IEC 61784-2-132023 工业网络.配置文件.第2-13部分基于ISOIECIEEE 8802-3-CPF 13的附加实时现场总线配置文件标准立项发展报告

工业网络配置文件第2-13部分：基于ISO/IEC/IEEE8802-3的附加实时现场总线配置文件（CPF13）标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:IndustrialNetworks-Profiles-Part2-13:AdditionalReal-timeFieldbusProfilesBasedonISO/IEC/IEEE8802-3-CPF13摘要关键词：工业网络；现场总线；实时通信；配置文件；工业以太网；IEC61784；智能制造Keywords:Industrialnetworks;Fieldbus;Real-timecommunication;Profiles;IndustrialEthernet;IEC61784;Smartmanufacturing1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，其性能直接影响生产过程的效率、质量和安全性。传统现场总线技术（如PROFIBUS、FOUNDATIONFieldbus等）在工业控制领域已得到广泛应用，但随着工业互联网和智能制造的快速发展，工业控制系统对通信带宽、实时性和同步精度的要求不断提升，以标准以太网为基础的高性能工业通信技术逐渐成为主流方向。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）制定了IEC61784系列标准，为工业通信系统提供了统一的通信行规框架。其中，IEC61784-2规定了基于ISO/IEC/IEEE8802-3（即标准以太网）的实时现场总线配置文件，通过定义不同的通信行规族（CommunicationProfileFamily，CPF），满足不同工业应用场景对实时通信的需求。1.2标准定位与意义IEC61784-2-13:2023是IEC61784-2系列的第2-13部分，针对通信行规族13（CPF13）定义了附加的实时现场总线配置文件。该标准与IEC61158（工业通信网络-现场总线规范）、IEC61784-1（基于传统现场总线的通信行规）等标准相互配套，共同构成完整的工业通信标准体系。该标准的发布实施，为设备制造商、系统集成商和最终用户提供了明确的实时通信技术规范，有助于降低系统集成的复杂性，提高不同厂商设备之间的互操作性，推动工业以太网技术在更广泛的应用场景中的部署和实施。2标准概况2.1基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|IEC61784-2-13:2023||标准名称|工业网络配置文件第2-13部分：基于ISO/IEC/IEEE8802-3的附加实时现场总线配置文件（CPF13）||英文名称|Industrialnetworks-Profiles-Part2-13:Additionalreal-timefieldbusprofilesbasedonISO/IEC/IEEE8802-3-CPF13||标准状态|现行||发布机构|国际电工委员会（IEC）||分类号|信息技术在工业中的应用||发布日期|2023年5月5日||发布年份|2023年||国别|国际组织||语言|英语、法语|2.2技术范围IEC61784-2-13:2023规定了基于ISO/IEC/IEEE8802-3的CPF13通信行规族的附加实时配置文件，主要包括：-通信行规族13的技术架构：定义了基于标准以太网技术的通信协议栈结构、服务接口和数据传输机制；-实时性等级划分：规定了不同实时性能等级（如周期时间、抖动、同步精度等）所对应的配置要求；-一致性测试要求：明确了设备实现需要满足的一致性测试项目和测试方法，确保不同厂商设备的互操作性；-系统管理规范：涵盖网络管理、设备诊断和通信组态等方面的功能性要求。2.3标准体系与配套关系IEC61784-2-13:2023在IEC61784系列标准体系中居于重要地位。其在整体架构中与其他标准存在如下配套关系：-IEC61158系列：作为现场总线数据链路层和应用层服务的基础规范，为CPF13提供底层通信服务定义（如数据链路层的调度机制、应用层的对象字典等服务），本标准的配置文件基于IEC61158中定义的协议栈实现；-IEC61784-1：对应传统现场总线（如RS-485、MBPS等物理介质）的通信行规，与IEC61784-2共同构成完整行规体系，两者在行规编号和应用层映射上保持协调；-IEC61784-3（功能安全通信行规）：定义基于IEC61508的功能安全通信行规，CPF13属于非功能安全类的实时通信行规，二者在工业应用中互为补充；-IEC61784-5（安装行规）：规定了工业通信设备的物理安装和布线规范，为CPF13的工程实施提供了物理层配套指导。上述标准与IEC61784-2-13共同构成了一套从物理层、数据链路层到应用层的完整工业实时通信标准体系，保障了工业以太网技术在垂直行业的统一、协调应用。3标准技术内容详解3.1协议架构IEC61784-2-13依据ISO/IEC/IEEE8802-3（以太网）标准，定义了CPF13的协议架构。该架构采用分层设计思想，包括物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。其中，实时通信的关键机制主要在数据链路层实现，通过时间感知调度（Time-AwareScheduling）、帧抢占（FramePreemption）和优先级流量控制等机制，保证实时数据在标准以太网上的确定性传输。3.2实时性保障机制CPF13支持多种实时通信等级，以适应不同的应用需求：-RT等级1（RT_CLASS_1）：适用于一般实时应用，典型周期时间为10ms级别；-RT等级2（RT_CLASS_2）：适用于高实时应用，典型周期时间为1ms级别，支持时间同步；-RT等级3（RT_CLASS_3）：适用于极高实时应用，典型周期时间可达100μs以下，具备高精度时间同步和抖动控制能力。3.3关键性能指标标准规定了以下关键性能指标的参数要求：-最小周期时间：根据不同实时等级，最小通信周期可从毫秒级到微秒级；-时间同步精度：支持IEEE1588精确时间协议（PTP），同步精度可达亚微秒级；-通信抖动：对通信延迟的确定性有严格限制，确保控制系统的稳定运行；-带宽利用率：在保证实时通信的前提下，实现标准以太网带宽的高效利用。3.4通信行规族间的兼容性设计CPF13作为一个独立的通信行规族，其配置文件的定义在设计之初即考虑了与其他通信行规族的兼容与共存问题。具体而言，CPF13与CPF1（PROFINETIO）、CPF2（EtherNet/IP）、CPF6（EtherCAT）等主要行规族存在以下关系：-共存性：CPF13允许与标准以太网TCP/IP流量在同一物理网络中并行传输，通过优先级的差异化调度实现共存；-独立性与映射关系：CPF13保持独立的应用层语义，不依赖其他行规族，但在系统级集成时，可通过代理设备实现与IEC61784-1/61784-2中其他行规族的数据映射与互操作。这种设计使得CPF13在异构工业网络环境中具有较高的灵活性和可集成性，为未来多协议融合的智能工厂网络提供了标准支撑。3.5一致性测试为确保不同厂商设备之间的互操作性，IEC61784-2-13规定了详细的一致性测试要求。包括：-协议实现一致性声明（PICS）；-测试目的定义和测试流程规范；-性能指标的验证方法及合格判据。4编制过程与主要参与单位4.1制定过程IEC61784-2-13:2023的制定遵循IEC标准制定的公开、透明和协商一致原则，经历了以下主要阶段：-提案阶段（NP）：由相关国家委员会或技术组织提出新工作项目提案；-工作草案（WD）阶段：成立项目组，起草标准工作草案；-委员会草案（CD）阶段：提交委员会成员征求意见；-国际标准草案（DIS）阶段：形成国际标准草案，进行最终投票；-最终国际标准草案（FDIS）阶段：通过最终投票后发布。4.2主要参与单位介绍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）IEC/TC65是负责工业过程测量、控制和自动化领域国际标准制定的技术委员会，其秘书处设在法国。TC65下设多个分技术委员会和工作组，其中SC65C（工业网络）负责工业通信网络相关标准的制定和维护，IEC61784系列标准即由SC65C主导编制。TC65汇聚了来自全球30多个国家的标准化专家，包括德国西门子、菲尼克斯电气、美国罗克韦尔自动化、艾默生、日本横河电机、三菱电机等国际知名工业自动化企业的技术专家。此外，我国派出多名专家参与该标准的制定工作，代表中国在工业通信领域发声。在IEC61784-2-13的编制过程中，德国发挥了重要的技术引领作用。作为工业自动化技术最为发达的国家之一，德国依托其在PROFINET、EtherCAT等实时以太网技术领域的深厚积累，对CPF13的技术方案和性能指标设定做出了突出贡献。德国国家委员会（DKE）协调西门子、博世力士乐等企业的技术专家，在标准制定中主导了关键实时机制的定义和测试规范的编制。5标准应用价值分析5.1行业需求与应用场景IEC61784-2-13:2023所定义的CPF13实时现场总线配置文件，主要面向以下应用场景：-运动控制领域：适用于多轴同步运动控制系统，满足高精度位置同步和低抖动要求；-过程自动化领域：适用于连续生产过程控制，确保控制数据的实时性和可靠性；-离散制造业：适用于生产线自动化控制系统，实现快速部署和灵活配置；-能源管理领域：适用于智能电网和分布式能源系统的实时通信需求；-机器人控制：满足工业机器人高动态响应和高可靠性通信要求。5.2技术经济价值-降低系统集成成本：通过标准化配置文件，减少不同厂商设备间的协议转换和定制开发工作；-提高设备互操作性：明确的一致性测试要求，保障多厂商环境的可靠运行；-促进技术创新：为新型工业以太网技术的发展提供了标准框架和测试基准；-保障系统安全可靠：通过规范的实时通信机制，提升工业控制系统的运行安全性。5.3对我国工业发展的借鉴价值IEC61784-2-13:2023作为一项国际标准，其技术内容和制定经验对我国工业通信标准化工作具有多方面借鉴意义：-对标国际先进技术：通过深入研究该标准的技术架构和实时通信机制，可以全面对标国际先进工业以太网技术水平，识别我国在高端工业通信领域的技术差距和发展方向；-支撑设备研发和产业化：我国设备制造商可依据该标准的技术规范，有针对性地研发和优化支持实时以太网通信的工业设备，提升产品在国际市场的竞争力；-服务企业“走出去”战略：国内工业自动化企业在参与“一带一路”建设和国际工程项目时，准确理解和遵循IEC61784-2标准，有助于降低合规风险，实现与国际市场的无缝对接。6标准发展趋势与展望6.1技术演进方向随着工业互联网、边缘计算和人工智能等技术的快速发展，工业通信标准呈现以下发展趋势：-时间敏感网络（TSN）融合：IEEE802.1TSN系列标准与工业实时通信的融合将成为重要方向，实现确定性通信与标准以太网的统一；-功能安全与信息安全一体化：实时通信与功能安全（IEC61508）、信息安全（IEC62443）的协同设计成为趋势；-IT/OT深度融合：信息技术（IT）与运营技术（OT）网络的融合对通信标准的开放性和兼容性提出更高要求；-无线通信补充：工业无线通信（如IEC62591、IEC62601）作为有线通信的补充，在特定场景中发挥重要作用。6.2标准化工作展望-持续完善标准体系：根据技术发展和行业需求，适时修订和完善IEC61784-2系列标准；-加强国际合作：深化各国在工业通信标准化领域的合作，推动全球工业互联网的互联互通；-推动标准应用落地：通过示范推广、培训认证等方式，促进标准在工业各领域的广泛应用；-对接国家战略：将国际标准与我国工业互联网、智能制造等国家战略有机结合，提升我国在全球工业通信标准化领域的话语权。7结论IEC61784-2-13:2023《工业网络配置文件第2-13部分：基于ISO/IEC/IEEE8802-3的附加实时现场总线配置文件（CPF13）》是工业以太网实时通信领域的一项重要国际标准。该标准基于成熟的以太网技术，通过定义通信行规族13的附加实时配置文件，为工业自动化各领域的实时通信需求提供了统一、规范的技术解决方案。该标准的发布实施，不仅推动了工业通信技术的发展和普及，也为全球制造业数字化转型提供了重要的标准化支撑。标准所定义的协议架构、实时性保障机制、一致性测试要求以及与其他行规族的兼容性设计，为设备制造商、系统集成商和最终用户提供了全面的技术指导。参考文献[1]IEC61784-2-13:2023,Industrialnetworks-Profiles-Part2-13:Additionalreal-timefieldbusprofilesbasedonISO/IEC/IEEE8802-3-CPF13[S].Geneva:IEC,2023.[2]IEC61158,Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications[S