单一现场总线国际标准的制订工作，而不是被动地接受纷繁复杂的众多标准，是推
动这一技术发展的积极办法，而且是有可能的。从自动化领域内的现场仪表信号制的发展历
史来看，其国际标准都是单一的。如气动仪表的信号制就是 0.2~1.0kgf/cm2 的气压信号；而
电动仪表的信号制，在初期阶段，各国的标准也是不统一的，到了上个世纪 70 年代，就统
一成为 4~20mA 的直流信号。纵观国际标准的历史，一个国际标准出现 20 多个种类，不能
算是正常现象。
面对如此之多的现场总线，可以靠 OPC（OLE for Process Control）技术和各种专用接
口、网桥、网关等转换设备达到系统集成。这种做法在技术上是可行的，但增加了用户投入，
而且信号转换造成了时间滞后、精度下降、可靠性降低，是一种不得已而为之的办法。
为了加快现场总线技术的发展，人们不断寻找新的出路。近几年里，高速发展的以太
网成为探索统一标准的途径之一。以太网布线灵活、互可操作性强，已有多个现场总线开发
组织致力于研究基于这种网络标准的解决方案，他们都在研究通过一种称作管道（tunnel）
的简单传送机制，将以太网用于传输实时报文。在过去很长一个时期里，以太网技术主要局
限于办公室计算机网络方面的应用，现在工业以太网正在变成一种新的工业控制网络专门用
语，Profibus、DeviceNet 等都已开始在其监控层使用工业以太网。与此同时，美国电气与电
子工程师协会（IEEE）正着手制定现场设备与以太网通信的新标准，该标准能够使网络直
接“看到”对象（object）。这些工作都将为以太网进入工业自动化领域打下基础。基于
IEEE802.3 标准的以太网，已经开始出现在包括工业自动化在内的许多应用中。利用这一网
络技术，数据传输速率最高可达 100Mbps。随着要求提高网络速度的呼声越来越高，人们正
在致力于开发传输速率可达 1Gbps 甚至更高的以太网。一个明显的事实是，以太网传输速
率的提高有助于增强网络的实时性。
单一的标准，不仅可以确保信息准确、快速、完整的传输，还可以方便地实现与 Internet
的集成，使控制网络和信息网络紧密地结合在一起，使现场总线用户从技术进步中真正得到
实惠。
1．4．2 从冲突走向合作
目前，由现场总线构成的 FCS 已经得到越来越广泛的使用，其通用现场总线网络结构
如图 1-8 所示。
从图中可以看出，用于过程自动化领域的现场总线与用于制造自动化控制的现场总线在
结构和要求上是不同的。过程控制领域的现场总线以 FF 推出的现场总线标准（FF-H1、
FF-HSE）为代表，由于要解决向现场仪表两线制供电问题，技术要求相对较高；制造自动
化领域的现场总线以 Profibus、ProfiNet 为代表，这类现场总线在世界上的安装节点数已接
近 2000 万个，应用较为广泛。过去的争论主要来自这两个方面。经过长期争执，人们逐步
认识到不同领域的应用有着不同的要求，只有通过互补与合作，共同发展，才能不断满足工
业自动化行业的各种需求。
2006 年 10 月艾默生过程管理公司与西门子自动化与驱动集团同时宣布将共同扩充系统
接口，以扩展各自系统支持现场总线
国际标准的能力，为用户提供更高的
互操作性和更强大的功能。首批产品
已在 2007 年中期面世。西门子将增加
其过程控制系统（SIMATIC PCS7）接
口并 扩 展 设 备 管 理 软 件 （ SIMATIC
PDM）以支持除 Profibus 和 HART 标
准以外的其它 FF 现场总线标准。这意
味着西门子的系统将可以连接更多类
型的艾默生 FF 现场总线仪表、阀门定
位器以及其它公司的 FF 现场总线仪
表。艾默生也将同样扩展其控制系统（DeltaV、Ovation）和智能设备管理系统的应用软件
（AMS Suite），以支持目前 FF 现场总线标准和 HART 标准以外的 Profibus、ProfiNet 标准。
艾默生公司的系统将可以连接更多的西门子驱动设备、电机启动器、离散设备以及其它公司
生产的支持 Profibus、ProfiNet 标准的设备。
艾默生和西门子将在其主系统中采用电子设备描述语言（EDDL，Electronic Device
Description Language），该项技术的优点是将 EDDL 连续应用于数据描述及传递数据到用户
接口。EDDL 还用于 OPC 服务器和 OPC 客户应用程序的信息交换，实现了操作系统及其变
量的相对独立。与此同时，还采用 OPC 基金会最新推出的 OPC UA（Unified Architecture）
标准。OPC UA 具有支持复杂数据内置、命名空间增大、跨平台（不再唯一依赖 COM/DCOM）、
支持大量通用服务功能等特点。将 EDDL 与 OPC UA 相结合用于数据交换是现场总线基金
会、HART 通信基金会和 Profibus 总线技术协会推荐使用的方式。由此可见，工业自动化技
术的重点已由通信集成开始转向系统信息集成，在多种类型现场总线共存的现实情况下，通
过使用 EDDL、FDT/DTM（现场设备工具，Field Device Tool；设备类型管理器，Device Type
Manager）和 OPC UA 等技术，建立互操作的统一工业自动化系统平台已是大势所趋。
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