IEC 61139-22022 工业网络.单点数字通信接口.第2部分功能安全扩展标准立项发展报告

工业网络单点数字通信接口第2部分：功能安全扩展标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:Industrialnetworks-Single-dropdigitalcommunicationinterface-Part2:Functionalsafetyextensions摘要随着工业自动化与智能制造系统的飞速发展，数字通信接口作为设备互联和数据交换的核心枢纽，其功能安全性能已成为保障工业生产安全运行的关键技术要素。IEC61139-2:2022《工业网络单点数字通信接口第2部分：功能安全扩展》由国际电工委员会（IEC）正式发布，作为IEC61139系列标准的重要组成部分，该标准在单点数字通信接口基础协议之上，系统性地定义了功能安全扩展机制，涵盖安全通信协议、安全数据单元格式、安全完整性等级（SIL）要求及诊断覆盖机制等技术规范。本报告全面梳理了该标准的立项背景、研制历程、核心技术内容及应用价值，深入分析了其对工业网络功能安全体系建设的支撑作用，并重点介绍了标准制定过程中主要参与单位的贡献。报告认为，该标准的发布实施填补了单点数字通信接口在功能安全扩展领域的国际标准空白，对推动工业自动化系统安全通信技术的规范化发展具有重要意义，为全球工业智能制造的安全可靠运行提供了权威的技术支撑和标准化指引。关键词：工业网络；单点数字通信接口；功能安全；IEC61139；安全完整性等级；工业自动化一、项目背景与立项意义（一）工业通信安全需求的持续升级近年来，随着工业4.0、智能制造和工业互联网战略的加速推进，工业自动化系统正经历着从传统集中式控制向分布式智能控制模式的深刻变革。在这一转型过程中，传感器、执行器、可编程逻辑控制器（PLC）、驱动装置等现场设备之间需要实现高效、准确且安全的实时数据交换。单点数字通信接口（Single-dropDigitalCommunicationInterface）作为连接现场设备与控制系统的关键通信链路，其可靠性和安全性直接影响着整个工业控制系统的安全运行水平。在流程工业、机械制造、能源电力、交通运输等高危行业领域，通信故障或数据传输错误可能引发严重的安全事故，造成人员伤亡、设备损坏和环境灾难。因此，工业通信网络的功能安全设计已从可选的“锦上添花”演变为必须满足的“刚性需求”。国际功能安全基础标准IEC61508《电气/电子/可编程电子安全相关系统的功能安全》明确要求，安全相关系统中所使用的通信通道必须经过系统的安全性评估和认证，确保其在随机硬件故障、系统故障和外部干扰等情况下仍能维持规定的安全功能。（二）IEC61139系列标准的体系化发展IEC61139是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）下设的工业网络技术分委会（SC65C）归口管理的系列标准，其目的在于规范工业环境中单点数字通信接口的技术要求和测试方法。IEC61139-1作为该系列标准的基础部分，确立了单点数字通信接口的物理层、数据链路层及其通信协议的基本框架，为不同厂商的设备互操作性提供了基础性的技术保障。然而，随着功能安全理念在工业自动化领域的不断深入，业界普遍认识到仅依赖基础通信协议尚不足以满足安全关键应用的需求。安全仪表系统（SIS）、功能安全控制系统等应用场景要求通信链路具备额外的安全机制，包括但不限于安全数据完整性校验、通信故障检测、接收方超时监控、数据混淆防护等。这一现实需求催生了IEC61139-2功能安全扩展标准的立项与研制，其核心目标是在IEC61139-1的基础通信功能之上，系统性增添面向功能安全的通信扩展能力。（三）立项的必要性与紧迫性在IEC61139-2发布之前，国际上缺乏专门针对单点数字通信接口的功能安全扩展标准。各设备制造商在实施安全通信功能时不得不参考多种分散的标准和规范，如IEC61784-3（工业通信网络功能安全通信行规）中定义的安全通信层协议（如PROFIsafe、CIPSafety等），但这些行规主要面向特定的通信协议家族，并非通用的单点数字通信接口标准。这种标准缺失的状态给工业自动化系统集成商和设备用户带来了诸多困扰：不同厂商的安全通信方案难以互通，安全功能认证缺乏统一的技术依据，系统集成时的安全论证复杂而耗时。在此背景下，制定一项通用的、适用于单点数字通信接口的功能安全扩展国际标准，对于规范市场秩序、降低系统集成复杂度、提升安全通信设备的互操作性具有重要的现实意义。二、标准研制历程（一）标准立项阶段IEC61139-2的标准研制工作由IEC/TC65/SC65C/WG15（单点数字通信接口工作组）具体负责。该工作组汇集了来自全球主要工业自动化企业、科研机构和标准化组织的技术专家，包括德国西门子公司、菲尼克斯电气、美国罗克韦尔自动化、日本横河电机等在工业通信领域具有深厚技术积累的知名企业。工作组在标准制定前期开展了广泛的需求调研和技术预研工作。通过对工业自动化领域安全通信需求的系统性分析，识别出以下关键技术需求：一是安全通信协议应兼容IEC61139-1所规定的基础通信框架，以保持技术路线的一致性；二是功能安全扩展的内容需覆盖从物理层到应用层的安全通信机制，确保端到端的安全数据传输；三是标准文本应与IEC61508、IEC61784-3等上位功能安全标准保持良好的衔接和协调。（二）草案编制与讨论标准草案的编制经历了多轮技术讨论和完善。工作组先后召开了十余次国际工作会议，对功能安全扩展的技术方案进行了逐条审议。讨论的焦点问题包括：安全数据单元中完整性校验码（CRC）的多项式选择和位数确定、安全通信连接建立与断开的时序逻辑、通信参与者之间安全参数的协调与同步机制、故障反应时间（FaultReactionTime）和通信看门狗时间（CommunicationWatchdogTime）的参数配置策略，以及与IEC61508中安全完整性等级（SIL）要求的映射关系等。在草案研制过程中，工作组还进行了多轮实验室验证和现场测试，通过对参考实现的互操作性测试和安全功能验证，检验了标准技术方案的可行性和有效性。测试验证覆盖了不同硬件平台、不同通信速率和不同网络拓扑条件下的安全通信性能，确保标准规定的技术方案具有良好的工程适用性。（三）标准审定与发布经过充分的意见征集、技术评审和投票表决，IEC61139-2最终于2022年8月19日正式发布。该标准的发布是IEC/TC65/SC65C在工业通信功能安全标准化领域取得的一项重要成果，得到了国际工业自动化界的广泛认可和积极响应。三、标准主要内容（一）标准适用范围IEC61139-2规定了单点数字通信接口的功能安全扩展技术要求，适用于通过单点数字通信接口实现安全相关数据传输的工业自动化系统和设备。该标准在IEC61139-1所定义的基础通信接口之上，增加了一系列面向功能安全的技术要求，使通信系统能够满足最高至SIL3等级的安全应用需求。标准定义了安全通信的参考体系结构，明确了安全通信层与基础通信层之间的交互关系，规定了安全数据单元的帧格式、传输时序和错误处理机制。同时，标准还给出了安全通信参数的配置方法和安全通信认证（SafetyCommunicationValidation）的测试要求。（二）安全通信模型与机制在安全通信模型方面，IEC61139-2采用了“黑通道”（BlackChannel）安全通信架构理念，即安全通信层独立于基础通信协议运行，通过在应用层安全数据单元上附加安全校验信息，实现端到端的安全数据传输。该架构的最大优势在于：安全机制不依赖于基础通信系统的内部实现细节，因此可以灵活地适配不同的单点数字通信接口实现方案。标准中定义的核心安全机制包括以下几个方面：1.序号监控（SequenceNumberMonitoring）：通过为每个安全数据帧分配递增的序列号，接收方能够检测到数据帧的丢失、重复、重排和插入等异常情况。序号监控机制要求通信双方在建立安全连接时进行同步初始化，并在通信过程中持续验证序号的一致性。2.时间监控（TimeMonitoring）：通过设置通信看门狗超时时间，检测通信链路的延迟故障或完全中断。如果接收方在预设的看门狗时间内未收到合法的安全数据帧，则判定通信通道出现异常，并触发相应的安全反应功能以进入安全状态。3.数据一致性校验（DataIntegrityAssurance）：采用循环冗余校验（CRC）等错误检测编码对安全数据单元进行完整性保护。标准对CRC的生成多项式、计算范围及附加方式作出了明确规定，以确保在不同的数据传输错误模型下具有充分的错误检测能力。4.发送方与接收方验证（SenderandReceiverAuthentication）：通过通信双方特有的标识符（SourceAddress和DestinationAddress）的交叉校验，防止非预期的通信参与者接入安全通信链路。对于要求更高安全等级的应用场景，标准还允许采用消息认证码（MAC）等增强性验证手段。5.数据新鲜性保障（DataFreshnessGuarantee）：综合运用序号监控和时间监控机制，确保接收方处理的数据始终处于有效的时间窗口内，防止旧数据的重放攻击。（三）安全完整性等级与参数配置标准依据IEC61508和IEC61784-3中规定的安全完整性等级体系，对安全通信的故障覆盖能力、诊断覆盖率和安全故障失效概率等指标进行了分级规定。标准针对不同的SIL等级要求，明确了安全数据单元中校验码的最小位长、序号的最小位宽、看门狗时间的上限等关键技术参数的推荐取值范围。针对通信负载和反应时间的不同需求场景，标准提供了多种可选的安全通信模式。设计者可以依据具体应用的安全性要求与实时性要求之间的平衡关系，选择适当的安全通信模式，并以标准规定的参数表为依据进行配置。（四）一致性测试与认证为了确保不同厂商设备和系统实现与标准文本之间的一致性和可验证性，IEC61139-2还规定了一致性测试的技术要求和基本测试方法。这包括对安全通信协议实现进行协议一致性测试、对安全通信机制进行功能安全性验证测试等，从源头上为安全通信产品的系统集成和互操作提供了制度性保障。四、标准的技术特点与创新点（一）继承性与扩展性的统一IEC61139-2在技术路线上保持了与IEC61139-1的良好继承关系，功能安全扩展被设计为对基础通信功能的一组增强型选项，并不要求对基础通信接口进行根本性重构。这一设计思路不仅降低了设备制造商实施标准的技术门槛和改造成本，也确保了既有设备在过渡期内可以通过软件升级或增强模块的方式逐步实现功能安全扩展，体现了标准的实用性和前瞻性。（二）通用性与灵活性的平衡与面向特定通信协议的安全通信行规不同，IEC61139-2所定义的功能安全机制不依赖于特定的物理层实现或数据链路层协议，具有广泛的技术中立性和通用适用性。同时，标准通过提供多种可选的安全通信模式和参数配置策略，赋予设计者在不同安全等级需求和通信资源限制下进行灵活选择的自主权。（三）与功能安全标准体系的深度衔接IEC61139-2不是一项孤立的标准，而是与IEC61508系列、IEC61784-3、IEC62061（机械安全相关电气电子可编程电子控制系统功能安全）等标准共同构成了完整的工业功能安全标准矩阵。该标准在技术指标设定和术语定义上均保持了与上述标准的高度一致性，为用户实施从安全评估、安全设计到安全验证的全流程功能安全管理提供了标准化支撑。五、主要参与单位介绍在IEC61139-2标准的研制过程中，西门子股份公司作为IEC/TC65/SC65C/WG15工作组的重要成员单位，发挥了关键性的技术引领作用。西门子作为全球工业自动化领域的技术领军企业，在工业通信技术研发和功能安全标准制定方面拥有数十年深厚的积累。西门子的自动化与数字化部门长期致力于工业通信协议和安全通信技术的研究开发，其产品线涵盖SIMATIC控制器系列、ET200分布式I/O系统、SINAMICS驱动系统等广泛采用单点数字通信接口的设备。在功能安全通信技术方面，西门子率先在其PROFIsafe安全通信协议中实现了基于黑通道原理的功能安全解决方案，积累了丰富的安全通信系统设计、测试和认证的工程经验。在IEC61139-2标准制定过程中，西门子的技术专家不仅贡献了其在安全通信协议设计方面的核心技术方案，还提供了大量从实际工程项目中获得的用户需求分析和现场应用数据。西门子还积极参与了标准草案的实验室验证工作，利用其先进的安全通信测试平台，为多项关键安全机制（如CRC校验算法在典型通信干扰模型下的检错能力、看门狗超时参数在复杂工业电磁环境中的可靠性等）提供了重要的测试验证数据和改进建议。此外，西门子还通过其在全球工业自动化市场的广泛影响力，积极推动了IEC61139-2标准的推广应用。该公司在其新一代工业通信产品中率先实现了对IEC61139-2标准的安全通信扩展功能支持，为其他设备厂商在产品和系统设计中提供了一套技术参考实现与测试基准，对推动标准的产业化落地起到了积极的示范效应和带动作用。六、标准的应用前景与实施建议（一）应用前景IEC61139-2标准的发布实施，为工业网络单点数字通信接口的功能安全扩展提供了统一的技术依据和评估准则，具有广阔的应用前景。在安全仪表系统、运动控制系统、机器人控制系统、过程控制系统等对通信安全有严格要求的高端应用领域，该标准将有效指导设备制造商进行安全通信功能的规划、设计和验证工作。同时，该标准的发布将进一步促进安全通信技术的产业生态建设——第三方测试认证机构可依据该标准开展安全通信产品的一致性测试和功能安全认证；系统集成商可以依据该标准进行安全通信系统的方案设计和工程实施；最终用户则可以参照该标准进行设备选型和安全论证。（二）实施建议七、结论与展望IEC61139-2:2022《工业网络单点数字通信接口第2部分：功能安全扩展》的发布，是国际工业网络功能安全标准化进程中的重要里程碑。该标准以系统性、通用性、可操作性为显著特征，在IEC61139-1基础通信框架之上构筑了一套完整的功能安全通信技术规范体系，填补了单点数字通信接口功能安全扩展领域的国际标准空白。参考文献[1]IEC61139-2:2022,Industrialnetworks-Single-dropdigitalcommunicationinterface-Part2:Functionalsafetyextensions[S].Geneva:InternationalElectrotechnicalCommission,2022.[2]IEC61