IEC 61158-5-242023 工业通信网络.现场总线规范.第5-24部分应用层服务定义.24型元件标准立项发展报告

IEC61158-5-24:2023《工业通信网络现场总线规范第5-24部分：应用层服务定义24型元件》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:IEC61158-5-24:2023IndustrialCommunicationNetworks–FieldbusSpecifications–Part5-24:ApplicationLayerServiceDefinition–Type24Elements摘要随着工业4.0、智能制造和数字化转型战略在全球范围内的深入推进，工业通信网络作为智能制造系统的神经中枢，其标准化工作具有日益重要的基础性支撑作用。IEC61158作为国际电工委员会（IEC）发布的工业现场总线核心标准族，系统定义了工业通信网络现场总线规范的全景体系。其中，IEC61158-5-24:2023《工业通信网络现场总线规范第5-24部分：应用层服务定义24型元件》是该标准族中针对24型元件应用层服务定义的最新修订版本，于2023年3月9日正式发布，取代了此前的IEC61158-5-24:2019版本。本报告围绕该标准的立项背景、技术内容、修订要点和应用价值展开系统阐述。报告首先分析了工业通信网络标准化的宏观背景与IEC61158标准族的结构体系；继而重点剖析了第5-24部分中24型元件应用层服务定义的架构、核心服务与关键技术特征；随后介绍了该标准的主要参与编制单位和归口技术委员会，并对标准的应用前景与发展趋势进行了展望。本报告旨在为工业通信网络领域的技术研发人员、标准化工作者和行业管理者提供全面的参考与指导。关键词：IEC61158；工业通信网络；现场总线；应用层服务定义；24型元件；标准化；智能制造；工业物联网Keywords:IEC61158;IndustrialCommunicationNetworks;Fieldbus;ApplicationLayerServiceDefinition;Type24Elements;Standardization;SmartManufacturing;IndustrialInternetofThings1.引言1.1研究背景工业通信网络是连接工业自动化系统中各类设备、控制器、传感器和执行机构的关键基础设施，被誉为智能制造系统的“神经系统”。随着工业4.0、工业互联网和《中国制造2025》等战略的持续推进，工业通信网络的互联互通性、实时性、确定性和安全性要求不断提高，对相关国际标准的制定和修订提出了更为迫切的需求。现场总线技术自20世纪80年代发展至今，经历了从专有协议到开放标准、从单一总线到多协议共存的演进历程。在这一进程中，国际电工委员会（IEC）于1999年首次发布IEC61158标准族，试图统一纷繁复杂的现场总线协议。经过二十余年的发展，IEC61158已经从最初的单一标准演变为包含多个“型”（Type）的系列标准，每个型对应一种或多种主流的现场总线技术。1.2IEC61158标准族体系概述IEC61158标准族采用“多型”架构，每个“型”定义了特定的通信协议和服务规范。标准族整体划分为以下几个主要部分：-第-1部分：概述与导引-第-2部分：物理层服务定义与协议规范-第-3部分：数据链路层服务定义-第-4部分：数据链路层协议规范-第-5部分：应用层服务定义-第-6部分：应用层协议规范其中，第-5部分（应用层服务定义）是整个标准族中最为关键的部分之一，直接定义了应用层向上层应用所提供的各类服务接口。IEC61158-5-24作为这一部分的第24型（Type24）子标准，专门规定了24型元件的应用层服务定义。2.标准立项背景与需求分析2.1技术发展驱动24型元件（Type24elements）在IEC61158标准体系中对应的是基于以太网的工业通信技术——EPA（EthernetforPlantAutomation，工厂自动化以太网）的扩展规范。EPA技术由中国浙江大学、中国科学院沈阳自动化研究所等单位联合研发，是具有完全自主知识产权的工业以太网通信技术方案，已被纳入IEC61158标准体系，成为其中的Type24。随着工业物联网（IIoT）和边缘计算技术的快速发展，传统现场总线在带宽、实时性和互联互通方面的局限性日益凸显。EPA技术作为基于标准以太网的工业通信解决方案，以其高实时性、强确定性、良好的互操作性以及支持精确时间同步等优势，成为工业通信网络演进的重要方向之一。在此基础上，IEC61158-5-24的持续修订旨在：1.增强实时通信能力：满足运动控制、机器人协同等高端应用对微秒级确定性时延的需求；2.完善信息安全机制：适应工业互联网时代对通信安全的新要求；3.扩展服务类型：增加对云计算、边缘计算等新型应用场景的服务支持；4.提升互操作性水平：简化不同厂商设备之间的互联配置流程。2.2产业需求牵引当前，全球制造业正处于深刻的数字化转型进程中。工业通信网络作为连接物理世界与数字世界的桥梁，其标准化水平直接关系到智能制造的推进质量与效率。具体而言，以下产业需求构成了本标准的立项驱动力：-智能制造对异构网络融合的需求：现代工厂中普遍存在多种工业通信协议并存的局面，需要通过统一的应用层服务定义实现异构网络的有机融合；-工业物联网对海量连接的需求：大规模传感器网络的部署要求应用层支持更加高效的服务发现、连接管理和数据分发机制；-数字孪生对高保真数据传输的需求：数字孪生技术的落地需要物理实体与虚拟模型之间的高带宽、低时延、高可靠数据传输通道；-“走出去”战略对我国自主技术标准的需求：作为纳入IEC61158体系的具有我国自主知识产权的技术方案，24型标准的持续完善与升级对提升我国在工业通信领域的国际话语权具有重要意义。3.标准主要内容3.1标准适用范围与定位IEC61158-5-24:2023规定了24型元件在工业通信网络现场总线应用层中的服务定义。该标准在IEC61158标准族中占据承上启下的关键位置：向上承接具体工业应用的需求，向下依赖第-6部分所定义的应用层协议规范以及更底层的第-3、-4部分（数据链路层）和第-2部分（物理层）的支撑。该标准的服务定义涵盖了应用层为上层应用（如PLC程序、HMI系统、运动控制器等）所提供的全部服务类型，包括连接管理服务、变量访问服务、事件管理服务、时间同步服务、文件传输服务等。3.2应用层架构模型标准中，应用层架构遵循IEC/ISOOSI参考模型的基本框架，并结合工业现场通信的实际需求进行了优化扩展。核心架构要素包括：-应用实体（AE,ApplicationEntity）：应用层的基本功能单元，是服务访问点（SAP）的承载者；-应用服务对象（ASO,ApplicationServiceObject）：定义具体的服务类别及其实例；-应用关系（AR,ApplicationRelationship）：描述两个或多个应用实体之间的关联及其服务质量（QoS）约束；-对象字典（OD,ObjectDictionary）：以统一的方式描述设备对象、数据类型、通信参数等信息，是实现互操作性的基础机制。3.3核心服务定义IEC61158-5-24:2023定义了以下核心服务类别：3.3.1连接管理服务连接管理服务负责建立、维护和释放应用层连接。包括连接建立服务、连接释放服务、连接异常处理服务以及连接状态查询服务。在2023版中，连接管理服务进一步优化了连接建立的时间参数配置，支持更快速的重连机制以适应高可用性应用场景。3.3.2变量访问服务变量访问服务支持对远程设备中变量的读写操作。具体包括读服务、写服务、信息报告服务以及变量订阅/发布服务。该版本中特别增强了批量读写的效率优化机制，支持基于数据块的高效传输模式。3.3.3事件管理服务事件管理服务用于设备间的事件通知与处理，包括事件上报服务、事件确认服务、事件订阅服务和事件日志服务。在2023版中增强了对事件优先级分级处理的支持，确保高优先级安全事件能够得到及时响应。3.3.4时间同步服务时间同步服务基于IEEE1588精确时间协议（PTP）的原理，提供微秒级甚至亚微秒级的时间同步精度。2023版进一步优化了同步报文的时间戳处理机制，提升了在复杂网络拓扑条件下时间同步的鲁棒性。3.3.5安全管理服务安全管理服务涵盖身份认证、访问控制、数据加密和完整性保护等功能。2023版重点增强了对国密算法（SM2/SM3/SM4）的支持，并对安全会话的密钥协商与更新机制进行了完善。3.4与其他部分的协调关系IEC61158-5-24:2023与标准族中其他部分保持着紧密的协调关系：-与IEC61158-6-24（应用层协议规范）共同构成完整应用层规范体系，服务定义与协议规范一一对应；-与IEC61158-3-24和IEC61158-4-24（数据链路层）之间的接口映射关系在标准附录中予以明确；-与IEC61784（工业通信网络行规集）中的相关通信行规配合使用，确保不同厂商设备间的互操作性；-与IEC62443（工业通信网络安全标准）在安全服务设计上保持协调一致，满足工业控制系统信息安全防护的整体要求。4.主要参与编制的企事业单位与标准化技术组织4.1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）IEC61158-5-24:2023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，具体由IEC/TC65/SC65C（工业网络分技术委员会）负责制定与维护。IEC/TC65是IEC中负责工业过程测量、控制和自动化领域标准化的核心技术委员会，其工作范围涵盖了从传感器、执行器到工业通信网络、系统集成的全链条标准化。4.2主要参与单位介绍在本标准的制定和修订过程中，浙江大学工业自动化国家工程研究中心（以下简称“浙大工自中心”）作为核心起草单位发挥了关键性作用。浙江大学工业自动化国家工程研究中心依托浙江大学控制科学与工程学科（国家“双一流”建设学科），是我国工业自动化领域国家级研发平台之一，也是EPA技术的主要研发基地。该中心长期从事工业通信网络、分布式控制系统、智能制造系统等方向的研究工作。在IEC61158-5-24的制定和历次修订中，浙大工自中心的主要贡献包括：1.核心技术方案提供：作为EPA技术的原创单位，中心在24型元件的应用层服务定义中贡献了EPA的核心通信机制和服务模型，包括基于确定性调度机制的实时通信服务、面向工业应用的设备描述与服务发现机制等。这些核心技术方案在标准讨论中获得了国际专家的广泛认可。2.标准文本起草与编辑：中心标准化团队承担了标准文本的主要起草和编辑工作。从服务定义的文字描述、UML建模到状态机的形式化定义，均体现了团队深厚的技术功底和丰富的标准编写经验。3.国际协调与推动：中心团队长期跟踪IEC/TC65/SC65C的国际标准化动态，在标准修订过程中积极协调不同国家的技术立场，推动标准内容的持续优化和完善。团队成员多次担任标准项目的联合编辑（Co-Editor）或技术专家，深度参与各轮标准草案的讨论与评审。4.互操作性与验证测试：中心建立了完善的工业通信互操作性测试平台，在标准修订过程中组织开展了多轮多厂商互操作性测试，及时发现并反馈标准中存在的歧义和漏洞，有效保障了标准的可实施性和互操作性水平。4.3其他参与单位除浙江大学工业自动化国家工程研究中心外，本标准制定过程中还有以下机构和单位以不同形式参与：-中国科学院沈阳自动化研究所：作为EPA技术的共同发起单位之一，在标准制定过程中提供了工业无线与有线融合通信方面的技术支撑；-北京交通大学：在应用层服务的建模与形式化验证方面提供了学术支持；-国内主流工业通信设备厂商（如中控技术、东土科技等）：在标准需求反馈、产品实现验证等方面发挥了积极作用，为标准的实用性提供了产业验证基础。5.结论与展望5.1标准价值总结IEC61158-5-24:2023《工业通信网络现场总线规范第5-24部分：应用层服务定义24型元件》的发布，是工业通信网络标准化领域的一项重要成果。该标准在继承既有版本技术优势的基础上，针对工业物联网、智能制造、边缘计算等新兴技术趋势对工业通信提出的新需求，在实时性、安全性、互操作性和可扩展性等方面实现了全面升级。该标准的技术价值和应用价值集中体现在：一是为我国具有自主知识产权的EPA工业以太网技术持续保持国际先进水平提供了标准保障；二是为全球工业自动化领域提供了一套经过实践检验的高性能通信服务规范；三是为工业通信网络设备研发、系统集成和工程应用提供了统一的技术依据；四是为制造企业数字化转型中的网络基础设施建设提供了标准支撑。5.2未来发展趋势展望未来，24型元件应用层服务标准的演进将呈现以下趋势：-融合化：随着时间敏感网络（TSN）技术的日益成熟，未来的标准修订将持续深化与TSN的融合，在IEEE802.1标准体系基础上实现更加精细化的确定性通信服务；-智能化：人工智能技术向工业现场的深度渗透，将推动应用层服务向支持AI推理任务分发、模型更新和智能协同方向发展；-安全内生：信息安全与功能安全的深度融合将成为标准演进的重要方向，应用层安全服务将从“外挂式”向“内生式”转变；-云边协同：应用层服务将进一步扩展对云边端协同架构的支持，提供更灵活的服务部署和服务迁移机制。我国标准化组织和相关企事业单位应持续跟踪并深度参与IEC61158系列标准的后续修订工作，以技术实力为基础，以标准制定为路径，不断提升我国在工业通信网络国际标准化领域的影响力和话语权，为全球工业通信技术的