概述
自动控制技术是当代发展极为迅速、应用十分广泛、zui引人注目的高技术之一，也是推动新技术革命和新产业革命的核心技术。随着现代控制理论的发展，自动控制技术已从单变量控制到多变量控制，从自动调节到*控制。现在对自动控制的要求已不仅是保持个别变量（如温度、转数、电压等）的稳定，而是要求实现多个变量的*控制。分析与设计*控制系统已成为现代控制理论的基本内容。随着微型计算机的出现，特别是微型计算机应用于控制系统，为计算机控制带来了根本性的变革。对于复杂的、分散的控制对象，由于它们往往是同时、并行，且独立地工作，控制对象分布面又很广，因此把它们起来实现分布控制是现代控制技术中的一个重要发展方向。
随着计算机硬件、软件技术及集成电路技术的迅速发展，工业控制系统取得了巨大进步。由于对系统可靠性和灵活性的高要求，工业控制系统的发展主要表现为：控制面向多元化，系统面向分散化，即负载分散、功能分散、危险分散和地域分散。分散式工业控制系统就是为适应这种需要而发展起来的。这类系统是以微型机为核心，将5c技术--computer（计算机技术）、control（自动控制技术）、communication（通信技术）、crt（显示技术）和change（转换技术）紧密结合的产物。它在适应范围、可扩展性、可维护性以及抗故障能力等方面，较之分散型仪表控制系统和集中型计算机控制系统都具有明显的优越性。
典型的分散式控制系统由现场设备、接口与计算设备以及通信设备组成。现场总线（fieldbus）能同时满足过程控制和制造业自动化的需要，因而现场总线已成为工业数据总线领域中zui为活跃的一个领域。现场总线的研究与应用已成为工业数据总线领域的热点。
分散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场总线连为一体，并与控制室中的控制器和监视器一起共同构成现场总线控制系统（fieldbuscontrolsystem，fcs）。通过遵循一定的标准，可以将不同厂商的现场总线产品集成在同一套fcs中，具有互换性和互操作性。fcs把传统dcs的控制功能进一步下放到现场智能仪表，由现场智能仪表完成数据采集、数据处理、控制运算和数据输出等功能。现场仪表的数据（包括采集的数据和诊断数据）通过现场总线传到控制室的控制设备上，控制室的控制设备用来监视各个现场仪表的运行状态，保存各智能仪表上传的数据，同时完成少量现场仪表无法完成的控制功能。另外，fcs还可通过网关和企业的上级管理网络相连，以便企业管理者掌握*手资料，为决策提供依据。
现场总线技术综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能仪表等多种技术手段，从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数字一模拟信号控制的局限性，构成一种全分散、全数字化、智能、双向、互连、多变量、多接点的通信与控制系统。对现场总线一般定义是：一种用于智能化现场设备和自动化系统的开放式，数字化，双向串行，多节点的通信网络，其基础是智能仪表。
现场总线技术的采用将带来工业控制系统技术的革命。采用现场总线技术可以促进现场仪表的智能化、控制功能分散化、控制系统开放化，符合工业控制系统领域的技术发展趋势。作为连接生产现场的仪表、控制器等自动化装置的通讯网络，伴随着数字化时代的来临，现场总线控制系统（fieldbuscontrolsystem,fcs）必将成为工业自动化的主流。
控制系统的发展历程
回顾一下工业控制系统的发展历程，大致可划分为如下几个时代：以往，pc与智能设备通讯多借助rs232、rs485、以太网等方式，主要取决于设备的接口规范。但rs232、rs485只能代表通讯的物理介质层和链路层，如果要实现数据的双向访问，就必须自己编写通讯应用程序，但这种程序多数都不能符合iso/osi的规范，只能实现较单一的功能，适用于单一设备类型，程序不具备通用性。在rs232或rs485设备联成的设备网中，如果设备数量超过2台，就必须使用rs485做通讯介质，rs485网的设备间要想互通信息只有通过“主（master）”设备中转才能实现，这个主设备通常是pc，而这种设备网中只允许存在一个主设备，其余全部是从（slave）设备。
集散控制系统（dcs）在八、九十年代占据了主导地位。其核心思想是集中管理、分散控制，即管理与控制相分离，上位机用于集中监视管理功能，若干台下位机下放分散到现场实现分布式控制，各上下位机之间用控制网络互连以实现相互之间的信息传递。因此，这种分布式的控制系统体系结构有力地克服了集中式数字控制系统中对控制器处理能力和可靠性要求高的缺陷。在集散控制系统中，分布式控制思想的实现正是得益于网络技术的发展和应用，遗憾的是，不同的dcs厂家为达到垄断经营的目的而对其控制通讯网络采用各自的封闭形式，不同厂家的dcs系统之间以及dcs与上层intranet、internet信息网络之间难以实现网络互连和信息共享，因此集散控制系统从该角度而言实质是一种封闭的、不具可互操作性的分布式控制系统且dcs造价昂贵。在这种情况下，用户对网络控制系统提出了开放化和降低成本的迫切要求。
现场总线控制系统（fcs）用现场总线这一开放的，具有可互操作的网络将现场各控制器及仪表设备互连，构成现场总线控制系统，同时控制功能*下放到现场，降低了安装成本和维护费用。因此，fcs实质是一种开放的、具可互操作性的、*分散的分布式控制系统。
现场总线系统的优势
与以往的控制系统相比现场总线控制系统优点显而易见：
全数字化
将企业管理与生产自动化有机结合一直是工业界梦寐以求的理想，但只有在fcs出现以后这种理想才有可能、低成本地实现。在采用fcs的企业中，用于生产管理的局域网能够与用于自动控制的现场总线网络紧密衔接。此外，数字化信号固有的高精度、抗干扰特性也能提高控制系统的可靠性。
全分布
在fcs中各现场设备有足够的自主性，它们彼此之间相互通信，*可以把各种控制功能分散到各种设备中，而不再需要一个中央控制计算机，实现真正的分布式控制。
双向传输
传统的4~20ma电流信号，一条线只能传递一路信号。现场总线设备则在一条线上即可以向上传递传感器信号，也可以向下传递控制信息。
自诊断
现场总线仪表本身具有自诊断功能，而且这种诊断信息可以送到中央控制室，以便于维护，而这在只能传递一路信号的传统仪表中是做不到的。
节省布线及控制室空间
传统的控制系统每个仪表都需要一条线连到中央控制室，在中央控制室装备一个大配线架。而在fcs系统中多台现场设备可串行连接在一条总线上，这样只需极少的线进入中央控制室，大量节省了布线费用，同时也降低了中央控制室的造价。
多功能仪表
数字、双向传输方式使得现场总线仪表可以摆脱传统仪表功能单一的制约，可以在一个仪表中集成多种功能，做成多变量变送器，甚至集检测、运算、控制与一体的变送控制器。
开放性
1999年底现场总线协议已被iec批准正式成为标准，从而使现场总线成为一种开放的技术。
互操作性
现场总线标准保证不同厂家的产品可以互操作，这样就可以在一个企业中由用户根据产品的性能、价格选用不同厂商的产品，集成在一起，从而使用户对不同厂家工控产品有更多的选择余地。避免了传统控制系统中必须选用同一厂家的产品限制，促进了有效的竞争，降低了控制系统的成本。
智能化与自治性
现场总线设备能处理各种参数、运行状态信息及故障信息，具有很高的智能，能在部件、甚至网络故障的情况下独立工作，大大提高了整个控制系统的可靠性和容错能力。
*的分散性
*的分散性意味着系统具有较高的可靠性和灵活性，系统很容易进行重组和扩建，且易于维护。
低成本
衡量一套控制系统的总体成本，不仅考虑其造价，而且应该考察系统从安装调试到运行维护整个生命周期内总投入。相对dcs而言，fcs开放的体系结构和oem技术将大大缩短开发周期，降低开发成本，且*分散的分布式结构将1对1模拟信号传输方式变为1对n的数字信号传输方式，节省了模拟信号传输过程中大量的a/d、d/a转换装置、布线安装成本和维护费用。因此从总体上来看，fcs的成本大大低于dcs的成本。
可以说，它的出现将使传统的自动控制系统产生划时代的变革，这场变革的深度和广度将超过历*任何一次变革，必将开创自动控制的新纪元。
主要现场总线简介
基金会现场总线ff（foundationfieldbus）
基金会现场总线是上几家现场总线经过激烈竞争后形成的的一种现场总线，由现场总线基金会推出。与私有的网络总线协议不同，ff总线不附属于任何一个企业或国家。
其总线体系结构是参照、iso的osi模型中物理层、数据链路层和应用层，并增加了用户层而建立起来的通信模型。ff得到了世界上几乎所有的仪表制造商的支持，同时遵守iec的协议规划，与iec的现场总线标准和草案基本-致，加上它在技术上的优势，所以极有希望成为将来的主要标准。
ff总线提供了hl和h2两种物理层标准。hl是用于过程控制的低速总线，传输速率为31.25kbps，传输距离为200m、450m、1200m、1900m四种（加中继器可以延长），可用总线供电，支持本质安全设备和非本质安全总线设备。h2为高速总线，其传输速率为1mbps（此时传输距离为750m）或2.5bps（此时传输距离为为500m）。h1和h2每段节点数可达32个，使用中继器后可达240个，hl和h2可通过网桥互连。ff的突出特点在于设备的互操作性、改善的过程数据、更早的预测维护及可靠的安全性。
过程现场总线profibus
profibus由siemens公司提出并极力倡导，己先后成为德国国家标准din19245和欧洲标准en50170，是一种开放而独立的总线标准，在机械制造、工业过程控制、智能建筑中充当通信网络。profibus由profibus-pa、profibus-dp和profibus-fms三个系列组成。profibus-pa（processautomation）用于过程自动化的低速数据传输，其基本特性同ff的h1总线，可以提供总线供电和本质安全，并得到了集成电路（asic）和软件的支持。profibus-dp与profibus-pa兼容，基本特性同ff的h2总线，可实现高速传输，适用于分散的外部设备和自控设备之间的高速数据传输，用于连接profibus-pa和加工自动化。profibus-fms适用于一般自动化的中速数据传输，主要用于传感器、执行器、电气传动、plc、纺织和楼宇自动化等。后两个系列采用rs485通信标准，传输速率从9.6kbps到12mbps，传输距离从1200m到100m（与传输速率有关）。介质存取控制的基本方式为主站之间的令牌方式和主站与从站之间的主从方式，以及综合这两种方式的混合方式。profibus是一种比较成熟的总线，在工程上的应用十分广泛。
发展趋势
对现场总线的进一步研究和应用开发从未间断，综合当今对现场总线的报道，其发展趋势离不开如下几各方向：
信息处理的实时化
通常，现场总线采用如下两种技术来实现实时性：
一种通过将网络形式简化成线形（实际上已经不成其为“网”了）；将通信模型简化为只有一、二层；将节点的信息简化到只有几比特。经过以上简化，节点的访问就非常快了。这也可以通过极大地提高通信传递速度来缩短节点访问时间，这时虽然理论上某些现场总线的节点访问时间还有某种不确定性，但是反复发生不确定事件的概率很低，可以在一些非关键部位使用这种现场总线。节点访问快了，就可以简化系统的管理；这时采用主-从方式轮询访问，只要限制网络轮询的规模，就可以将响应控制在的时间内。采用这种技术可大大降低总线的成本，大多数位式开关量现场总线采用这种技术。
另一种是采用网络管理和数据链路调度技术来实现实时性，这是一种很复杂的技术。一般认为，分时式实时系统的响应具有可预知性，但资源利用率低；抢先式实时系统资源利用率高，但往往响应具有不可预知性。现在的现场总线往往采用两者结合的方式进行管理和调度，以达到某种平衡。
随着多媒体计算机通信系统的不断发展，语音和图象的实时传输对网络的响应时间提出了新的要求。多媒体传输对实时性的要求是几十ms，过程控制对系统的实时性要求是几ms到十ms。多媒体对实时性的要求是“软”的，即只要大部分时间满足要求就行了，偶然几次不及时响应是没关系的。过程控制对实时性的要求是“硬”的，因为它往往涉及安全，必须在任何时间都及时响应，不允许有不确定性。
勿庸质疑，增强现场总线的实时性，减少响应时间的不确定性是现场总线的重要发展趋势。
多种总线的集成化
现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出有40多种现场总线，如interbus、bitbus、devicenet、modbus、arcnet、p-net、fip、isp等，其中的有5种，分别是ff、profitbus、hart、can和lonworks。经历了多年的努力，iec于2000年通过了现场总线标准，却只能容纳了iec61158（ff的h1）、controlnet、profibus、pnet、foundationfieldbus、swiftnet、worldfip、interbuss等8种互不兼容的协议。异构现场总线互连和互操作的问题并未得到解决，用户仍要面临现场总线系统的选择和集成，需要花费大量的精力去解决不同标准系统之间的信息交互问题。另外，传统现场总线的通信速率大都较低，在某些场合无法满足工业网络成倍增加的数据通信量的实时性要求。不难看出，多种现场总线集成起来协同完成工业企业的测控任务，是目前自动化系统供应商抢夺市场的重要策略，只有这样才能适应目前现场测控设备多态性和用户需求多样性的需要，zui大限度的保护用户的利益。
网络结构的优化
部分现场总线的结构是线状的，虽然现场总线的拓扑结构可以是总线型、星型、环行、回路型等；但在大多数现场总线中，从一点到另外一点的通信路径是比较固定的。
线状结构的优点是：①解决网络供电比较容易；②解决本安防爆比较容易；③使通信协议中可以舍去与路径有关的几层，有利于改善实时性。
很显然，在线状结构时一条现场总线支路的电源负载是确定的，沿总线电源电压的变化也是可以预料的。在网状结构中一定会出现多电源供电情况，各电源的负载平衡，以及网络中各节点处的电压下降，都比较难以预料。
我们目前的本安防爆主导理论还是认为，电缆的分布电感、电容是随着电缆的长度增加的，因此由于电磁感应产生的火花能量，也是随着电缆的长度而增加。在这种情况下，要解决网状结构的本安防爆问题是很难的。
本安防爆理论的现状对现场总线的推广应用限制极大。因为它限制电缆的长度和总线上负载的数量。现场总线的主要优点在这些限制下，大部分都消失了。因此现场总线要求本安防爆理论要有所发展。
组态操作简易化
现在一些带现场总线的现场仪表本身装了许多功能块，虽然不同产品同种功能块在性能上会稍有差别，但一个网络支路上有许多功能类同功能块的情况是客观存在的。选用哪一个现场仪表上的功能块，是系统组态要解决的问题。
考虑这个问题的原则是，尽量减少总线上的信息往返。一般可以选择与该功能有关的信息输出zui多的那台仪表上的功能块。
目前现场总线系统的组态是比较复杂的，需要组态的参数多，各参数之间的关系比较复杂，如果不是对现场总线非常熟悉，很难将系统设置到*状态。显然，广大用户对这种状态不满意。现场总线系统的制造商也正在努力，以使系统组态逐步傻瓜化。
现场总线的产生是自控领域的一场大变革，我国工控界应如何迎接自控领域这场变革的到来呢？这个问题可从分析我国工控业的发展历程和现状中找到答案。我国民族工控产品如plc、dcs长期落后于国外，根本原因是国外少数几家大公司为保证其垄断经营的地位对其工控产品采用封闭式结构，我国对其关键核心技术只有通过引进消化后方可掌握，因此贻误了市场时机而总是落后于人家，受制于人。现场总线技术的开放性策略无疑为我国工控界在市场上的发展带来了一个千载难逢的平等竞争机遇，当游戏规则的变更使大家站在同一起跑线上时，就看谁捷足先登，抢先占领市场，把握主动权，zui终领导市场。因此，我们应当紧紧抓住这一契机，推出有中国特色的现场总线产品，开创中国自己的工控产品的，从而翻开中国工控界发展的新篇章。从目前来看，我国在现场总线的开发和应用方面都紧跟了世界潮流，其发展速度超出预料。但同时我们希望政府和企业应拿出更多的资金，投入这一领域，这是大有希望的事业。