IEC 61158-3-282023 工业通信网络.现场总线规范.第3-28部分数据链路层服务定义.28型元件标准立项发展报告

工业通信网络现场总线规范第3-28部分：数据链路层服务定义28型元件标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:IndustrialCommunicationNetworks-FieldbusSpecifications-Part3-28:Data-linkLayerServiceDefinition-Type28Elements摘要工业通信网络作为智能制造与工业互联网的核心基础设施，其数据链路层的服务定义直接决定了现场设备间信息交互的实时性、确定性与可靠性。IEC61158标准系列是国际电工委员会（IEC）发布的工业现场总线领域最基础、最权威的规范体系，其中第3-28部分（IEC61158-3-28:2023）针对28型元件的数据链路层服务进行了系统性定义。本报告基于该标准的正式发布文本，从标准立项背景、技术定位、与既有版本及关联标准的衔接关系、主要技术内容、国内转化与行业应用、主要参与单位等维度展开全面分析。报告指出，IEC61158-3-28:2023在继承IEC61158系列标准框架的基础上，针对工业自动化系统中对时间敏感网络（TSN）和灵活功能分配的需求，对28型元件的数据链路层服务作出了适应性扩展，为智能制造场景下的工业通信提供了更具确定性和可扩展性的服务定义。本报告同时就国内标准化工作提出了对接建议，为相关企业、科研机构和标准化组织提供参考。关键词：工业通信网络；现场总线；数据链路层；IEC61158；28型元件；服务定义；智能制造AbstractIndustrialcommunicationnetworksserveasthecoreinfrastructureforsmartmanufacturingandtheIndustrialInternet.Theservicedefinitionatthedata-linklayerdirectlydeterminesthereal-timeperformance,determinism,andreliabilityofinformationexchangeamongfielddevices.TheIEC61158seriesconstitutesthemostfundamentalandauthoritativespecificationsysteminthefieldofindustrialfieldbuspublishedbytheInternationalElectrotechnicalCommission(IEC).Part3-28ofthisseries(IEC61158-3-28:2023)providesasystematicdefinitionofdata-linklayerservicesforType28elements.Basedontheofficialpublicationtext,thisreportconductsacomprehensiveanalysiscoveringthestandard'sbackground,technicalpositioning,articulationwithpreviousversionsandrelatedstandards,coretechnicalcontents,domesticadoption,industrialapplications,andmajorparticipatingorganizations.ThereporthighlightsthatIEC61158-3-28:2023,whileinheritingtheframeworkoftheIEC61158series,introducesadaptiveextensionstothedata-linklayerservicedefinitionsforType28elementsinresponsetothedemandsforTime-SensitiveNetworking(TSN)andflexiblefunctionallocationinindustrialautomationsystems,therebydeliveringmoredeterministicandextensibleservicedefinitionsforindustrialcommunicationinsmartmanufacturingscenarios.Recommendationsfordomesticstandardizationalignmentarealsoproposed.Keywords:Industrialcommunicationnetworks;Fieldbus;Data-linklayer;IEC61158;Type28elements;Servicedefinition;Smartmanufacturing1.引言1.1标准立项背景随着工业4.0、智能制造和工业互联网战略的深入推进，工业通信网络正经历从传统现场总线向高性能工业以太网和融合确定性通信架构的深刻变革。在各类工业现场中，传感器、执行器、控制器等设备之间的数据交换需求日趋复杂——不仅要求高实时性和高可靠性，还要求灵活支持多种通信拓扑和应用场景。在这一背景下，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）持续对IEC61158系列标准进行修订与扩展，以适应新一代工业自动化系统对通信基础设施的更高要求。IEC61158标准系列是国际工业通信领域最具影响力的基础性标准之一，其体系化的结构涵盖了物理层、数据链路层和应用层的服务定义与协议规范。随着工业通信技术从单一总线协议向多协议融合架构演进，IEC61158系列标准不断引入新的类型（Type），以纳入不同技术方案和服务模型。28型元件（Type28elements）正是在这一持续演进过程中新增的组成部分，其数据链路层服务定义由IEC61158-3-28:2023予以系统性规定。1.2标准的基本信息IEC61158-3-28:2023《工业通信网络现场总线规范第3-28部分：数据链路层服务定义28型元件》由国际电工委员会（IEC）于2023年3月7日正式发布，标准状态为现行有效。该标准所属技术领域为工业自动化系统，分类号为工业自动化系统相关类别，语言版本为英语和法语双语。目前，该标准以电子版加密PDF格式发行，用户需安装FileOpen插件并联网在限定设备上完成下载和打印操作。作为IEC61158系列标准第3部分的重要组成部分，该标准并非孤立存在，而是与IEC61158系列中其他部分密切配合，共同构成完整的现场总线通信规范体系。2.标准技术定位与体系框架2.1IEC61158系列标准的体系结构IEC61158标准系列是工业现场总线领域最为重要的国际标准体系，其内容涵盖了工业通信网络的物理层、数据链路层和应用层。该系列标准的整体架构由多个部分构成，各部分之间既相互独立又有机衔接：-第1部分：总论与导则，规定了标准系列的整体框架、术语定义和通用原则；-第2部分：物理层服务定义与协议规范，规定了各类型元件的物理层特性；-第3部分：数据链路层服务定义，为各类型元件规定了数据链路层的服务模型和原语定义；-第4部分：数据链路层协议规范，规定了各类型元件的协议数据单元、状态机和时序行为；-第5部分：应用层服务定义，规定了应用层的服务接口和对象模型；-第6部分：应用层协议规范，规定了应用层协议的数据编码和交互规则。每个部分通常又根据元件类型（Type）细分为多个子部分，以适应不同通信协议技术方案。IEC61158-3-28聚焦于28型元件的数据链路层服务定义，是这个体系化架构中承上启下的关键环节。2.228型元件的技术定位28型元件是IEC61158系列标准中较新引入的元件类型，其技术定位体现了工业通信网络在以下方面的发展趋势：（1）确定性通信需求：随着运动控制、机器人协同等应用对通信确定性的要求不断提高，28型元件的数据链路层服务定义需要支持硬实时通信场景下的时间约束。（2）时间敏感网络（TSN）融合：TSN作为IEEE802.1工作组推动的确定性以太网扩展技术，正逐步渗透到工业通信领域。28型元件为TSN技术与传统现场总线服务的融合提供了标准化的数据链路层抽象。（3）灵活的功能分配：不同于传统的固定主从架构，28型元件支持更灵活的角色分配和拓扑组织方式，其数据链路层服务定义需为这种灵活性提供支撑。2.3标准与关联标准的关系IEC61158-3-28:2023并非孤立的标准文件，它与以下标准和文件形成了有机的技术体系：-IEC61158-4-28（28型元件数据链路层协议规范）：前者规定了服务定义，后者规定了协议实现，二者互为配套关系；-IEC61158-5-28和IEC61158-6-28（28型元件应用层服务定义与协议规范）：数据链路层服务为应用层提供了透明的数据承载能力；-IEC61784系列标准（与工业通信网络相关的行规集）：规定了基于IEC61158的通信行规，28型元件的服务定义需要与相关行规集保持一致；-IEEE802.1TSN系列标准：28型元件在数据链路层对TSN的支持需要遵循IEEE802.1Qbv等时间感知调度相关规范。这种多层级的标准体系确保了28型元件不仅具有完整的协议栈定义，而且能够与现有工业通信生态实现兼容互操作。3.标准主要技术内容解析3.1数据链路层服务模型IEC61158-3-28:2023在服务定义方面采用ISO/IEC7498（OSI参考模型）的层间服务框架，将数据链路层建模为网络层（或应用层实体）与物理层之间的服务提供者。标准中规定的数据链路层服务模型主要包括以下要素：（1）服务原语（ServicePrimitives）：定义了请求（Request）、指示（Indication）、响应（Response）和确认（Confirm）四种基本原语类型，用以描述服务用户与服务提供者之间的交互过程。（2）服务访问点（SAP）：定义了数据链路层服务访问点（DL-SAP）的寻址结构和标识机制，为上层实体的数据链路层连接建立提供服务接口。（3）服务数据单元（SDU）：规定了数据链路层服务数据单元（DL-SDU）的格式、长度约束和分帧规则，确保不同实现之间的互操作性。3.2连接模式与无连接模式服务28型元件的数据链路层服务定义同时涵盖两种服务模式：（1）连接模式服务：提供面向连接的数据传输服务，包括连接建立、数据传输、连接释放和复位等功能。该模式适用于需要可靠传输和流量控制的场景，如控制器与远程I/O站之间的周期性数据交换。（2）无连接模式服务：提供无需预先建立连接的数据传输服务（数据报服务），适用于广播、多播及快速事件驱动通信等场景。该标准对这两种服务模式分别定义了完整的服务原语集和时序关系，并规定了服务原语参数的使用规则和约束条件。3.3数据类型与编码规则在数据链路层服务中，28型元件定义了对多种数据类型传输的支持。该标准规定了地址字段、控制字段、长度字段和状态字段的编码方式，并定义了数据类型在数据链路层的映射规则。对于需要跨协议域交互的应用场景，该标准还提供了数据链路层服务参数与上层应用对象之间的映射指南。3.4时间同步与确定性传输支持鉴于28型元件定位面向高实时性工业应用场景，该标准在数据链路层服务定义中对时间相关特性进行了特别设计：-支持时间戳服务原语，允许上层实体在数据发送或接收时获取精确的时间标记；-在服务参数中预留与调度相关的控制字段，为上层的时间感知调度（如TSN的802.1Qbv）提供数据链路层接口支持；-定义了传输超时和重传机制的服务语义，为确定性传输提供数据链路层服务质量（QoS）参数。4.标准的关键技术特点与创新4.1多协议融合的服务抽象IEC61158-3-28:2023的重要技术特点在于其服务定义不局限于某一种具体的物理传输介质或协议实现，而是通过抽象化的服务模型，实现对不同底层传输技术（如以太网、TSN、传统现场总线等）的统一描述。这种抽象设计使28型元件的服务定义具备跨平台适用性，为异构工业网络的互联互通提供了标准基础。4.2支持灵活拓扑与角色动态分配该标准在数据链路层服务定义中引入了灵活的角色分配机制。在28型元件环境下，设备可以根据应用需求动态配置为主站、从站或对等通信角色，且支持在同一链路上多种角色共存。这为工业应用中灵活组态和系统重构提供了数据链路层服务层面的技术支持。4.3兼容既有现场总线服务该标准在设计时保持了与IEC61158系列中既有类型（如Type1、Type2、Type10等）在服务语义层面的兼容性。对于已在工业现场广泛部署的系统和设备，升级至支持28型元件的通信系统时可获得一定程度的平滑过渡能力，降低技术迁移成本。5.主要参与起草单位介绍IEC61158-3-28:2023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）下设的WG11工作组（数字通信）和WG16工作组（工业网络纵向集成）负责制定。在标准制定过程中，来自全球多个国家和地区的标准化机构、工业自动化企业及科研机构广泛参与。其中，德国工业自动化领域的代表性企业——西门子股份公司（SiemensAG）在标准的起草过程中发挥了重要作用。西门子股份公司是全球工业自动化、数字化和智能制造领域的技术领导者，总部位于德国慕尼黑和柏林，业务遍及全球200多个国家和地区。在工业通信领域，西门子长期深度参与IEC61158系列、IEC61784系列、PROFINET和PROFIBUS等国际标准与行规的制定工作。西门子旗下的DigitalIndustries部门拥有完整的工业通信产品线，包括SCALANCE系列工业以太网交换机、S7系列可编程逻辑控制器（PLC）、ET200系列远程I/O以及支持PROFINET和TSN技术的通信处理器等。在IEC61158-3-28:2023的制定过程中，西门子凭借其在工业以太网、实时通信和TSN应用方面的深厚技术积累和丰富的工程实践经验，为28型元件数据链路层服务定义提供了关键的技术输入，包括确定性通信服务模型设计、服务原语定义建议、时间敏感调度接口方案以及标准化文本的技术评审支持。此外，西门子还积极推动了标准在PROFINET等工业通信生态中的测试验证和应用推广工作，为28型元件从标准制定走向产业落地发挥了桥梁作用。除西门子外，ABB集团、施耐德电气、罗克韦尔自动化、横河电机、日本东芝公司，以及中国的机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）等单位也不同程度地参与了标准的讨论和技术反馈，共同推动了该标准的制定和发布。6.国内转化与行业应用展望6.1国内标准化对接情况国际标准在国内的转化应用是我国标准化工作的重要组成部分。IEC61158系列标准已分别转化为国家标准GB/T20540系列（基于IEC61158的现场总线规范）。对于IEC61158-3-28:2023，建议国内相关标准化技术委员会（如全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会，SAC/TC124）尽快组织：-标准文本的翻译与审定，形成国家标准或行业标准报批稿；-针对28型元件的行业应用调研与技术评估；-标准宣贯和技术培训活动，推动标准在相关行业的落地实施。6.2行业应用场景前瞻28型元件数据链路层服务定义标准的发布，以下应用场景将会显著受益：在高端装备制造领域，多轴运动控制系统需要微秒级同步精度和确定性通信保障，28型元件与TSN技术的融合可为此提供有力支撑。在新能源汽车生产线和电池制造等流程工业场景中，大量分布式I/O设备需要高效可靠的通信服务，28型元件的灵活角色分配机制适应了产线快速重构的需求。此外，在智能电网、轨道交通等领域，工业通信网络的可靠性和实时性要求极高，28型元件标准同样具有广阔的应用潜力。6.3未来发展趋势IEC61158系列标准仍将持续演进，未来可能呈现以下发展趋势：（1）与TSN和5G的深度融合：数据链路层服务定义将进一步完善对融合确定性通信的支持；（2）通信与计算的融合：数据链路层服务可能纳入边缘计算和数据预处理的相关语义；（3）信息安全机制的强化：数据链路层服务定义中与安全相关的功能也将持续增强。7.结论IEC61158-3-28:2023作为IEC61158系列标准的重要子部分，为28型元件的数据链路层服务提供了系统化、规范化的定义。该标准的发布反映了工业通信网络技术发展的最新趋势：从传统现场总线向确定性以太网和TSN融合架构演进、从固定角色向灵活功能分配演进、从单一协议向多协议互联互通演进。在未来的标准化工作中，应持续跟踪IEC61158系列标准的演进动态，加强国内产学研