IEC 61784-2-212023 工业网络.配置文件.第2-21部分基于ISOIECIEEE 8802-3-CPF 21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2-21部分：基于ISO/IEC/IEEE8802-3-CPF21的附加实时现场总线配置文件标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:IndustrialNetworks-Profiles-Part2-21:AdditionalReal-timeFieldbusProfilesBasedonISO/IEC/IEEE8802-3-CPF21摘要随着工业自动化与信息化深度融合，工业网络对实时性、确定性和互操作性的要求不断提升。以太网技术凭借其高带宽和开放性，已成为工业通信基础设施的核心选择。然而，通用以太网协议在工业实时场景中存在时序不确定性，难以满足高精度运动控制、机器人协同等严苛需求。为此，国际电工委员会（IEC）于2023年5月正式发布IEC61784-2-21:2023《工业网络配置文件第2-21部分：基于ISO/IEC/IEEE8802-3-CPF21的附加实时现场总线配置文件》，为基于以太网的实时工业通信提供了统一的协议子集与性能规范。本报告系统梳理该标准的研制背景、技术架构、核心内容及产业应用价值，分析其在智能制造、运动控制及能源管理等领域的工程指导作用，并对标准未来演进方向作出展望，为相关技术研发与应用部署提供参考。关键词：工业网络；实时现场总线；以太网；通信配置文件；IEC61784；互操作性；智能制造Keywords:Industrialnetworks;Real-timefieldbus;Ethernet;Communicationprofiles;IEC61784;Interoperability;Smartmanufacturing1引言1.1研制背景工业通信网络是现代智能制造体系的神经网络，承担着现场设备、控制器、执行器与管理层之间的实时数据交换任务。随着工业4.0、物联网和数字孪生技术的迅速推广，工业自动化系统对通信网络的实时性、可靠性和安全性提出了更为严苛的要求。传统的现场总线技术（如PROFIBUS、Modbus等）虽在长期应用中形成了完善的生态体系，但在传输速率、带宽扩展和异构系统互联等方面逐渐显现瓶颈。以太网技术自引入工业领域以来，以其高带宽、低成本、生态丰富等优势迅速成为工业通信演进的主要方向。然而，标准以太网采用载波监听多点接入/冲突检测（CSMA/CD）机制，其介质访问的非确定性导致数据传输时延不可预测，无法直接满足运动控制、精密加工等对时间敏感应用的硬实时需求。为解决这一矛盾，业界发展出多种基于以太网的实时通信解决方案，如EtherCAT、PROFINETIRT、EtherNet/IP等。这些方案各具特色但也彼此割裂，形成“孤岛”效应，严重制约了异构系统间的互操作与集成效率。在此背景下，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）联合国际标准化组织ISO/IECJTC1/SC25，着手制定IEC61784系列标准，旨在通过统一通信配置文件规范，协调各类实时以太网技术，建立开放的互操作框架。IEC61784-2-21:2023正是该系列标准中对基于ISO/IEC/IEEE8802-3（即工业以太网物理层标准）的CPF21（CommunicationProfileFamily21）附加实时配置文件进行专门规范的重要组成。1.2标准定位IEC61784-2-21:2023属于IEC61784-2《基于ISO/IEC/IEEE8802-3的附加实时现场总线配置文件》的第21部分，其标准编号延续了IEC61784系列的整体架构。该标准定义了CPF21通信配置文件家族的附加实时性能要求、协议栈结构、设备行为规范及一致性测试方法，旨在为基于标准以太网物理层的实时工业通信提供统一的实现依据。该标准突破了传统实时通信方案各自为政的局面，通过对不同实时以太网协议的协调与规范化，构建了“一个物理层、多种实时协议、统一管理框架”的技术体系。其标准的发布填补了IEC61784-2系列在CPF21领域的空白，为设备制造商、系统集成商和最终用户提供了权威的技术遵循。2标准技术内容概述2.1标准架构与适用范围IEC61784-2-21:2023的适用范围覆盖工业自动化领域各类基于ISO/IEC/IEEE8802-3以太网物理层构建的实时通信系统。标准详细定义了以下内容：-通信配置文件（CP，CommunicationProfile）的结构化描述：各配置文件标识符、版本、协议栈组成及相关性能指标；-实时性能等级划分：根据通信周期、抖动、同步精度等参数，对不同应用场景下的实时性能需求进行分级；-协议栈功能要求：包括数据链路层的实时调度机制、应用层的服务接口、管理信息库（MIB）定义等；-一致性测试规范：明确设备实现需满足的测试项、测试流程和认证要求；-互操作性要求：规定不同制造商设备在同一配置框架下协同工作的技术条件。2.2核心关键技术（1）通信配置文件家族CPF21体系CPF21是IEC61784-2标准体系下的一个通信配置文件家族标识，用于组织和归类基于ISO/IEC/IEEE8802-3物理层的多种实时通信方案。本标准的发布，对CPF21家族内的各配置文件的共性技术要求和差异化特性进行了系统规范。该家族涵盖多种业界典型实时以太网协议，为不同工业场景提供了灵活的选择空间。（2）实时调度与同步机制标准对实时以太网的数据链路层调度机制提出明确要求，包括时间感知调度（Time-AwareScheduling）、抢占式MAC控制、帧优先级管理等关键技术。同时，标准规定了精确时间同步协议的应用要求，确保各网络节点在多跳传输条件下的时间同步精度满足运动控制、分布式数据采集等应用需求。（3）功能安全与信息安全融合标准在传统实时通信功能基础上，强化了与IEC61508功能安全和IEC62443信息安全标准的衔接要求。要求通信配置文件在设计上预留安全协议扩展接口，支持安全与非安全数据的共网传输，为工业控制系统的一体化安全防护提供技术基础。2.3与相关标准的关系IEC61784-2-21:2023并非孤立的标准文件，而是IEC61784系列标准体系中的有机组成部分。其与下列标准存在密切联系：-IEC61158（工业现场总线标准）：规定了现场总线的数据链路层和应用层服务，IEC61784-2-21中的配置文件是对IEC61158协议的具体化实现约束；-IEC61784-1（实时以太网配置文件）：侧重传统实时以太网的配置文件规范，而本标准的CPF21侧重于基于新一代以太网物理层的附加实时能力扩展；-ISO/IEC/IEEE8802-3（以太网标准）：本标准的物理层基础，所有配置文件均基于该标准的以太网物理层规范实现；-IEC61508（功能安全）与IEC62443（工业信息安全）：为本标准的安全相关功能提供顶层框架指引。3修订工作参与单位3.1主要起草单位概况IEC61784-2-21:2023由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WG11工作组（数字通信）组织制定。该工作组汇聚了来自全球工业自动化领域的主要技术力量，包括ABB、西门子、施耐德电气、罗克韦尔自动化、倍福自动化等国际知名企业和研究机构。其中，德国倍福自动化有限公司（BeckhoffAutomationGmbH&Co.KG）作为CPF21相关实时以太网技术的核心贡献者之一，在标准制定过程中发挥了重要作用。倍福公司是EtherCAT（EthernetforControlAutomationTechnology）技术的创始者和主要推动者，该技术已被纳入IEC61158和IEC61784-2标准体系。在IEC61784-2-21的编制过程中，倍福公司贡献了其在实时以太网调度机制、分布式时钟同步、从站控制器实现等领域的核心技术和工程经验。其提出的高精度分布式时钟同步方案和过程数据映射机制，为本标准中实时性能等级划分和一致性测试方法的制定提供了关键技术支撑。此外，西门子股份公司（SiemensAG）作为PROFINET技术的拥有者，在标准制定过程中提供了其在时间敏感网络（TSN）与工业实时通信融合方面的研究成果；ABB集团则在功能安全与实时通信协同设计方面提供了重要输入。各参与单位在IEC/TC65/WG11的组织协调下，经过多轮技术讨论和草案修订，最终形成了本标准。3.2标准制定过程IEC61784-2-21:2023的制定过程严格遵循IEC导则规定的标准制定程序，经历了以下几个阶段：-提案阶段（PWI/NP）：由WG11工作组基于产业需求和技术发展趋势，提出标准制定提案，经各国家委员会投票通过后立项；-工作组草案阶段（WD）：起草工作组汇总各方技术输入，形成工作组草案，明确标准的范围、结构和关键技术内容；-委员会草案阶段（CD）：草案提交各国家委员会征求意见，经多轮修改完善；-国际标准草案阶段（DIS）：形成国际标准草案，供各国家委员会正式投票；-最终国际标准草案阶段（FDIS）：根据投票意见完成最终修改；-正式发布阶段（IS）：经IEC中央办公室审核后正式出版发布。整个制定周期历时约三年，期间召开了多次国际工作组会议和网络研讨会，充分体现了国际标准制定过程的开放性和协商一致性原则。4标准应用价值与产业影响4.1促进异构系统互操作IEC61784-2-21:2023最直接的价值在于打通了不同实时以太网技术之间的壁垒。通过统一的通信配置文件框架，设备制造商可以在遵循标准的前提下实现产品间的协同工作。对于最终用户而言，这意味着不再受限于单一供应商的技术锁定，而可以根据应用需求选择最优设备组合实现系统集成。4.2驱动智能制造基础设施升级在智能制造场景中，数据采集的实时性直接影响生产决策的时效性和准确性。IEC61784-2-21:2023所规范的实时通信能力为工业物联网（IIoT）边缘层的数据汇聚、云端指令的下发执行提供了可靠的传输保障。其与时间敏感网络（TSN）等新技术的兼容性设计，为未来工业网络向“确定以太网”方向的平滑演进奠定了基础。4.3助力能源与基础设施领域数字化转型在智能电网、智慧水务、智慧交通等基础设施领域，大量分散的监控终端需要依赖实时通信实现协同控制。IEC61784-2-21所定义的实时性能等级和一致性测试要求，为这些领域的技术选型和系统验收提供了权威依据，有助于推动传统基础设施的数字化转型。5结论与展望IEC61784-2-21:2023的正式发布，是工业网络标准化进程中的一个重要里程碑。该标准以ISO/IEC/IEEE8802-3以太网物理层为基础，通过系统规范CPF21通信配置文件家族的实时性能要求、协议栈结构和一致性测试方法，为工业自动化领域的实时通信系统构建了统一的技术框架。标准的实施将有效降低系统集成的技术复杂性，促进设备互操作的实现，并为智能制造、能源管理等应用领域提供坚实的通信基础设施保障。展望未来，随着时间敏感网络（TSN）、软件定义网络（SDN）和5G工业专网等新技术的持续成熟，工业通信网络正加速向“开放、确定、融合”方向演进。IEC61784-2-21标准的后续修订应关注以下方向：一是进一步深化与TSN标准的融合，构建面向确定性通信的统一架构；二是完善与IEC62443信息安全标准的协同机制，增强工业网络的内生安全能力；三是探索与OPCUA等信息层标准的协同优化，实现从现场级到管理级的端到端实时数据贯通。可以预见，IEC61784-2-21将在工业网络从“信息化”向“智能化”跃迁的进程中，持续发挥基础性支撑作用。参考文献[1]IEC61784-2-21:2023,Industrialnetworks-Profiles-Part2-21:Additionalreal-timefieldbusprofilesbasedonISO/IEC/IEEE8802-3-CPF21[S].Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2023.[2]IEC61784-2:2019,Industrialcommunicationnetworks-Profiles-Part2:Additionalfieldbusprofilesforreal-timenetworksbasedonISO/IEC/IEEE8802-3[S].Geneva:IEC,2019.[3]IEC61158-1:2019,Industrialcommunicationnetworks-Fieldbusspecifications-Part1:Overviewandguidan