ISO 21919-22021 物理设备控制自动化机器操作接口第2部分安全和控制接口标准立项发展报告

ISO21919-2:2021《物理设备控制自动化机器操作接口第2部分：安全和控制接口》标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:PhysicalDeviceControl—InterfacesforAutomatedMachineTending—Part2:SafetyandControlInterface(ISO21919-2:2021)摘要随着智能制造与工业自动化技术的深入发展，自动化机器操作（AutomatedMachineTending）作为连接数控机床与工业机器人之间的关键环节，其接口标准化问题日益凸显。安全与控制接口作为保障人机协作安全、实现设备互联互通的核心技术要素，直接关系到自动化生产系统的可靠性、可维护性与可扩展性。本报告以国际标准化组织（ISO）发布的ISO21919-2:2021标准为研究对象，系统梳理了该标准的立项背景、研制历程、核心技术内容及行业应用价值。报告指出，该标准的发布填补了物理设备控制领域自动化机器操作安全接口国际标准的空白，为全球范围内数控机床与机器人系统集成提供了统一的技术框架与安全规范，对推动智能工厂标准化建设、降低系统集成成本、提升生产安全水平具有重要意义。本报告旨在为标准使用者提供全面、准确的技术解读与实施参考，亦可为相关领域标准化工作者提供立项研究与标准制定的方法借鉴。关键词：物理设备控制；自动化机器操作；安全接口；控制接口；国际标准；数控机床；智能制造Keywords:PhysicalDeviceControl;AutomatedMachineTending;SafetyInterface;ControlInterface;InternationalStandard;CNCMachineTools;SmartManufacturing一、引言1.1研究背景当前，全球制造业正处于以数字化、网络化、智能化为特征的深刻变革之中。工业机器人作为智能制造的核心装备，其应用场景已从传统的焊接、搬运、喷涂等单一工序拓展至机床上下料、零部件装配、质量检测等复杂生产环节。其中，自动化机器操作——即由工业机器人或自动化系统自动完成数控机床工件的装卸与加工过程——已成为实现少人化、无人化车间的重要技术路径。然而，自动化机器操作系统的部署面临着一系列技术挑战。不同厂商生产的数控机床与工业机器人之间缺乏统一、标准化的接口规范，导致系统集成过程中需要大量定制化开发，不仅延长了项目周期、增加了实施成本，更在安全性能保障方面存在潜在隐患。具体而言，在自动化机器操作场景中，安全接口需要确保机器人在进入机床工作区域时的联锁保护、急停信号传输、安全门状态监控等功能可靠有效；控制接口则需要实现机器人控制器与机床数控系统之间的信息交互、指令传递与状态同步。缺乏统一的接口标准，使得这些关键功能难以在不同设备之间实现即插即用式的无缝对接。1.2标准的战略意义在此背景下，国际标准化组织ISO/TC184（工业自动化系统与集成技术委员会）启动了ISO21919系列标准的制定工作。该系列标准旨在为物理设备控制领域的自动化机器操作提供统一的接口规范，其中第2部分专门针对安全和控制接口进行规定。ISO21919-2:2021的发布，标志着自动化机器操作接口标准化工作取得了里程碑式的成果，对于促进全球智能制造技术协同发展、推动工业自动化生态系统互联互通具有深远的战略意义。二、标准立项背景与研制历程2.1立项背景ISO21919-2:2021的立项源于全球制造业对自动化机器操作接口标准化需求的日益迫切。随着工业机器人在机床上下料场景中的广泛应用，业界普遍认识到缺乏统一接口标准已经成为制约自动化程度进一步提升的瓶颈问题。不同设备之间的接口不兼容，导致系统集成高度依赖专业技术人员的定制开发，且安全性能难以得到一致性保障。2016年前后，ISO/TC184/SC1（物理设备控制分技术委员会）在开展数控机床与机器人集成相关标准预研工作时，收到了来自德国、日本、中国等制造业强国的提案，建议制定一套覆盖自动化机器操作全流程的接口标准体系。经过多轮国际研讨与广泛征求意见，ISO/TC184/SC1于2018年正式立项ISO21919系列标准，并将其划分为多个部分分别制定，其中第2部分聚焦于安全与控制接口。2.2研制历程ISO21919-2:2021的研制过程历时约三年，经历了NP（NewworkitemProposal，新工作项目提案）阶段、WD（WorkingDraft，工作组草案）阶段、CD（CommitteeDraft，委员会草案）阶段、DIS（DraftInternationalStandard，国际标准草案）阶段和FDIS（FinalDraftInternationalStandard，最终国际标准草案）阶段等多个关键节点。来自德国工业联合会、日本机床工业协会、中国机械工业联合会等机构的专家深度参与了标准文本的起草与技术内容的讨论。在标准研制过程中，专家工作组重点围绕以下几个关键技术议题展开了深入研讨：-安全接口的层级划分：如何界定设备级安全、单元级安全与系统级安全之间的接口边界；-控制接口的信息模型：采用何种数据模型来描述机床状态、机器人指令及交互流程；-通信协议的选择与兼容：在OPCUA、PROFINET、EtherCAT等主流工业通信协议之间如何取舍与协调；-功能安全要求：如何与IEC61508、ISO13849、IEC62061等既有功能安全标准相衔接。经过多轮修改与完善，该标准于2021年6月10日正式发布，标准编号为ISO21919-2:2021，由国际标准化组织出版发行。三、标准核心技术内容3.1标准适用范围ISO21919-2:2021规定了自动化机器操作系统中安全接口和控制接口的技术要求，适用于数控机床（含加工中心、车削中心等）与工业机器人或自动化装卸系统之间的连接。该标准所定义的接口包括物理接口、电气接口、通信接口及软件接口等多个层面。3.2安全接口技术要求在安全接口方面，标准明确规定以下核心技术要求：（1）安全功能架构标准规定安全接口应支持急停信号的双向传输、安全门状态监控、工作区域访问权限管理、安全联锁逻辑等功能，并明确了各类安全信号的电平定义、传输时序及故障响应机制。（2）安全等级要求标准要求安全相关信号的传输通道应满足ISO13849-1中规定的性能等级（PerformanceLevel,PL）要求及IEC62061中规定的安全完整性等级（SafetyIntegrityLevel,SIL）要求，确保安全通信链路在单点故障或异常工况下仍能可靠执行安全功能。（3）安全通信协议3.3控制接口技术要求在控制接口方面，标准主要规定以下内容：（1）信息交互模型标准建立了一套统一的信息交互模型，定义了自动化机器操作过程中机床与机器人之间需要交互的核心信息内容，包括：机床工作状态（待机、运行、报警、维护等）、加工任务状态、工件装夹状态、刀具信息、程序调用指令、操作模式切换指令等。该信息模型确保不同厂商的设备能够基于统一的数据语义进行信息交换。（2）接口数据类型与格式标准对接口中涉及的关键数据类型进行了规范，包括布尔型状态信号、数值型参数（如坐标位置、速度、进给率等）、字符串型标识（如程序名称、刀具号等）及结构化数据对象，并明确了各类数据的编码格式与传输规则，以防止因数据格式不一致导致的兼容性问题。（3）通信行为与时序要求3.4一致性测试与验证为确保不同厂商设备的互操作性，标准还规定了一致性测试的方法和要求。包括测试环境配置、测试用例设计、测试流程及判定准则等，为标准实施提供可操作的技术手段，也为用户验收设备接口功能提供了统一依据。四、主要起草单位介绍ISO21919-2:2021的制定汇聚了全球工业自动化领域的顶尖机构与企业。其中，德国西门子股份公司（SiemensAG）作为该标准的核心起草单位之一，在标准的研制过程中发挥了重要的引领作用。西门子股份公司是全球领先的工业自动化与数字化解决方案提供商，总部位于德国慕尼黑和柏林。在数控系统领域，西门子的SINUMERIK系列数控系统长期占据全球高端市场的主导地位；在工业机器人领域，西门子通过其PLC（可编程逻辑控制器）和驱动系统为全球主流机器人厂商提供核心控制部件。西门子凭借在数控技术、工业通信（如PROFINET、PROFIsafe）及功能安全领域的深厚技术积累，为ISO21919-2:2021的制定贡献了关键的技术方案与工程实践经验。具体而言，西门子在以下方面为标准的制定做出了重要贡献：-主导了安全通信协议选型与技术方案设计；-提供了基于PROFINET/PROFIsafe的自动化机器操作接口参考实现；-参与了信息交互模型的建模与验证工作；-为一致性测试方案的制定提供了实验环境和工程数据支撑。此外，日本发那科株式会社（FANUCCorporation）和德国机床制造商协会（VDW）等机构和企业在标准制定过程中同样发挥了重要作用。发那科株式会社是全球最大的工业机器人制造商之一，同时也是知名数控系统生产商，其在机器人与机床集成应用领域拥有丰富的工程实践经验；德国机床制造商协会则代表欧洲机床行业提出了多项关键的技术建议，推动了标准技术内容的完善。这些来自不同国家和地区的产学研机构的深度参与，保证了标准的国际适用性和行业代表性，也充分体现了一流企业在全球标准化活动中的技术引领作用。五、标准应用价值与行业影响5.1推动系统集成效率提升在传统自动化机器操作系统的集成过程中，系统集成商需要针对每一对机床-机器人组合进行专门的接口开发。据统计，接口定制开发工作通常占整个自动化项目周期的30%以上。ISO21919-2:2021的发布实施，使得符合标准的设备能够实现接口层面的即插即用，显著缩短了系统集成和调试周期，降低了项目实施成本。5.2提升系统安全水平通过统一安全接口的技术要求，该标准有效解决了此前安全信号定义不一致、安全通信机制不兼容等导致的系统性安全风险。标准对功能安全等级的明确要求，使得自动化机器操作系统的安全性能可量化、可验证，为操作人员的人身安全提供了更可靠的制度保障和技术保障。5.3促进产业链协同发展该标准为数控机床制造商、工业机器人制造商、控制系统供应商、系统集成商及终端用户建立了共同的技术语言。设备制造商可以依据标准开发标准化接口产品，终端用户可以基于标准进行设备选型和系统验收，产业链各环节的协同效率得到了显著提升，有力推动了自动化机器操作技术的规模化应用和市场化推广。5.4支撑智能制造标准化体系建设ISO21919-2:2021是智能制造领域国际标准体系的重要组成部分。该标准与ISO21919-1（通用要求）、ISO21919-3（通信接口）及其它相关标准共同构成了自动化机器操作接口的完整标准体系，为智能工厂的设备互联互通和信息深度融合奠定了基础，为制造业数字化转型提供了有力的标准化支撑。六、结论与展望ISO21919-2:2021《物理设备控制自动化机器操作接口第2部分：安全和控制接口》的发布，是工业自动化领域标准化工作的一项重要成果。该标准以安全和控制接口为核心突破口，解决了自动化机器操作系统中长期存在的接口不统一、安全规范不一致等突出问题，为全球制造业提供了一套科学、系统、可操作的技术规范。从未来发展来看，随着人工智能、数字孪生、5G等新兴技术与制造业的深度融合，自动化机器操作接口技术将面临新的发展机遇和挑战。一方面，接口的智能化水平将不断提升，自适应控制、预测性维护、远程监控等功能需求将对接口标准提出更高的要求；另一方面，边缘计算、时间敏感网络（TSN）等新技术的成熟应用，将为安全-控制一体化接口提供更强大的通信基础设施支撑。展望未来，ISO21919-2:2021作为自动化机器操作领域的基石性标准，将持续发挥其引领和规范作用。同时，我们也应看到，标准的实施落地还需要设备制造商、系统集成商、终端用户及检测认证机构的协同努力。我们建议，相关企业应尽早着手对标分析，开展产品与标准的一致性评估，积极布局符合新标准的接口产品研发；行业组织和标准化技术机构应加强标准的宣贯培训和技术咨询服务，推动标准在更广泛范围内的应用实施，共同推动全球智能制造朝着更加安全、高效、开放的方向发展。参考文献[1]ISO21919-2:2021,Physicaldevicecontrol—Interfacesforautomatedmachinetending—Part2:Safetyandcontrolinterface[S].Geneva:InternationalOrganizationforStandardization,2021.[2]ISO13849-1:2015,Safetyofmachinery