2.10.1现场总线技术概况
1.现场总线的概念
传统仪表（传感器、变送器）的输出信号长期以来采用4～20mA模拟信号标准，现场各个测量点的仪表必须将4～20mA的模拟信号通过信号线送到控制室，每一路信号都要使用一对信号线，各路模拟信号之间必须有良好的隔离措施。由于现场有大量的信号连接，仪表的种类、型号又各不相同，信号回路的保护隔离必须非常严格。由于接线不良引起的误差无法自动检测，信号线的长度也受到限制，因此难以满足上层系统对现场仪表的信息要求。
随着大规模集成电路技术和微处理机技术的发展，微处理机芯片的功能不断提高。将这种微处理机芯片嵌入到各种设备、仪表中，与它们合成一体，一方面加强设备、仪表的功能处理能力（如就地控制、操作、显示功能），另一方面可以通过通信接口实现与外界通信，因而使设备、仪表智能化。与传统仪表相比，可以对量程和零点进行远程设定，具有仪表工作状态自诊断功能，能进行多参数测量并对环境影响实现自动补偿，深受用户欢迎。智能化现场仪表的出现，很自然地要求与上层系统实现数字通信，于是现场总线技术应运而生。
根据国际电工委员会和现场总线基金会的定义，“现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络”。
2.现场总线的特点
现场总线控制技术，是目前计算机控制系统中的最新技术。概括起来，现场总线技术具有如下一些特点。
以数字信号取代4～20mA模拟信号。过去每一路模拟信号都需要一对信号线的传统方式被一对现场总线所代替，节约了大量信号电缆，简化了仪表信号线的布线工作，降低了电缆安装、保养费用；而且，传输信号的数字化使得检错、纠错手段得以实现，这又极大地提高了信号转换精度和可靠性。因此，现场总线具有很高的性能价格比。
现场总线把处于设备现场的智能仪表（智能传感器、智能执行器）连成网络，使控制、报警、趋势分析等功能分散到现场级仪表，必将使控制结构进一步分散，导致控制系统体系结构的变化。
符合同一现场总线标准的不同厂家的仪表、装置可以联网，实现互操作，不同标准通过网关或路由器也可互联，现场总线控制系统是一个开放式系统。
3.现场总线的种类
目前国际上流行的现场总线有40多种。应用于建筑智能化系统的现场总线控制技术，在国际上流行的通常有Lon Works和BA Cnet两个现场总线标准。在国内也有应用CAN总线的，如浙大中控公司推出的Opti SYS楼宇控制系统。
其中Lon Works是由美国Echelon公司开发研制的，Lon Works技术的通信协议称为Lon Talk。该通信协议包含ISO/OSI中所有七层网络协议，并固化在Lon Works产品中，即Smart输入输出模块中的神经元芯片中。Lon Works技术使互操作性变成即插即用的具体手段，Lon Works常被设计用于实时控制应用，涉及领域非常宽，包括工业过程控制、工厂自动化、交通运输及智能建筑自动化等。由于采用了Lon Works技术使得未来的控制进一步分散，实现现场总线的联网控制。
2.10.2BA Cnet和Lon Works现场总线技术
1.BA Cnet现场总线技术
BA Cnet是Building Automationand Control Network的简称，是一种为楼宇自控网络制定的数据通信协议。1995年6月，美国暖通空调工程师协会（American Society of Heating，Refrigeration，and Air-conditioning Engineers，ASHRAE）经过8年半时间，正式通过全球首个楼宇自控行业通信标准——BA Cnet。同年12月成为美国国家标准，并且还得到欧盟委员会的承认，成为欧盟标准草案。
BA Cnet是一个标准通信和数据交换协议。各厂家按照这一协议标准开发与楼宇自控网兼容的控制器与接口，最终达到不同厂家生产的控制器都可以相互交换数据，实现互操作性。
根据2005年的资料，目前世界上已有数百家国际知名的厂家支持BA Cnet，其中包括楼宇自控系统厂家、消防系统厂家、冷冻机厂家、配电照明系统厂家和安保系统厂家等。
BA Cnet协议采用符合开放式系统互联（Open System Interconnection，OSI）模型的分层体系结构，由物理层、数据链路层、网络层和应用层组成。BA Cnet考虑到楼宇自动控制系统的环境和控制要求，在确定通信体系所划分的层数时，去掉OSI七层模型中的表示层、会话层和传输层，构成了一个包含四个层次的分层体系结构，这四个层次与OSI模型中的层次对应关系。
在数据链路层和物理层提供了可供选项的范围，允许根据需要进行选择AREnet为令牌总线网，数据传输速率2.5～20Mbps，有良好的实时性。MS/TP（Master-Slave/Token Ring Passing）是一种主从/令牌传递数据链路层技术，允许使用便宜的EIA-485硬件，而PTP（Peer-To-Peer）通信机制联络（如利用电话线拨号连接）通过使用EIA-232信号标准实现，PTP包括数据连接建立、数据交换、数据连接终止三部分。
2.Lon Works现场总线技术
Lon Works由美国Echelon公司于20世纪90年代初期开发出来，是一种完全分散控制的局部操作网技术。目前，已为数千家控制工程公司采用，楼宇自控行业中的巨头们已经加入到这个行列之中，正在生产和开发基于Lon Works通信技术的产品。
Lon Works网络节点由神经元芯片、收发器、固件和I/O接口电路组成。神经元芯片是这种智能节点的核心，它由媒体访问控制处理器、网络处理器和应用处理器组成，这就使得节点既能管理网络通信，又具有控制功能。
芯片附有固件，该固件实现Lon Talk通信协议和所有的任务调度。Lon Talk协议遵循世界标准组织（International Organization for Standardization，ISO）提出的开放式互联参考模型OSI，具有完整的七层协议，管理网络节点的通信，分配节点地址，运行内含的冲突检测，回避算法，控制物理的/电气的连接等。在链路层，采用了可预测的CSMA算法：每个发送出的包都含有接收节点的个数，每个节点必须向发送节点回发应答帧，这使得50%或更多的待发包成为可以预测的。由于能够预测网络通信负荷，就可根据通信流量的多少动态地改变介质存取时延；而且还提供了一种优先权选择，使得具有高优先权的数据帧可在没有竞争的条件下进行传送，这就使整个系统无论在轻载下还是在重载下都处于优化运行状态，保证了控制网络的实时性要求。在顶层，采用了“网络变量”作为用户的应用程序接口。这是一种面向对象的设计方法，它使应用程序中的网络通信程序变成了一种简单的参数设置，极大地方便了每个节点的应用程序与整个系统的信息交换。用户只需要定义网络变量并对将要实现通信的节点中的网络变量进行逻辑连续连接即可。
Lon Works网络可以采用多种通信媒体，如双绞线、电力线、同轴电缆、光缆、无线电、红外线，并且提供与上述多种媒体相适应的收发器。这使得同一网络中的信号可以在不同的媒体之间传输，因而可以根据需要组网，不同媒体之间以路由器进行连接。在多种媒体使用的收发器中，特别值得一提的是电力线收发器。利用电力线载波传输网络信息是一个很好的设想，然而只有采用特殊的通信技术才能使其成为现实，因为电力线信道特性变化大、干扰强，无法实现可靠的信息传输。为此，Echelon公司采用扩频传送技术，成功地实现了数百米到数千米距离内的可靠通信，传输速率达10Kbps。
如上所述，Neuron芯片除了具有控制功能之外，还带有媒体访问控制处理器和网络处理，并且Lon Talk协议固化在芯片的ROM中，这就使得Lon Works的微型节点无需中央主机参与，就可以进行相互通信，从而实现了无中心结构的完全分散式控制模式，将控制功能分散到了现场级仪表。当然，在这种无中心结构应用到网络中，如果用户需要对系统进行“集中管理”，又可方便地在网络中设计一个或多个由个人计算机或其他计算机构成的“网络管理者”节点，通过它可以执行网络管理功能，如定义新节点、更换旧节点等，也可以作为操作站运行用户的应用程序，方便用户管理与操作。
Lon Talk是一个完全符合OSI模型的开放式通信协议，具有良好的互操作性，这使不同制造商生产的基于Lon Works技术的新一代智能通信产品能够彼此合作，联网工作。为避免众多制造商以不同的含义来解释Lon Works技术，保证各自的产品能够方便地集成到一起，以便构成一个真正开放的系统，还建立了Lon Works互操作协会，制定了Lon Works标准。这个标准已成为事实上的行业标准，按此标准开发的产品都有一个Lon Mark商标，这个标志表明该产品经过了Lon Mark测试并且合格，带有了产品的互操作性，这样，Lon Works技术就使互操作性变成了一个即插即用的具体手段，正如购买家用电器时，不必怀疑它的电压等级是否能够与住宅内的电压等级相匹配一样。这就使来自不同供应商的不同产品能够集成到一起，形成一个真正开放式的系统，以利于整座建筑物的维护、扩展、更新和原有工程的升级改造。
2.10.3现场总线控制系统的架构
现场总线具有高可靠性、系统稳定性好、抗干扰能力强、通信速率快、系统安全符合环境保护要求、造价低廉和系统维护成本低等特点。现场总线控制系统利用现场总线技术，构成了一个开放式、全分布式、可扩展的网络控制系统。其控制过程直接面向现场，现场各智能节点相互独立，又可相互组态。
传统的集散控制系统在现场控制站这一级仍然是一个集中式结构。应用现场总线技术，必将打破原有“控制器”的概念，带来集散控制系统体系结构上的变化，使之进一步分散化。在具有集中结构的现场控制站这一层，采用现场总线技术，将智能I/O模块、智能传感器、智能执行器及各种智能化电子设备连接起来，构成延伸到现场仪表这一级的分布式控制站，即把原有的集中式现场控制站变成分布式现场控制站，也就是在传统集散控制系统网络的底层再引入一层现场总线网络。
