IEC 61158-5-232023 工业通信网络.现场总线规范.第5-23部分应用层服务定义.23型元件标准立项发展报告

工业通信网络现场总线规范第5-23部分：应用层服务定义23型元件标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part5-23:Applicationlayerservicedefinition-Type23elements摘要随着工业4.0、智能制造和工业互联网的纵深推进，工业通信网络作为构建现代智能工厂的神经系统，其互操作性、实时性与安全可靠性已成为制造业数字化转型的核心支撑。现场总线技术作为工业通信网络的关键组成部分，历经数十年发展已形成多类型、多层次的标准化体系。在此背景下，国际电工委员会（IEC）于2023年3月正式发布了IEC61158-5-23:2023《工业通信网络现场总线规范第5-23部分：应用层服务定义23型元件》标准，这是IEC61158系列标准在工业通信网络应用层服务定义领域的重要更新与补充。本报告围绕该标准的立项背景、技术内容、编制过程、核心价值及应用前景展开系统分析。报告首先回顾了IEC61158系列标准的发展历程与框架体系，阐明第5-23部分在整个标准体系中的定位与作用；继而详细解析了23型元件的应用层服务定义框架，包括其通信模型、服务类型、协议机制及与前版标准的差异；在此基础上，深入论证了该标准在提升系统互操作性、支撑异构网络融合、保障通信实时性与确定性方面的关键作用，并结合工业自动化、过程控制、能源管理等典型应用场景分析了其推广价值。最后，本报告对标准实施中面临的技术挑战进行了剖析，并对未来演进方向进行了展望，旨在为该标准在国内的宣贯、应用及后续标准化工作提供参考依据。关键词：工业通信网络；现场总线；应用层服务定义；23型元件；IEC61158；互操作性；工业自动化AbstractWiththein-depthadvancementofIndustry4.0,intelligentmanufacturing,andtheIndustrialInternetofThings,industrialcommunicationnetworks—servingasthenervoussystemofmodernsmartfactories—havepositionedinteroperability,real-timeperformance,andsecurityreliabilityascorepillarsofthedigitaltransformationofthemanufacturingsector.Fieldbustechnology,asacriticalcomponentofindustrialcommunicationnetworks,hasevolvedoverdecadesintoamulti-type,multi-layeredstandardizedarchitecture.Againstthisbackdrop,theInternationalElectrotechnicalCommission(IEC)officiallyreleasedIEC61158-5-23:2023,"Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part5-23:Applicationlayerservicedefinition-Type23elements,"inMarch2023,representingasignificantupdateandsupplementtotheapplicationlayerservicedefinitionwithintheIEC61158standardseries.Thisreportpresentsasystematicanalysisofthestandard'sprojectbackground,technicalcontent,compilationprocess,corevalue,andapplicationprospects.ThereportfirstreviewsthedevelopmenthistoryandframeworkoftheIEC61158series,clarifyingthepositioningandroleofPart5-23withintheoverallstandardsystem.ItthenelaboratesontheapplicationlayerservicedefinitionframeworkofType23elements,includingitscommunicationmodel,servicetypes,protocolmechanisms,anddifferencesfromprecedingversions.Furthermore,thereportdemonstratesthestandard'scriticalroleinenhancingsysteminteroperability,supportingheterogeneousnetworkconvergence,andensuringcommunicationreal-timeperformanceanddeterminism,whileanalyzingitspromotionvalueacrosstypicalapplicationscenariossuchasindustrialautomation,processcontrol,andenergymanagement.Finally,thereportexaminesthetechnicalchallengesinstandardimplementationandexploresfutureevolutiondirections,aimingtoprovideareferenceforthestandard'spromotion,application,andsubsequentstandardizationeffortsinChina.Keywords:Industrialcommunicationnetworks;Fieldbus;Applicationlayerservicedefinition;Type23elements;IEC61158;Interoperability;Industrialautomation一、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信息枢纽，其性能与标准化程度直接决定了制造系统的智能化水平。从20世纪80年代起，现场总线技术逐步取代传统的模拟信号传输方式，实现了现场设备与控制系统的数字化通信。然而，由于历史原因和技术路线差异，市场上先后出现了多种互不兼容的现场总线协议，如PROFIBUS、FOUNDATIONFieldbus、HART、CANopen、DeviceNet、CC-Link等。这种碎片化格局严重制约了工业系统的互联互通，增加了系统集成和运维成本。为解决这一突出问题，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）于1990年代着手制定统一的现场总线国际标准，最终形成了IEC61158系列标准。该系列标准采用“多类型（Type）”结构，容纳了多种现场总线协议，每种类型对应一种或多种通信协议栈。经过多次修订与扩充，IEC61158已发展为涵盖物理层、数据链路层和应用层的完整标准族。1.2标准定位与体系结构IEC61158标准族按照OSI参考模型分层组织，目前包括以下主要部分：-IEC61158-1：总则与导则；-IEC61158-2：物理层规范（涵盖多种传输介质和速率）；-IEC61158-3系列：数据链路层服务定义；-IEC61158-4系列：数据链路层协议规范；-IEC61158-5系列：应用层服务定义；-IEC61158-6系列：应用层协议规范。其中，IEC61158-5系列（应用层服务定义）是整个标准体系中的关键层。应用层直接面向用户应用程序，定义了通信服务、对象模型和数据语义，其标准化程度直接影响不同厂商设备之间的互操作能力。该系列中的每一个子部分（如-5-1、-5-2……-5-23等）对应一种“型（Type）”，即一种特定的现场总线技术协议族。IEC61158-5-23:2023即为该系列中针对“23型元件（Type23elements）”的应用层服务定义标准。所谓“23型元件”，是基于IEC61158框架注册的第23种协议类型所对应的通信服务元素集合，其定义涵盖了服务原语、参数语义、交互流程和状态机等核心内容。1.3标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|IEC61158-5-23:2023||英文名称|Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part5-23:Applicationlayerservicedefinition-Type23elements||发布日期|2023年3月9日||发布机构|国际电工委员会（IEC）||标准状态|现行||分类|网络||国别|国际组织||语言|英语|二、技术内容详解2.1应用层服务定义框架IEC61158-5-23:2023延续了IEC61158-5系列的基本结构和方法论，以OSI应用层为参照，结合工业通信的特殊需求，定义了一套完整的应用层服务框架。核心内容包括：（1）应用层通信模型：标准定义了客户端/服务器（Client/Server）模型、发布者/订阅者（Publisher/Subscriber）模型以及生产者/消费者（Producer/Consumer）模型等典型通信模式。这些模型能够满足不同工业应用场景下的通信需求，从简单的读写操作到复杂的事件通知和数据分发。（2）对象模型：标准采用面向对象的方法描述应用层服务资源。定义了对象（Object）、对象类（ObjectClass）、对象实例（ObjectInstance）等基本概念，并规范了对象字典（ObjectDictionary）的组织方式。通过对象模型，实现了对设备功能、参数和状态的统一描述和访问。（3）服务原语（ServicePrimitives）：标准系统定义了应用层服务的原语集合，包括请求（Request）、指示（Indication）、响应（Response）和确认（Confirm）四种类型的原语交互形式，构成完整的服务访问接口语义。（4）数据类型与编码：标准规定了应用层所支持的数据类型体系，包括布尔型、整数型、浮点型、字符串型、结构体及数组等，并明确了数据的编码规则，以保证异构系统间的正确解析。2.2服务类型划分IEC61158-5-23:2023将应用层服务划分为以下主要类别：（1）变量访问服务（VariableAccessServices）：用于对远程设备的变量数据进行读写操作。该服务支持按句柄（Handle）、按名称（Name）或按对象索引（Index）等多种寻址方式，并支持单个变量和多个变量的批量操作。（2）事件管理服务（EventManagementServices）：用于设备间的事件通知和报警信息传递。系统支持事件订阅、事件确认和事件历史记录查询等功能，为故障诊断和状态监控提供了有利工具。（3）程序调用与执行管理服务（ProgramInvocationServices）：支持远程调用设备应用程序、下载或上载程序代码、控制程序运行状态（如启动、停止、恢复等）。这类服务为分布式控制系统的远程配置和维护提供了基础能力。（4）对象字典管理服务（ObjectDictionaryManagementServices）：提供对设备对象字典的在线访问和维护功能，包括对象的动态创建、删除及参数修改等操作。（5）连接管理服务（ConnectionManagementServices）：负责应用层连接的建立、监控与释放。该服务确保了通信会话的可靠性和资源的有序管理。2.3与前版标准的技术演进IEC61158-5-23:2023取代了早期版本。相较于旧版，该版本在以下几个方面实现了显著技术提升：（1）增强的实时性支持：新版标准对时间敏感型通信服务进行了强化，引入了更精细的调度机制和服务质量（QoS）参数配置，以满足高精度运动控制和同步应用的需求。（2）扩展的安全机制：新版本增加了对安全通信服务的定义，涵盖通信对等实体的身份认证、数据的机密性和完整性保护等安全服务，以应对工业控制系统面临日益严峻的网络安全威胁。这反映了IEC62443系列标准对工业通信安全的要求在应用层服务层面的映射与落地。（3）优化了互操作性：通过对服务定义语义的更加精确化、消除歧义、补充边界条件定义，提升了不同实现之间的互操作性水平。同时，对对象模型和服务原语的参数进行了统一规范化描述。（4）融合新技术趋势：新版本考虑了工业互联网、边缘计算和软件定义网络（SDN）等新技术趋势，增加了对基于IP网络的融合通信支持和云端协同的应用层服务接口定义。（5）与IEC61158-6-23协议规范的配套协调：该标准与对应的协议规范（Part6-23）保持了严格的一致性，确保服务定义与协议实现之间无缝衔接。这一配套关系的技术一致性是IEC61158标准体系的显著优势。三、标准价值与应用前景3.1核心价值IEC61158-5-23:2023作为工业通信网络应用层服务定义的重要标准，其核心价值体现在以下几个维度：（1）促进互操作性：该标准为不同厂商的工业设备提供了统一的应用层服务语义和交互规则，是实现“即插即用”式设备集成的基础。设备制造商遵循该标准开发产品，用户可以更加灵活地选择和替换设备，避免被单一厂商锁定。（2）保障通信实时性与确定性：通过对服务质量参数、调度机制和时间同步服务的规范化定义，该标准在源头为工业控制中严格实时通信需求提供了标准化支撑，对运动控制、过程控制等高时效性应用尤为关键。（3）支撑网络融合与系统集成：在工业互联网背景下，IT与OT网络的融合势不可挡。该标准的服务抽象和协议适配特性，使得不同类型现场总线网络之间的互联以及现场网络与上层管理网络的集成更加顺畅。（4）提供安全通信基础：新版本标准中安全服务定义的引入，为构建纵深防御的工业网络安全体系提供了规范的通信层保障，有助于企业满足合规性要求。3.2典型应用场景（1）离散制造业：在汽车制造、电子装配等离散制造场景中，PLC、机器人、传感器、驱动器等设备之间的高速、同步通信对生产效率与产品质量具有决定性影响。IEC61158-5-23的实时通信服务和程序管理功能为构建高可靠控制系统提供了标准支撑。（2）过程控制行业：在石油、化工、电力等过程工业中，系统的安全性和可靠性要求极高。标准中的事件管理服务、对象字典管理功能和安全通信机制为过程控制系统的状态监控、报警管理和安全联锁提供了标准化实现途径。（3）能源管理系统：在智能电网、分布式能源管理和能效优化场景中，大量能源设备需要接入统一管理系统。标准的互操作性支撑能力使不同类型和品牌的能源设备可以被高效整合，降低系统集成难度。（4）智慧工厂与工业互联网平台：在智慧工厂架构中，现场层通信网络需要与云端平台实现数据互通。IEC61158-5-23定义的服务抽象层提供了统一数据访问接口，为边云协同、数字孪生等新应用模式提供了通信基础条件。3.3标准推广实施建议结合国家《智能制造标准体系建设指南》及《工业互联网综合标准化体系建设指南》的总体要求，IEC61158-5-23:2023在国内的推广实施可从以下几个方面重点推进：（1）加强标准宣贯与培训：组织面向设备制造商、系统集成商和最终用户的标准解读与培训活动，提高行业对标准技术内涵和应用价值的认知。（2）推动标准转化与落地：结合国内产业需求，适时推动该标准向国家标准或行业标准的转化工作，或在相关标准制修订中引用该标准的技术内容。（3）开展测试认证工作：依托第三方检测机构建立符合性测试平台，开展基于该标准的设备互操作性测试和认证，促进标准落地实施。（4）构建产业生态：联合产业链上下游企业，建立基于IEC61158-5-23的行业解决方案示范应用，形成可复制的应用案例并加以推广。四、主要制定与修订单位4.1IEC/TC65/WG16——核心制定机构IEC61158-5-23:2023由国际电工委员会IEC/TC65（工业过程测量、控制和自动化技术委员会）下属的WG16工作组负责制定和维护。IEC/TC65是IEC中负责工业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过程测量、控制和自动化系统中所有标准化需求。4.2中国对口单位——全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会中国对该标准的制定给予了持续关注与积极参与。中国国家标准化管理委员会下属的全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（SAC/TC124）是IEC/TC65的国内对口标准化技术委员会，秘书处设于中国机械工业联合会。SAC/TC124组织国内相关企事业单位和专家深度参与IEC/TC65及相关工作组的国际标准制定工作，积极反映中国产业界的技术诉求和应用需求，为IEC61158系列标准的制定和修订贡献了中国智慧和中国方案。4.3主要参与企事业单位介绍——机械工业仪器仪表综合技术经济研究所在IEC61158-5-23:2023的制定过程中，机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI，简称“仪综所”）作为国内该领域的重要技术支撑单位，发挥了关键作用。机构概况：机械工业仪器仪表综合技术经济研究所成立于1980年，是直属于中国机械工业联合会的公益类科研院所，也是SAC/TC124的秘书处挂靠单位。经过四十余年的发展，仪综所已成为国内在工业自动化、仪器仪表和智能制造领域具有重要影响力的综合性科研机构。核心职能：仪综所承担着全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（SAC/TC124）秘书处工作，同时是全国测量和控制及自动化设备与系统标准化技术委员会等多个标准化技术委员会的秘书处单位。在标准国际化方面，仪综所承担着IEC/TC65国内技术归口管理工作，组织国内专家参与国际标准投票、草案审议和技术研讨，是中国参与工业自动化领域国际标准化活动的核心组织力量。科研能力与平台：仪综所建有工业自动化与仪表综合标准化实验室、智能制造综合标准化试验验证平台等先进科研设施，具备标准验证、产品检测和互操作性测试的综合技术能力。研究所拥有一支高水平的科研团队，涵盖工业通信技术、功能安全、信息安全、智能制造等多个专业方向。主要贡献：在此次IEC61158-5-23:2023的制定过程中，仪综所组织国内相关产学研用单位对标准草案进行研讨和意见反馈，为标准的完善提供了重要的技术输入。同时，仪综所在国内积极推动IEC61158系列标准的转化与应用，牵头制定了多项与该国际标准配套的国家标准，促进了国际标准在国内的有效实施。此外，仪综