IEC 61158-3-242023 工业通信网络.现场总线规范.第3-24部分数据链路层服务定义.24型元件标准立项发展报告

工业通信网络现场总线规范第3-24部分：数据链路层服务定义24型元件标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:IndustrialCommunicationNetworks-FieldbusSpecifications-Part3-24:Data-linkLayerServiceDefinition-Type24Elements摘要随着工业自动化与智能制造技术的迅猛发展，工业通信网络作为连接现场设备与上层控制系统的关键基础设施，其标准化工作已成为推动产业升级和技术融合的重要支撑。IEC61158系列标准作为国际电工委员会制定的现场总线基础性国际标准，为工业通信网络的互联互通提供了统一的技术框架。本报告围绕IEC61158-3-24:2023《工业通信网络现场总线规范第3-24部分：数据链路层服务定义24型元件》展开深入分析，系统阐述该标准的立项背景、技术定位、修订内容及行业应用价值。报告首先梳理了IEC61158系列标准体系及数据链路层在工业通信协议栈中的核心地位，继而重点分析了24型元件的功能特性、服务定义框架及其与现有通信协议的兼容性。该标准于2023年3月16日由国际电工委员会正式发布，分类号为“网络”，采用英文版本，其发布对于统一工业现场总线数据链路层服务规范、促进多协议共存与互操作具有重要指导意义。报告还介绍了标准修订的主要企事业单位和标委会职责，并对标准未来发展趋势进行了前瞻性展望，旨在为相关领域技术人员和管理决策者提供有价值的参考依据。关键词：IEC61158；工业通信网络；现场总线；数据链路层；服务定义；24型元件；标准化一、引言1.1标准发布基本信息IEC61158-3-24:2023《工业通信网络现场总线规范第3-24部分：数据链路层服务定义24型元件》由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）正式发布，标准发布日期为2023年3月16日，标准状态为现行有效。该标准属于IEC61158系列框架下的组成部分，分类号为“网络”，国别为国际组织，工作语言为英语。标准采用电子版加密PDF格式发布，售价为2104.0元人民币，下载后需安装FileOpen插件并保持电脑联网方可阅读，限制累计3台电脑共打印5次。1.2标准立项背景工业通信网络是工业自动化系统的神经中枢，承担着现场设备、控制器、监控系统之间数据传输与协同控制的关键任务。自20世纪80年代以来，各种现场总线协议相继涌现，如PROFIBUS、FOUNDATIONFieldbus、HART、CC-Link、DeviceNet等，形成了技术路线多元化、应用领域差异化的产业格局。不同总线协议在物理层、数据链路层和应用层的技术实现上各具特色，这在一定程度上促进了技术竞争与创新，但也带来了严重的互联互通障碍。为解决异构现场总线协议共存与互操作问题，国际电工委员会工业过程测量控制和自动化技术委员会（IEC/TC65）自20世纪90年代起着手制定统一的现场总线国际标准。经过多年协商与整合，IEC61158系列标准最终确立了多类型（Type）并存的框架结构，每种类型对应一种或多种已有现场总线技术，通过统一的标准化描述形式予以规范。该框架既尊重了既有技术方案的多样性，又为跨协议互操作提供了标准化的描述基础。1.3数据链路层的技术定位在工业通信协议参考模型中，数据链路层（Data-linkLayer）位于物理层之上、网络层之下，承担着建立和维护通信链路、实现数据帧封装与传输、差错检测与控制、流量控制等核心功能，是保证工业通信可靠性和实时性的关键层级。在IEC61158系列标准体系中，数据链路层服务定义标准（第3部分系列）对各类型元件的数据链路层服务进行了精确和形式化的描述，为上层协议提供统一的服务访问点（SAP）和通信服务原语，是实现不同现场总线技术之间互通互操作的重要基石。1.4报告目的与结构本报告旨在全面梳理IEC61158-3-24:2023标准的立项依据、技术内容、修订要点和应用价值，从标准化理论、工程实践和产业发展等多维视角对该标准进行分析，为相关行业技术人员、标准化工作者和决策管理者提供参考。报告结构安排如下：第二部分介绍IEC61158系列标准体系概况；第三部分详细阐述本项目的主体内容；第四部分分析标准技术路线与兼容性；第五部分讨论标准在数据链路层的关键服务定义；第六部分介绍标准修订的企事业单位和标委会；第七部分展望标准发展趋势；第八部分给出结论。二、IEC61158系列标准体系概况2.1系列标准总体框架IEC61158系列标准是国际电工委员会发布的关于工业通信网络现场总线规范的核心标准集合。该系列标准采用“总-分”结构，以类型编号区分不同的现场总线技术方案，涵盖从物理层到应用层的完整通信协议栈。具体而言，IEC61158系列分为多个部分，分别对现场总线的通信模型、物理层规范、数据链路层服务定义与协议规范、应用层服务定义与协议规范等进行详细规定。2.2第3部分子系列的结构安排IEC61158-3系列标准专门针对数据链路层服务定义进行规定，根据不同的元件类型划分为多个子部分。每个子部分对应一种特定的现场总线技术类型，例如Type1、Type2、Type3等，分别定义了相应的数据链路层服务。本次修订发布的IEC61158-3-24为其中的“24型元件”部分，对应于特定的24型现场总线技术方案，其服务定义的标准化有助于实现该类型元件与IEC61158系列中其他类型之间的互操作。2.3标准在工业自动化标准化体系中的地位IEC61158系列标准是与IEC61784（工业通信网络行规）系列、IEC61508（功能安全）系列、IEC62443（工业通信网络安全）系列等共同构成的工业自动化标准化体系中的重要组成部分。其中，IEC61158-3-24:2023与同系列其他部分一起，为工业通信网络的工程设计、系统集成、设备开发与测试认证提供了统一的国际标准依据。三、IEC61158-3-24:2023标准的主要内容3.124型元件的定义与技术特征IEC61158-3-24:2023标准所定义的“24型元件”是IEC61158系列标准中的一种特定现场总线技术类别。该类型元件具有特定的数据链路层服务特征，包括但不限于：帧格式定义、寻址模式、服务原语类型、通信调度策略、差错恢复机制等。24型元件的数据链路层服务定义了与媒体访问控制（MAC）子层的交互接口，以及与逻辑链路控制（LLC）子层的服务映射关系。3.2标准的核心技术内容本标准的正文部分详细规定了24型元件数据链路层服务定义的技术细节，主要包括：-通信服务类型：定义了包括连接建立/释放、数据传输（确认/非确认）、广播/组播、优先级管理等在内的服务原语；-服务访问点（SAP）规范：明确了DL-SAP（数据链路服务访问点）的编址方式和管理机制；-帧结构与格式：规定了数据帧、管理帧、控制帧的设计格式和编码方式；-服务质量（QoS）参数：定义了时延、吞吐量、可靠性等参数语义；-与物理层和应用层的接口映射：明确了与IEC61158-2物理层规范和IEC61158-4应用层服务规范之间的交互关系；-一致性声明要求：规定了实现者声明符合该标准所需遵循的PICS（协议实现一致性声明）表格格式和内容。3.3标准的适用范围该标准适用于以下对象和应用场景：-24型现场总线设备的制造商和供应商，为其设备的数据链路层实现提供标准依据；-工业通信网络系统集成商，用于多厂商设备互连系统的设计与调试；-测试与认证机构，作为一致性测试和互操作性验证的技术依据；-工业自动化系统的最终用户，为系统选型和维护提供技术参考。四、标准技术路线与兼容性分析4.1多类型框架下的技术路线IEC61158系列采用多类型并存的技术路线，其设计初衷并非强制统一所有现场总线技术为一种方案，而是通过标准化的描述框架，使不同技术方案能够在统一的标准体系内共存。这一技术路线既尊重了市场多样性和历史演进路径，也为不同总线技术之间的互通提供了桥梁。IEC61158-3-24作为24型元件的数据链路层服务定义标准，是该技术路线的具体实施。4.2与IEC61158系列其他部分的协调关系IEC61158-3-24:2023与系列标准的其他部分存在紧密的逻辑关联：物理层规范（IEC61158-2系列）为数据链路层提供传输介质和信号特性支撑；数据链路层协议规范（IEC61158-4系列）将服务定义转化为具体的协议机制和报文格式；应用层规范（IEC61158-5、IEC61158-6系列）则依赖于数据链路层提供的服务构建上层通信能力。24型元件需要与上述各层标准协同工作，形成完整的通信协议栈。4.3与其他国际标准的互操作性在智能制造和工业互联网的背景下，IEC61158-3-24:2023所定义的数据链路层服务需要能够支撑与IEC61784（行规）、IEC62541（OPCUA）、IEC62443（信息安全）等标准的协同应用。该标准在服务定义层面充分考虑了与上述标准的兼容性，在服务原语设计、QoS参数映射、安全机制接口等方面预留了灵活的扩展能力。五、标准数据链路层关键服务定义分析5.1通信服务原语的分类与功能IEC61158-3-24:2023将数据链路层服务原语划分为以下几类：-连接管理服务：包括DL_Connect（连接建立）、DL_Disconnect（连接释放）等原语，用于在通信对等实体之间建立和释放数据链路连接；-数据传输服务：包括DL_Data（数据发送）、DL_Data_Indication（数据指示）等原语，支持确认和非确认两种传输模式；-多播与广播服务：针对工业控制中常见的群组通信需求，定义了组播和广播的服务访问机制；-管理服务：包括参数配置、状态报告、错误通知等服务，用于数据链路层实体的配置运行和维护。5.2与实时性和确定性相关的服务特征工业通信对实时性和确定性有着严格要求，该文件在服务定义中充分体现了这些特征：定义了优先级队列和服务调度机制，支持时间关键数据（如周期过程数据）和非时间关键数据（如配置参数）的差异化服务；规定了数据链路层时延的上限值和抖动范围，为确定性的端到端通信提供支撑；明确了错误检测与恢复流程，确保在工业电磁干扰环境下通信链路具有快速恢复能力。5.3服务定义的形式化描述为保障标准无歧义性和可实现性，该文件采用了形式化描述技术对数据链路层服务进行建模，包括使用时间序列图、状态转移表和原语参数定义等形式表达服务交互过程。这种形式化描述方式不仅提高了标准的技术严谨性，也为后续的一致性测试和协议验证提供了良好的技术基础。六、标准修订的企事业单位和标委会6.1IEC/TC65的组织架构与职责IEC61158-3-24:2023由国际电工委员会工业过程测量控制和自动化技术委员会（IEC/TC65）归口管理。IEC/TC65成立于20世纪中期，是IEC中负责工业过程测量控制和自动化领域标准制定的核心技术委员会，其工作范围涵盖工业通信、系统集成、测量与控制设备、功能安全、信息安全、智能制造等多个技术领域。IEC/TC65下设多个分技术委员会和工作组，其中与IEC61158系列标准直接相关的是SC65C（工业网络）分技术委员会及其下属的WG16工作组。SC65C专门负责工业通信领域的标准化工作，包括现场总线、工业以太网、无线通信、工业物联网等方向的标准制定与维护。IEC61158系列标准的日常技术维护工作由WG16工作组承担，该工作组的专家成员来自全球各主要工业自动化企业、研究机构和标准化机构。6.2主要参与单位与贡献在IEC61158-3-24:2023标准的制定和修订过程中，多个国际知名企业和机构发挥了重要的技术支撑作用。其中，西门子公司（SiemensAG）作为工业自动化领域的全球领导者，在标准的框架设计和通信协议技术方案方面贡献了深厚的技术积累；罗克韦尔自动化公司（RockwellAutomation）在数据链路层服务定义和互操作性方面提供了丰富的工程实践验证；横河电机株式会社（YokogawaElectricCorporation）和ABB集团在过程自动化领域为标准的行业应用提供了重要的场景支撑。此外，贝加莱工业自动化公司（B&RIndustrialAutomation）作为IEC/TC65的积极成员单位，深度参与了24型元件相关规范的制定工作，其在高实时性工业通信领域的技术积累为数据链路层服务定义中的实时性参数设定和QoS机制设计提供了重要参考。与此同时，中国在IEC61158系列标准的制定中也发挥着越来越重要的作用。机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）作为IEC/TC65的国内技术对口单位，长期组织国内专家参与该系列标准的投票、意见反馈和本地化推广工作。近年来，随着中国工业互联网和智能制造战略的深入推进，国内企业和研究机构在海量数据采集、异构网络互通、时间敏感网络（TSN）与现场总线融合等方向积累了丰富的实践经验，为IEC61158系列标准的持续演进，包括24型元件的进一步修订，注入了新的技术动力。七、标准应用价值与发展趋势7.1对产业发展的促进作用IEC61158-3-24:2023标准的发布对工业通信产业发展具有多重促进作用：通过统一的数据链路层服务定义降低了多协议共存的复杂度，为异构网络融合提供了标准化的连接基础；为设备制造商提供了明确的开发依据，减少了重复研发投入；为系统集成商提供了稳定的技术参照，降低了系统调试与维护成本；为终端用户提供了更丰富的设备选择空间，有利于降低采购和运维成本。7.2技术创新趋势的融合方向在工业物联网和智能制造加速推进的背景下，数据链路层服务定义面临新的技术挑战与发展机遇：时间敏感网络（TSN）与现场总线技术的融合、基于5G的工业无线通信与有线现场总线的协同、边缘计算和云化控制对数据链路层服务的虚拟化需求、信息安全机制向数据链路层的下沉等。上述趋势将推动IEC61158-3-24系列标准在下一阶段开展持续的修订和扩展工作。该文件当前所确立的服务定义框架为后续纳入TSN融合能力和增强安全机制预留了充足的技术接口和扩展空间，预计将在未来修订中逐步涵盖这些新兴需求。八、结论IEC61158-3-24:2023《工业通信网络现场总线规范第3-24部分：数据链路层服务定义24型元件》是国际工业通信标准化领域的一项重要成果，该标准于2023年3月16日由国际电工委员会正式发布。该标准在IEC61158多类型框架下对24型元件的数据链路层服务进行了全面、精确和形式化的规范，为该类型元件的开发、测试和工程应用提供了统一的技术依据，也为多种现场总线技术在数据链路层的互联互通创造了条件。从技术层面来看，该标准所界定的连接管理服务、数据传输服务、多播与广播服务以及管理服务，为工业实时通信的确定性需求提供了完整的标准化支撑；从产业层面来看，该标准对设备制造商、系统集成商和最终用户均具有重要的指导价值和实践意义；从标准化发展层面来看，该标准体现了IEC在工业通信领域推动多技术融合与互操作的持续努力，同时也为后续纳入TSN、5G、信息安全等新兴技术要素预留了明确的演进方向。展望未来，随着工业互联网和智能制造的深入发展，IEC61158-3-24系列标准必将在技术融合趋势下持续演进，在数据链路层层面为构建开放、互联、确定、安全的工业通信基础设施发挥更加关键的基础性作用。参考文