IEC 61158-5-272023 工业通信网络 现场总线规范 第5-27部分应用层服务定义 27型元件标准立项发展报告

工业通信网络现场总线规范第5-27部分：应用层服务定义27型元件标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:IndustrialCommunicationNetworks–FieldbusSpecifications–Part5-27:ApplicationLayerServiceDefinition–Type27Elements摘要关键词：工业通信网络；现场总线；应用层服务定义；27型元件；IEC61158；智能制造；互联互通Keywords:Industrialcommunicationnetworks;Fieldbusspecifications;Applicationlayerservicedefinition;Type27elements;IEC61158;Smartmanufacturing;Interoperability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调控制的核心任务。随着工业4.0、智能制造和工业物联网（IIoT）战略的深入推进，工业通信网络面临着带宽需求激增、实时性要求提高、异构系统融合等新的技术挑战。现场总线技术作为工业通信网络的重要实现形式，经过数十年的发展已经形成了多种技术路线并存的格局，不同总线协议之间的互操作问题长期困扰着用户和系统集成商。为解决上述问题，国际电工委员会（IEC）下属的工业过程测量、控制和自动化技术委员会（IEC/TC65）自20世纪90年代末期开始组织制定IEC61158系列标准。该系列标准采用“多类型”体系结构，将多种主流的现场总线技术纳入统一的标准框架之中，每种技术对应一个“类型”（Type），通过分部分（Part）的方式分别规定其物理层、数据链路层和应用层的规范。IEC61158-5-27:2023即为该系列标准中应用层服务定义部分的第27型元件规范，对应的是EtherNet/IP等基于以太网的高性能工业通信技术。1.2标准基本信息IEC61158-5-27:2023标准基本信息如下：-标准编号：IEC61158-5-27:2023-英文名称：Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part5-27:Applicationlayerservicedefinition-Type27elements-中文名称：工业通信网络现场总线规范第5-27部分：应用层服务定义27型元件-发布机构：国际电工委员会（IEC）-发布日期：2023年3月7日-标准状态：现行有效-技术归口：IEC/TC65（工业过程测量、控制和自动化技术委员会）-标准语言：英语、法语（双语版本）-ICS分类号：25.040.40（工业自动化系统）、35.100.70（应用层）二、标准编制过程概述IEC61158-5-27:2023标准的制定遵循了IEC国际标准制定的规范程序，经历了提案阶段（NP）、工作组起草阶段（WD）、委员会草案阶段（CD）、国际标准草案阶段（DIS）、最终国际标准草案阶段（FDIS）以及正式出版阶段等多个环节。在标准编制过程中，来自各成员国的专家围绕27型元件的应用层服务定义进行了多轮技术讨论和意见征集。讨论的焦点问题包括：应用层服务与底层传输服务的接口定义方式、服务原语的时序关系、不同通信场景下的服务质量（QoS）参数配置、以及与IEC61158-6-27（应用层协议规范）的一致性协调等。经过充分的技术论证和反复修订，标准最终于2023年初完成全部编制程序并正式发布。值得注意的是，该标准的发布与IEC61158系列中其他部分形成了协调配套关系。其中，IEC61158-3-27和IEC61158-4-27分别规定了27型元件的数据链路层服务定义和协议规范，IEC61158-6-27规定了应用层协议规范。IEC61158-5-27作为应用层服务定义，处于数据链路层服务与上层应用之间的中间层次，其准确定义对于确保协议实现的正确性和不同实现之间的互操作性具有关键性的基础作用。三、标准技术内容分析3.1标准的体系定位IEC61158-5-27:2023是IEC61158系列标准中应用层服务定义的分部分标准之一。在IEC61158系列标准的整体架构中，各部分之间形成了严谨的逻辑关系。从标准的编号结构可以看出，第5部分（Part5）对应应用层服务定义，第6部分（Part6）对应应用层协议规范。标准号中的“-27”后缀表示该标准适用于第27型元件，即基于类型27的工业通信技术。27型元件所对应的通信技术主要基于以太网技术实现工业现场的实时通信，支持高性能的运动控制、视觉检测以及复杂自动化系统集成等应用场景。该类型元件继承了标准以太网的高带宽特性，同时通过应用层的服务定义实现了对工业通信所需的实时性、确定性和可靠性的支持。3.2应用层服务定义的主要内容IEC61158-5-27:2023标准对27型元件的应用层服务进行了全面的定义，主要包括以下几个方面的内容：（1）应用层体系结构模型标准定义了应用层的体系结构模型，明确了应用实体（AE）、应用服务对象（ASO）、应用关系（AR）等核心概念及其相互关系。该模型为应用层服务的实现提供了概念框架，使得不同厂商的实现能够基于统一的理解进行开发。应用实体通过应用关系建立通信连接，管理连接的生命周期状态。（2）服务原语定义标准系统地定义了应用层提供的各类服务原语，包括用于建立和释放应用连接的服务原语、用于传输用户数据的服务原语、用于管理对象字典的服务原语等。每个服务原语均按照IEC标准化的服务定义框架进行规范化描述，包括原语名称、参数列表、参数类型、参数取值范围以及服务提供的时序关系。（3）连接管理服务应用层的连接管理是保证工业通信可靠性的关键机制。标准定义了应用层连接的建立、监控、维护和释放等管理服务。连接管理服务涵盖了连接的参数协商、连接质量的监测、异常情况下的连接恢复等完整的生命周期管理能力。这些服务为上层应用的通信可靠性提供了有力的保障。（4）数据交换服务数据交换是应用层的核心功能。标准定义了多种数据交换服务模式，包括面向连接的数据传输服务、无连接的数据报服务、周期性数据交换服务和事件触发的数据交换服务。针对工业控制场景的特殊需求，标准还规定了数据传输的优先级管理机制，确保高优先级数据的实时传输。（5）对象字典与变量访问服务标准定义了对象字典的管理服务和变量访问服务。对象字典是工业通信网络中设备能力描述和参数访问的基础机制。标准详细规定了对象字典的访问方法、数据类型编码方式、读写操作的权限管理等内容，为不同厂商设备之间的参数互操作提供了标准化的接口。（6）时间同步与调度服务时间同步是工业自动化系统中各类应用（尤其是运动控制类应用）的关键基础服务。标准定义了基于IEEE1588精确时间协议（PTP）的时间同步服务和周期性通信的调度服务。这些服务为系统内各节点的精确时间同步和确定性通信提供了标准化支撑。3.3服务定义的形式化描述方法IEC61158-5-27:2023采用标准化的形式化描述方法来定义应用层服务。标准使用时间序列图（TimeSequenceDiagram）来描述服务原语之间的时序关系，使用状态机（StateMachine）来定义服务提供者的状态转换规则。形式化描述方法的使用增强了服务定义的精确性和无歧义性，避免了自然语言描述可能带来的理解偏差，为后续协议实现的一致性测试奠定了良好的基础。四、标准的适用领域与应用价值4.1适用领域IEC61158-5-27:2023标准主要适用于以下领域：-工业自动化系统设计与集成：为系统设计人员提供标准的通信服务接口参考；-工业通信设备研发制造：为设备制造商提供应用层服务实现的技术依据；-自动化系统互操作测试：为第三方测试机构提供一致性测试的技术基准；-工业网络方案设计与实施：为系统集成商提供异构网络融合的设计参考；-智能工厂建设与运维：为智能工厂的网络规划、部署和维护提供标准化支撑。4.2应用价值该标准的应用价值主要体现在以下几个方面：（1）促进互联互通与互操作通过统一应用层服务的定义，该标准降低了不同厂商设备之间实现互操作的技术门槛。用户在构建工业自动化系统时可以更灵活地选择不同厂商的设备，避免被单一供应商锁定。设备制造商可以依据标准开发兼容性更好的产品，缩短产品研发周期，降低研发成本。（2）支撑智能制造的实施在智能制造背景下，工业通信网络需要支撑从传感器到云端的全链路数据贯通。该标准通过对应用层服务的精确定义，为制造数据的采集、传输和利用提供了规范化的通信服务基础，有助于打通信息孤岛，实现制造全流程的数据驱动优化。（3）降低系统集成成本标准的统一减少了系统集成中的协议转换和定制开发工作量，降低了系统联调的时间和费用成本。用户在系统维护、升级和扩展过程中可以更加便捷地替换和新增设备，有效降低全生命周期的运维成本。（4）保障通信服务质量标准对通信服务质量（QoS）的明确要求，为工业控制场景下实时性、确定性和可靠性需求提供了技术保障。用户可以根据不同的应用需求选择合适的服务类型和QoS等级，实现通信资源的最优配置。4.3推广应用建议为进一步推动该标准的应用，可从以下几个方面开展工作：-加强标准宣传和培训工作，提高行业对标准技术内容的认识和理解；-推动相关产业联盟和行业组织将标准纳入行业规范或采购技术要求；-支持第三方检测机构开展基于该标准的一致性测试服务，建立互操作认证体系；-鼓励设备制造商在设计研发过程中全面对标该标准，提升产品质量和竞争力。五、标准的主要参与单位与技术贡献IEC61158-5-27:2023标准的编制是在IEC/TC65的组织框架下，由来自各成员国的标准化专家共同参与完成的。在众多参与单位中，德国西门子公司（SiemensAG）作为工业自动化和工业通信领域的全球领先企业，在标准制定过程中发挥了至关重要的技术引领作用。5.1西门子公司的基本情况西门子公司总部位于德国慕尼黑和柏林，是全球最大的工业制造和电气化、自动化领域的技术企业之一。在工业通信领域，西门子长期致力于工业以太网、现场总线、工业无线通信等关键技术的研发和标准化工作，拥有深厚的技术积累和丰富的工程实践经验。西门子在PROFINET、PROFIBUS等主流工业通信协议的发展中均发挥了重要作用，是推动工业通信技术进步的核心力量。5.2主要技术贡献在IEC61158-5-27:2023标准的编制过程中，西门子公司主要做出了以下几个方面的技术贡献：（1）应用层服务架构设计西门子基于其在工业以太网通信技术方面的长期积累，为27型元件应用层服务的体系结构设计提供了核心技术方案。该公司提出的服务分层模型和对象管理机制被标准采纳，形成了应用层服务定义的主体框架。（2）实时通信服务定义利用在PROFINET等实时以太网技术研发过程中积累的经验，西门子专家团队主导了标准中实时通信服务相关内容的定义，包括等时同步模式（IsochronousMode）下的周期性数据交换服务、时间同步服务的功能定义，以及实时通信与标准TCP/IP通信在统一网络中共存的协调机制设计。（3）一致性测试规范支撑西门子将其在工业通信产品一致性测试方面的丰富经验融入标准的技术内容中，为标准中服务定义的精确化表达和可测试性提供了宝贵的技术输入，确保了标准定义的服务能够被产品实现并经过有效的验证。（4）工程应用的实践反馈西门子长期面向汽车制造、高端装备、食品饮料、过程工业等众多行业提供自动化解决方案，积累了丰富的跨领域工程应用经验。在标准编制过程中，西门子的系统工程师将来自实际工程项目中的用户需求和通信性能要求反馈至标准制定流程，使得标准内容更加贴近实际应用需求，具有更强的工程适用性。5.3参与意义西门子作为27型元件对应的主要工业通信技术的发起者和核心推动者之一，其深度参与不仅保证了标准内容与主流技术路线的紧密衔接，也确保了标准既立足于当前技术成熟度，又能适应当前工业网络向“一网到底”融合发展的演进方向。六、结论与展望6.1主要结论IEC61158-5-27:2023《工业通信网络现场总线规范第5-27部分：应用层服务定义27型元件》是国际电工委员会在工业通信网络应用层标准化领域的又一项重要成果。通过对该标准的系统分析，可以得出以下主要结论：第一，该标准进一步完善了IEC61158系列标准体系，为27型元件提供了规范、统一、精确的应用层服务定义，填补了该类型元件在应用层服务标准化方面的技术空白。第二，标准所定义的应用层服务涵盖了连接管理、数据交换、对象字典访问、时间同步与调度等完整的功能集合，能够满足现代工业自动化系统对通信服务的全面需求。第三，标准采用的服务定义形式化描述方法增强了技术内容的精确性和可实施性，为设备制造商实现一致性产品开发和第三方开展一致性测试提供了坚实的技术基础。第四，标准的发布对促进工业通信设备的互联互通、降低系统集成成本、支撑智能制造战略实施具有重要的推动作用，具有显著的社会效益和经济效益。6.2未来展望展望未来，工业通信网络标准化工作将面临以下发展趋势：-时间敏感网络（TSN）与现场总线技术的融合将进一步深化，应用层服务需要适应TSN提供的确定性传输能力；-工业物联网（IIoT）和边缘计算的快速发展对应用层服务的开放性、安全性和云边协同能力提出了新的要求；-人工智能（AI）与工业自动化的深度融合将催生新的通信服务需求，如分布式推理、模型同步等应用层服务；-功能安全与信息安全（Security）的一体化设计将成为应用层标准化的重要方向；-数字化孪生技术的广泛应用对工业通信网络的数据交互能力提出了更高要求，推动应用层服务向更高效的数据表达和更灵活的服务模式演进。参考文献[1]IEC61158-5-27:2023,Indust