IEC 61158-6-242023 工业通信网络.现场总线规范.第6-24部分应用层协议规范.24型元件标准立项发展报告

工业通信网络现场总线规范第6-24部分：应用层协议规范24型元件标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:IndustrialCommunicationNetworks-FieldbusSpecifications-Part6-24:ApplicationLayerProtocolSpecification-Type24Elements摘要随着全球制造业数字化转型的深入推进，工业通信网络作为智能制造的关键基础设施，其标准化工作日益受到国际社会的高度重视。现场总线技术作为工业自动化领域核心的通信手段，经过数十年的发展已形成多种协议并存、多元技术融合的格局。在此背景下，国际电工委员会（IEC）于2023年3月正式发布IEC61158-6-24:2023标准，该标准隶属于IEC61158系列现场总线规范体系，聚焦于应用层协议规范中24型元件的技术规定。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容及其在工业自动化标准体系中的定位，重点分析了24型元件的协议架构、数据交互机制和服务接口等关键技术特征，阐述了该标准与IEC61784、IEC61800等相关系列标准的协同关系。报告指出，IEC61158-6-24:2023的发布实施，对于促进异构工业网络互联互通、规范现场设备通信行为、降低系统集成成本具有重要的指导意义，为智能制造时代工业通信网络的标准化发展提供了坚实的技术支撑。本报告同时对该标准的推广应用前景进行了展望，并就相关技术标准的后续演进方向提出了建议。关键词：工业通信网络；现场总线；应用层协议；24型元件；IEC61158；智能制造；网络互联Keywords:IndustrialCommunicationNetworks;Fieldbus;ApplicationLayerProtocol;Type24Elements;IEC61158;SmartManufacturing;NetworkInterconnection一、引言1.1标准化背景与意义工业通信网络是现代工业自动化系统的神经系统，承担着现场设备、控制器、监控系统之间的数据采集、指令传输和状态反馈等关键任务。随着工业4.0、智能制造等理念的深入推进，工业通信网络面临着带宽需求提升、实时性要求增强、异构系统互联等新的技术挑战。现场总线技术作为工业通信网络的重要实现形式，其标准化工作直接关系到工业自动化系统的互操作性、可靠性和安全性。IEC61158标准是国际电工委员会制定的现场总线基础标准，该标准系统地定义了工业通信网络中现场总线的物理层、数据链路层和应用层规范。IEC61158-6-24:2023作为该系列标准的组成部分，专门针对应用层协议规范中的24型元件进行详细规定，为采用该类型元件的工业设备提供了统一的通信协议规范。1.2标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|IEC61158-6-24:2023||标准名称|工业通信网络现场总线规范第6-24部分：应用层协议规范24型元件||英文名称|Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part6-24:Applicationlayerprotocolspecification-Type24elements||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24日||国别|国际组织||语言|英语、法语||分类号|网络|1.3标准体系定位IEC61158系列标准是工业通信领域最为基础和重要的国际标准之一，该系列标准由多个部分构成，分别规定了现场总线的不同技术层面。其中，第6部分专门致力于应用层协议规范，通过划分不同类型的"元件"（Typeelements），为多种现场总线协议提供了统一的应用层描述框架。24型元件作为该框架下的重要类型，承载着特定现场总线协议在应用层的功能定义和服务规范。该标准的发布与实施，进一步完善了IEC61158标准体系，为不同制造商生产的工业设备实现互联互通提供了权威的技术依据，对于促进工业自动化领域的标准化进程、降低系统集成和运维成本具有重要的支撑作用。二、标准立项背景与编制历程2.1行业需求与技术驱动现场总线技术自20世纪80年代开始发展以来，先后出现了多种技术和协议，如PROFIBUS、FoundationFieldbus、HART、CANopen、Modbus等。这些协议各有特点，适用于不同的工业应用场景。然而，多协议并存的局面也带来了互联互通困难、系统集成复杂、维护成本高等问题。在此背景下，IEC/SC65C（工业过程测量、控制和自动化技术委员会下属的工业网络分技术委员会）启动了IEC61158系列标准的制定工作，旨在为各种现场总线协议提供一个统一的标准框架。该系列标准采用"多类型"（MultipleTypes）的编写方式，即在同一标准框架下，针对不同的现场总线协议分别定义不同的"型"（Type），以兼顾标准的统一性和协议的多样性。2.2标准技术演进脉络IEC61158-6系列标准的制定经历了多个版本的发展。从最初的IEC61158-6:1999，到后续的IEC61158-6-XX系列分标准，每一版本的更新都反映了现场总线技术的最新进展和行业需求的变化。24型元件作为专门定义现场总线应用层协议的技术规范，其技术内容不断得到扩展和完善，涵盖了从基础通信服务到高级应用功能的全面规定。2023年版标准的发布，是该系列标准发展过程中的重要里程碑。新版标准不仅整合了近年来现场总线技术的最新发展成果，还充分考虑了工业物联网（IIoT）、时间敏感网络（TSN）、信息安全等新技术趋势对应用层协议的影响，体现了标准的先进性和前瞻性。2.3标准编制主要过程IEC61158-6-24:2023标准的编制工作遵循了IEC标准制定的规范流程，经历了提案阶段（NP）、准备工作草案（WD）、委员会草案（CD）、国际标准草案（DIS）、最终国际标准草案（FDIS）等阶段。来自各成员国的技术专家和企业代表参与了标准草案的技术讨论和意见反馈，经过多轮修改和完善，最终于2023年3月由IEC正式发布。三、标准核心技术内容3.124型元件的技术定位与功能架构IEC61158-6-24:2023标准在应用层协议规范的框架下，对24型元件进行了全面的技术定位和功能架构定义。24型元件代表了特定类型的现场总线通信技术在应用层的协议实现规范，其技术架构遵循IEC61158标准统一的分层模型和对象模型。在功能架构层面，24型元件的应用层规范采用了面向对象的设计方法，将通信服务、通信对象和通信行为封装为统一的应用层服务元素。标准详细定义了应用层服务对象（ASO）、应用关系（AR）、应用层协议数据单元（APDU）等核心概念，为不同类型的通信服务提供了统一的建模框架。这些功能架构层面的规定，为现场设备开发者提供了清晰的实现指南，确保不同设备在应用层的互操作性。在通信机制层面，标准建立了完整的应用层服务模型，包括面向连接的通信服务和无连接的数据报服务两种模式。面向连接服务支持可靠的数据传输、流量控制和差错恢复，适用于对通信质量要求较高的应用场景；无连接服务则提供高效的数据投递能力，适用于实时性要求较高的周期性数据传输场景。标准对这两种服务模式的协议状态机、时序关系和差错处理机制均进行了详细规定。3.2数据交互机制在数据交互机制方面，标准围绕工业通信的核心需求，定义了多种数据交换模式，包括周期性数据交换、非周期性数据交换、事件驱动型数据交换和网络管理数据交互等。其中，周期性数据交换通常用于实时性要求较高的过程数据（如测量值、控制指令等）的定时传输；非周期性数据交换则适用于参数设置、诊断信息等非实时数据的按需传输。标准针对每一种交换模式，均定义了相应的服务原语、协议数据单元格式和通信时序要求。同时，标准详细规定了应用层协议数据单元（APDU）的格式规范，包括报文头部结构、地址字段、控制字段和数据字段的编码规则。这些格式规定确保了不同设备之间能够正确解析和处理协议信息，实现通信的可靠性和互操作性。对于数据编码方式，标准采用了与底层物理层和数据链路层规范相协调的编解码策略。3.3通信服务接口规范24型元件标准定义了完整的应用层服务接口规范，包括服务原语的类型、参数和时序关系。这些服务接口为上层应用（如控制系统、HMI等）提供了统一的通信访问手段，屏蔽了底层通信实现的技术细节。标准将服务接口分为现场总线访问子层（FAS）服务和现场总线报文规范子层（FMS）服务两大类，前者侧重于连接管理和数据传输服务，后者则侧重于对象字典访问和变量读写等应用服务。标准还定义了应用层与数据链路层之间的服务映射关系和原语交互时序，并针对工业通信的特殊需求定义了多种服务质量（QoS）参数，包括传输优先级、传输时间约束、传输可靠性等级等。在时间同步机制方面，标准规定了与IEC61588（精确时间协议）等时间同步标准的配合方式，为需要精确时间同步的工业应用提供了技术支撑。3.4一致性实现与互操作性保障为确保不同制造商设备之间的互操作性，IEC61158-6-24:2023对一致性实现要求进行了系统规定。标准在一致性实现方面，规定了设备需要满足的最小实现要求，涵盖强制性的通信功能、可选功能的选择策略、功能实现的一致性等级划分等内容。一致性测试方法和要求也在标准中得到了相应规定，为设备认证和系统验收提供了技术依据。在通信可靠性方面，标准建立了完整的差错检测、故障恢复和看门狗（Watchdog）机制体系。这些机制为基于24型元件构建的工业通信系统的稳定运行提供了技术保障，有效降低了通信故障对生产过程的影响。四、标准间协同关系4.1与IEC61158系列标准的纵向协同IEC61158-6-24:2023是IEC61158标准家族的重要组成部分，与系列中的其他部分共同构成了完整的现场总线标准体系。在标准层级上，该标准主要聚焦于应用层协议规范的技术规定，与应用层服务定义部分（IEC61158-5系列）、数据链路层规范部分（IEC61158-3系列和IEC61158-4系列）、物理层规范部分（IEC61158-2系列）共同形成了从物理传输到应用服务的完整协议栈。在实际应用中，24型元件的应用层协议规范需要与对应类型的数据链路层和物理层协议配合使用。该标准与IEC61158系列其他分标准之间的版本匹配和技术协调，保证了整个协议栈的一致性和兼容性。4.2与通信行规标准的横向配合IEC61158-6-24:2023的技术内容与IEC61784系列标准中的相关行规保持协调一致，共同为工业设备的互联互通提供标准支撑。4.3与应用标准的衔接在工业自动化标准体系中，IEC61158-6-24:2023向下衔接物理层与数据链路层标准，向上支撑各类应用标准的要求。该标准与IEC61800（可调速电力驱动系统）、IEC62061（机械安全相关电气控制系统功能安全）、IEC62443（工业通信网络安全）等标准共同构成完整的工业自动化标准生态系统。例如，在与IEC62443的衔接方面，24型元件的应用层协议在设计时充分考虑了工业信息安全要求，支持安全相关的通信服务和访问控制机制。五、标准的主要参编单位5.1国际电工委员会工业网络分技术委员会（IEC/SC65C）IEC61158-6-24:2023标准由IEC/SC65C（工业过程测量、控制和自动化技术委员会下属的工业网络分技术委员会）归口管理，由其下设的工作组具体负责标准的编制和维护工作。IEC/SC65C的前身可追溯至1984年成立的IEC/TC65/SC65C（工业网络分技术委员会），主要负责工业通信网络的标准化工作，涵盖现场总线、工业以太网、工业无线通信等领域。经过近四十年的发展，SC65C已形成了完善的组织架构和工作机制，下设多个工作组分别负责不同方向和领域的标准制定工作。在IEC61158-6-24:2023标准的编制过程中，SC65C组织了一个跨领域、跨行业的工作组具体执行编制任务。该工作组汇集了来自全球主要工业自动化企业、研究机构和高等院校的技术专家，涵盖了通信协议设计、嵌入式系统开发、工业自动化应用等专业领域。工作组成员凭借深厚的技术积累和丰富的实践经验，有力保障了标准的技术水准和行业适用性。SC65C在标准编制过程中始终坚持开放、透明、协商一致的工作原则，通过征求意见、技术研讨和投票表决等程序，确保各方意见得到充分表达和技术方案获得广泛共识。标准发布后，SC65C还将持续开展标准的宣贯培训和应用推广工作，并跟踪标准实施过程中发现的问题，为后续的修订完善积累技术依据。六、标准实施应用前景6.1应用场景分析IEC61158-6-24:2023标准的应用场景覆盖了工业自动化领域的多个重要方向。在过程控制领域，该标准适用于化工、石油、电力等行业的过程控制系统，支持变送器、执行器、阀门定位器等现场设备与控制系统的通信集成；在工厂自动化领域，该标准适用于离散制造产线，支持PLC、传感器、驱动器等设备的高速协同；在运动控制领域，该标准适用于伺服驱动器和运动控制器之间的高实时性通信，满足精密加工和设备协同的通信需求；在设备远程监控和维护场景中，该标准同样能够提供有力支撑，支持工业设备的远程状态监测、故障诊断和预测性维护。6.2推广价值与应用效益IEC61158-6-24:2023标准的推广应用可以从以下维度产生显著的综合效益：在技术层面，该标准为不同厂商的设备提供了统一的通信协议规范，有助于推动工业通信网络的标准化和开放化发展，降低异构系统集成的技术门槛；在经济层面，该标准有助于减少系统集成和运维成本，缩短项目部署周期，同时通过促进市场竞争降低设备采购成本；在产业层面，该标准推动了工业通信技术从封闭架构向开放架构演进，为新兴技术在工业领域的融合应用奠定了基础。七、结论与展望IEC61158-6-24:2023《工业通信网络现场总线规范第6-24部分：应用层协议规范24型元件》作为工业通信网络标准化体系的重要组成部分，为基于24型元件的现场总线设备提供了完善的应用层协议规范。该标准的发布实施，不仅进一步丰富和完善了IEC61158系列标准体系，更对推动工业自动化领域的技术融合和产业升级具有重要的支撑作用。参考文献[1]IEC61158-6-24:2023,Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part6-24:Applicationlayerprotocolspecification-Type24elements[S].Geneva:IEC,2023.[2]IEC61158-1:2023,Industrialcommunicationnetworks-Fieldbussp