工業控制的應用離不開經典控制理論，隨着計算機技術在工業控制中的廣泛應用，反饋控制的要求體現在控制指令如何到達執行器，而控制效果如何通過傳感器發回控制系統。在復雜的工業環境中，現場總線能夠正確、快速、穩定的通信，從而保證工業控制系統既能得到及時、准確的現場數據，經過高效處理后，又能快速、精確的發出執行命令。
1通信的基本模型
通信就是將信息從一個點傳送到另一個點，比如說電話、廣播和電視。工業通信系統也是如此，也需要發送器、接收器以及和通信鏈路。鏈路類型包括雙絞線、同軸電纜、光纖、無線和微波。發送端解調器調制數據，接收端調制解調器解調信號以再現原始數據，而其中的通信規則稱為協議。
圖通信系統的基本模型
| 概念 |
說明 |
|
| 數據 |
data |
運送消息的實體 |
| 信號 |
signal |
數據的電氣或電磁表現 |
| 模擬 |
analogous |
消息取值是連續的 |
| 數字 |
digital |
消息取值是離散的 |
| 碼元 |
code |
使用時域波形表示數字信號時，代表不同離散數值的基本波形 |
2.工業通信的特殊要求
工業通信與一般通信相比有一些特殊的要求，比如說工業環境就不同於辦公室環境。
|
|
辦公室環境 |
工業環境 |
| 溫度 |
適中，波動范圍小 |
嚴酷，波動范圍大 |
| 濕度 |
不潮濕或無水 |
潮濕 |
| 粉塵 |
低 |
高 |
| 振動 |
不靠近振動源 |
可能會有振動源 |
| 電磁干擾 |
弱 |
強 |
| 化學危險 |
無 |
油污或有害氣體 |
| 紫外線 |
無 |
強 |
| 放射性 |
無 |
可能有 |
工業通信主要是過程數據、狀態變量、維護等，數據分類如下表所示：
| 工業通信的數據 |
|||||
| 狀態 |
事件 |
其它數據 |
|||
| 輸入、輸出、內部變量 |
狀態發生變化 |
文件下載 |
請求 |
響應 |
站點管理 |
通信中和時間相關的特征有實時性、頻率、抖動、生命周期、響應時間、同步、時間和空間的相關性或一致性。工業通信往往要求保證通信的實時性，也就是說響應時間是否滿足時間限制。
| 特征 |
說明 |
| 實時性 |
所有操作、數據以及動態系統組件的時間特性 |
| 頻率 |
數據的更新快慢 |
| 抖動 |
通信周期的變化 |
| 生命周期 |
變量維持在內存中的時間 |
| 響應時間 |
請求和響應之間的時延 |
| 同步 |
在同一時間或者很短的一段時間內，發生多個操作或事件 |
| 時間一致性 |
在給定的時間窗口中發生了幾個事件 |
3.現場總線如何滿足工業通信的要求
OSI模型定義了一個框架物理層通常與如電纜、連接器、網絡接口卡、無線傳輸硬件等物理介質相混淆。物理層不僅定義了物理介質及其正確連接的接口要求，物理層定義編碼方式、校驗方法、帶寬、頻譜、載波、波特率、電、光、無線電信號、流入異步串行通信控制、電纜類型、連接器的機械設計。信號通過傳輸介質從發送端到接收端。通信介質的機械和電氣特性。
而數據鏈路層負責創建、傳輸和接收數據包，現場總線對於數據鏈路層有細分為LLC和MAC兩層，前者提供接口網絡層協議，並控制與其對等體的邏輯通信，后者提供對特定物理編碼的訪問和傳輸。
應用層規定了交互數據的方式，並定義了設備的各種信息、狀態和參數。
現場總線的通信數據一般分為標識數據和通用消息。標識數據是指控制器與傳感器、控制器與執行器以及控制器之間傳輸過程變量。通用消息在系統組態和維護階段，用於文件的下載和上傳。
| 現場總線通信數據分類 |
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| 標識數據 |
通用消息 |
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| 傳感器的輸入數據、執行器的輸出數據 |
應用之間通信 |
||||
| 出版者/訂閱者 |
生產者/消費者 |
||||
| 實時 |
非實時 |
實時 |
非實時 |
||
| 周期 |
非周期 |
- |
周期 |
非周期 |
- |
3.1替代4-20mA的接線方案
過去工業通信采用模擬信號，就是廣為人知的4-20mA技術，后來現場總線使用數字通信體現出抗噪聲、減少電纜、診斷功能等諸多的優點。因此現場總線會取代4-20mA。
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|
4-20mA |
現場總線 |
| 信號 |
模擬 |
數字 |
| 抗干擾性 |
差 |
強 |
| OSI |
物理層 |
物理層、數據鏈路層、應用層 |
| 診斷 |
少 |
完整 |
| 安裝費用 |
高 |
低 |
| 單個設備成本 |
地 |
高 |
采用現場總線的關鍵要求之一是分布式智能。為了訪問現場總線，智能的傳感器和執行器需要具備計算能力、數字通信、協議標准，因此設備成本相對就高。
3.2RS-232與RS-485電氣標准
有人會把RS-232和RS-485當成總線，其實兩者是一種接口的標准。接口標准主要從電氣特性（信號）、機械特性（DB9）、管腳功能進行描述。兩者的主要區別就是邏輯如何表示，前者是電壓表示01，后者是電壓差表示01。具體的比較如表所示。
| RS |
232 |
485 |
| 信號特點 |
電壓 |
差分 |
| 通信模型 |
點對點 |
多點 |
| 接線方式 |
發送管腳連接收管腳 |
所有DATA+連一塊，所有DATA-連一塊 |
| 通信方式 |
發送管腳工作不影響接收管腳，所以是全雙工 |
兩個管腳同時工作才能實現發或收，所以是半雙工 |
因為RS-232只能實現點對點通信（雙機互聯），無法聯網（多機），而RS-485能夠連成總線型網絡，而且很多現場總線基於RS-485標准，所以有人會理解成485總線，但是嚴格來說485總線不是一種現場總線，只是有些現場總線是使用了RS-485作為其物理層定義，因此現場總線和485不是一個層次上的概念。
3.3曼徹斯特編碼、編碼、碼元的概念
電纜和連接器的引腳分配。引腳分配取決於電纜的類型以及所使用的網絡架構。電信號的格式。用於信號0和1的編碼，值或模擬中的特定值傳輸取決於所使用的網絡架構。大多數現場總線使用曼徹斯特編碼通信。
將時鍾同步信號就隱藏在數據波形中，每個碼元包含一個跳變，低到高或者高到低表示一個碼元。先理解碼元、比特、波特率、比特率，碼元就相當於單詞，而比特就是字母，單位時間內的傳輸的碼元就是波特率，而單位時間傳輸的比特就是比特率。單詞可以由一個字母組成，也可以由幾個字母組成，也就是說碼元數是比特數的倍數，這時波特率也就是比特率的倍數關系。我們都有背單詞的經歷，比如說我們每天都要記住10個單詞，假設每個單詞都是4個字母組成，那么波特率就是每天記住的單詞數，而比特率就是每天記住所有單詞的字母數目。
3.4通信介質
現場總線一般使用有線連接，原理是使用電磁波在通信介質傳輸中傳播，通信介質有雙絞線、同軸電纜和光纖，如圖所示。隨着工業現場對接線要求的不斷變化，以及無線技術的快速發展，如今現場總線開始越來越多的使用無線連接。
3.5通信模型
通信模式是指兩個或多個應用程序之間交互對象的方式，分為客戶端/服務器和生產者/消費者（出版者/訂閱者）兩類模式。
3.5.1客戶端/服務器模式
圖顯示了客戶端/服務器模式，該模式更適合傳輸狀態數據。當客戶端發出讀請求后，服務器就回復。客戶端/服務器模式的通信過程一般細分為請求、指示、響應和確認四個步驟，其中指示是指服務器收到了一個請求事件，確認說明客戶端收到了響應。響應服務有不同的意思，有的響應表示收到消息，有的表示開始服務或返回結果。對於一個讀服務，讀出對象的值包含在響應中，讀請求包含對象名稱，並根據尋址機制訪問本地對象，響應要么返回結果，要么返回執行失敗的原因，以及響應時間。對象可以是先驗、簡單變量或一個復雜的結構體。
符合這種模式中的協議大多從制造信息規范（MMS）發展而來，應用層基於MMS模型管理各種對象，如任務（創建、取消、啟動、恢復和停止）、變量（讀寫）、域（下載和上傳）。MMS通常只會有一個服務子集。整個操作細分成請求、執行、響應三個部分，與MAC層處理時間和服務執行時間有關。
WorldFIP、ROFIBUS-FMS、PROFIUBUS-DP、INTERBUS、AS-I、P-NET等現場總線都是使用客戶端/服務器的通信模型。而BatiBus是一種特殊的客戶端/服務器模型，因為其中沒有回復和確認。
3.5.2發布者/訂閱者模式
包含一個發布者應用和若干用戶應用，分為“推”和“拉”兩種模式。對於拉模式來說，發布者管理器發送一個請求，發布者通過廣播（或多播）響應；而對於推模式來說，一個訂閱者發送請求，發布者先響應這個請求，然后發送廣播（或多播）數據。如圖所示，推模式多了一次步驟。
發布者/訂閱者模型非常適合於傳輸事件數據，可用於“事件通知”的要求和提示、MMS信息定義的提示。發布者/訂閱者模型用於緩沖區之間通信（讀寫服務）。WorldFIP、CAN、LonWorks、EIBus、ControlNet、SWIFTNET和FF使用了發布者/訂閱者模型。
3.6通信機制
通信機制包括周期性通信、、應答機制和觸發機制。
周期性通信源於自動控制和事件檢測的基礎——采樣理論。大多數標記數據作為控制算法的輸入或輸出，要求周期性傳輸，主要應用在集中式控制系統進行周期性的查詢操作。不同數據的通信周期可能不同，會產生抖動，那么通信協議就是要盡量消除抖動。這些系統基於狀態通信，有時也稱為“時間觸發系統”。
圖顯示了一個周期性通信的例子，每個基本周期都有C和D，每兩個周期有B和E，每三個周期有F，因此總線周期（大周期）等於所有周期的最小公倍數（LCM），而節拍（小周期）是一個時間間隔等於最大公約數（HCD）。有的現場總線所有數據都通過周期型通信，但網絡負載太大了，因此某些數據會采用非周期的傳輸，比如說一些狀態變量可以在發生變化后再傳送。
協議引入應答機制，接收機通知發射機一個消息是否已正確接收。在現場總線應用中，非周期通信需要應答機制，而周期性通信則不需要，因為在周期性通信中如果出現錯誤，接收方會忽略錯誤並等待后續正確數據。
除了周期性和非周期性通信之外還有時間、事件觸發。大多數現場總線都傾向於一種時間觸發系統，一些還會結合事件觸發，由周期性服務器管理事件。
3.7錯誤控制與流量控制
錯誤管理、恢復機制要在用戶控制中，即應用程序進程中。錯誤檢測或通信控制要么由發送方實現，要么由接收方實現。在現場總線中，兩種情況都有，現場總線通常會提供兩種通信機制。
| 控制方 |
說明 |
| 發送方 |
在通信開始時或當消息有一個事件的語義時進行控制。發送方傳送，接收方在收到消息后得到通知。發送方等待接收方的應答來控制傳輸 |
| 接收方 |
在通信開始時或當消息有一個事件的語義時進行控制，與時間觸發或事件觸發模式無關。通信開始后，接收方等待一個周期型的時間觸發系統或者響應一個請求，作為負責傳輸控制的接收方 |