IEC 61158-12023 工业通信网络.现场总线规范.第1部分IEC 61158和IEC 61784系列的概述和指南标准立项发展报告

工业通信网络现场总线规范第1部分：IEC61158和IEC61784系列的概述和指南标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part1:OverviewandguidancefortheIEC61158andIEC61784series摘要工业通信网络作为智能制造与工业自动化系统的神经中枢，其标准化工作历来受到国际社会的高度重视。国际电工委员会（IEC）发布的IEC61158系列标准是全球工业通信领域最具权威性和影响力的基础性标准之一。本报告围绕IEC61158-1:2023《工业通信网络现场总线规范第1部分：IEC61158和IEC61784系列的概述和指南》的立项背景、技术框架、修订历程与应用价值展开系统论述。报告首先梳理了IEC61158系列标准从多协议并存到兼容整合的演进脉络，进而剖析了第1部分作为系列标准“总纲”所承担的术语统一、体系架构界定、协议选型指导及配套标准关联等核心功能。在此基础上，报告详细解读了2023版相较既往版本在技术内容、结构编排与前瞻性布局方面的主要更新，特别是在工业以太网与现场总线融合、时间敏感网络（TSN）、信息安全以及对IEC61784子系列（如CPFprofiles）的衔接协调等方面所作出的适应性调整。报告还介绍了主要参与单位及其贡献，并对该标准的未来发展趋势进行了展望。本报告旨在为我国工业自动化领域的技术人员、标准化工作者及产业决策者提供系统、深入的标准解读与立项参考。关键词：工业通信网络；现场总线；IEC61158；IEC61784；标准化；智能制造；工业以太网Keywords:Industrialcommunicationnetworks;Fieldbus;IEC61158;IEC61784;Standardization;Smartmanufacturing;IndustrialEthernet1引言1.1研究背景自20世纪80年代以来，现场总线技术作为连接工业现场设备与上层控制系统的关键纽带，经历了从群雄并起到逐步整合的漫长发展历程。由于历史和技术路线差异，全球范围内曾经涌现出数十种互不兼容的现场总线协议，如Profibus、FOUNDATIONFieldbus、HART、CANopen、DeviceNet、CC-Link等，造成了“多标准即无标准”的困境，严重制约了工业自动化系统的互联互通与互操作。为解决这一全球性难题，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IEC61158系列标准的制定工作，旨在为各类现场总线提供一套统一的、结构化的规范框架。1.2标准定位与意义IEC61158-1是IEC61158系列标准的第1部分，其定位并非规定某一具体总线协议的技术细节，而是为整个IEC61158和IEC61784系列提供概述性指导和总体性框架。它相当于该系列标准的“总纲”或“导读”，在标准体系中发挥着提纲挈领、统揽全局的关键作用。对于标准使用者而言，IEC61158-1是进入庞大而复杂的工业通信标准体系的“门户”和“导航图”。2标准立项背景与需求分析2.1国际标准化环境工业通信标准的制定与国际制造业的转型升级密切相关。随着工业4.0、智能制造等理念的深入推进，工业通信网络正朝着高带宽、低时延、高可靠、强实时的方向持续演进，这对标准的体系化、模块化和可扩展性提出了更高要求。IEC61158系列的持续修订正是对这一技术趋势的积极回应。2.2系列标准整合的历史需求IEC61158系列标准的制定经历了艰难的整合过程。早期版本曾试图强行统一所有现场总线技术，但因各方利益和技术分歧而未能如愿。后经折中与创新，该系列标准采用了“多类型”（MultipleTypes）的并行框架结构，允许多种协议以“类型”的形式共存于一个标准系列之中，而IEC61158-1则承担着协调各“类型”之间关系、阐明共性概念、提供选择指南的重任。2.3技术演进对标准修订的驱动随着工业以太网技术的成熟和广泛应用，传统现场总线逐步向工业以太网方向迁移。与此同时，时间敏感网络（TSN）作为下一代工业通信的重要基础技术，正在深刻改变工业网络的架构理念。IEC61158-1:2023的修订立项正是为了适应上述技术变革，为工业以太网、TSN等新技术提供更清晰的定位与指南。3标准主要内容与技术框架3.1标准适用范围与定位IEC61158-1:2023明确规定了该标准的适用范围，即为IEC61158系列（现场总线规范）和IEC61784系列（用于工业控制系统的通信行规）提供概述和指南。具体而言，该标准：-解释了IEC61158和IEC61784系列各部分的组织结构及相互关系；-定义了贯穿系列标准的核心术语与概念；-描述了通信行规（CommunicationProfile）的概念及其与协议类型的对应关系；-为使用者如何根据应用需求选择合适的总线类型或通信行规提供指导；-说明了该系列标准与其他相关标准（如IEC61508功能安全、IEC62443信息安全等）的边界与衔接。3.2术语与定义的系统化作为系列标准的总纲，IEC61158-1:2023对一系列核心术语进行了系统化定义和统一规范，包括但不限于：现场总线（Fieldbus）、通信行规（CommunicationProfile，CP）、协议类型（Type）、数据链路层（DataLinkLayer，DLL）、应用层（ApplicationLayer，AL）、系统管理（SystemManagement）等。这些术语定义的一致性为整个系列标准的协调使用奠定了坚实基础。3.3体系架构与分层模型IEC61158-1:2023沿用并完善了基于OSI参考模型的分层架构思想，明确了现场总线协议栈中物理层、数据链路层和应用层的功能定位及相互接口关系。同时，该标准还引入或细化了与工业以太网、TSN相关的层次扩展模型，为新型通信技术融入既有体系提供了架构层面的指引。3.4与IEC61784系列的衔接IEC61784系列是IEC61158系列的重要配套标准，规定了通信行规（CPF，CommunicationProfileFamily），即将IEC61158中定义的各种协议类型组合为可用于实际工程的“行规”。IEC61158-1:2023清晰阐述了两大系列之间的映射关系和使用逻辑，指导用户如何从IEC61784中选择合适的通信行规以满足具体应用场景需求。4标准修订历程与版本演进4.1历史版本回顾IEC61158-1自首次发布以来，经历了多个版本的修订与完善：-早期版本（Ed.1.0）：确立了多类型并行框架的基本理念，为不同现场总线协议的共存提供了标准平台；-中期版本（Ed.2.0）：在工业以太网技术兴起的背景下，新增了基于以太网的协议类型，扩展了标准的覆盖面；-后续版本：持续在术语精确性、框架可读性、与配套标准的协调性等方面进行改进。4.2IEC61158-1:2023的主要更新2023版（Ed.4.0或后续版本）在继承前版框架的基础上，重点在以下方面进行了更新与完善：1.术语体系的现代化：引入或更新了与TSN、确定性网络（DetNet）、工业物联网（IIoT）等新技术相关的术语和概念；2.架构描述的更新：在分层模型中增加了对TSN机制（如802.1Qbv时间感知整形、802.1Qcc集中式配置等）的映射说明；3.与IEC61784系列协调的加强：重新梳理并清晰定义了通信行规的类别和选用方法，增补了新发布的CPF；4.信息安全相关指南：增加了如何结合IEC62443系列标准实施工业通信网络信息安全的指南性内容；5.可用性提升：优化了文本结构、图表和索引，使标准更便于非专业读者理解和使用。5主要参与单位与贡献5.1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（Industrial-ProcessMeasurement,ControlandAutomation）是负责制定工业过程测量、控制和自动化领域国际标准的专业技术委员会，下设多个分技术委员会（SC）和工作组（WG）。其中，SC65C（工业网络）直接负责IEC61158和IEC61784系列标准的维护与修订工作。在IEC61158-1:2023的修订过程中，IEC/TC65/SC65C发挥了核心组织作用。SC65C下设多个工作组各有专攻：-WG10：负责安全通信（SafetyCommunications）相关标准；-WG11：负责实时以太网（Real-timeEthernet）相关标准；-WG16：负责无线通信和网络共存；-WG17：负责工厂信息模型（FactoryInformationModel）等。不同国家committees和专家通过“国家委员会”（NationalCommittee）机制参与标准制定，这些来自德国、美国、日本、中国、法国、英国等制造业强国的专家在标准文本起草、技术方案论证、意见协调等方面贡献了专业智慧。5.2主要贡献单位——以德国电气电子行业协会（ZVEI）及西门子公司为例在IEC61158-1:2023的修订工作中，德国国家委员会及其行业组织发挥了举足轻重的作用。德国电气电子行业协会（ZVEI，ZentralverbandElektrotechnik-undElektronikindustriee.V.）作为德国电气电子行业的核心行业组织，长期深度参与IEC/TC65/SC65C的标准化工作。ZVEI是德国电气电子行业的核心行业协会，代表了西门子、菲尼克斯电气、倍福、库卡等众多全球知名企业在标准化领域的共同利益。在IEC61158系列标准修订中，ZVEI负责组织和协调德国专家的立场统一、技术方案预研和意见反馈工作，确保德国在工业通信领域的先进经验和技术路线能够充分体现在国际标准之中。在众多参与企业中，西门子公司（SiemensAG）是IEC61158-1:2023修订工作的关键贡献者之一。作为Profibus和Profinet技术的开创者与推动者，西门子将其在工业以太网和实时通信领域数十年的工程实践经验注入标准文本。西门子专家在以下方面发挥了重要作用：-Profinet与TSN融合技术方案的提出：西门子是工业TSN应用的主要倡导者之一，其专家团队在IEC61158-1:2023中积极推动将TSN机制纳入工业通信标准框架的技术路线；-通信行规架构的优化建议：基于Profinet行规在工程应用中的丰富实践，西门子专家对IEC61784-2中CPF的架构划分提出了优化建议；-标准化文本质量的系统性提升：西门子长期深度参与标准起草工作，在标准结构条理化、图表规范化及文本可读性改进方面投入了大量编辑力量。德国国家标准机构DIN（德国标准化协会）和DKE（德国电气、电子和信息技术委员会）在上述过程中发挥了组织协调与程序保障的枢纽作用，确保德国专家的意见能够以统一、高效的方式提交至IEC国际标准制定流程中。5.3中国参与情况中国作为IEC的正式成员，始终积极参与IEC61158系列的标准化工作。全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（SAC/TC124）组织国内相关科研院所和企业专家，持续跟踪并深度参与该系列标准的制修订工作。随着我国工业以太网技术（如EPA——EthernetforPlantAutomation）的发展，中国专家在标准中积极贡献具有自主知识产权的技术方案，提升了中国在工业通信国际标准化领域的话语权和影响力。6标准应用价值与实施建议6.1对技术研发的指导意义IEC61158-1:2023为工业通信产品的研发提供了清晰的架构蓝图。设备制造商和系统集成商可依据该标准准确把握系列标准各部分的功能定位和技术边界，从而在研发初期快速定位所需参考的具体标准分册，避免在纷繁复杂的标准文本中迷失方向。6.2对系统集成与工程选型的参考价值在工业通信网络系统规划和工程实施过程中，IEC61158-1:2023为用户提供了从应用需求出发选择合适现场总线或工业以太网协议的方法论指导。其提供的跨协议对比信息和选型决策框架，有助于工程技术人员降低选型风险、提升系统设计的科学性和前瞻性。6.3对标准化工作的启示IEC61158-1的持续修订经验表明，基础性框架标准在标准体系中的生命力关键在于其“稳定性中的演进性”——既要保持总体框架的长期稳定，又要为新技术预留充分的扩展空间。这一经验对我国工业通信领域标准体系建设具有重要借鉴意义。7结论与展望IEC61158-1:2023作为IEC61158和IEC61784系列标准的概述与指南，在工业通信网络标准体系中占据着不可替代的“总纲”地位。该标准的发布与实施，不仅为全球工业通信技术的规范化发展提供了基础性支撑，也为智能制造时代工业网络架构的演进指明了方向。展望未来，随着TSN技术的加速成熟、工业5G与工业互联网的深度融合，以及人工智能在工业自动化领域的广泛应用，IEC61158系列标准必将面临新一轮的技术挑战与修订需求。IEC61158-1作为系列标准的门户与指南，将持续扮演协调各方、引领方向的关键角色。对于我国而言，应进一步加强在IEC/TC65/SC65C框架下的实质性参与力度，积极贡献具有中国特色的技术方案和实践经验，推动工业通信网络国际标准体系朝着更加开放、包容、均衡的方向发展。同时，国内相关标准化技术组织应加快对IEC61158-1:2023的跟踪研究与转化应用，促进我国工业通信技术与国际先进水平的同步发展，为制造强国战略的实施提供坚实的标准化支撑。参考文献[1]IEC61158-1:2023,Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part1:OverviewandguidancefortheIEC61158andIEC