IEC 61158-22023 工业通信网络.现场总线规范.第2部分物理层规范和服务定义标准立项发展报告

工业通信网络现场总线规范第2部分：物理层规范和服务定义标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part2:Physicallayerspecificationandservicedefinition摘要随着工业4.0、智能制造和工业物联网（IIoT）的快速推进，工业通信网络作为实现设备互联互通和数据高效传输的核心基础设施，其标准化工作的重要性日益凸显。IEC61158系列标准作为工业现场总线领域的国际基础性标准，为各类工业自动化系统的通信互联提供了统一的技术框架和规范依据。本报告围绕IEC61158-2:2023《工业通信网络现场总线规范第2部分：物理层规范和服务定义》的立项背景、技术内容、修订历程及产业应用价值展开系统论述。该标准由国际电工委员会（IEC）工业过程测量、控制和自动化技术委员会（IEC/TC65）归口管理，于2023年3月正式发布，取代IEC61158-2:2014版本。新版标准在物理层传输介质、信号编码方式、传输速率等级、介质访问控制机制及物理层服务接口等方面进行了全面修订与技术更新，充分适配工业以太网、时间敏感网络（TSN）及无线通信等新型传输技术的融合需求。本报告详细介绍了标准的技术框架、主要修订内容以及国内主要参与单位——机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI）在标准转化和试验验证方面所作的工作，并对该标准未来在智能制造和工业互联网领域的应用前景进行了展望。关键词：工业通信网络；现场总线；物理层规范；IEC61158；智能制造；工业物联网；标准国际化AbstractWiththerapidadvancementofIndustry4.0,intelligentmanufacturing,andtheIndustrialInternetofThings(IIoT),thestandardizationofindustrialcommunicationnetworkshasbecomeincreasinglycriticalasthecoreinfrastructurefordeviceinterconnectionandefficientdatatransmission.TheIEC61158series,asthefundamentalinternationalstandardforindustrialfieldbus,providesaunifiedtechnicalframeworkandspecificationbasisforcommunicationinterconnectionacrossvariousindustrialautomationsystems.Thisreportsystematicallyelaboratesontheprojectbackground,technicalcontent,revisionhistory,andindustrialapplicationvalueofIEC61158-2:2023,"Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part2:Physicallayerspecificationandservicedefinition."ThestandardisadministeredbySubcommittee65CoftheInternationalElectrotechnicalCommission(IEC/TC65)andwasofficiallyreleasedinMarch2023,supersedingtheIEC61158-2:2014edition.Theneweditionincorporatescomprehensiverevisionsandtechnicalupdatesregardingphysicallayertransmissionmedia,signalencodingmethods,transmissionrateclassifications,mediumaccesscontrolmechanisms,andphysicallayerserviceinterfaces,fullyaccommodatingtheintegrationofemergingtransmissiontechnologiessuchasindustrialEthernet,Time-SensitiveNetworking(TSN),andwirelesscommunications.Thisreportprovidesadetailedintroductiontothestandard'stechnicalframework,keyrevisions,andthecontributionsoftheprimarydomesticparticipatinginstitution—theInstrumentationTechnologyandEconomyInstitute(ITEI)—instandardtransformationandexperimentalverification,whilealsopresentingprospectsforthestandard'sfutureapplicationinintelligentmanufacturingandtheIndustrialInternet.Keywords:Industrialcommunicationnetworks;Fieldbus;Physicallayerspecification;IEC61158;Intelligentmanufacturing;IndustrialInternetofThings;Standardizationinternationalization一、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，承担着现场设备、控制系统与企业管理层之间的数据传输与信息交互任务。随着工业制造模式的深刻变革，以工业4.0、中国制造2025为代表的智能制造战略对工业通信网络的实时性、确定性、可靠性和安全性提出了更高要求。现场总线技术作为工业通信网络的重要组成部分，经历了从专用封闭协议向开放标准演进的长期发展历程，其物理层规范的统一与完善是保障异构系统互操作的基础前提。IEC61158标准是由国际电工委员会（IEC）下设的工业过程测量、控制和自动化技术委员会（IEC/TC65）组织制定的现场总线国际标准系列，是世界上覆盖面最广、影响力最大的工业通信基础标准之一。其中，IEC61158-2规定了现场总线物理层的全部技术要素，包括传输介质特性、信号波形、编码方式、传输速率、拓扑结构以及物理层与数据链路层之间的服务接口等关键内容，是整个标准体系中技术含量最高、产业影响最直接的组成部分。1.2标准基本信息本标准系IEC61158-2:2023版本，属于IEC61158《工业通信网络现场总线规范》系列标准的第2部分。其完整信息如下：-标准编号：IEC61158-2:2023-英文名称：Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part2:Physicallayerspecificationandservicedefinition-中文名称：工业通信网络现场总线规范第2部分：物理层规范和服务定义-发布机构：国际电工委员会（IEC）-ICS分类号：25.040.40（信息技术在工业中的应用）-发布日期：2023年3月9日-标准状态：现行有效-语言版本：英语、法语-替代关系：替代IEC61158-2:2014版本二、标准的技术框架与主要内容2.1标准的适用范围IEC61158-2:2023规定了工业通信网络中现场总线物理层的总体技术要求，适用于工业自动化领域中各类现场总线系统的物理层设计、实现、测试和互操作验证。该标准不仅覆盖传统的有线现场总线（如基金会现场总线FFH1、ProfibusPA等），还扩展至工业以太网物理层（如EtherNet/IP、PROFINET、EtherCAT等）以及时间敏感网络（TSN）在工业场景中的应用。其适用范围涵盖工厂自动化、过程自动化、电力能源、交通运输、楼宇自控等众多行业领域，为工业通信网络的物理层互连提供统一的技术依据。2.2物理层架构模型标准基于ISO/IEC7498开放系统互连（OSI）参考模型，将物理层划分为物理层管理实体（PLME）和物理层服务访问点（PH-SAP）等核心功能模块。物理层位于OSI模型的最底层，直接面向物理传输介质，负责为数据链路层提供透明、可靠的比特传输服务。标准详细定义了物理层与数据链路层之间的服务接口关系，包括数据服务与管理服务的功能划分、原语交互流程及服务参数定义。在物理层内部架构上，标准引入了物理层信令（PLS）、物理介质连接（PMA）和介质相关子层（MDI）的分层设计理念。物理层信令子层负责比特编码/解码、同步定时和线路状态监测；物理介质连接子层承担信号驱动、接收放大和电气隔离等功能；介质相关子层则定义具体的连接器类型、电缆规格和拓扑布线规则。该分层架构为不同传输介质和技术方案的灵活组合提供了可扩展的设计框架。2.3传输介质与信号特性IEC61158-2:2023对物理层传输介质的规定涵盖屏蔽双绞线、同轴电缆、光纤等多种类型，并对各类介质的电气参数、传输距离、拓扑结构和接地要求进行了明确规定。标准详细规定了以下关键技术参数：在传输速率方面，标准定义了从31.25kbit/s到100Mbit/s以上多个速率等级，以适应不同应用场景对带宽和距离的不同需求。低速等级（如31.25kbit/s）适用于过程自动化中长距离、低功耗的现场仪表连接；高速等级（如100Mbit/s）则满足工厂自动化中高吞吐量、低时延的数据传输需求。各速率等级对应的电缆类型、最大网段长度、分支规则和终端阻抗等参数均给出了明确的量化指标。在信号编码方面，标准规定了多种线路编码方案，包括曼彻斯特编码、NRZ编码和4B/5B编码等。其中，曼彻斯特编码因其良好的自同步特性和无直流分量特性，被广泛应用于低速现场总线（如FFH1）；而高速工业以太网物理层则普遍采用MLT-3或PAM-5等高效编码方案。标准对每种编码方式的码元速率、信号电平、上升/下降时间及抖动容限等技术指标进行了精确界定，确保不同厂商设备的物理层信号具有良好的兼容性。2.4与IEC61158-2:2014相比的主要变化IEC61158-2:2023是在IEC61158-2:2014基础上的全面修订和升级。相较于前一版本，新版标准在以下方面进行了重大技术调整和补充：第一，扩展了高速物理层规范。新版标准增加了针对工业以太网100Mbit/s及以上速率传输的物理层技术要求，补充了以太网供电（PoE）与数据传输的共存规范，并首次将时间敏感网络（TSN）对物理层的额外约束（如同步精度、时延抖动的物理层预算）纳入标准体系。第二，强化了物理层安全要求。针对工业控制系统的安全威胁日益突出的现实，新版本增加了物理层安全机制的指导性内容，包括端口鉴权、物理层加密和异常信号检测等安全功能的规范建议，填补了原标准在物理层安全方面的空白。第三，完善了物理层测试一致性要求。新版标准对物理层一致性测试的测试条件、测量方法、合格判据和测试报告格式进行了更加系统化的规定，增加了信号质量评估的新指标（如眼图模板、误码率测试的统计方法等），为设备认证和系统验收提供了更为严谨的技术依据。第四，新增了节能与绿色设计导则。标准新增了物理层器件的功耗分级、低功耗模式的实现要求以及传输介质的环境友好性评估建议，回应了全球工业领域对绿色制造和可持续发展的关注。2.5物理层服务定义标准的另一核心技术内容是物理层服务定义。物理层服务是指物理层向其上层（数据链路层）提供的功能服务，通常以服务原语的形式进行形式化描述。IEC61158-2:2023定义了以下主要服务原语组：-数据服务原语：包括PH-DATA.request（请求发送数据）、PH-DATA.indication（指示接收数据）和PH-DATA.confirm（确认数据发送结果），用于支持数据链路层与物理层之间的数据单元透明传输。-管理服务原语：包括PH-STATUS.request/indication（状态查询与报告）、PH-ENABLE.request/indication（使能/禁用物理层功能）和PH-SETVALUE.request/confirm（设置物理层参数），用于支持物理层的工作状态管理、故障诊断和参数配置。服务定义采用抽象语法表示，不依赖具体的编程语言或操作系统平台，使得不同厂商的协议栈实现能够基于统一的服务接口进行互操作。标准还明确了服务原语的时序关系和参数语义，为零配置即插即用（Plug-and-Play）的工业设备部署提供了物理层层面的协议基础。三、标准立项的意义与产业影响3.1促进工业通信网络的互联互通当前工业自动化现场呈现出多种总线协议并存的格局，不同制造商设备之间的互操作性问题一直是制约系统集成效率的主要瓶颈。IEC61158-2:2023通过统一物理层规范，使得符合标准的设备能够在同一传输介质上协同工作，从根本上降低了系统集成的技术门槛和工程成本。制造企业在设备选型、系统升级和运维管理方面不再受制于单一供应商的专有物理层方案，从而获得更大的技术选择自由度。3.2支撑智能制造和工业互联网发展智能制造的核心特征之一是信息深度自感知、智慧优化自决策和精准控制自执行，这些功能的实现均依赖于高可靠、确定性的工业通信网络作为传输基础设施。IEC61158-2:2023中新增的高速物理层规范和TSN相关技术要求，直接服务于工业互联网场景下的实时数据采集、云端协同控制和远程运维等应用需求。标准中确定的物理层性能指标和一致性测试方法，为工业网络的质量评估和性能验证提供了权威的技术标尺。作为一项基础性国际标准，IEC61158-2:2023对我国工业通信设备制造业的发展具有重要的引领作用。国家标准委高度重视该项国际标准的转化工作，已将其纳入重点标准转化计划。通过将国际标准转化为国家标准，能够促进国内工业通信设备厂商在设计开发、产品测试和市场准入等环节与国际接轨，提升国产设备的国际竞争力和市场认可度。同时，积极参与国际标准修订工作也为我国在该领域从“跟随者”向“引领者”转变提供了重要的平台和契机。四、主要参与单位介绍4.1机械工业仪器仪表综合技术经济研究所在IEC61158-2:2023标准的研究与转化过程中，机械工业仪器仪表综合技术经济研究所（ITEI，以下简称“仪综所”）扮演了极为关键的角色。仪综所是直属于国务院国资委的大型综合性科研机构，长期承担工业自动化与仪器仪表领域的标准化研究、试验检测和技术咨询工作，是全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（SAC/TC124）的秘书处挂靠单位，也是IEC/TC65国内技术对口单位的依托机构。在IEC61158-2:2023标准制修订工作中，仪综所组织国内相关企事业单位和科研院所，系统开展了对国际标准草案的研究论证和意见反馈工作。其团队基于我国工业现场的实测数据和产业需求，针对标准中高速物理层的信号完整性要求、电磁兼容（EMC）指标以及环境适应性参数等内容，提出了多项具有工程实践价值的修订建议。部分建议已被国际标准采纳，体现了中国在工业通信标准化领域日益增强的技术话语权。此外，仪综所还承担着IEC61158-2:2023国家标准转化的具体编制工作。其下属的工业通信网络实验室配备了先进的物理层一致性测试平台，包括高速示波器、误码率测试仪、网络协议分析仪和电磁兼容测试系统等设备，能够对符合标准的设备开展全面的物理层参数测试和一致性验证。实验室已为国内外数十家主流工业通信设备制造商提供过标准符合性检测服务，是该领域国内权威的第三方检测机构。4.2其他参与单位除仪综所外，本标准在国内的转化研究还得到了多家高校、科研院所和企业的大力支持，包括中国科学院沈阳自动化研究所、北京科技大学、上海自动化仪表有限公司、浙江中控技术股份有限公司等。各单位依托各自的专业优势，分别在标准验证、技术研发和应用示范等方面作出了积极贡献。五、结论与展望IEC61158-2:2023《工业通信网络现场总线规范第2部分：物理层规范和服务定义》的发布，是全球工业通信领域标准化进程中的重要里程碑。新版标准在继承既有技术成果的基础上，充分融入了工业以太网、时间敏感网络、功能安全和物理层安全等前沿技术要素，为工业通信网络的物理层互连提供了与时俱进的技术规范。从标准内容上看，IEC61158-2:2023在传输速率的全覆盖、TSN适配、物理层安全、一致性测试及节能设计等方面的系统性修订，体现了国际标准对工业实际需求的敏锐把握和前瞻布局。该标准的实施将有效降低工业自动化系统集成的复杂度，提升设备互操作水平，为智能制造和工业互联网的规模化落地奠定坚实的物理层基础。从产业应用角度看，加快IEC61158-2:2023向国家标准、行业标准的转化应用，对提升我国工业通信设备的核心竞争力、保障国家工业信息安全、构建自主可控的工业互联网产业生态具有深远意义。建议国内相关企业加强物理层核心技术研发，积极参与标准符合性测试与认证，抢占新一代工业通信技术制高点。展望未来，随着5G+工业互联网、边缘计算和人工智能等新一代信息技术的深度渗透，工业通信网络的物理层技术将持续演进。可以预见，在IEC61158-2:2023奠定的开放、兼容、安全的物理层框架基础上，后续版本将在更高传输速率（如10Gbps以上）、更灵活的介质组合以及更智能的自适应配置方面取得突破。中国作为全球最大的工业自动化市场，必将在该领域的国际标准化进程中发挥更加重要的作用，为全球工业通信技术的创新发展贡献中国智慧和中国方案。参考文献[1]IEC61158-2:2023,Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part2:Physicallayer