IEC 61158-4-212023 工业通信网络.现场总线规范.第4-21部分数据链路层协议规范.21型元件标准立项发展报告

工业通信网络现场总线规范第4-21部分：数据链路层协议规范21型元件标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:IndustrialCommunicationNetworks-FieldbusSpecifications-Part4-21:Data-linkLayerProtocolSpecification-Type21Elements摘要随着工业4.0、智能制造和工业互联网的深入推进，工业通信网络作为连接现场设备与控制系统的关键基础设施，其标准化工作的重要性日益凸显。现场总线技术作为工业自动化领域的核心通信手段，经历了从封闭专用协议向开放标准化协议演进的历程。IEC61158标准系列作为国际上最具权威性的现场总线国际标准，系统地规范了工业通信网络的物理层、数据链路层和应用层协议，为不同厂商设备的互操作性和系统集成提供了统一的技术框架。本报告围绕IEC61158-4-21:2023《工业通信网络现场总线规范第4-21部分：数据链路层协议规范21型元件》标准展开系统论述。该标准由国际电工委员会（IEC）下设的SC65C（工业网络和系统子委员会）负责制定，于2023年3月28日正式发布，是IEC61158系列标准中数据链路层规范的重要组成部分。本报告详细梳理了该标准的立项背景、技术内容、制定过程及其在工业自动化领域的应用价值，阐述了数据链路层协议在确保工业通信实时性、可靠性和确定性方面的核心技术作用，并结合当前工业网络技术发展趋势，分析了该标准对未来工业通信体系演进的支撑作用与深远影响。关键词：工业通信网络；现场总线；数据链路层；IEC61158；协议规范；工业自动化；互操作性AbstractWiththerapidadvancementofIndustry4.0,intelligentmanufacturing,andtheIndustrialInternetofThings(IIoT),thestandardizationofindustrialcommunicationnetworks—servingasthecriticalinfrastructureconnectingfielddeviceswithcontrolsystems—hasbecomeincreasinglyimportant.Fieldbustechnology,asthecorecommunicationapproachinindustrialautomation,hasundergoneanevolutionaryjourneyfromclosedproprietaryprotocolstoopenstandardizedprotocols.TheIEC61158standardseries,recognizedasthemostauthoritativeinternationalstandardforfieldbustechnology,systematicallyspecifiesthephysicallayer,data-linklayer,andapplicationlayerprotocolsofindustrialcommunicationnetworks,providingaunifiedtechnicalframeworkforinteroperabilityamongequipmentfromdifferentmanufacturersandforsystemintegration.ThisreportsystematicallyelaboratesonthestandardIEC61158-4-21:2023—*Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part4-21:Data-linklayerprotocolspecification-Type21elements*.ThisstandardwasdevelopedbySubcommitteeSC65C(Industrialnetworksandsystems)undertheInternationalElectrotechnicalCommission(IEC)andwasofficiallypublishedonMarch28,2023,constitutingacriticalcomponentofthedata-linklayerspecificationswithintheIEC61158series.Thisreportprovidesacomprehensiveanalysisofthestandard'sprojectinitiationbackground,technicalcontent,developmentprocess,andapplicationvalueinthefieldofindustrialautomation.Itelaboratesonthecoretechnicalroleofdata-linklayerprotocolsinensuringreal-timeperformance,reliability,anddeterminisminindustrialcommunications,andanalyzesthestandard'ssupportingroleandfar-reachingimpactonthefutureevolutionofindustrialcommunicationsystemsinlightofcurrenttechnologicaltrends.Keywords:Industrialcommunicationnetworks;Fieldbus;Data-linklayer;IEC61158;Protocolspecification;Industrialautomation;Interoperability1引言1.1立项背景工业通信网络是现代工业自动化系统的神经网络，承担着现场设备、控制器、监控系统之间数据交换与信息集成的重要任务。从20世纪80年代起，各种现场总线技术相继涌现，如PROFIBUS、FoundationFieldbus、ControlNet、P-NET、SwiftNet、WorldFIP、INTERBUS等，形成了多元化的技术格局。然而，不同总线技术之间互不兼容、各自为政的局面，给工业自动化系统的设计、集成、运维带来了巨大挑战。为解决这一问题，国际电工委员会（IEC）启动了IEC61158系列标准的制定工作，旨在建立统一的现场总线国际标准框架。IEC61158标准系列采用了"多类型（Type）"结构的设计理念，将不同类型的现场总线技术纳入同一标准框架体系中，每种类型对应一种具体的现场总线协议实现。这种"一纲多目"的标准化策略，既尊重了不同技术流派的历史积累和产业应用，又为不同协议之间的相互理解和映射提供了共同的技术平台。数据链路层（DataLinkLayer）作为OSI参考模型中的第二层，位于物理层之上、网络层之下，承担着数据帧的封装与解析、介质访问控制、差错检测与纠正、流量控制等核心功能。在工业通信场景中，数据链路层的设计直接决定了通信系统的实时性、确定性和可靠性——这些正是工业控制系统的关键性能指标。因此，数据链路层协议规范在整个IEC61158标准体系中占据着举足轻重的地位。1.2标准制定机构IEC61158-4-21:2023标准由国际电工委员会（InternationalElectrotechnicalCommission,IEC）下设的工业过程测量控制和自动化技术委员会（IEC/TC65）中的工业网络和系统子委员会（SC65C）负责制定。IEC/TC65负责工业过程测量、控制和自动化领域的标准化工作，其范围涵盖从传感器、执行器到控制系统的全链路技术。SC65C专注于工业网络和系统方面的标准化，包括通信协议的制定、网络互连、系统集成和信息安全等方面。国际电工委员会（IEC）成立于1906年，是制定发布电工电子领域国际标准的权威组织，其成员覆盖全球170多个国家和地区。IEC标准在全球范围内被广泛采用，对促进国际贸易、保障产品质量和安全、推动技术进步发挥着不可替代的作用。2标准技术内容概述2.1标准基本信息IEC61158-4-21:2023标准的具体信息如下：-标准编号：IEC61158-4-21:2023-标准名称：工业通信网络现场总线规范第4-21部分：数据链路层协议规范21型元件-英文名称：Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part4-21:Data-linklayerprotocolspecification-Type21elements-标准状态：现行-发布机构：国际电工委员会（IEC）-发布日期：2023年3月28日-国别：国际组织-语言：英语2.2数据链路层核心功能数据链路层在工业通信协议栈中处于承上启下的关键位置。其主要功能包括：介质访问控制（MAC）：协调多个设备共享同一通信介质的访问机制。在工业现场总线中，常用的介质访问控制方法包括主从轮询（Master-Slave）、令牌传递（TokenPassing）、时分多址（TDMA）、载波监听多路访问（CSMA）等。不同的MAC机制在实时性、确定性和吞吐量等性能指标上各有优劣，适用于不同的应用场景。数据帧的封装与解析：将上层传递下来的数据包封装为适合在物理介质上传输的数据帧格式，添加帧头、帧尾、地址信息、控制信息、校验序列等字段；在接收端，对数据帧进行解析，提取有效载荷并传递给上层协议。差错检测与控制：通过循环冗余校验（CRC）、海明距离计算等机制检测传输过程中产生的位错误，并采取重传或纠错策略保证数据传输的可靠性。在工业环境中，电磁干扰、信号衰减等因素会导致较高的误码率，因此差错检测机制的设计尤为关键。流量控制与拥塞避免：通过窗口机制、速率控制等手段调节数据发送速率，防止接收方缓冲区溢出或网络拥塞，保障通信的平稳进行。连接管理与寻址：管理数据链路层连接的建立、维持和释放，维护设备地址映射关系，支持单播、组播和广播等不同的寻址方式。2.321型元件概述在IEC61158系列标准的多类型结构中，"21型元件（Type21elements）"代表了一种特定的数据链路层协议实现方案。该类型协议的设计融合了传统现场总线在实时性和确定性方面的优势，同时吸收了以太网等现代通信技术在带宽和灵活性方面的长处，代表了工业通信网络技术演进的重要方向。21型元件的数据链路层协议在帧结构设计、MAC机制选择、时序控制策略等方面具有独特的技术特征，能够满足从简单传感器网络到复杂运动控制系统等不同层次应用的需求。该标准的发布为基于21型元件的工业通信产品开发提供了明确的技术依据，也为不同厂商设备之间的互操作提供了标准化的保障。3标准立项的必要性与意义3.1满足工业智能化发展的需求当前，全球制造业正处于数字化转型和智能化升级的关键时期。工业物联网（IIoT）、数字孪生、人工智能等新兴技术在工业领域的深度应用，对工业通信网络的带宽、时延、同步精度和安全性提出了更高的要求。IEC61158-4-21:2023所规范的数据链路层协议，为应对这些新挑战提供了关键技术支撑。3.2促进开放互联与互操作长期以来，不同厂商的工业通信设备之间的互操作性一直是行业面临的痛点问题。通过遵循统一的国际标准，设备制造商可以确保其产品能够与其他厂商的标准化设备无缝对接，降低系统集成成本，提高系统灵活性和可扩展性。IEC61158-4-21:2023作为数据链路层的统一规范，是实现这一目标的重要技术基础。3.3推动产业升级与国际贸易采用国际标准有助于消除技术壁垒，促进工业自动化产品的国际贸易。对于设备制造商而言，遵循IEC61158-4-21:2023标准开发产品，意味着其产品可以进入全球市场，获得更广阔的销售空间和更强的市场竞争力。对于系统集成商和最终用户而言，采用标准化的通信协议可以降低系统维护成本，避免被特定厂商绑定，提高系统的长期可维护性。3.4保障通信的确定性与可靠性工业控制对通信的实时性和确定性有着极为严格的要求，尤其是在运动控制、过程控制等对时间敏感的应用场景中。数据链路层通过合理的MAC机制设计和确定性的时序调度策略，为上层应用提供可预测的通信延迟和抖动边界，从而确保工业控制系统的稳定可靠运行。IEC61158-4-21:2023在协议设计中充分考虑了这些工业级需求，为关键应用场景提供了标准化的技术保障。4修订企事业单位与标委会介绍4.1IEC/TC65/SC65C标委会IEC61158-4-21:2023标准由IEC/TC65下属的SC65C子委员会负责制定和维护。SC65C（工业网络和系统子委员会）是IEC/TC65框架下专门负责工业通信网络标准化的技术机构。该委员会汇聚了来自全球各国的标准化专家、行业技术人员和学术研究人员，其工作范围涵盖工厂自动化、过程自动化、电力系统自动化等广泛的工业领域。SC65C的主要职责包括：制定和维护工业通信网络的基础标准，包括IEC61158（现场总线）、IEC61784（通信行规）、IEC62591（WirelessHART）等重要标准系列；研究和跟踪工业通信技术的最新发展趋势，适时启动新标准的制定和现有标准的修订工作；协调与其他标准化组织（如ISO、IEEE、ITU-T等）的合作，确保标准体系的一致性和互补性。4.2重要参与单位在IEC61158-4-21:2023标准的制定过程中，来自德国、美国、日本、中国等多个国家的工业和信息化龙头企业深度参与了标准的起草和技术讨论工作。其中，德国西门子公司（SiemensAG）作为工业自动化和工业网络领域的全球领导者，在标准制定过程中发挥了重要的技术引领作用。西门子长期深耕工业通信技术，其在PROFINET、PROFIBUS等主流工业以太网和现场总线技术上积累了丰富的经验，为21型元件协议的设计提供了重要的技术参考和实践验证。此外，艾默生过程管理公司（EmersonProcessManagement）在过程工业通信需求方面提供了深入的行业视角。该公司在分布式控制系统（DCS）和智能仪表领域具有深厚积累，其对现场总线在过程自动化中的应用需求有着深刻理解。罗克韦尔自动化公司（RockwellAutomation）则侧重于工厂自动化领域的应用需求，为标准的应用层服务和设备描述方案提供了区域性行业输入。这些企业的积极参与和跨领域协同，确保了标准既具备技术先进性，又贴合实际产业应用需求。值得一提的是，近年来中国在工业通信网络标准化领域的参与度和话语权不断提升。中国机械工业仪器仪表综合技术经济研究所、浙江大学、北京科技大学等国内机构持续跟踪工业通信标准的国际动态，积极推动国内工业通信技术进步和标准体系建设。5标准应用展望5.1在智能制造中的应用智能制造是新一轮工业革命的核心驱动力，而工业通信网络是智能制造系统的重要基础设施。IEC61158-4-21:2023所规范的数据链路层协议，为智能制造系统提供了高实时性、高可靠性、确定性的通信服务。在智能工厂中，通过该标准化的通信协议，可以实现从传感器、执行器到控制器、云平台的全链路数据互通，为生产过程的智能优化和协同控制奠定通信基础。5.2在工业物联网（IIoT）中的应用随着工业物联网的快速发展，大量工业设备需要接入网络并实现数据互联。IEC61158-4-21:2023作为数据链路层协议的国际标准，为工业设备的网络接入提供了标准化的接口和协议支持。通过该标准，工业物联网中的各种设备可以实现统一的通信方式，从而简化系统集成、降低维护成本、提高系统的可扩展性和灵活性。5.3在功能安全与信息安全中的应用随着工业控制系统面临的安全威胁日益增多，功能安全和信息安全成为工业通信网络设计的重要考量因素。IEC61158-4-21:2023在协议设计中考虑了安全性需求，为上层安全机制提供了底层的协议支持。在功能安全方面，数据链路层的确定性时延和可靠传输机制为实现安全功能提供了通信保障；在信息安全方面，帧结构的合理设计和地址管理机制为后续的加密认证等安全措施的部署提供了基础。6结论IEC61158-4-21:2023是工业通信网络领域一项重要的国际标准，其制定与发布填补了IEC61158系列标准在数据链路层协议方面的特定类型规范，对推动工业通信技术的标准化、开放化和互操作化具有重要意义。当前，工业通信网络正朝着更高带宽、更低时延、更强同步、更优安全的方向持续演进。时间敏感网络（TSN）、单对以太网（SPE）等新兴技术的兴起，正在深刻改变工业通信的技术格局。IEC61158标准系列作为开放的国际标准框架，将继续发挥其"一纲多目"的结构优势，将新的技术成果不断纳入标准化体系之中。IEC61158-4-21:2023标准在制定过程中已充分考虑到与TSN等新技术的协同兼容问题，为标准的后续演进预留了空间。展望未来，随着工业4.0和智能制造的深入推进，IEC61158-4-21:2023标准将在工业通信网络领域发挥越来越重要的作用。标准的技术内容将随着产业发展不断修订完善，标准的应用范围也将向更多行业和场景扩展。我国应持续加强与国际标准化组织的合作，深化对IEC61158系列标准的技术研究和应用推广，加快制定与之配套的国家标准和行业标准，推动我国工业通信产业的技术进步和国际竞争力提升，为全球工业自动化事业的可持续发展贡献中国智慧和中国方案。参考文献[1]IEC61158-4-21:2023,Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part4-21:Data-linklayerprotocolspecification-Type21elements[S].Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2023.[2]