GB∕T 29001.1-2012 機床數(shù)控系統(tǒng) NCUC-Bus現(xiàn)場總線協(xié)議規(guī)范 第1部分：總則

機床數(shù)控系統(tǒng)NCUC-Bus現(xiàn)場總線協(xié)議規(guī)范2013-07-01實施GB/T29001.1—2012前言 I引言 Ⅱ1范圍 2規(guī)范性引用文件 13術語和定義、縮略語 3.1術語和定義 44NCUC-Bus的總體概述 4 44.2NCUC-Bus通信需求 44.3NCUC-Bus網絡拓撲結構 44.4NCUC-Bus網絡模型分層結構 54.5NCUC-Bus設備模型 6 74.7NCUC-Bus故障檢測 74.8NCUC-Bus設備冗余 74.9NCUC-Bus狀態(tài)機 74.10NCUC-Bus通信可靠性、安全性 94.11NCUC-Bus與第三方總線的橋接模型 95NCUC-Bus的各層概述 95.1NCUC-Bus物理層 5.2NCUC-Bus數(shù)據(jù)鏈路層 參考文獻 I——GB/T數(shù)據(jù)鏈路層；本部分為GB/T29001的第1部分。本部分按照GB/T1.1—2009給出的規(guī)則起草。本部分由中國機械工業(yè)聯(lián)合會提出。本部分由全國機床數(shù)控系統(tǒng)標準化技術委員會(SAC/TC367)歸口。本部分起草單位：大連光洋科技工程有限公司、武漢華中數(shù)控股份有限公司、廣州數(shù)控設備有限公Ⅱ機床數(shù)控系統(tǒng)NCUC-Bus現(xiàn)場總線(NCUnionofChinaFieldBus,數(shù)控聯(lián)盟總線，以下簡稱NCUC-Bus)是用于機床數(shù)控系統(tǒng)及工業(yè)自動化控制過程而制定的通信協(xié)議規(guī)范。GB/T29001的本部分是機床數(shù)控系統(tǒng)NCUC-Bus現(xiàn)場總線的總則場總線參考模型，參考模型將互連標準化區(qū)域細分為一系列層次規(guī)范，每層有可管理的范圍。本部分與GB/T29001參考模型所定義的各部分標準有關，是各部分結構及組成的總體描述。本部分是結合近年來科學技術發(fā)展及機床數(shù)控系統(tǒng)的結構及功能需求制定的。1機床數(shù)控系統(tǒng)NCUC-Bus現(xiàn)場總線協(xié)議規(guī)范GB/T29001規(guī)定了機床數(shù)控系統(tǒng)NCUC-Bus現(xiàn)場總線的數(shù)據(jù)類型和基本的數(shù)據(jù)傳輸方式，確立了NCUC-Bus用于機床數(shù)控系統(tǒng)及工業(yè)自動化控制過程而制定的通信協(xié)議規(guī)范。GB/T29001的本部分規(guī)定了NCUC-Bus網絡拓撲結構、設備模型、網絡層次模型、通信狀態(tài)機的主要內容和通信過程一般原則。本部分適用于機床數(shù)控系統(tǒng)。其他用途的數(shù)控系統(tǒng)可參照本部分。2規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改清單)適用于本文件。GB/T9387.1—1998信息技術開放系統(tǒng)互連基本參考模型第1部分：基本模型(idtISO/IEC7498-1:1994)IEEEStd802.3—2005信息技術系統(tǒng)間通信和信息交換局域網及城域網特殊要求第3部分：帶沖突檢測載波監(jiān)聽多從訪問(CSMA/CD)的訪問方式及物理層規(guī)范(Informationtechnology—Tele-3術語和定義、縮略語3.1術語和定義下列術語和定義適用于本文件。對通信系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換中的數(shù)據(jù)格式、時序關系和糾錯方法的約定。通過分時復用的方式，將信息從一個或多個源部件傳送到一個或多個目的部件的一組傳輸線，是通信系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)的公共通道。物理層physicallayer處于ISO/OSI通信參考模型的最底層，是整個通信系統(tǒng)的基礎。物理層為設備之間的數(shù)據(jù)通信提供傳輸介質及互連設備，為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的環(huán)境，包括傳輸介質(光纖、雙絞線、同軸電纜等)、連接2器(插頭/插座)、接收器、發(fā)送器、中繼器等，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在傳輸介質上以一定的速率通過。3.1.4數(shù)據(jù)鏈路層datalinklayer數(shù)據(jù)鏈路層為建立在物理層之上的數(shù)據(jù)通道。在數(shù)據(jù)通信期間，收發(fā)兩端可以進行不等的一次或多次數(shù)據(jù)通信。每次通信都要經過建立通信聯(lián)絡和解除通信聯(lián)絡兩個過程，這種建立起來的數(shù)據(jù)收發(fā)關系就叫做數(shù)據(jù)鏈路。而在物理介質上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)難免受到各種不可靠因素的影響而產生差錯，為了彌補物理層的不足，為上層提供無差錯的數(shù)據(jù)傳輸，就要能對數(shù)據(jù)進行檢錯和糾錯。數(shù)據(jù)鏈路的建立、拆除和對數(shù)據(jù)的檢錯、糾錯是數(shù)據(jù)鏈路層的基本任務。3.1.5應用層位于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層之上，用戶任務之下的所有部分，并向上提供接口和服務。設備device接入通信網絡中，具有特定功能行為的物理實體，例如接入NCUC-Bus網絡的數(shù)控裝置、伺服驅動裝置或I/O裝置等。每個設備在NCUC-Bus中具有唯一的設備地址。3.1.7網絡中發(fā)起通信的設備。NCUC-Bus協(xié)議約定在一個NCUC-Bus環(huán)路中只能有一個主設備，通常為數(shù)控裝置。注：主設備又稱為主站。從設備slavedevice網絡中除主設備之外，其他接入NCUC-Bus網絡的設備，例如伺服驅動裝置或I/O裝置等。注：從設備又稱為從站。3.1.9廣播broadcast在網絡中多設備通信的最普遍的形式，發(fā)送方向每一個目的設備投遞一個分組的拷貝。發(fā)送方可以通過多個單次分組的投遞完成，也可以通過單獨的連接傳遞分組的拷貝，直到每個接收方均收到一個拷貝為止。單地址傳輸singleaddresstransmission單地址傳輸是針對網絡中傳輸?shù)膬蓚€設備間的關系而言的，單地址傳輸指的是發(fā)送端把數(shù)據(jù)傳給網絡中指定的設備。集總幀傳輸slavedeviceinformationtrainpackedtransmission發(fā)送端將需要向網絡中各從設備傳輸?shù)臄?shù)據(jù)依次封裝成一個數(shù)據(jù)包，然后從發(fā)送端的一個端口發(fā)出，依次通過各從設備，然后回到主設備的另一個端口或者同一個端口。從設備在數(shù)據(jù)包經過時，依據(jù)數(shù)據(jù)包中的地址信息，下載主設備傳輸給該設備的數(shù)據(jù)，同時將需要反饋的數(shù)據(jù)上載到數(shù)據(jù)包中。網絡的拓撲結構是引用拓撲學中研究與大小、形狀無關的點、線關系的方法，把網絡中的通信設備抽象為一個點，把傳輸介質抽象為一條線，由點和線組成的幾何圖形就是網絡的拓撲結構。網絡的拓撲結構反映出網絡中各實體的結構關系，是建立網絡的第一步及實現(xiàn)各種網絡協(xié)議的基礎。拓撲結構主33.1.13一種網絡拓撲結構，設備之間通過通信線路依次連接的路由方法。3.1.14一種網絡拓撲結構，設備之間通過通信線路組成閉合回路的路由方法，數(shù)據(jù)在其中只能單向傳輸。3.1.15周期通信cyclecommunication內容具有嚴格時效性的信息交換行為，每隔特定的時間長度，設備進行一次通信。3.1.16周期數(shù)據(jù)cycledate具有嚴格時效性的數(shù)據(jù)。3.1.17非周期通信noncyclecommuni內容不具有嚴格時效性的信息交換行為。3.1.18設備獲取網絡中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的過程?？偩€穩(wěn)定地保持特定的工作模式。描述狀態(tài)以及狀態(tài)間轉換過程的信息模型。3.1.21通信系統(tǒng)自設備通電到可以進行正常通信的過程。網絡中傳遞的一組能夠被設備識別的，表示設備需完成特定通信行為的代碼。反饋feedbackNCUC-Bus網絡中從設備發(fā)出的被主設備接收的包含從設備信息的代碼。用于指導定義通信協(xié)議的網絡層次體系結構(見GB/T9387.1—1998)。在固定的時間段內可傳輸?shù)馁Y料數(shù)量，即在通信線路中傳輸數(shù)據(jù)的能力，又叫頻寬。在數(shù)字設備中，頻寬通常以bit/s表示，即每秒可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)位數(shù)。4GB/T29001.1—2012數(shù)據(jù)鏈路層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元，也是數(shù)據(jù)鏈路層發(fā)起一次通信的基本信息單位。幀由若于個字節(jié)組成，通常由特定的字符表示信息的起始。網絡中交換與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)單元。報文包含了將要發(fā)送的完整的數(shù)據(jù)信息，可以被分割為若干幀，在接收端進行信息的組合。IEEE1394InstituteofElectricalandElectronicsEngineers1394IEEE1394是為了增強外部多媒體設備與電腦連接性能而設計的高速串行總線，傳輸速率可以達到400Mbit/s。超五類線enhancedgategory5cable用于運行快速以太網的非屏蔽雙絞線電纜，傳輸頻率為100MHz,傳輸速度也可達到100Mbit/s.3.2縮略語下列縮略語適用于本文件。100Base-Tx運行在兩對五類雙絞線上的快速以太網ALApplicationLayer應用層CRC-32(16)CycleRedundancyCheck32(16)32(16)位循環(huán)冗余碼校驗算法DLEDataLinkEntity數(shù)據(jù)鏈路實體DLLDataLinkLayer數(shù)據(jù)鏈路層MACMediaAccessControl介質訪問控制OSIOpenSystemsInterconnection開放系統(tǒng)互連PhLPhysicalLayer物理層4NCUC-Bus的總體概述4.1概述NCUC-Bus是機床數(shù)控系統(tǒng)現(xiàn)場總線技術聯(lián)盟為機床數(shù)控系統(tǒng)等包含運動控制的工業(yè)自動化控制過程制定的通信協(xié)議規(guī)范。4.2NCUC-Bus通信需求NCUC-Bus協(xié)議是通過網絡回路，實現(xiàn)高速、高可靠數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ乓?guī)范。在NCUC-Bus協(xié)議規(guī)范下，數(shù)據(jù)幀由主設備發(fā)出，支持單個主設備與多個從設備進行數(shù)據(jù)通信，支持網絡拓撲結構檢測、設備地址自動分配、廣播通信及集總幀通信服務，支持單地址通信服務，支持總線延時測量和時間戳服務。在確定的網絡拓撲結構下，從設備通過對集總幀實時轉發(fā)來保證通信的實時性。4.3NCUC-Bus網絡拓撲結構NCUC-Bus的典型拓撲結構是環(huán)形和線形結構(見圖1～圖3)。5主站從站1從站2從站n從站n—1從站1從站2從站n圖1NCUC-Bus環(huán)形拓撲結構主站從站1從站i從站n從站i+1圖2NCUC-Bus雙線形拓撲結構主站主站從站n—1主站從站n—1從站2從站2從站1從站1從站n從站n主站從站n從站2從站1從站從站n從站2從站1圖3NCUC-Bus單線/單環(huán)形拓撲結構4.4NCUC-Bus網絡模型分層結構NCUC-Bus協(xié)議規(guī)范參照ISO/OSI基本參考模型，對物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應用層以及他們的服務與管理進行了定義(見圖4),具體內容見第5章。6系統(tǒng)管理系統(tǒng)管理應用層數(shù)據(jù)鏈路層物理層傳輸介質圖4NCUC-Bus分層結構4.5NCUC-Bus設備模型NCUC-Bus數(shù)據(jù)幀由主設備發(fā)出，從設備響應。從設備對所有非本設備的數(shù)據(jù)幀進行實時轉發(fā)，支持對數(shù)據(jù)幀中本設備相關字段高速處理。對目標地址為本設備的單地址通信，應答幀沿信道方向轉發(fā)，線性結構信道終點設備選擇另一信道反向發(fā)送。對廣播通信，從設備做相應處理，報文經過每一從設備后回到主設備，處理及轉發(fā)時間所造成的延遲是確定的。如圖5所示，黑色箭頭指示設備控制應用單元與NCUC-Bus應用層的數(shù)據(jù)交換，白色箭頭為通信數(shù)據(jù)流向示意。集總幀由主設備發(fā)出，要傳輸數(shù)據(jù)由主設備控制應用單元產生并傳遞給應用層，經主設備應用層封包，然后經數(shù)據(jù)鏈路層封裝成符合協(xié)議規(guī)范的數(shù)據(jù)幀，通過主設備物理層發(fā)送到總線上。在總線上，該幀數(shù)據(jù)流依次流過每個從設備，從設備物理層獲取數(shù)據(jù)流，在數(shù)據(jù)鏈路層、應用層對幀實時解包，然后將待發(fā)數(shù)據(jù)置入該幀，經過重新封裝后流出該設備。依次遍歷每個從設備后，此幀從主設備物理層返回，由主設備的數(shù)據(jù)鏈路層、應用層解包，將從設備上載的數(shù)據(jù)通過應用層反饋給主設備控制應用單元。單地址通信也是由主設備發(fā)出，數(shù)據(jù)或指令信息由主設備控制應用單元下達到應用層，應用層按照協(xié)議規(guī)范封包，由數(shù)據(jù)鏈路層封裝后通過物理層發(fā)送到總線上。在總線上，該幀數(shù)據(jù)流沿網絡拓撲依次遍歷總線上各從設備，數(shù)據(jù)流由各從設備物理層接收后，上傳至數(shù)據(jù)鏈路層，若數(shù)據(jù)鏈路層檢測發(fā)現(xiàn)不是發(fā)給本站的幀，則將該幀轉發(fā)到總線上繼續(xù)傳輸，若數(shù)據(jù)鏈路層檢測確認為發(fā)給本站的幀，則接收進入應用層，按照協(xié)議解包獲得有效數(shù)據(jù)，生成應答幀，由鏈路層重新封裝并通過物理層向下一從設備傳輸。該幀被依次轉發(fā)后返回主設備，通過主設備物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層將應答幀解包，得到應答信息或返回的數(shù)據(jù)，由應用層反饋給主設備控制應用單元。7主設備控制應用單元解包數(shù)據(jù)封包數(shù)據(jù)解包數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)鏈路層從設備2控制應用單元從設備2控制應用單元控制應用單元應用層應用層包數(shù)據(jù)解包數(shù)據(jù)封包數(shù)據(jù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路NCUC-Bus通過延時測量服務，確定主設備到每個從設備的線路延遲，結合時間戳服務，主設備控制應用和從設備控制應用可以實現(xiàn)精確的總線同步。4.7NCUC-Bus故障檢測NCUC-Bus主設備支持幀接收超時報警及設備狀態(tài)監(jiān)控。主設備和從設備支持多級CRC錯誤檢測(數(shù)據(jù)鏈路層、應用層)。4.8NCUC-Bus設備冗余NCUC-Bus提供雙線形環(huán)網線路冗余的總線拓撲結構，并支持設備代理冗余，工作設備和備份設備均通過設備代理接入總線，總線協(xié)議無需對冗余設備做特殊處理。4.9NCUC-Bus狀態(tài)機總線通信狀態(tài)包括：初始態(tài)、等待態(tài)、運行態(tài)、停止態(tài)(見8E2切始態(tài)E1E0-通過建立狀態(tài)機機制，NCUC-Bus在不同的狀態(tài)下執(zhí)行相應權限的總線功能，從而保證總線運行的有序性、安全性和健壯性。以下是NCUC-Bus通信狀態(tài)和狀態(tài)間的轉換條件簡述：初始態(tài)：在系統(tǒng)上電后，主設備、從設備均進入初始化態(tài)，主設備通過正向環(huán)路檢測指令和反向環(huán)路檢測指令完成對總線拓撲結構的判斷，然后完成對從設備地址的分配；等待態(tài)：主設備、從設備完成地址分配后將進入等待態(tài)。在該狀態(tài)下，主設備通過參數(shù)讀寫操作完成對從設備相關參數(shù)配置；運行態(tài)：從設備與主設備進行過程數(shù)據(jù)通信；停止態(tài)：在系統(tǒng)準備正常關閉或出現(xiàn)異常時，主設備通過總線指令配置系統(tǒng)進入停止態(tài)，停止除狀態(tài)切換之外的所有總線活動。狀態(tài)轉換條件：E0:總線設備完成上電初始化。當連接在總線上的設備完成自身上電初始化后，進入初始態(tài)；E1:總線初始化成功。當主設備成功完成對總線拓撲結構辨識和從設備地址分配后，進入等待態(tài)，此狀態(tài)下主設備完成對從設備相關參數(shù)的配置；E2:運行態(tài)切換。當主設備準備好并確認從設備也做好進入運行態(tài)的準備，進入運行態(tài)，即啟動過程數(shù)據(jù)通信；E3:正常系統(tǒng)關閉或出現(xiàn)異常需要停止總線通信活動。主設備通知從設備進入停止態(tài)，拒絕狀態(tài)切換之外的所有通信行為；E4:完成總線關閉。當總線設備完成總線關閉前準備后，結束通信狀態(tài)機管理，總線關閉；E5:異常停止。當總線運行在等待態(tài)，由于總線或系統(tǒng)異常而需要總線進入停止態(tài)，執(zhí)行該操作；E6:重新初始化。當總線處于停止態(tài)，需要重新初始化總線設備，執(zhí)行該操作；E7:恢復等待態(tài)。當總線處于停止態(tài)，需要重新配置設備參數(shù)等，執(zhí)行該操作E8:恢復運行態(tài)。由于總線或系統(tǒng)異常進入停止態(tài)，而異常原因排除，系統(tǒng)需要繼續(xù)運行，執(zhí)行該操作；E9:返回等待態(tài)。在處于運行態(tài)的系統(tǒng)運行過程中，需要變更總線設備參數(shù)等原因，為保證總線運行穩(wěn)定可靠，回到等待態(tài)；E10:運行態(tài)重新初始化總線設備；E11:等待態(tài)重新初始化總線設備。9NCUC-Bus具有幀錯誤檢測、設備錯誤檢測和錯誤重發(fā)機制保證通信的可靠性和安全性。主設備根據(jù)接收幀中的反饋信息進行CRC校驗，如果出現(xiàn)錯誤，主設備將重發(fā)該幀，直至接收校驗正確或重發(fā)幀數(shù)超過設定為止；集總幀的每個從設備信息區(qū)均執(zhí)行獨立的CRC校驗，并通過錯誤重發(fā)機制來保證數(shù)據(jù)的可靠性；主設備具有幀接收超時機制，為幀通信異常提供報警手段和糾錯機會；此外NCUC-Bus為集總幀設計幀編號機制來監(jiān)測數(shù)據(jù)通信鏈路的性能和穩(wěn)定性。4.11NCUC-Bus與第三方總線的橋接模型總線橋接，支持第三方總線通過NCUC-Bus網絡傳輸數(shù)據(jù)。應用層開放專用指令通道封裝第三方總線數(shù)據(jù)。NCUC-