关于自动化设备中的现场总线的理解

作为一个工业自动化从业者，在工作中经常会提到 现场总线 这个词语，虽然不甚了解具体指的是什么但只看字面意思也能猜个大概，大概就是为现场的设备之间，或者设备与远端控制室之间的相互通信提供基础的一套通讯设备 （并不严谨，只是猜测） 。

而现在回过头来想深究一下到底什么是现场总线？所谓的现场总线到底是指硬件的通讯设备，还是指通讯规约（通讯协议）？

首先了解一下什么是 ISO/OSI七层网络协议模型 ,即国际标准化组织ISO为数据通信建立了七层模型，如下图所示：

物理层协议是ISO/OSI七层网络协议中的最底层协议，是连接两个物理设备并为数据链路层提供透明位传输所必须遵循的规定。物理层协议又称为 通讯接口协议

物理层协议涉及信道上传输的原始比特流，即两个设备进行通讯一方发出的是“0”，另一方就会正确的接收到“0”而不是“1”。物理层为建立、维护两个通讯设备之间二进制比特传输的物理连接而提供机械的、电气的、功能的和规范的特性标准。

物理连接可以通过中继系统，允许进行全双工或半双工的二进制比特流传输。

RS232接口至少需要3根电缆，即RXD、TXD、GND，其中RXD和TXD为两条通讯信道，通信双方在进行全双工通信时可以同时实现“发送”和“接收”。

在RS232接口协议中规定有两条通信信道，主站通过其中一条信道给从站发送指令，从站接从另外一条信道将响应信息返回给主站，虽然RS232可以实现全双工通信，但是不能实现点对多点的信息交换，而且由于其电气信号为共模信号的原因，通信距离最长仅有15m，最大数据传输速率只有20kbit/s，且不平衡的电气接口使得串扰较大。

同时我们注意到上图中的双方的通信引脚接线时交叉的，即A方的发送端连接B段的接收端，A方的接收端连接B方的发送端，双方构成了全双工通信模式。

RS485接口至少需要两根电缆，即D+、D-、（A+,B-），由此构成了RS485通讯接口，RS485接口只能实现半双工通信；但是由于其采用差分电路，极大地增强了抵抗共模干扰的能力，通信距离最大能达1200m，并且能实现多点通讯。

关于RS485接口的相关总结：

物理层协议为通信双方定义了字节书写模式，建立了传输信息的介质通道。数据链路层就用字节构建出各种通信语句，通信语句又被称为 信息帧 ，简称为 帧 ；

以ModBus协议的数据帧为例：

数据链路层的主要目的是将一条原始的，有差错的物理线路变成对网络层无差错的数据链路，为了实现这一目的，数据链路层必须执行链路管理、帧传输、帧传输、流量控制、差错控制等功能。数据链路层所关心的是物理地址、网络拓扑结构、线路选择和规划等。

物理连接和数据链路连接是有区别的，数据链路连接是建立在物理连接之上，一个物理连接可以承载多个数据链路连接，数据链路连接断开时，物理连接不一定断开。

ModBus RTU 通讯协议就是一种工作在数据链路层上的通信规约。

网络层协议是OSI模型的第三层，同时也是通信子网的最高层，他是主机与通信网络的接口。网络层以数据链路层提供的无差错传输为基础，向最高层提供两个主机之间的数据传输服务。网络层协议涉及的基本技术有数据交换技术、路由选择技术、路由控制技术、流量控制以及差错控制策略。

ModBus TCP通信协议是工作在网络层上的通信规约。

学习到这里就可以总结一下，以上提到的三层协议，以及工作在这三层的协议，都可以称作现场总线，例如ModBus、PROFIBUS、PROFINET、CC-LINK、CAN 等。

现场总线主要用来解决工业控制中各种仪器仪表、控制器、执行机构、现场设备之间的数字通信问题，以及现场控制设备与高级控制系统之间的信息交换问题。

而并非所有工业控制相关的协议都是现场总线，例如 西门子的S7协议 ，其实在OSI模型的第七层。

现场总线与工业以太网有什么区别？

现场总线（Field bus）是近年来迅速发展起来的一种工业数据总线，它主要解决工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题。由于现场总线简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，因而受到了许多标准团体和计算机厂商的高度重视。比如RS485、RS32、PowerBUS，因结构简单、稳定性高、成本低，在工业控制领域得到大规模广泛应用

工业以太网是基于IEEE 802.3 (Ethernet)的强大的区域和单元网络。当以太网用于信息技术时，应用层包括HT-TP、FTP、SNMP等常用协议，但当它用于工业控制时，体现在应用层的是实时通信、用于系统组态的对象以及工程模型的应用协议，至21世纪，还没有统一的应用层协议，但受到广泛支持并已经开发出相应产品的有4种主要协议：HSE、Modbus TCP/IP、ProfINet、Ethernet/IP。

工业以太网就是用在工业上的以太网，总的来说，以太网是使用TCP/IP协议的。在现场总线协议当中，为了提高传输效率，一般只定义七曾协议中的物理层、数据链层和应用层。为与以太网融合，通常在数据包前加入IP地址，并通过TCP来进行数据传输。其实以太网就是现场总线，就好比总线的各种协议一样。工业以太网拥有的优势是：1、可以满足控制系统各个层次的要求，使企业信息网络与控制网络得以统一；2、设备成本下降，以太网卡的价格是总线网络借口卡的1/10；3、以太网很容易和Internet集成；采用以太网作为现场总线，拥有速度快、开发技术支持广泛（Java、VC、VB等）、硬件升级范围广而且价格低廉的优势

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