IEC 61784-2-142023 工业网络.配置文件.第2-14部分基于ISOIECIEEE 8802-3-CPF 14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2-14部分：基于ISO/IEC/IEEE8802-3-CPF14的附加实时现场总线配置文件标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:IndustrialNetworks-Profiles-Part2-14:AdditionalReal-timeFieldbusProfilesBasedonISO/IEC/IEEE8802-3-CPF14摘要随着工业4.0和智能制造的深入推进，工业通信网络作为智能制造系统的"神经系统"，其互联互通性与实时性能已成为制约工业自动化向更高层次发展的关键因素。国际电工委员会（IEC）于2023年5月正式发布IEC61784-2-14:2023《工业网络配置文件第2-14部分：基于ISO/IEC/IEEE8802-3-CPF14的附加实时现场总线配置文件》，该标准是IEC61784-2系列标准的重要组成部分，旨在为基于以太网的工业现场总线提供统一的实时通信配置文件，解决不同厂商设备之间的互操作性问题。本报告从标准立项背景、技术内容体系、制定过程、与相关标准的关系、应用价值及未来发展趋势等维度对该标准进行全面分析。报告指出，该标准的发布进一步完善了IEC61784-2系列标准体系，为工业自动化领域基于以太网的实时通信提供了更加丰富和灵活的技术选择，对推动工业通信技术标准化、促进智能制造生态体系建设具有重要的战略意义。同时，本报告对该标准的推广应用、技术演进以及我国工业通信领域的标准化工作提出了针对性建议。关键词：工业网络；实时现场总线；通信配置文件；以太网；IEC61784；智能制造；互操作性Keywords:IndustrialNetworks;Real-timeFieldbus;CommunicationProfile;Ethernet;IEC61784;SmartManufacturing;Interoperability1引言1.1研究背景工业通信网络是构成工业自动化系统的基础设施，承担着传感器、控制器、执行机构等现场设备与控制层、管理层之间的数据传输与信息交互任务。自20世纪70年代以来，现场总线技术经历了从专用封闭协议到开放标准化协议的演进历程，形成了以PROFIBUS、Modbus、DeviceNet、CC-Link、CANopen等为代表的多品种现场总线技术体系。然而，传统现场总线在传输速率、传输距离、带宽及与上层信息系统的融合能力等方面存在固有局限，难以满足现代智能制造对高实时性、大带宽、高可靠性通信的需求。进入21世纪，以太网技术凭借其高带宽、低成本、广泛应用基础等优势逐步渗透到工业控制领域，基于以太网的工业实时通信技术（如EtherCAT、PROFINET、EtherNet/IP、POWERLINK等）迅速发展，形成了多种实时以太网技术并存的格局。然而，多种实时以太网技术相互竞争、互不兼容的局面，给设备制造商、系统集成商和最终用户带来了严重的互操作性与可维护性挑战。在这一背景下，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）启动了IEC61784系列标准的制定工作，旨在通过定义统一的通信配置文件（CommunicationProfile,CP），规范不同实时以太网技术的应用层接口与系统行为，实现多技术共存与互操作。1.2IEC61784系列标准概述IEC61784标准系列是工业通信领域最为基础和重要的国际标准之一，由IEC/TC65/SC65C（工业网络分技术委员会）负责制定。该系列标准由多个部分构成，其中：-IEC61784-1：定义基于传统现场总线的通信配置文件（CPF1至CPF18），涵盖PROFIBUS、FoundationFieldbus、WorldFIP等传统现场总线技术；-IEC61784-2：定义基于ISO/IEC/IEEE8802-3（即以太网）的附加实时通信配置文件（CPF1至CPF18），针对不同实时以太网技术规定通信配置文件；-IEC61784-3：定义工业通信网络的功能安全通信行规；-IEC61784-4：定义工业通信网络的网络安全性行规；-IEC61784-5：定义工业通信网络的安装指南。IEC61784-2作为该系列标准中最为活跃和持续扩展的部分，自2003年首次发布以来，经历了多次修订和增补，不断纳入新的通信配置文件，以适应持续演进的工业以太网技术发展需求。其中，"通信配置文件族14"（CommunicationProfileFamily14,CPF14）是基于ISO/IEC/IEEE8802-3以太网技术的一组通信配置文件的集合，其下包含多个具体的技术方案。1.3IEC61784-2-14:2023的立项意义IEC61784-2-14:2023作为IEC61784-2标准的最新增补部分，聚焦于CPF14框架下的附加实时现场总线配置文件。该标准的发布具有以下重要意义：第一，进一步完善了IEC61784-2系列标准体系。随着工业以太网技术的持续创新，新的实时通信机制不断涌现，需要通过标准化的方式将其纳入统一的框架体系，确保技术创新与标准化发展协同推进。第二，为基于以太网的新型实时现场总线技术提供了国际化标准支撑。该标准的发布为相关技术和产品进入国际市场提供了标准依据，有助于推动技术成果的产业化应用和全球化推广。第三，增强了工业通信网络的互操作性和可选择性。通过定义统一、规范的通信配置文件，使不同厂商的设备能够在同一网络中协同工作，同时为不同应用场景提供差异化的技术选择。2标准技术内容分析2.1标准基本信息IEC61784-2-14:2023《工业网络配置文件第2-14部分：基于ISO/IEC/IEEE8802-3-CPF14的附加实时现场总线配置文件》由国际电工委员会（IEC）正式发布。标准发布日期为2023年5月5日，采用英语和法语双语版本，现行有效。该标准的国际标准分类号（ICS）为"信息技术在工业中的应用"，具体归口管理由IEC/TC65/SC65C负责。根据IEC标准制定程序，IEC61784-2-14:2023经各成员国国家委员会投票通过后正式出版。标准文本以电子版加密PDF格式提供，用户须通过FileOpen插件进行在线授权验证后方可下载阅读，且受限于累计3台电脑共可打印5次的使用规则，售价为2104.0元人民币。上述发布形式与IEC现行标准发行政策保持一致。2.2标准技术框架与核心内容IEC61784-2-14:2023在技术架构上遵循IEC61784-2系列标准的通用框架，即在ISO/IEC/IEEE8802-3（以太网）的基础上定义附加的实时通信能力。标准的核心内容涵盖以下几个方面：（1）通用概念与框架标准沿用了IEC61784-2中确立的核心概念体系，包括：通信配置文件（CP,CommunicationProfile）、配置文件族（CPF,CommunicationProfileFamily）、实时类别（RTC,Real-TimeClass）等。这些概念为不同实时通信技术的描述和比较提供了统一的术语和方法论基础。（2）CPF14框架下的实时通信配置文件CPF14是基于ISO/IEC/IEEE8802-3以太网技术定义的通信配置文件族，IEC61784-2-14:2023在此基础上定义了CPF14框架下的附加实时通信配置文件。每个配置文件规定了一套完整的通信协议栈配置，包括数据链路层、网络层、传输层和应用层各层次的协议参数、服务接口和行为规范，以确保设备间通信的一致性、确定性和实时性。（3）实时性能分类标准沿用IEC61784-2中建立的实时类别（RTC）分类体系，从RTC1至RTC5不等，分别对应不同的实时性能等级需求。RTC1代表最高级别的实时通信能力，通常对应硬实时同步通信场景；RTC5则对应对实时性要求相对较低的一般性工业通信场景。CPF14的通信配置文件针对不同的应用需求定义了相应的实时性能等级。（4）一致性测试要求为保证不同厂商设备的互操作性，标准对各通信配置文件的协议实现提出了一致性测试要求。一致性测试包括协议参数验证、通信行为验证和性能指标测试等若干层次，涉及测试场景、测试流程、合格判据等内容。2.3标准的技术特征相较于IEC61784-2早期版本中已有的CPF14通信配置文件，IEC61784-2-14:2023定义的附加配置文件在技术上具有以下特征：-增强的实时性能：对时延、抖动、同步精度等关键实时指标提出更严格的要求和更精确的定义，以满足高端运动控制等对时间敏感应用的需求；-增强的灵活性与可扩展性：在保持与既有CPF14实现兼容的基础上，对网络拓扑、设备数量、数据交换模式等参数进行了扩展，增强了标准对不同规模和复杂度应用场景的适配能力；-优化的资源利用效率：对协议栈进行优化，降低了CPU占用率、内存占用和网络带宽消耗，有利于在资源受限的嵌入式系统中实现实时通信功能。3标准的制定过程3.1国际标准制定程序IEC61784-2-14:2023按照IEC标准制定的规范性程序开展，整个过程包括以下主要阶段：-提案阶段（NWIP）：由相关国家委员会或技术组织提出新工作项目提案，明确标准的范围、目的和技术内容框架；-准备阶段（WD）：成立工作组或项目团队，起草工作草案（WorkingDraft），对标准的技术内容进行初步设计；-委员会阶段（CD）：将委员会草案（CommitteeDraft）分发给各成员国国家委员会征求意见，汇总和讨论反馈意见，形成委员会草案投票版（CDV）；-询问阶段（CDV）：对委员会草案投票版进行正式投票，各成员国国家委员会投票并提交技术意见；-批准阶段（FDIS）：将最终国际标准草案（FDIS）提交各成员国进行最终投票；-出版阶段：经批准后，由IEC中央办公室正式排版出版。3.2技术内容的讨论与完善在IEC61784-2-14:2023的制定过程中，IEC/TC65/SC65C围绕标准的多个关键技术议题进行了深入讨论，主要包括：与既有CPF14配置文件的兼容性设计、实时性能等级的划分方式、一致性测试方法的技术路线等。各国国家委员会在讨论中充分发表了各自的技术观点和产业立场，经多轮协商和技术修订，最终就标准的技术内容达成共识。标准的发布代表了国际工业通信领域在实时以太网技术标准化方面的最新成果。4标准的主要参与单位4.1IEC/TC65/SC65C——工业网络分技术委员会IEC61784-2-14:2023的核心技术归口单位是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）下设的工业网络分技术委员会（SC65C）。SC65C负责工业通信网络领域的国际标准化工作，其工作范围涵盖工业通信系统的体系结构、通信协议、网络安全、功能安全等方面。SC65C的成立可以追溯到20世纪90年代初期。随着现场总线技术在国际范围内的迅速发展，对统一的工业通信标准的需求日益迫切。在此背景下，IEC/TC65于1995年前后批准成立SC65C分技术委员会，专门负责工业通信网络的标准化工作。首任主席和秘书处分别由北美和欧洲的专家承担，这种国际化的工作机制为SC65C制定具有全球适用性的工业通信标准奠定了组织基础。SC65C下辖多个工作组（WorkingGroup,WG）和项目团队（ProjectTeam,PT），分别负责不同方向的标准制定工作。其中与IEC61784系列标准密切相关的主要包括：负责工业通信配置文件标准的WG10工作组（实时以太网和通信配置文件工作组）、负责功能安全通信的WG12工作组、负责网络安全行规的WG13工作组、负责工业无线通信的WG16工作组和负责TSN（时间敏感网络）应用的WG17工作组等。各工作组由来自各国标准化机构、行业组织、科研机构和企业的专家组成，按照IEC导则规定的程序开展标准制定工作。在IEC61784-2-14:2023的制定过程中，SC65C充分调动了各成员国的技术资源，组织了多轮技术研讨会和专家评审会议，对该标准的技术方案进行了充分的论证和完善。来自德国、美国、日本、中国、法国、韩国等主要工业国家的专家积极参与了标准的制定工作，从不同角度提出了技术建议和修改意见。4.2其他参与和贡献单位除IEC/TC65/SC65C外，IEC61784-2-14:2023的制定还得到了多方面的技术支持和贡献。IEC/TC65/SC65C与IEC/TC65/SC65A（系统方面）、IEC/TC65/SC65B（测量和控制设备）等兄弟分技术委员会保持密切的技术协调，确保标准与工业自动化其他方面标准的协调一致性。此外，ISO/IECJTC1/SC25（信息技术设备互连分技术委员会）等机构也在相关接口标准化方面提供了协作支持。在产业界，多家国际知名的工业自动化企业和行业组织在标准制定过程中发挥了重要的推动作用，包括西门子、罗克韦尔自动化、倍福、博世力士乐、三菱电机等，以及PI（PROFIBUS&PROFINETInternational）、ETG（EtherCATTechnologyGroup）、ODVA（OpenDeviceNetVendorsAssociation）等行业组织。这些企业和组织贡献了各自的技术积累和工程实践经验，为标准的技术内容提供了坚实的产业支撑。5标准与相关标准的关系5.1在IEC61784标准家族中的定位IEC61784-2-14:2023是IEC61784-2标准体系下CPF14的组成部分，是该家族标准的最新扩展。在IEC61784-2的整体框架中，CPF14的配置文件与CPF1至CPF18等各配置文件族相互独立、互为补充，各自针对不同的实时以太网技术进行定义和规范。需要指出的是，IEC61784标准家族的各组成部分之间保持着紧密的逻辑关联。IEC61784-2-14:2023作为配置文件标准，与IEC61784-3（功能安全通信行规）、IEC61784-4（网络安全行规）及IEC61784-5（安装指南）共同构成了完整的工业通信标准体系。在实际应用中，设备需同时满足配置文件标准、功能安全标准、网络安全标准及安装规范的多重要求。5.2与底层以太网标准的关系ISO/IEC/IEEE8802-3是IEC61784-2系列标准所依赖的基础通信标准。ISO/IEC/IEEE8802-3即国际标准化的以太网标准（与IEEE802.3等效），规定了有线以太网的物理层和数据链路层规范。IEC61784-2-14:2023在8802-3定义的以太网通信基础上，通过添加实时通信扩展机制，实现了兼具标准以太网开放性与工业实时通信确定性的统一通信架构。5.3与上层应用标准的关系在标准体系架构中，IEC61784-2-14:2023处于通信协议栈的中间层次，向上支撑IEC61804（功能块应用过程）、IEC62443（工业通信网络安全）等应用层标准，向下依托ISO/IEC/IEEE8802-3以太网标准，形成了从物理传输到工业应用的完整标准链条。6标准的应用价值与发展趋势6.1应用价值IEC61784-2-14:2023的发布和推广应用具有多重价值：（1）促进互操作性与产业生态建设。通过统一的通信配置文件定义，使不同厂商的设备和系统能够在同一网络中实现互操作，有效降低系统集成的技术门槛和工程成本。这有助于打破技术壁垒，构建开放、多元的产业生态环境。（2）为智能制造提供通信基础设施支撑。智能制造对工业通信提出了更高的实时性、灵活性、安全性要求，IEC61784-2-14:2023通过提供丰富的实时通信配置文件选择，为不同智能制造应用场景提供了差异化的通信技术方案。（3）支撑工业互联网发展。工业互联网强调IT与OT的深度融合，基于以太网的实时通信技术是实现这种融合的关键桥梁。IEC61784-2-14:2023所定义