IEC 61784-2-192023 工业网络.配置文件.第2-19部分基于ISOIECIEEE 8802-3–CPF 19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2-19部分：基于ISO/IEC/IEEE8802-3–CPF19的附加实时现场总线配置文件标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Industrialnetworks-Profiles-Part2-19:Additionalreal-timefieldbusprofilesbasedonISO/IEC/IEEE8802-3–CPF19摘要随着工业自动化与智能制造技术的迅猛发展，工业网络对实时性、确定性与互操作性的要求日益严苛。现场总线技术作为工业控制系统数据传输的骨干，其标准化工作直接关系到工业互联网体系的建设质量与推进速度。在此背景下，国际电工委员会（IEC）于2023年3月7日正式发布了IEC61784-2-19:2023标准，该标准隶属于IEC61784-2系列，是基于ISO/IEC/IEEE8802-3（即工业以太网）的附加实时现场总线配置文件，旨在为工业网络提供更为高效、兼容性更强的实时通信解决方案。本报告系统梳理了该标准的立项背景、技术内容、制定过程及其对工业自动化发展的重要意义，并对标准实施应用前景进行了展望。报告指出，IEC61784-2-19:2023的发布填补了基于以太网技术的高实时性现场总线配置文件的若干空白，推动了工业通信协议从封闭走向开放、从专有走向标准化的进程，对促进全球智能制造和工业互联网的纵深发展具有重要的支撑作用。关键词：工业网络；现场总线；实时通信；配置文件；IEC61784；工业以太网Keywords:Industrialnetworks;Fieldbus;Real-timecommunication;Profile;IEC61784;IndustrialEthernet1引言1.1研究背景工业通信网络是现代工业自动化的神经系统，承担着现场设备、控制器与上位管理系统之间数据传输的关键任务。随着工业4.0、智能制造等概念的落地推进，工业网络不仅需要满足传统的确定性实时通信需求，还须适应大数据量传输、灵活组网以及跨厂商设备互操作等新要求。传统现场总线如PROFIBUS、Modbus等在长距离传输和实时性方面存在天然局限，而以以太网为基础的实时工业网络协议则应运而生并迅速普及。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）长期致力于工业网络标准化工作，其发布的IEC61784系列标准为工业通信子系统的行规（Profile）提供了统一规范。其中，IEC61784-2专注于基于ISO/IEC/IEEE8802-3的实时现场总线行规，通过定义通信行规族（CommunicationProfileFamily,CPF），规范不同厂商的实时以太网协议在应用层、数据链路层与物理层的具体实现要求。1.2标准立项的必要性尽管IEC61784-2系列已包含多个通信行规族（CPF1至CPF18），但随着工业应用场景的持续扩展——如运动控制、机器人协同、分布式IO等对同步精度和响应时间要求极高的场景不断涌现——现有行规已难以全面覆盖新出现的需求。为此，IEC/TC65SC65C工作组启动了基于ISO/IEC/IEEE8802-3的新增实时现场总线行规的研制工作，最终形成了IEC61784-2-19:2023，该标准定义了新的通信行规族CPF19，为工业以太网实时通信提供了新的技术选项。2标准概述2.1标准基本信息|项目|内容||------|------||标准编号|IEC61784-2-19:2023||英文名称|Industrialnetworks-Profiles-Part2-19:Additionalreal-timefieldbusprofilesbasedonISO/IEC/IEEE8802-3–CPF19||中文名称|工业网络配置文件第2-19部分：基于ISO/IEC/IEEE8802-3–CPF19的附加实时现场总线配置文件||发布机构|国际电工委员会（IEC）||发布日期|2023年3月7日||标准状态|现行||国别|国际组织||语言|英语+法语||分类号|电信综合||ICS分类号|25.040.40；35.100.20||适用范围|工业自动化领域实时以太网通信|2.2标准体系定位IEC61784-2-19:2023属于IEC61784系列标准的组成部分，该系列的整体结构如下：-IEC61784-1：用于连续和批量制造的现场总线行规；-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：数字数据通信的网络安全行规；-IEC61784-5：安装行规。本标准的编号“Part2-19”标明其在IEC61784-2中的分部分编号，其中“19”对应通信行规族CPF19。CPF19是基于以太网的新增通信行规族，其对各类实时通信协议进行了规范化描述，确保不同厂商的设备能够在统一框架下实现互操作。3标准主要内容3.1技术范围IEC61784-2-19:2023规定了基于ISO/IEC/IEEE8802-3的附加实时现场总线行规族CPF19的通用架构、通信协议栈结构、实时性能分级、一致性测试要求等内容。该标准主要适用于以下应用场景：-高精度运动控制（如伺服驱动、多轴联动）；-工业机器人协调控制；-分布式I/O系统；-过程自动化中的实时数据采集与监控；-智能制造系统中的时间敏感网络（TSN）融合应用。3.2技术架构与关键要素3.2.1通信协议栈模型CPF19的协议架构建立在OSI七层模型和工业以太网协议体系之上，核心组成部分包括：1.物理层与数据链路层：基于ISO/IEC/IEEE8802-3（以太网标准），支持100BASE-TX、1000BASE-T等速率，并兼容时间敏感网络（IEEE802.1AS、802.1Qbv等）的时间同步和流量调度机制。2.实时性增强机制：CPF19定义了一套适用于不同实时等级（ClassA、ClassB、ClassC等）的调度策略与带宽预留机制，可根据应用需求灵活配置。3.应用层协议行规：规定了对象模型、数据交换格式、服务接口和状态机等，确保不同厂商设备之间的语义互通。3.2.2实时性能分级CPF19按照通信周期、同步精度和抖动指标，将实时性能划分为多个等级：-ClassA（高实时）：通信周期≤1ms，同步精度≤1μs，适用于高性能运动控制；-ClassB（中实时）：通信周期≤10ms，同步精度≤10μs，适用于一般自动化控制；-ClassC（软实时）：通信周期≤100ms，适用于数据采集和监控等场景。3.2.3一致性测试为确保标准实施的规范性，IEC61784-2-19:2023明确了一致性测试的测试流程、测试用例和通过准则，要求设备制造商须通过指定的测试机构验证后方可宣称符合该标准。3.3与其他标准的协调关系CPF19与现有CPF家族（如CPF1（EtherCAT）、CPF2（PROFINET）、CPF3（EtherNet/IP）等）在设计上保持兼容和协调，两者可在同一物理网络上共存，也可通过网关实现异构协议互联。此外，CPF19在设计上积极兼容IEEE802.1时间敏感网络（TSN）标准族，为未来工业网络与信息技术（IT）网络的深度融合奠定基础。4标准制定过程4.1立项阶段IEC61784-2-19的立项工作源于IEC/TC65/SC65C（工业网络分技术委员会）在2018年前后开展的技术预研。随着工业应用对通信实时性和灵活性的双重要求不断提升，SC65C下设的工作组WG11（实时以太网行规工作组）联合多个国家委员会和行业组织，系统分析了现有CPF的覆盖范围和技术缺口，于2019年正式向IEC中央办公室提交了新工作项目提案（NWIP）。4.2起草与讨论阶段该标准经历了CD（委员会草案）、DIS（国际标准草案）和FDIS（最终国际标准草案）等若干阶段，各个阶段的起草和意见处理情况如下：-CD阶段（2019-2020）：形成了首个委员会草案，就通信行规族的整体架构和新增特性进行了充分讨论，多国专家就协议兼容性和测试规范提出了大量意见；-DIS阶段（2021-2022）：根据各国家委员会的投票意见进行了技术修订，重点完善了实时性能分级和一致性测试部分；-FDIS阶段（2022年底）：最终草案获得通过，进入出版准备阶段。4.3发布阶段2023年3月7日，IEC正式出版IEC61784-2-19:2023。标准的发布标志着基于ISO/IEC/IEEE8802-3的新增实时现场总线行规族正式进入国际标准体系，为全球工业自动化行业提供了新的技术依据和实施指南。5主要参与单位介绍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是IEC中负责工业过程测量控制和自动化标准化的专业技术委员会，其下设的SC65C（工业网络分技术委员会）直接承担IEC61784系列标准的制修订工作。SC65C汇聚了来自全球各主要工业国家的标准化专家，包括德国、美国、中国、日本、法国、英国等国家的委员会代表和行业技术专家。在IEC61784-2-19:2023的制定过程中，德国工业自动化企业倍福（BeckhoffAutomation）作为核心参与单位，基于EtherCAT技术在CPF19行规定义中发挥了关键作用。倍福公司在实时工业以太网领域拥有深厚的技术积累，其主导的EtherCAT技术已被广泛应用于运动控制、机器人和过程自动化等领域。在标准制定过程中，倍福公司贡献了其在实时通信调度、分布式时钟同步、热连接技术等方面的核心专利和技术方案，并积极参与了一致性测试规范的制定，为CPF19的技术完善和标准推广起到了重要推动作用。此外，来自中国的全国工业过程测量控制和自动化标准化技术委员会（SAC/TC124）也积极参与了标准的制定工作，组织国内相关企业和科研机构进行了深入研究和意见反馈，为中国工业网络技术与国际标准的接轨提供了支撑。6标准应用前景与影响分析6.1在智能制造中的应用价值IEC61784-2-19:2023为智能制造提供了高性能的工业通信基础设施标准参考，其价值体现在以下几个关键层面：-支撑高精度运动控制：CPF19定义的微秒级同步精度和低抖动特性，为多轴伺服系统、工业机器人协同作业提供了必要的通信保障。-促进互操作性：统一的行规降低了系统集成难度，用户可在不同厂商设备之间灵活选择组网方案，有效避免了厂商锁定问题。-增强系统灵活性：支持TSN融合的架构设计使工业网络与IT网络的信息互通更加顺畅，有利于实现数据驱动的智能制造。-推动标准引领的产业生态建设：该标准为设备制造商提供了清晰的技术参照和测试依据，有助于形成开放竞争的产业生态，降低全产业链的研发和部署成本。6.2对行业发展的推动作用本标准的发布将进一步推动工业以太网在各类实时控制场景中的推广应用。与此同时，CPF19定义了通信中的数据类型、传输机制和服务接口，为工业网络安全功能的集成预留了接口，与IEC62443（工业通信网络安全）系列标准在架构层面形成衔接关系。其与IEC61784-3功能安全通信行规的搭配应用，也为实现功能安全与实时通信的融合提供了标准化路径。6.3面临的挑战与应对尽管CPF19具有显著的技术优势，但其推广实施仍面临一定挑战：-生态建设需要时间积累：新行规族需要获得主流芯片厂商、设备制造商和系统集成商的广泛支持，这需要较长时间的市场验证和生态完善期；-与传统系统的兼容过渡：大量存量工业现场仍使用传统现场总线，向新行规的平滑迁移需成熟的网关产品和系统方案作为支撑；-测试认证体系建设：一致性测试和互操作测试体系的建设既关键又耗时，需依托专业的第三方测试认证机构持续投入。7修订与维护7.1标准维护机制根据IEC导则，IEC61784-2-19:2023将按照IEC标准维护周期（通常为3至5年）进行定期评审。评审可能的结果包括：维持现行有效、启动修订或予以废止。技术内容的实质性更新将依据行业反馈和技术进展确定。7.2未来修订方向预计未来该标准的修订将重点关注以下方向：1.与TSN标准的进一步融合：随着IEEE802.1TSN标准族的持续完善，CPF19将与TSN的流量调度、帧抢占和可靠性机制实现更深层次的集成；2.面向APL（以太网高级物理层）的适配：随着以太网高级物理层（Ethernet-APL）技术在流程工业中的应用推广，CPF19有望新增对APL物理层行规的支持；3.功能安全与网络安全增强：为满足工业控制系统的安全要求，后续版本可能增加与IEC61508、IEC61784-3和IEC62443标准的映射要求；4.更高性能等级的扩展：面向未来伺服驱动和机器人控制对更高同步精度的需求，可能新增ClassA+及以上的性能等级定义。8结论IEC61784-2-19:2023作为工业网络现场总线配置文件标准体系的重要组成部分，为基于ISO/IEC/IEEE8802-3的附加实时现场总线通信提供了统一、规范、可互操作的技术方案。该标准的正式发布，不仅反映了全球工业自动化领域对高性能实时通信的迫切需求，也体现了国际标准组织在推动工业通信技术进步和产业生态整合方面的持续努力。展望未来，随着工业4.0的深入推进和智能制造的全面展开，以CPF19为代表的新型实时现场总线行规将在更广泛的应用场景中发挥关键作用。IEC61784-2-19:2023的落地实施，将为构建开放、安全、高效的工业互联网体系注入新的动力，推动全球制造业迈向更加智能、灵活和可持续的发展道路。我国相关行业和企业应密切关注该标准的技术内容与实施动态，积极对标国际先进标准，加快推动国内工业通信技术的转型升级，提升我国在工业网络国际标准化领域的话语权和影响力。参考文献[1]IEC61784-2-19:2023,Industrialnetworks-Profiles-Part2-19:Additionalreal-timefieldbusprofilesbase