GB∕T 29001.1-2012 机床数控系统 NCUC-Bus现场总线协议规范 第1部分：总则

机床数控系统NCUC-Bus现场总线协议规范2013-07-01实施GB/T29001.1—2012前言 I引言 Ⅱ1范围 2规范性引用文件 13术语和定义、缩略语 3.1术语和定义 44NCUC-Bus的总体概述 4 44.2NCUC-Bus通信需求 44.3NCUC-Bus网络拓扑结构 44.4NCUC-Bus网络模型分层结构 54.5NCUC-Bus设备模型 6 74.7NCUC-Bus故障检测 74.8NCUC-Bus设备冗余 74.9NCUC-Bus状态机 74.10NCUC-Bus通信可靠性、安全性 94.11NCUC-Bus与第三方总线的桥接模型 95NCUC-Bus的各层概述 95.1NCUC-Bus物理层 5.2NCUC-Bus数据链路层 参考文献 I——GB/T数据链路层；本部分为GB/T29001的第1部分。本部分按照GB/T1.1—2009给出的规则起草。本部分由中国机械工业联合会提出。本部分由全国机床数控系统标准化技术委员会(SAC/TC367)归口。本部分起草单位：大连光洋科技工程有限公司、武汉华中数控股份有限公司、广州数控设备有限公Ⅱ机床数控系统NCUC-Bus现场总线(NCUnionofChinaFieldBus,数控联盟总线，以下简称NCUC-Bus)是用于机床数控系统及工业自动化控制过程而制定的通信协议规范。GB/T29001的本部分是机床数控系统NCUC-Bus现场总线的总则场总线参考模型，参考模型将互连标准化区域细分为一系列层次规范，每层有可管理的范围。本部分与GB/T29001参考模型所定义的各部分标准有关，是各部分结构及组成的总体描述。本部分是结合近年来科学技术发展及机床数控系统的结构及功能需求制定的。1机床数控系统NCUC-Bus现场总线协议规范GB/T29001规定了机床数控系统NCUC-Bus现场总线的数据类型和基本的数据传输方式，确立了NCUC-Bus用于机床数控系统及工业自动化控制过程而制定的通信协议规范。GB/T29001的本部分规定了NCUC-Bus网络拓扑结构、设备模型、网络层次模型、通信状态机的主要内容和通信过程一般原则。本部分适用于机床数控系统。其他用途的数控系统可参照本部分。2规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改清单)适用于本文件。GB/T9387.1—1998信息技术开放系统互连基本参考模型第1部分：基本模型(idtISO/IEC7498-1:1994)IEEEStd802.3—2005信息技术系统间通信和信息交换局域网及城域网特殊要求第3部分：带冲突检测载波监听多从访问(CSMA/CD)的访问方式及物理层规范(Informationtechnology—Tele-3术语和定义、缩略语3.1术语和定义下列术语和定义适用于本文件。对通信系统数据交换中的数据格式、时序关系和纠错方法的约定。通过分时复用的方式，将信息从一个或多个源部件传送到一个或多个目的部件的一组传输线，是通信系统中传输数据的公共通道。物理层physicallayer处于ISO/OSI通信参考模型的最底层，是整个通信系统的基础。物理层为设备之间的数据通信提供传输介质及互连设备，为数据传输提供可靠的环境，包括传输介质(光纤、双绞线、同轴电缆等)、连接2器(插头/插座)、接收器、发送器、中继器等，实现数据在传输介质上以一定的速率通过。3.1.4数据链路层datalinklayer数据链路层为建立在物理层之上的数据通道。在数据通信期间，收发两端可以进行不等的一次或多次数据通信。每次通信都要经过建立通信联络和解除通信联络两个过程，这种建立起来的数据收发关系就叫做数据链路。而在物理介质上传输的数据难免受到各种不可靠因素的影响而产生差错，为了弥补物理层的不足，为上层提供无差错的数据传输，就要能对数据进行检错和纠错。数据链路的建立、拆除和对数据的检错、纠错是数据链路层的基本任务。3.1.5应用层位于物理层和数据链路层之上，用户任务之下的所有部分，并向上提供接口和服务。设备device接入通信网络中，具有特定功能行为的物理实体，例如接入NCUC-Bus网络的数控装置、伺服驱动装置或I/O装置等。每个设备在NCUC-Bus中具有唯一的设备地址。3.1.7网络中发起通信的设备。NCUC-Bus协议约定在一个NCUC-Bus环路中只能有一个主设备，通常为数控装置。注：主设备又称为主站。从设备slavedevice网络中除主设备之外，其他接入NCUC-Bus网络的设备，例如伺服驱动装置或I/O装置等。注：从设备又称为从站。3.1.9广播broadcast在网络中多设备通信的最普遍的形式，发送方向每一个目的设备投递一个分组的拷贝。发送方可以通过多个单次分组的投递完成，也可以通过单独的连接传递分组的拷贝，直到每个接收方均收到一个拷贝为止。单地址传输singleaddresstransmission单地址传输是针对网络中传输的两个设备间的关系而言的，单地址传输指的是发送端把数据传给网络中指定的设备。集总帧传输slavedeviceinformationtrainpackedtransmission发送端将需要向网络中各从设备传输的数据依次封装成一个数据包，然后从发送端的一个端口发出，依次通过各从设备，然后回到主设备的另一个端口或者同一个端口。从设备在数据包经过时，依据数据包中的地址信息，下载主设备传输给该设备的数据，同时将需要反馈的数据上载到数据包中。网络的拓扑结构是引用拓扑学中研究与大小、形状无关的点、线关系的方法，把网络中的通信设备抽象为一个点，把传输介质抽象为一条线，由点和线组成的几何图形就是网络的拓扑结构。网络的拓扑结构反映出网络中各实体的结构关系，是建立网络的第一步及实现各种网络协议的基础。拓扑结构主33.1.13一种网络拓扑结构，设备之间通过通信线路依次连接的路由方法。3.1.14一种网络拓扑结构，设备之间通过通信线路组成闭合回路的路由方法，数据在其中只能单向传输。3.1.15周期通信cyclecommunication内容具有严格时效性的信息交换行为，每隔特定的时间长度，设备进行一次通信。3.1.16周期数据cycledate具有严格时效性的数据。3.1.17非周期通信noncyclecommuni内容不具有严格时效性的信息交换行为。3.1.18设备获取网络中传输的数据的过程。总线稳定地保持特定的工作模式。描述状态以及状态间转换过程的信息模型。3.1.21通信系统自设备通电到可以进行正常通信的过程。网络中传递的一组能够被设备识别的，表示设备需完成特定通信行为的代码。反馈feedbackNCUC-Bus网络中从设备发出的被主设备接收的包含从设备信息的代码。用于指导定义通信协议的网络层次体系结构(见GB/T9387.1—1998)。在固定的时间段内可传输的资料数量，即在通信线路中传输数据的能力，又叫频宽。在数字设备中，频宽通常以bit/s表示，即每秒可传输的数据位数。4GB/T29001.1—2012数据链路层的协议数据单元，也是数据链路层发起一次通信的基本信息单位。帧由若于个字节组成，通常由特定的字符表示信息的起始。网络中交换与传输的数据单元。报文包含了将要发送的完整的数据信息，可以被分割为若干帧，在接收端进行信息的组合。IEEE1394InstituteofElectricalandElectronicsEngineers1394IEEE1394是为了增强外部多媒体设备与电脑连接性能而设计的高速串行总线，传输速率可以达到400Mbit/s。超五类线enhancedgategory5cable用于运行快速以太网的非屏蔽双绞线电缆，传输频率为100MHz,传输速度也可达到100Mbit/s.3.2缩略语下列缩略语适用于本文件。100Base-Tx运行在两对五类双绞线上的快速以太网ALApplicationLayer应用层CRC-32(16)CycleRedundancyCheck32(16)32(16)位循环冗余码校验算法DLEDataLinkEntity数据链路实体DLLDataLinkLayer数据链路层MACMediaAccessControl介质访问控制OSIOpenSystemsInterconnection开放系统互连PhLPhysicalLayer物理层4NCUC-Bus的总体概述4.1概述NCUC-Bus是机床数控系统现场总线技术联盟为机床数控系统等包含运动控制的工业自动化控制过程制定的通信协议规范。4.2NCUC-Bus通信需求NCUC-Bus协议是通过网络回路，实现高速、高可靠数据传输的通信规范。在NCUC-Bus协议规范下，数据帧由主设备发出，支持单个主设备与多个从设备进行数据通信，支持网络拓扑结构检测、设备地址自动分配、广播通信及集总帧通信服务，支持单地址通信服务，支持总线延时测量和时间戳服务。在确定的网络拓扑结构下，从设备通过对集总帧实时转发来保证通信的实时性。4.3NCUC-Bus网络拓扑结构NCUC-Bus的典型拓扑结构是环形和线形结构(见图1～图3)。5主站从站1从站2从站n从站n—1从站1从站2从站n图1NCUC-Bus环形拓扑结构主站从站1从站i从站n从站i+1图2NCUC-Bus双线形拓扑结构主站主站从站n—1主站从站n—1从站2从站2从站1从站1从站n从站n主站从站n从站2从站1从站从站n从站2从站1图3NCUC-Bus单线/单环形拓扑结构4.4NCUC-Bus网络模型分层结构NCUC-Bus协议规范参照ISO/OSI基本参考模型，对物理层、数据链路层、应用层以及他们的服务与管理进行了定义(见图4),具体内容见第5章。6系统管理系统管理应用层数据链路层物理层传输介质图4NCUC-Bus分层结构4.5NCUC-Bus设备模型NCUC-Bus数据帧由主设备发出，从设备响应。从设备对所有非本设备的数据帧进行实时转发，支持对数据帧中本设备相关字段高速处理。对目标地址为本设备的单地址通信，应答帧沿信道方向转发，线性结构信道终点设备选择另一信道反向发送。对广播通信，从设备做相应处理，报文经过每一从设备后回到主设备，处理及转发时间所造成的延迟是确定的。如图5所示，黑色箭头指示设备控制应用单元与NCUC-Bus应用层的数据交换，白色箭头为通信数据流向示意。集总帧由主设备发出，要传输数据由主设备控制应用单元产生并传递给应用层，经主设备应用层封包，然后经数据链路层封装成符合协议规范的数据帧，通过主设备物理层发送到总线上。在总线上，该帧数据流依次流过每个从设备，从设备物理层获取数据流，在数据链路层、应用层对帧实时解包，然后将待发数据置入该帧，经过重新封装后流出该设备。依次遍历每个从设备后，此帧从主设备物理层返回，由主设备的数据链路层、应用层解包，将从设备上载的数据通过应用层反馈给主设备控制应用单元。单地址通信也是由主设备发出，数据或指令信息由主设备控制应用单元下达到应用层，应用层按照协议规范封包，由数据链路层封装后通过物理层发送到总线上。在总线上，该帧数据流沿网络拓扑依次遍历总线上各从设备，数据流由各从设备物理层接收后，上传至数据链路层，若数据链路层检测发现不是发给本站的帧，则将该帧转发到总线上继续传输，若数据链路层检测确认为发给本站的帧，则接收进入应用层，按照协议解包获得有效数据，生成应答帧，由链路层重新封装并通过物理层向下一从设备传输。该帧被依次转发后返回主设备，通过主设备物理层、数据链路层和应用层将应答帧解包，得到应答信息或返回的数据，由应用层反馈给主设备控制应用单元。7主设备控制应用单元解包数据封包数据解包数据数据链路层从设备2控制应用单元从设备2控制应用单元控制应用单元应用层应用层包数据解包数据封包数据据链路层数据链路NCUC-Bus通过延时测量服务，确定主设备到每个从设备的线路延迟，结合时间戳服务，主设备控制应用和从设备控制应用可以实现精确的总线同步。4.7NCUC-Bus故障检测NCUC-Bus主设备支持帧接收超时报警及设备状态监控。主设备和从设备支持多级CRC错误检测(数据链路层、应用层)。4.8NCUC-Bus设备冗余NCUC-Bus提供双线形环网线路冗余的总线拓扑结构，并支持设备代理冗余，工作设备和备份设备均通过设备代理接入总线，总线协议无需对冗余设备做特殊处理。4.9NCUC-Bus状态机总线通信状态包括：初始态、等待态、运行态、停止态(见8E2切始态E1E0-通过建立状态机机制，NCUC-Bus在不同的状态下执行相应权限的总线功能，从而保证总线运行的有序性、安全性和健壮性。以下是NCUC-Bus通信状态和状态间的转换条件简述：初始态：在系统上电后，主设备、从设备均进入初始化态，主设备通过正向环路检测指令和反向环路检测指令完成对总线拓扑结构的判断，然后完成对从设备地址的分配；等待态：主设备、从设备完成地址分配后将进入等待态。在该状态下，主设备通过参数读写操作完成对从设备相关参数配置；运行态：从设备与主设备进行过程数据通信；停止态：在系统准备正常关闭或出现异常时，主设备通过总线指令配置系统进入停止态，停止除状态切换之外的所有总线活动。状态转换条件：E0:总线设备完成上电初始化。当连接在总线上的设备完成自身上电初始化后，进入初始态；E1:总线初始化成功。当主设备成功完成对总线拓扑结构辨识和从设备地址分配后，进入等待态，此状态下主设备完成对从设备相关参数的配置；E2:运行态切换。当主设备准备好并确认从设备也做好进入运行态的准备，进入运行态，即启动过程数据通信；E3:正常系统关闭或出现异常需要停止总线通信活动。主设备通知从设备进入停止态，拒绝状态切换之外的所有通信行为；E4:完成总线关闭。当总线设备完成总线关闭前准备后，结束通信状态机管理，总线关闭；E5:异常停止。当总线运行在等待态，由于总线或系统异常而需要总线进入停止态，执行该操作；E6:重新初始化。当总线处于停止态，需要重新初始化总线设备，执行该操作；E7:恢复等待态。当总线处于停止态，需要重新配置设备参数等，执行该操作E8:恢复运行态。由于总线或系统异常进入停止态，而异常原因排除，系统需要继续运行，执行该操作；E9:返回等待态。在处于运行态的系统运行过程中，需要变更总线设备参数等原因，为保证总线运行稳定可靠，回到等待态；E10:运行态重新初始化总线设备；E11:等待态重新初始化总线设备。9NCUC-Bus具有帧错误检测、设备错误检测和错误重发机制保证通信的可靠性和安全性。主设备根据接收帧中的反馈信息进行CRC校验，如果出现错误，主设备将重发该帧，直至接收校验正确或重发帧数超过设定为止；集总帧的每个从设备信息区均执行独立的CRC校验，并通过错误重发机制来保证数据的可靠性；主设备具有帧接收超时机制，为帧通信异常提供报警手段和纠错机会；此外NCUC-Bus为集总帧设计帧编号机制来监测数据通信链路的性能和稳定性。4.11NCUC-Bus与第三方总线的桥接模型总线桥接，支持第三方总线通过NCUC-Bus网络传输数据。应用层开放专用指令通道封装第三方总线数据。NCUC-