现场总线技术是工业自动化领域的关键技术，它是一种应用于生产现场、在设备之间实现双向、串行、多节点数字通信的网络系统，它取代了传统自动化系统中“一对一”的模拟信号（如4-20mA电流信号）连接，实现了“一对多”的数字化网络连接。
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其采用的核心技术可以概括为以下几个方面：
通信模型与协议栈
现场总线协议通常是基于 OSI（开放系统互连）参考模型 的简化版本，因为工业环境对实时性、确定性和低成本的要求很高,不需要完整的七层模型。
- 主流模型： 大多数现场总线（如 Profibus, Modbus）采用 物理层、数据链路层、应用层 的三层或四层（增加一层用户层/现场总线报文规范 FMS）模型。
- 物理层: 定义了信号的电气特性、传输介质（如双绞线、光纤）、传输速率和拓扑结构（总线型、树型、星型等）。
- 数据链路层: 这是现场总线的核心，负责帧的封装与解封装、介质访问控制、数据校验和差错恢复，它确保了数据在总线上可靠、有序地传输。
- 应用层: 为用户应用程序提供接口，定义了设备间交换数据的报文格式、服务和功能，设备访问、变量访问、事件通知等。
核心关键技术
a) 介质访问控制方式
这是决定总线如何被多个设备共享使用的关键技术，直接影响到网络的实时性和确定性,主要方式有：
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主从式:
（图片来源网络，侵删）- 工作方式： 网络中有一个 主站 和多个 从站，主站负责轮询从站，从站只能被动响应主站的请求,不能主动发起通信。
- 特点： 结构简单，成本低，易于实现，但实时性取决于主站的轮询速度,主站是瓶颈。
- 典型协议： Modbus RTU/TCP, Profibus-DP (主站-从站模式)。
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令牌传递式:
- 工作方式： 网络中所有设备地位平等，通过一个称为“令牌”的特殊报文在总线上循环传递,只有拥有令牌的设备才有权发送数据。
- 特点： 具有极高的 确定性 和 实时性，因为每个设备都知道自己何时可以发送数据，避免了冲突,适用于对时间要求苛刻的场合。
- 典型协议： Profibus-FMS/DP, P-Net, WorldFIP。
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CSMA/CD (载波侦听多路访问/冲突检测):
- 工作方式： 设备在发送数据前先“听”一下总线是否空闲，如果空闲就发送；如果发生冲突,则停止发送并等待一个随机时间后再试。
- 特点： 实现简单，但在高负载下冲突概率增加，导致传输延迟不确定，实时性差,不适合对时间有严格要求的工业控制。
- 典型协议： Ethernet (标准以太网),这也是标准以太网最初不直接用于现场控制层的原因。
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CSMA/CA (载波侦听多路访问/冲突避免):
- 工作方式： 在发送数据前，设备会先发送一个简短的“请求发送”信号，等待“清除发送”的回应后再发送数据,以此来避免冲突。
- 特点： 比CSMA/CD更能避免冲突,但增加了通信开销和延迟。
- 典型协议： Wi-Fi (IEEE 802.11)。
b) 总线供电
这是现场总线的一大特色技术，它允许通过通信电缆同时为现场设备（如传感器、执行器）传输数据和提供工作电源。
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- 实现方式： 通常在总线上叠加一个直流电压（如9-36V VDC），设备从总线“窃取”少量电流来工作。
- 优点：
- 节省布线成本： 无需为每个设备单独拉设电源线。
- 简化安装： 只需一根双绞线即可完成数据和供电。
- 提高可靠性： 减少了接线和电源模块的数量。
- 典型协议： Profibus, Foundation Fieldbus (H1), CANopen。
c) 本质安全 隔离
在石油、化工等易燃易爆的危险场所,现场设备必须满足本质安全要求。
- 技术实现： 现场总线技术通过在安全栅或隔离式耦合器上采取特殊措施，限制进入危险区的电压和能量，确保即使在电路发生短路或接地故障时,产生的能量也无法点燃爆炸性气体。
- 优点： 允许将智能设备直接安装在危险区域，大大节省了电缆和安装费用,并提高了系统的安全性。
- 典型协议： Foundation Fieldbus (H1), Profibus-PA 都有成熟的本质安全解决方案。
d) 冗余技术
为了提高系统的可靠性和可用性,关键场合会采用冗余设计。
- 实现方式：
- 链路冗余： 如 Profibus-DP 的 MRP (Media Redundancy Protocol)，当主通信路径中断时,可在毫秒级切换到备用路径。
- 设备冗余： 关键控制器或I/O模块配置双份，一个工作,一个热备。
- 环网冗余： 许多工业以太网协议（如 Profinet, EtherNet/IP）支持环形拓扑，任一节点或链路断裂,网络在ms级内自动重构。
物理层实现
- 传输介质： 最常用的是 屏蔽双绞线，因为它成本低、抗干扰能力强，在长距离或高干扰环境下，也会使用 光纤。
- 拓扑结构： 灵活性高，支持 总线型、树型、星型、环型 以及它们的组合，树型拓扑在“挂接”设备时非常方便。
软件与功能块
- 设备描述： 为了实现不同厂商设备的即插即用，现场总线协议都定义了设备描述语言，用于精确描述设备的参数、功能和行为，FF的 DD (Device Description) 和 Profibus的 GSD (GSD文件)。
- 功能块： 这是现场总线（尤其是FF）的一大创新，它将控制功能（如AI模拟输入、AO模拟输出、PID控制、DI数字输入等）封装成标准化的软件块，这些功能块可以分布在不同的设备中，通过总线连接起来，构成完整的控制回路，这使得控制逻辑可以在现场设备中分布式执行,提高了系统的自主性和可靠性。
现场总线技术采用的核心技术一览表
| 技术类别 | 核心技术 | 主要特点 | 典型协议 |
|---|---|---|---|
| 通信模型 | 简化OSI模型 (物理层, 数据链路层, 应用层) | 精简高效，满足工业实时性需求 | 大多数现场总线 |
| 介质访问控制 | 令牌传递 | 高确定性、高实时性、无冲突 | Profibus, WorldFIP |
| 主从式 | 结构简单、成本低、主站为瓶颈 | Modbus, Profibus-DP | |
| 供电技术 | 总线供电 | 一线两用（数据+电源），节省成本 | Profibus, FF H1, CANopen |
| 安全技术 | 本质安全 隔离 | 允许设备安装在危险区，保障安全 | FF H1, Profibus-PA |
| 可靠性技术 | 冗余技术 | 链路冗余、设备冗余，提高系统可用性 | Profibus MRP, Profinet IRT |
| 物理层 | 屏蔽双绞线/光纤 | 抗干扰、灵活的拓扑结构 | 所有现场总线 |
| 软件技术 | 设备描述文件 | 实现不同厂商设备的互操作性 | FF (DD), Profibus (GSD) |
| 功能块 | 分布式控制，功能模块化 | Foundation Fieldbus (FF) |
现场总线通信技术是一套集成了 确定性通信、总线供电、本质安全、分布式控制 等多项先进技术的综合性解决方案，它深刻地改变了工业自动化的体系结构，是构建现代工业4.0和智能制造的基础之一。
