IEC 61784-3-192024 工业通信网络–轮廓–第3-19部分功能安全现场总线–CPF 19的附加规范标准立项发展报告

工业通信网络–轮廓–第3-19部分：功能安全现场总线–CPF19的附加规范标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:IndustrialCommunicationNetworks–Profiles–Part3-19:FunctionalSafetyFieldbuses–AdditionalSpecificationsforCPF19摘要关键词：IEC61784-3-19；功能安全；工业通信网络；现场总线；安全完整性等级；CPF19；安全通信层Keywords:IEC61784-3-19;FunctionalSafety;IndustrialCommunicationNetworks;Fieldbus;SafetyIntegrityLevel;CPF19;SafetyCommunicationLayer一、引言1.1标准立项背景工业通信网络是现代制造业的神经系统，承载着过程控制、运动控制、设备状态监测及安全联锁等关键任务。随着工业自动化系统复杂度持续提升，安全相关系统与常规控制系统之间的数据交换日益频繁，如何保障安全相关报文在传输过程中的完整性、保密性和实时性，已成为制约工业安全技术发展的核心问题。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）长期致力于工业通信网络标准化工作。其发布的IEC61784-3系列标准以“功能安全现场总线”（FunctionalSafetyFieldbuses）为主题，为不同通信行规族（CommunicationProfileFamily,CPF）定义了安全通信层（SafetyCommunicationLayer）的通用要求和附加规范。迄今为止，该系列已覆盖CPF1（Foundation™Fieldbus）、CPF2（ControlNet™）、CPF3（PROFIBUS/PROFINET）、CPF4（P-NET）、CPF5（INTERBUS）、CPF6（INTERBUS-S）、CPF9（CC-Link）、CPF10（Vnet/IP）及CPF11（TCnet）等多个行规族。CPF19作为IEC61784-2中定义的通信行规族之一，主要面向EtherCAT等高性能实时以太网技术。随着EtherCAT在伺服运动控制、精密装配和高端装备等领域应用日趋广泛，其承载安全相关通信的需求也日趋迫切。然而，在IEC61784-3-19:2024发布之前，CPF19行规族缺乏专门的功能安全通信附加规范，制造商和系统集成商不得不参照其他行规族的规范进行安全功能实现，导致系统互操作性差、安全认证复杂且成本高昂。因此，制定CPF19的功能安全附加规范已成为产业界的迫切需求。1.2标准范围与定位IEC61784-3-19:2024标准规定了CPF19行规族在功能安全通信方面的附加规范，包括安全通信层协议机制、安全完整性等级要求、安全报文格式、故障检测与响应机制、参数分配及一致性测试要求等。该标准作为IEC61784-3系列的可扩展部分，与IEC61784-3-1（CPF1的通用规范）协同使用，以形成CPF19安全通信的完整技术规范。标准适用于在CPF19通信行规族上实现安全功能的所有设备，包括安全可编程逻辑控制器（SafetyPLC）、安全输入/输出模块、安全驱动器和安全网关等，广泛应用于工业机器人、数控机床、包装机械、印刷设备、半导体制造装备及过程自动化等涉及人员安全和设备保护的应用场景。二、标准技术内容概述2.1标准体系架构IEC61784-3-19:2024在体系架构上延续了IEC61784-3系列的一贯框架。标准将功能安全通信体系划分为两个主要层次：非安全通信协议层（如EtherCAT的实时通信协议）与安全通信层。安全通信层位于非安全通信协议之上，通过在原数据帧中嵌入安全协议数据单元（SafetyProtocolDataUnit,SPDU），实现安全相关数据的端到端保护。这种分层设计方式使得安全功能与非安全功能可以在同一物理网络上共存，有效降低了系统部署成本。标准明确定义了安全通信层与IEC61508（功能安全基础标准）、IEC61511（过程工业安全仪表系统）及ISO13849（机械安全相关控制系统）等安全标准之间的映射关系，为不同行业领域的安全应用提供了统一的通信接口。|安全完整性等级|要求在IEC61508中定义|通信故障裕度要求|典型应用场景||:---:|:---:|:---:|:---:||SIL1|安全仪表功能|单通道带诊断|设备状态监视||SIL2|安全仪表功能|单通道带增强诊断|过程安全联锁||SIL3|安全仪表功能|冗余通道或高诊断覆盖率|紧急停车系统、机器人安全控制|2.2安全通信协议机制标准详细规定了CPF19安全通信层所采用的协议机制。在安全报文构建方面，SPDU中包含安全控制字段（如序列号、时间戳、看门狗计数器）与安全数据字段。序列号机制具有明确的帧计数范围，用于防止报文重放、插入、删除和重新排序等攻击行为；时间戳与超时监控机制确保报文传输的及时性，防止延迟和滞留。在完整性保障方面，标准引入了循环冗余校验（CRC）签名机制。该签名将安全数据、序列号及通信双方的地址信息进行联合运算，以检测数据篡改、地址伪装及报文损坏等故障。标准对不同SIL等级给出了差异化的CRC位宽要求，SIL3应用要求采用更高位宽的安全CRC，以保证极低的残余错误概率。2.3安全完整性等级与故障响应标准明确了CPF19功能安全通信可支持的SIL等级范围。根据标准文本，CPF19安全通信层的设计能力覆盖了从SIL1至SIL3的完整谱系，并通过以下措施保障各类故障的可靠检测：一是通过序列号和时间戳对报文的重复、丢失、插入、错误序列、延迟及伪装等典型通信故障进行系统化检测；二是定义了标准化的故障响应时间（FaultReactionTime）和看门狗定时器参数；三是对安全通信建立阶段的参数分配、地址配置及安全通信关系（SafetyCommunicationRelation,SCR）管理进行了规范化约束。2.4一致性测试要求为确保不同制造商设备之间的互操作性，标准设置了一致性测试的规范性要求。测试内容涵盖协议实现的正确性、故障注入场景下的安全性响应、通信负载极端情况下的鲁棒性以及安全参数分配的错误处理等。这些测试基准的确立，为第三方认证机构开展功能安全认证提供了统一的技术依据。三、主要起草单位介绍3.1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是国际电工委员会下设的负责工业过程测量、控制和自动化领域标准制定的专业技术委员会，其工作范围覆盖工业通信网络的体系架构、通信协议、功能安全、系统集成及信息安全等关键方向。TC65下设多个分技术委员会和工作组，其中SC65A（系统方面）、SC65B（测量和控制设备）、SC65C（工业网络）分别从不同维度为该领域的国际标准化工作提供技术支撑。IEC/TC65在IEC61784-3-19:2024的制定过程中发挥了核心协调作用。TC65依托其下属的WG16工作组（功能安全通信）和WG17工作组（实时以太网），联合来自德国、日本、中国、美国等国家的工业自动化领域专家，经过多轮技术论证和草案修订，最终推动该标准于2024年正式发布。TC65的工作机制以技术共识为导向，通过各国家委员会投票表决和意见反馈的方式，确保标准内容在技术先进性和产业适用性之间取得平衡。3.2标准技术贡献要点在IEC61784-3-19:2024的制定过程中，主要技术贡献集中体现在以下方面：-安全通信机制：基于EtherCAT的FSoE（FunctionalSafetyoverEtherCAT）协议的技术积累，被系统性地吸收并转化为CPF19安全通信层的标准规范，实现了安全协议机制与高性能实时通信的深度融合。-SIL3能力论证：通过大量故障注入实验和安全性定量分析，验证了CPF19安全通信层在满足IEC61508:2010相关要求的前提下具备SIL3等级的安全通信能力。-互操作性验证：标准制定过程中建立了多厂商参与的一致性测试平台，有效验证了不同品牌安全设备在CPF19网络中的互通性。-安全参数配置方法：明确了安全通信关系建立、地址分配、参数校验和异常处理的标准化流程。四、标准应用价值分析4.1行业应用场景IEC61784-3-19:2024的发布为多个行业领域的安全通信实现提供了标准化路径：-高端装备制造：在工业机器人、数控机床和精密装配等场景中，基于CPF19的安全通信可实现驱动器、I/O模块和安全控制器之间的高速安全数据交换，为设备安全防护提供毫秒级响应的通信保障。-流程工业安全仪表系统：在化工、油气等流程工业领域，该标准可作为安全仪表系统通信层的设计依据。-智能物流与仓储系统：在自动化立体仓库、AGV调度系统等场景中，安全通信可以满足设备避障、速度监控和紧急停止等安全功能的需求。4.2标准实施效益从产业效益来看，CPF19功能安全通信标准化的实施带来了多方面的积极影响。一是显著降低了安全系统的设计复杂度和认证成本，制造商无需再针对不同行规族分别研发安全通信方案，有效促进了产品研发的集约化和平台化。二是提升了系统的互操作性和可维护性，最终用户可以基于标准化安全通信接口灵活选择不同供应商的设备，有效避免了供应商锁定问题。三是推动了安全通信技术的规模化应用，为中小型自动化企业采用功能安全技术创造了更低的准入门槛，特别是安全通信组件标准化后，降低了系统集成和运维的边际成本。从社会效益来看，该标准的实施有助于提升工业生产过程的安全水平，减少因通信故障导致的安全事故风险，对保障从业人员人身安全和生产设备完好具有重要意义。五、结论与展望5.1结论IEC61784-3-19:2024的正式发布是功能安全现场总线标准化进程中的重要里程碑。该标准针对CPF19行规族系统性定义了功能安全通信的附加规范，填补了IEC61784-3系列在CPF19领域的技术空白。标准的实施为基于CPF19的工业通信网络提供了明确的安全通信设计依据和认证路径，有力支撑了SIL1至SIL3等级安全功能的可靠实现。从技术角度看，该标准在安全通信层协议机制、故障检测覆盖能力和一致性测试方法等方面的规范设计，体现了当前工业通信安全技术的前沿水平。从产业角度看，该标准的发布将加速安全通信技术在高端装备、智能制造等领域的规模化部署，为工业数字化转型筑牢安全基石。5.2未来展望随着工业互联网、边缘计算和人工智能等新技术与工业自动化的深度融合，功能安全通信标准将面临新的发展机遇与挑战。未来IEC61784-3系列标准的演进可能呈现以下趋势：一是功能安全与信息安全（Safety&Security）的融合将成为标准修订的重要方向，以应对日益严峻的网络安全威胁对安全通信的潜在影响；二是面向TSN（时间敏感网络）等新型网络技术的安全通信规范需求将日益凸显；三是在线安全参数配置与动态重构能力的标准化或将提上议程；四是随着IEC62443（工业自动化和控制系统信息安全）系列标准的深入推广，功能安全标准与信息安全标准的协同应用将更为紧密。我国作为全球工业自动化产品的重要制造国和消费市场，应密切关注IEC61784-3-19:2024国际标准的动态和技术要求。一方面，加快推动该标准向国家标准（GB/T）的转化进程，促进国内产业界对国际先进安全通信技术的消化吸收；另一方面，鼓励国内龙头企业和技术机构深度参与IEC/TC65的国际标准化工作，积极贡献中国智慧，提升我国在全球工业通信安全标准领域的话语权和影响力。参考文献[1]IEC61784-3-19:2024,Industrialcommunicationnetworks–Profiles–Part3-19:Functionalsafetyfieldbuses–AdditionalspecificationsforCPF19[S].Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2024.[2]IEC61784-3:2021,Industrialcommunicationnetworks–Profiles–Part3:Functionalsafetyfieldbuses–Generalrulesandprofiledefinitions[S].Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2021.[3]IEC61508:2010,Functionalsafetyofelectrical/electronic/programmableelectronicsafety-relatedsystems[S].Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2010.[4]IEC61784-2:2023,Industrialcommunicationnetworks–Profiles–Part2:Additionalfieldbusprofilesforreal-timenetworksbasedonISO/IEC/IEE