Fieldbus

Sistemi di Misura Distribuiti, AA 2025-2026

Francesco Santoni

Struttura gerarchica di controllo processo industriale

• ERP (enterprise resource planning), pianificazione, ordini, vendite, fatturazione, bilancio
• HMI (human machine interface) controllo da parte di operatori, configurazione, manutenzione

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• Rete di controllo. PLC (programmable logic controller) o DSC (distributed control system). Generazione segnali di controllo

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• I/O: gestione degli input e output di sensori e attuatori

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• Dispositivi di campo: sensori e attuatori

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Struttura gerarchica di controllo processo industriale

• I cosiddetti bus di campo coinvolgono i livelli L1, L2, L3

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• Il collegamento di tutti gli I/O e dei PLC al controllo centralizzato L4 e L5 è invece realizzato mediante LAN Ethernet

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Struttura gerarchica di controllo processo industriale

• I cosiddetti bus di campo coinvolgono i livelli L1, L2, L3

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• Il collegamento di tutti gli I/O e dei PLC al controllo centralizzato L4 e L5 è invece realizzato mediante LAN Ethernet

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Struttura gerarchica di controllo processo industriale

• Altro esempio

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• Architettura mista Fieldbus e Ethernet

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• Non c’è uno schema gerarchico rigido (es. IoT: dispositivi di campo direttamente connessi alla rete informazioni/internet)

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Struttura gerarchica di controllo processo industriale

• In cima interfaccia uomo-macchina (HMI), dove un operatore può monitorare o azionare il sistema.
• Questa è tipicamente collegata a un livello intermedio di controllori logici programmabili (PLC) tramite una LAN Ethernet.
• Alla base della catena di controllo c'è il bus di campo che collega i PLC ai componenti che svolgono effettivamente il lavoro, come sensori, attuatori, motori elettrici, spie, interruttori, valvole e contattori.

Struttura gerarchica di controllo processo industriale

• Rete per le informazioni: comunicazioni tra dispositivi di controllo e di supervisione integrata. Tipicamente Ethernet
• Rete di controllo: comunicazione tra dispositivi di controllo, sia automatici che con supervisione umana. Tecnologie proprietarie genericamente dette fieldbus, e Ethernet
• Rete di campo: comunicazione tra sensori/attuatori e sistemi di controllo. Tecnologie fieldbus o standard più vecchi come RS-232 e loop 4-20 mA.

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Struttura gerarchica di controllo processo industriale

• ERP: Enterprise Resource Planning
• APO: Advanced Planning and Optimization
• MES: Manufacturing Execution System (monitoraggio e controllo dei processi produttivi in tempo reale)
• LIMS: Laboratory Information Management System
• WMS: Warehouse Management System
• CMM: Coordinate Measurement Machine (misure per controllo conformità)
• SCADA: Supervisory Control and Data Acquisition

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Struttura gerarchica di controllo processo industriale

• Sensorbus, devicebus e fieldbus distinti in base alla quantità di informazione comunicata. Noi stiamo vedendo tutte e tre le categorie, ma chiamiamo tutto fieldbus.
• Bit, bytes, messaggi e file quantificano grosso modo la quantità di informazione scambiata sulla linea di comunicazione
• A volte per messaggi si intendono comunicazioni oltre i 16 byte.

Struttura gerarchica di controllo processo industriale

Struttura gerarchica di controllo processo industriale

• DCS usano diverse CPU per controllare parti diverse di un processo
• PLC da solo controlla le diverse fasi di un processo
• Tipicamente: DCS per processi più complessi, PLC per processi meno complessi
• PLC nascono prima dei DCS

PLC – Programmable Logic Controller

• Iniziano a diffondersi alla fine degli anni ’60 per sostituire le vecchie stanze relay
• Pensati per essere usati anche da tecnici ed ingegneri senza formazione in programmazione
• Programmazione di output in risposta ad input. Di fatto usati come qualsiasi microcontrollore, ma caratteristiche di compatibilità EM ed affidabilità adatte ad ambienti industriali

PLC – Programmable Logic Controller

• Linguaggi di programmazione grafici a diagrammi e blocchi derivati dai primi metodi di programmazione.
• Disponibili anche linguaggi di programmazione testuali
• Standard IEC 61131-3 definisce 3 linguaggi grafici e 2 testuali
• Disponibile IDE multilinguaggio per PLC: CODESYS
• Programmazione con LabView possibile mediante interfaccia a CODESYS (in figura)

• Scopo: sostituire le tecnologie RS-xx e loop di corrente 4-20 mA
• Sebbene le tecnologie fieldbus esistano dal 1988, con lo standard ISA S50.02, lo sviluppo dello standard internazionale ha richiesto molti anni.
• Nel 1999, il comitato per gli standard IEC SC65C/WG6 si è riunito per risolvere le differenze nella bozza dello standard IEC sui bus di campo.
• Il risultato di questa riunione è stata la forma iniziale dello standard IEC 61158.

Storia dei Fieldbus

• Attività di standardizzazione caratterizzata da notevole complessità.
• I Fieldbus sono bus seriali
• Prima release standard IEC 61158: oltre 4000 pagine, 8 sotto-standard diversi per il data link layer (“8 headed monster”).
• Type 1 Foundation Fieldbus H1
• Type 2 ControlNet
• Type 3 PROFIBUS
• Type 4 P-Net
• Type 5 Foundation Fieldbus HSE (High Speed Ethernet)
• Type 6 SwiftNet (protocollo sviluppato per conto della Boeing)
• Type 7 WorldFIP
• Type 8 Interbus

Storia dei Fieldbus

• 10 tipologie di application layer.
• Type 1 compromise (technical report)
• Type 2 ControlNet
• Type 3 PROFIBUS
• Type 4 P-net
• Type 5 Foundation Fieldbus
• Type 6 SwiftNet
• Type 7 WorlfFIP
• Type 8 Interbus
• Type 9 Foundation Fieldbus H1
• Type 10 Profinet
• Altre tipologie aggiunte o proposte per l’aggiunta successivamente

• Altri standard correlati:
• IEC 61804 (Function Blocks for Process Control and electronic device description language)
• IEC 61784 (parte del 61158 con ulteriori dettagli su fieldbus)
• IEC 61508 (Functional Safety). Partendo dai requisiti di determinismo e ripetibilità, viene intesa come robustezza a errori sui dati e come robustezza a fenomeni fisici (es: esplosioni). Definisce un Safety Communication Layer sovrapposto all’application layer.
• Dal 2005: IEC 62390, “Common Automation Device Profile Guideline”

IEC 61804 (Function Blocks for Process Control and electronic device description language)

• Campi di applicazione degli standard IEC 61784 e IEC 61158 (ultimi aggiornamenti nel 2014):
• IEC 61784 descrive ulteriori aspetti
• IEC 61784.1: communication profiles
• IEC 61784.2: real-time ethernet
• IEC 61784.3: safety communications
• IEC 61784.4: security
• IEC 61784.5: installation
• Standard dominanti: Profibus e Foundation Fieldbus (nel seguito descritti più in dettaglio)

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• Campi di applicazione degli standard IEC 61784 e IEC 61158:
• IEC 61158 descrive i protocolli che compongono un sistema Fieldbus congruentemente al modello ISO/OSI
• IEC 61158.1: overview
• IEC 61158.2: physical layer
• IEC 61158.3: data link service
• IEC 61158.4: data link protocol
• IEC 61158.5: app. layer service
• IEC 61158.6: app. layer protocol

• Fieldbus è una LAN, la cui architettura prevede 3 layer
• Layer 3-6 ISO/OSI non considerati
• FMS Fieldbus Message Specification. Servizi per lo scambio di messaggi tra due dispositivi del bus utilizzando un’insieme di messaggi standard per richiamare funzioni predefinite.
• FSA Fieldbus Sub-layer Access. Mappa messaggi FMS nel DLL
• DLL: controllo di accesso al mezzo, gestione collisioni, controllo errori e ritrasmissione
• PL: Determina data rate (31.25 kb/s, 1 Mb/s, e 2.5 Mb/s)

Alcune tecnologie Fieldbus

• Molti protocolli diversi sono stati creati dai produttori con lo scopo di monopolizzare il mercato dell'automazione.
• Ciò porta alla non interoperabilità tra i dispositivi prodotti da diversi fornitori.
• Peggio ancora, le documentazioni sul funzionamento dei protocolli non sono sempre disponibili al pubblico.
• Poiché la gamma di prodotti offerti da un unico fornitore è limitata, è frequente abbinare apparecchiature di diversi fornitori.
• Tuttavia, ogni fornitore ha protocolli diversi per i propri prodotti e ciò fa sì che gli impianti possano avere isole di automazione non comunicanti.

• Un altro problema dei sistemi proprietari sono i vincoli posti dai produttori. I dispositivi possono essere scatole nere. Non possiamo "guardare" dentro né apportare modifiche.
• Costi di installazione bassi ma alti costi di riparazione e sostituzione parti
• Allo stato attuale, non c’è ancora uno standard al quale si adeguino tutti i produttori.

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Requisiti per misurazioni e controllo distribuito

• Determinismo/Real Time
• Robustezza al rumore
• Affidabilità
• Scalabilità (bus powering!)
• Dinamicità (hot plugging!)
• Trasparenza
• Potenza assorbita dai nodi
• Costo dei nodi
• Data rate del bus

Criticità

Tecnologie Fieldbus

Sensor point-to-point

(es. RS-232, loop 4-20mA)

Fieldbus

Controllo di molti dispositivi

Controllo di un solo dispositivo

1960

• Quando si usa il bit di parità per il controllo degli errori, solo 7 bit sono disponibili per i dati
• L’ottavo bit indica appunto la parità
• Il parity bit specifica quale tipo di parità utilizzare
• Parità PARI = 1 se 0 sono in numero pari nei dati
• Parità DISPARI = 1 se 0 sono in numero dispari nei dati
• Equivalente al CRC on generatore 1+x

RS-422 (1975)

• Permette di connettere più di un dispositivo

• Utilizzo delle resistenze di terminazione 120 Ω

• Multi-Drop: Host può trasmettere a tutti i device, ma ogni device può trasmettere solo a host.
• Half duplex o full duplex (full in figura). Ma solo un device alla volta può trasmettere risposte all’host.

• Connessione single-ended. Host trasmette a tutti e non riceve risposte

1998

Minimum output

Minimum input

• Multi-Point: ogni dispositivo può essere il master e quindi trasmettere a tutti gli altri

4-20 mA Current Loop

4-20 mA Current Loop

Esempio

• Sensore analogico di temperatura. Produce un segnale in tensione proporzionale alla temperatura
• Trasmettitore che converte la tensione in uscita dal sensore in una corrente
• Display digitale che visualizza la temperatura
• PLC che acquisisce il segnale

4-20 mA Current Loop

• Usiamo segnale in corrente perché non decade lungo la linea
• Trasmettitore di base è realizzato con un transistor: generatore di corrente controllato in tensione
• La variazione di temperatura fa variare il valore della resistenza 1, e di conseguenza la tensione di gate.
• Con opportuno carico, si ottiene corrente nel range 4-20 mA.

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4-20 mA Current Loop

4-20 mA Current Loop

Esempio

• Il sistema è dunque una linea di trasmissione di trasmissione dati da sensore a PLC
• Trasmettitore è tarato per generare corrente nel range 4-20 mA
• Basse correnti sono sicure
• Si può inserire un fusibile in modo che corrente 0 indici un malfunzionamento nella linea.

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4-20 mA Current Loop

• Schema generico di una linea di trasmissione basata su loop di corrente a 4-20 mA

• Adatta per generici sensori analogici: temperatura, pressione, velocità, flusso ecc.
• Il loop viene realizzato con doppino intrecciato per riduzione rumore
• Distanza massima fino a 1 km
• La presenza del doppino intrecciato permette di riadattare l’infrastruttura esistente a protocolli fieldbus più recenti

4-20 mA Current Loop

• È possibile una linea a loop di corrente in cui si possano interrogare diversi sensori montati sulla stessa linea? Sì! Protocollo HART introdotto alla fine degli anni ’80
• Il protocollo ammette due master sulla stessa linea

Protocollo HART

• L’idea di base è quella di trasmettere sulla stessa linea il segnale analogico che trasporta l’informazione del sensore, ed il segnale digitale per il controllo dei diversi dispositivi.
• Il segnale digitale viene codificato usando Frequency-Shift Keying (FSK)
• Data-rate 1200 bps

Protocollo HART

• La trasmissione dei dati è asincrona, quindi si usano bit di start e stop
• Un carattere HART è dunque formato da bit di start, bit di dati, bit di parità, bit di stop
• L’invio di un byte di dati comporta sempre l’invio effettivo di 11 bit.

Protocollo HART

• Ogni singolo byte è inviato in 11 bit:
• 1 start bit
• 8 data bits
• 1 parity bit
• 1 stop bit
• Struttura di un pacchetto HART (livello di collegamento – data link layer):

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Protocollo HART

Data-link layer

• Preambolo: tre o più caratteri esadecimali FF per la sincronizzazione
• Start byte: indica chi sta inviando (master, slave, slave in modalità burst) e se si sta utilizzando l’address lungo o breve
• Ci sono due tipi di Address
1. Long, 5 byte. Unico per ogni dispositivo (indirizzo fisico)
• 1 byte: codice produttore,
• 1 byte: tipo dispositivo
• 3 byte: indice sequenziale
2. Short, 1 byte. Usato per il polling su vecchi dispositivi che non supportano Long address
3. In entrambi i casi, i primi due bit identificano quale dei due è il master e se si è in modalità burst

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Protocollo HART

Data-link layer

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Polling (per vecchi dispositivi):

• Il master interroga tutti gli indirizzi 0-15 per identificare gli slave presenti.
• Alternativamente l’utente può specificare gli indirizzi degli slave.
• Gli slave corrispondenti agli ID rispondono al master

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Protocollo HART

Data-link layer

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Modalità master/slave:

1. Il master seleziona lo slave cui inviare il messaggio
2. Lo slave interrogato, risponde

Modalità burst:

1. Il master seleziona lo slave
2. Lo slave invia risposta in sequenza senza essere reinterrogato di volta in volta

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Protocollo HART

Data-link layer

Protocollo HART

Application layer: command set

Manchester code (or phase encode PE)

• Ogni bit è rappresentato da un segnale alto-basso o basso-alto di pari durata temporale

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• Codifica Manchester chiamata anche codifica biphase-L
• Si usano tensioni positive e negative, non si usa tensione 0

Manchester code (or phase encode PE)

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Vantaggi:

• Semplicità di codifica
• Bilanciamento DC
• Self-clocking
• Controllo errori: se per più di un periodo non c’è una transizione, il segnale non è integro

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Manchester code (or phase encode PE)

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Svantaggi:

• Il data-rate è la metà dell’ampiezza massima di banda
• In confronto, il PCIe usa sia la salita che la discesa del clock
• Overhead Manchester: 50%
• Overhead PCIe 8b/10b: 20%
• Overhead PCIe 128b/130b: 1.5%
• Overhead non è un problema per linee a banda larga

Manchester code (or phase encode PE)

Data rate e signal rate

• Bit è un elemento dati (data element): l’entità più piccola che rappresenta informazione
• Si parla di data rate o throughput riferendosi al numero di data element trasferibili nell’unità di tempo
• Per bandwidth si intende il massimo data rate possibile
• Elemento di segnale (signal element) è l’entità più piccola che rappresenta informazione dopo la codifica.
• Si parla di signal rate, modulation rate o baud rate riferendosi al numero di signal element trasferibili nell’unità ti tempo

Per la codifica Manchester quindi baud rate è la metà del bandwidth

• RS-485 fino a 12 Mbit/s
• IEC 1158-2 31.25 kbit/s

Encoding

• RS-485 usa trasferimento seriale asincrono 11 bit per word (start-stop-parità) e non-return-to-zero (NRZ)
• PROFIBUS PA usa enconding MBP – Manchester Bus Powered
• Livelli di corrente in media non nulli, si trasporta potenza direttamente sul bus per alimentare i dispositivi collegati
• Basse correnti e ridotto numero di cavi: adatto per zone a rischio esplosione

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• Solo PROFIBUS FMS prevede un livello per lo scambio messaggi
• FMS permette l’esecuzione di un sottoinsieme delle funzioni definite nello standard ISO 9506: Manufacturing Message Specification (MMS)
• DP e PA definiscono solo il livello di connessione dati e fisico, lo scambio messaggi non è definito e completamente demandato all’utente
• Layer 2 è comune a tutti. È facile interfacciare i diversi protocolli

Stack protocollare

Livelli di applicazione Profibus

Tecnologie Profibus

Connettore Profibus

Terminazione linee differenziali

A

B

Tecnologie Profibus

Connettore Profibus

La terminazione può essere attivata o disattivata (switch rosso nel modello in figura)

Tecnologie Profibus

Terminazione attivata solo sui nodi estremi

PLC

Connessioni con ripetitori

Tecnologie Profibus

PROFIBUS PA

• PROFIBUS PA è intrinsically safe secondo la definizione dello standard IEC 61158
• La sicurezza intrinseca consiste nel limitare la potenza elettrica utilizzata a valori che sono inferiori a quelli necessari per innescare un’esplosione in un’area a rischio.
• Utilizzabile in alternativa a linee loop 4-20 mA
• Valori massimi di tensione e corrente per diverse classi di sicurezza:

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PROFIBUS PA

• Il segmento 1 nella zona sicura viene collegato al segmento 2 nella zona a rischio mediante un ripetitore galvanicamente isolato (trasformatori o accoppiatori ottici)
• Il segmento due è un bus PA che può avere da 9 a 22 nodi a seconda della classe di sicurezza.
• I singoli dispositivi sono alimentati dal bus stesso mediante encoding MBP

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PROFIBUS DP

• Master di classe 1 e 2 (DPM1 e DPM2)
• DPM2 si usano solo in fase di configurazione e diagnostica
• L’accesso al bus è consentito mediante passaggio del Token

PROFIBUS DP

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• Foundation Fieldbus
• Primo Draft: 1987 (IEC, International Electrotechnical Commission, e ISA, International Society for Measurement and Control ), prevede due campi di applicazione, denominati H1 e H2.
• Lo scopo era creare un bus intrinsically safe
• H1: sostituzione standard analogico 4-20 mA (process automation), 31.25 Kb/s.
• Vantaggi: bidirezionale, half duplex, multipoint, topologia a bus, repertorio variegato di comandi
• H2: high speed discrete control and data collection applications (manufacturing automation), 1 Mb/s, 2.5 Mb/s .

• Dal 1998 : H2 abbandonato in favore di HSE (High Speed Ethernet).
• Possibile estendere segmenti H1 con ulteriori segmenti utilizzando dei ripetitori (fino a 4).
• HSE utilizzata per connettere segmenti H1 distinti.
• Standard IEC 61804 (per descrizione dei blocchi funzionali logici), IEC 61158, e IEC 61784.

• Alcune definizioni (http://www.pacontrol.com/ffglossary.html):
• Segment: a Segment is a section of an H1 fieldbus that is terminated in its characteristic impedance. Segments can be linked by Repeaters to form a longer H1 fieldbus. Each Segment can include up to 32 H1 devices.
• Trunk: a Trunk is the main communication highway between devices on an H1 fieldbus network. The Trunk acts as a source of main supply to Spurs on the network.
• Spur: a Spur is an H1 branch line connecting to the Trunk that is a final circuit. A Spur can vary in length from 1 m (3.28 ft.) to 120 m (394 ft.).

Physical Layer

• H1: 1900 m senza ripetitori, numero elevato di “spur”, codifica Manchester, 31.25 Kb/s, shielded twisted pair (riutilizza linee 4-20 mA).
• Alimentazione: (9-32V) tipica: 24 V, fino a 100-120 mA.
• Modulazione in corrente, applicando a una corrente DC di circa 10-20 mA un offset variabile (Manchester Bus Powered)

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Physical Layer

Physical Layer

Physical Layer

• Tutti i dispositivi sono in parallelo
• Necessitano due terminatori
• Condensatori dei terminatori e power conditioner consentono trasmissione e ricezione sulla stessa linea che trasporta l’alimentazione

Physical Layer

• Gli induttori (i dispositivi reali sono più complessi) sono trasparenti alla corrente DC ma isolano l’alimentatore DC da correnti tempo varianti
• In assenza degli induttori la bassa impedenza dell’alimentatore DC impedirebbe le trasmissioni, assorbendo la corrente iniettata dal nodo che tenta di trasmettere.

Physical Layer

• Il nodo trasmetittore inietta nel circuito una corrente aggiuntiva di 10-20 mA, che attraversa una resistenza equivalente di circa 50 Ω (due terminatori in parallelo da 100 Ω)

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• Variazioni in tensione tra 0.5-1 V

Physical Layer

• Le capacità dei terminatori consentono le trasmissioni in corrente, assorbendo e restituendo carica elettrica, senza condurre la componente continua.
• Il valore delle capacità è sua volta progettato in modo da non filtrare le trasmissioni a 31.25 kbit/s.

Riepilogo Fieldbus

Protocollo HART

• Segnale analogico
• Encoding FSK
• Bitrate 1200 bps
• Distanze in tabella:

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Riepilogo Fieldbus

Linee seriale RS-x

• Segnale digitale (Manchester o NRZ)
• Distanze in tabella

Riepilogo Fieldbus

Profibus PA e Foundation

• IEC 1158-2
• Bitrate 31.25 kbps
• Distanza 1900 m
• Intrinsically safe
• MBP

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Riferimenti

1. P. Chiacchio, F. Basile, Tecnologie informatiche per l’automazione, seconda edizione, McGraw-Hill, 2004
2. S. K. Sen, Fieldbus and Networking in Process Automation, second edition, CRC Press, 2021
3. B. R. Mehta, Y. J. Reddy, Applying Foundation Fieldbus, ISA, 2016