IEC 61784-2-112023 工业网络.配置文件.第2-11部分基于ISOIECIEEE 8802-3-CPF 11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2-11部分：基于ISO/IEC/IEEE8802-3的附加实时现场总线配置文件（CPF11）标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:IndustrialNetworks-Profiles-Part2-11:AdditionalReal-timeFieldbusProfilesBasedonISO/IEC/IEEE8802-3(CPF11)摘要随着工业4.0、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要求不断提升。工业以太网凭借高带宽、低成本、易集成等优势逐步取代传统现场总线，成为工业网络的主流技术方向。然而，不同厂商的工业以太网协议在实时机制、拓扑结构、设备管理等方面存在显著差异，导致系统集成面临严峻的互操作性挑战。IEC61784-2标准簇正是为解决这一核心问题而制定的关键性国际标准体系。本报告围绕IEC61784-2-11:2023《工业网络配置文件第2-11部分：基于ISO/IEC/IEEE8802-3的附加实时现场总线配置文件（CPF11）》的立项背景、技术内容、标准结构和应用价值展开系统分析。该标准于2023年5月5日由国际电工委员会（IEC）正式发布，归口于IEC/SC65C（工业网络）分技术委员会，对应通信行规族（CPF）11，涵盖了基于ISO/IEC/IEEE8802-3（以太网）的多种附加实时通信行规。标准明确了各通信行规的实时等级划分、性能指标、一致性测试要求以及与OSI参考模型的映射关系，为工业自动化系统中异构实时网络的规划、选型和集成提供了权威技术依据。本报告同时介绍了标准的主要参与单位和归口技术委员会——IEC/TC65/SC65C的组织架构和工作机制，并对标准的行业应用现状和未来发展方向进行了展望。关键词：工业网络；配置文件；实时现场总线；IEC61784-2；通信行规族；工业以太网；互操作性Keywords:IndustrialNetworks;Profiles;Real-timeFieldbus;IEC61784-2;CommunicationProfileFamily;IndustrialEthernet;Interoperability1.引言1.1立项背景工业通信网络是现代制造业信息化的基础设施，其性能直接决定了自动化系统的控制精度、响应速度与协同能力。从20世纪80年代起，以PROFIBUS、FOUNDATIONFieldbus、HART等为代表的传统现场总线技术长期占据主导地位。进入21世纪，以太网技术向工业领域快速渗透，催生了EtherNet/IP、PROFINET、EtherCAT、POWERLINK、SERCOSIII等众多工业以太网协议。这些协议在物理层均基于IEEE802.3以太网标准，但在数据链路层和应用层的实时调度机制上各自独立发展，形成了彼此隔离的技术生态。这种“百花齐放”的格局虽然促进了技术创新，却也造成严重的互操作性障碍——不同协议之间无法直接通信，用户在不同供应商设备之间切换面临高昂的适配成本。为此，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）自21世纪初便开始系统性地制定工业通信网络行规标准，旨在通过标准化的“配置文件”方式，对不同通信协议的技术特性进行统一描述和等级划分，为系统设计提供技术指引。IEC61784-2标准作为该体系中的核心组成部分，定义了基于ISO/IEC/IEEE8802-3（即工业以太网）的附加实时现场总线配置文件。2010年前后发布的第一版涵盖了CPF1至CPF10等多个通信行规族，而随着EtherCAT、POWERLINK等新协议的持续演进和版本更新，原有的标准条款已无法完整覆盖新增的协议特性和实时性能等级，亟需补充和修订。在此背景下，IECTC65/SC65C于2018年前后正式启动IEC61784-2-11的立项工作，专门针对通信行规族CPF11所涉及的新增实时配置文件进行标准化。1.2标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|IEC61784-2-11:2023||英文名称|Industrialnetworks-Profiles-Part2-11:Additionalreal-timefieldbusprofilesbasedonISO/IEC/IEEE8802-3-CPF11||发布日期|2023年5月5日||发布机构|国际电工委员会（IEC）||归口分委会|IEC/SC65C（工业网络）||标准状态|现行||国别|国际组织||语言|英语、法语||分类号|25.040（工业自动化系统）、35.100（开放系统互连）||ICS分类|25.040.40（工业过程的测量和控制）、35.100.05（多层应用）|1.3标准体系架构IEC61784-2-11是IEC61784-2标准簇的分部分标准。IEC61784-2的整体架构为：-IEC61784-1：基于传统现场总线的通信行规（如PROFIBUS、FOUNDATIONFieldbus等）-IEC61784-2：基于ISO/IEC/IEEE8802-3的附加实时现场总线行规-IEC61784-3：功能安全通信行规-IEC61784-4：系统安全通信行规-IEC61784-5：安装行规其中，IEC61784-2按通信行规族（CPF，CommunicationProfileFamily）进一步分解为多个分部分标准，IEC61784-2-11专门针对CPF11行规族。各部分之间的关系如图1所示。2.标准技术内容概述2.1适用范围IEC61784-2-11:2023规定了基于ISO/IEC/IEEE8802-3的附加实时现场总线配置文件，适用于自动化领域的以下应用场景：-运动控制和驱动系统-离散制造业的实时通信-过程工业的实时数据采集和监控-分布式I/O系统-机器人和数控系统-其它对时间确定性有严格要求的工业应用该标准的适用对象包括工业以太网设备制造商、系统集成商、自动化工程项目设计单位、测试认证机构以及最终用户。2.2规范性引用文件IEC61784-2-11:2023主要引用了以下关键文件：-ISO/IEC/IEEE8802-3:2021：信息技术—系统间电信与信息交换—局域网/城域网—第3部分：CSMA/CD访问方法和物理层规范（即以太网标准）-IEC61784-2:2019：工业网络—配置文件—第2部分：基于ISO/IEC/IEEE8802-3的附加实时现场总线配置文件（基础标准）-IEC61158系列：工业通信网络—现场总线规范-IEC61784-3：工业网络—配置文件—第3部分：功能安全通信行规-IEC61918：工业通信网络—工业自动化系统的安装2.3核心技术内容2.3.1通信行规族CPF11的体系结构CPF11通信行规族涵盖了基于以太网技术的多种实时通信方案。IEC61784-2-11对这些行规进行了系统分类和编号，每种行规（CP，CommunicationProfile）对应一组特定的协议栈、实时调度机制和性能参数。该行规族的设计充分考虑了不同应用场景对实时性的差异化需求，将行规划分为多个实时等级（RTA，Real-TimeClass），从基础性的实时通信到高精度的同步运动控制，形成了层级分明的性能谱系。2.3.2实时等级划分IEC61784-2-11延续了IEC61784-2中建立的实时等级（RTA等级）体系，在CPF11中对各通信行规的实时能力进行了明确定级。典型等级划分如下：-RTA1：软实时通信，适用于周期性的过程数据交换，允许较小的通信抖动，但不强制要求硬性时间确定性-RTA2：硬实时通信，具备确定的通信延迟，适用于对响应时间有明确上限要求的控制应用-RTA3：等时同步通信，适用于多轴运动控制等必须精确同步的应用，节点间时间同步精度需达到亚微秒级-RTA4：高精度同步通信，在RTA3的基础上进一步强化同步精度和带宽保障，满足高端伺服驱动和复杂运动规划对时间确定性的极端要求2.3.3通信性能指标标准对各通信行规的关键性能指标进行了详细规定，包括但不限于以下方面：-最小循环时间：通信调度周期的最小允许值-吞吐量：数据链路的有效数据传输速率-节点数量：单网段或单网络支持的最大通信节点数-时间同步精度：网络中不同节点之间的时钟同步误差范围-通信抖动：报文传输延迟的最大波动范围-非实时流量带宽占比：在满足实时通信前提下的非实时数据可用带宽比例2.3.4与OSI参考模型的映射IEC61784-2-11对CPF11中各通信行规对应的协议栈进行了精确的OSI七层模型映射，明确了每一层所采用的协议和接口规范。该映射关系涵盖了物理层（基于IEEE802.3的传输介质、速率和接口形式）、数据链路层（实时调度、时间同步和帧格式扩展）以及应用层（对象模型、服务接口和通信行规）。这种标准化的映射方式为不同行规之间的技术比较和系统集成提供了统一的参照框架。2.3.5一致性测试要求为确保设备间的互操作性，IEC61784-2-11规定了通信行规的一致性测试要求和验证方法。标准明确了设备实现所必须满足的强制性技术参数和可选功能特性，并提供了测试用例的编制原则和测试环境的搭建要求。符合性测试是设备获得行规认证、实现跨厂商互操作的前提条件。3.标准制定过程与参与单位3.1标准制定历程IEC61784-2-11的制定过程遵循了IEC标准开发的完整程序，主要经历了以下阶段：-新工作项目提案（NP）阶段：由德国国家委员会牵头提交新工作项目提案，经SC65C投票通过后正式立项（约2018年）-工作草案（WD）阶段：成立项目组（ProjectTeam），起草标准工作草案-委员会草案（CD）阶段：在SC65C内部征求意见并进行技术讨论（约2020年）-国际标准草案（DIS）阶段：提交各国家委员会进行投票和评论（约2021-2022年）-最终国际标准草案（FDIS）阶段：通过最终表决（约2022年底至2023年初）-正式发布：2023年5月5日正式颁布3.2主要参与标准化组织3.2.1IEC/TC65/SC65C组织结构IEC61784-2-11由国际电工委员会（IEC）下属的工业过程测量、控制和自动化技术委员会（TC65）中的工业网络分技术委员会（SC65C）负责归口管理。SC65C成立于1999年，其前身可追溯至TC65下属的现场总线工作组。SC65C的秘书处由法国（AFNOR）承担，主席国由德国委任。SC65C负责工业通信网络领域的标准化工作，涵盖以下方面：-工业通信网络的体系结构、协议和接口-现场总线、工业以太网和无线通信技术的标准化-通信行规、功能安全和系统安全的通信相关标准-工业网络的安装、调试和维护规范SC65C下设多个工作组（WorkingGroup）和项目组，其中负责IEC61784系列标准维护的是WG11（行规工作组）和WG16（实时以太网工作组）。WG16主要负责IEC61784-2系列标准的维护和修订工作，该工作组汇集了来自全球工业通信领域的专家，包括主要工业以太网技术持有方的技术代表、学术研究人员以及最终用户代表。3.2.2主要贡献单位以德国西门子公司（SiemensAG）为代表的多家国际工业自动化领军企业在IEC61784-2-11的制定过程中发挥了关键作用。此外，来自德国的倍福自动化、皮尔磁公司、来自日本的欧姆龙公司和三菱电机、来自美国的罗克韦尔自动化等企业也派出了技术专家深度参与标准起草。这些企业不仅是工业网络技术的核心持有者，也是CPF11行规族相关技术的原始开发者和主要推广者。4.标准应用与行业意义4.1标准的技术价值IEC61784-2-11:2023的发布对于工业通信领域具有多重技术价值：（1）统一性能参照体系：标准将CPF11行规族中各通信行规的技术参数统一纳入IEC61784-2的基础框架，使不同技术方案能够在共同的维度和指标下进行公平比较，为系统设计选型提供了客观依据。（2）促进互操作性实现：通过精确的协议栈定义和一致性测试要求，标准为不同厂商的设备实现提供了统一的“技术标尺”，从根本上降低了多供应商环境下系统集成的技术壁垒。（3）支持工程规划与设计：标准中关于实时等级划分、拓扑结构和性能指标的规定，为工程师进行工业以太网系统规划提供了清晰的设计指南，有助于避免因实时能力不足或过度设计而导致的项目风险或成本浪费。4.2标准与相关政策法规的协同IEC61784-2-11:2023的发布实施与中国在智能制造领域的战略部署密切相关。国家《“十四五”智能制造发展规划》明确提出要“突破新型工业网络关键技术和装备”，“构建具备实时性、确定性、安全性的工业网络基础设施”。国家标准委发布的《智能制造标准体系建设指南》也将工业通信网络列为重要的标准方向，其中明确要求“优先采用国际标准，加快转化IEC61784等关键国际标准”。这一政策导向为IEC61784-2-11在我国的推广和应用奠定了政策基础。在国际层面，IEC61784-2-11与其他IEC标准共同构成了智能制造国际标准体系的重要基石，支撑了《工业互联网体系架构》等参考架构中网络层的标准化需求，体现了标准体系建设的系统性和协同性。4.3面向行业用户的应用指导IEC61784-2-11:2023为行业用户在以下方面提供具体指导：-设备选型：依据标准中规定的性能指标，根据应用场景的实时性需求选择匹配的通信行规和设备-网络规划：参考标准的拓扑结构规定和技术参数，规划网络架构、确定网络规模并合理预留扩展能力-系统集成：利用标准的互操作性框架，实现不同厂商设备的混合组网-验证验收：参照标准的一致性测试要求，建立系统验收的技术依据4.4标准的发展前景随着工业通信技术向更高带宽、更低时延和更强确定性方向的持续演进（如TSN技术的深入应用），IEC61784-2系列标准将继续迭代更新。CPF11行规族也在积极融合时间敏感网络技术，未来的新版本将进一步完善TSN与既有实时机制的协同标准。SC65C技术委员会也表示，将持续推进IEC61784-2-11的维护和修订工作，确保其与IEC61158、IEC61784-3等相关标准保持同步演进，不断满足智能制造对工业网络的新需求。5.结论参考文献[1]IEC61784-2-11:2023,Industrialnetworks-