機床數控系統NCUC-Bus現場總線協議規范GB/T29001.1—2012 I Ⅱ 2規范性引用文件 3術語和定義、縮略語 3.1術語和定義 3.2縮略語 4NCUC-Bus的總體概述 4.1概述 4.2NCUC-Bus通信需求 4 44.4NCUC-Bus網絡模型分層結構 4.7NCUC-Bus故障檢測 4.8NCUC-Bus設備冗余 4.11NCUC-Bus與第三方總線的橋接模型 95NCUC-Bus的各層概述 5.1NCUC-Bus物理層 5.2NCUC-Bus數據鏈路層 5.3NCUC-Bus應用層 參考文獻 IGB/T29001《機床數控系統NCUC-Bus現場總線協議規范》分為以下部分：——GB/T—-GB/T -GB/T——GB/T——GB/T——GB/T29001.1 29001.2 29001.3 29001.429001.529001.6物理層；數據鏈路層；安全；本部分為GB/T29001的第1部分。本部分按照GB/T1.1—2009給出的規則起草。本部分由中國機械工業聯合會提出。本部分由全國機床數控系統標準化技術委員會(SAC/TC367)歸口。本部分起草單位：大連光洋科技工程有限公司、武漢華中數控股份有限公司、廣州數控設備有限公司、沈陽高精數控技術有限公司、浙江中控電氣技術有限公司。Ⅱ機床數控系統NCUC-Bus現場總線(NCUnionofChinaFieldBus,數控聯盟總線，以下簡稱NCUC-Bus)是用于機床數控系統及工業自動化控制過程而制定的通信協議規范。GB/T29001的本部分是機床數控系統NCUC-Bus現場總線的總則，GB/T29001定義了“三層”現場總線參考模型，參考模型將互連標準化區域細分為一系列層次規范，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展及機床數控系統的結構及功能需求制定的。1機床數控系統NCUC-Bus現場總線協議規范1范圍GB/T29001規定了機床數控系統NCUC-Bus現場總線的數據類型和基本的數據傳輸方式，確立了NCUC-Bus用于機床數控系統及工業自動化控制過程而制定的通信協議規范。GB/T29001的本部分規定了NCUC-Bus網絡拓撲結構、設備模型、網絡層次模型、通信狀態機的主要內容和通信過程一般原則。本部分適用于機床數控系統。其他用途的數控系統可參照本部分。2規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信息技術開放系統互連基本參考模型第1部分：基本模型(idtISO/IEEEStd802.3—2005信息技術系統間通信和信息交換局域網及城域網特殊要求第3部分：帶沖突檢測載波監聽多從訪問(CSMA/CD)的訪問方式及物理層規范(Informationtechnology—Tele-communicationsandinformationexchangebetweensystems—Localandmetropolitanareanetworks-Specificrequirements—Part3:Carriersensemultipleaccesswithcollisiondetection(CSMA/CD)accessmethodandphysicallayerspecifications)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。協議protocol對通信系統數據交換中的數據格式、時序關系和糾錯方法的約定?？偩€bus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，是通信系統中傳輸數據的公共通道。物理層physicallayer處于ISO/OSI通信參考模型的最底層，是整個通信系統的基礎。物理層為設備之間的數據通信提供傳輸介質及互連設備，為數據傳輸提供可靠的環境，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、發送器、中繼器等，實現數據在傳輸介質上以一定的速率通過。數據鏈路層datalinklayer數據鏈路層為建立在物理層之上的數據通道。在數據通信期間，收發兩端可以進行不等的一次或多次數據通信。每次通信都要經過建立通信聯絡和解除通信聯絡兩個過程，這種建立起來的數據收發關系就叫做數據鏈路。而在物理介質上傳輸的數據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據傳輸，就要能對數據進行檢錯和糾錯。數據鏈路的建立、拆除和對數據的檢錯、糾錯是數據鏈路層的基本任務。應用層位于物理層和數據鏈路層之上，用戶任務之下的所有部分，并向上提供接口和服務。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。網絡中發起通信的設備。NCUC-Bus協議約定在一個NCUC-Bus環路中只能有一個主設備，通常為數控裝置。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。在網絡中多設備通信的最普遍的形式，發送方向每一個目的設備投遞一個分組的拷貝。發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的兩個設備間的關系而言的，單地址傳輸指的是發送端把數據傳給網絡中指定的設備。集總幀傳輸slavedeviceinformationtrainpackedtransmission發送端將需要向網絡中各從設備傳輸的數據依次封裝成一個數據包，然后從發送端的一個端口發出，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。從設備在數據包經過時，依據數據包中的地址信息，下載主設備傳輸給該設備的數據，同時將需要反饋的數據上載到數據包中。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各種網絡協議的基礎。拓撲結構主3要有星形結構、環形結構、線形結構、樹形結構、網狀結構等。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。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，數據在其中只能單向傳輸。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。周期數據cycledate具有嚴格時效性的數據。非周期通信noncyclecommunication內容不具有嚴格時效性的信息交換行為。存取過程accessprocedure設備獲取網絡中傳輸的數據的過程。總線穩定地保持特定的工作模式。描述狀態以及狀態間轉換過程的信息模型。通信系統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。NCUC-Bus網絡中從設備發出的被主設備接收的包含從設備信息的代碼。ISO/OSI參考模型referencemodelISO/OSI用于指導定義通信協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的資料數量，即在通信線路中傳輸數據的能力，又叫頻寬。在數字設備中，頻寬通常以bit/s表示，即每秒可傳輸的數據位數。4數據鏈路層的協議數據單元，也是數據鏈路層發起一次通信的基本信息單位。幀由若干個字節組成，通常由特定的字符表示信息的起始。網絡中交換與傳輸的數據單元。報文包含了將要發送的完整的數據信息，可以被分割為若干幀，在接收端進行信息的組合。IEEE1394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。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。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)位循環冗余碼校驗算法DLE數據鏈路實體DLLDataLinkLayer數據鏈路層MACMediaAccessControl介質訪問控制OpenSystemsInterconnection開放系統互連PhLPhysicalLayer物理層4NCUC-Bus的總體概述4.1概述NCUC-Bus是機床數控系統現場總線技術聯盟為機床數控系統等包含運動控制的工業自動化控制過程制定的通信協議規范。4.2NCUC-Bus通信需求NCUC-Bus協議是通過網絡回路，實現高速、高可靠數據傳輸的通信規范。在NCUC-Bus協議規范下，數據幀由主設備發出，支持單個主設備與多個從設備進行數據通信，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形和線形結構(見圖1～圖3)。5主站從站n從站2從站1從站從站n從站2從站1圖1NCUC-Bus環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主站從站n-1從站2從站1從站2從站n主站從站n從站2從站從站n從站2圖3NCUC-Bus單線/單環形拓撲結構4.4NCUC-Bus網絡模型分層結構NCUC-Bus協議規范參照ISO/OSI基本參考模型，對物理層、數據鏈路層、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系統管理系統管理應用層數據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數據幀由主設備發出，從設備響應。從設備對所有非本設備的數據幀進行實時轉發，支持對數據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，線性結構信道終點設備選擇另一信道反向發送。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應用層的數據交換，白色箭頭為通信數據流向示意。集總幀由主設備發出，要傳輸數據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，然后經數據鏈路層封裝成符合協議規范的數據幀，通過主設備物理層發送到總線上。在總線上，該幀數據流依次流過每個從設備，從設備物理層獲取數據流，在數據鏈路層、應用層對幀實時解包，然后將待發數據置入該幀，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，由主設備的數據鏈路層、應用層解包，將從設備上載的數據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出，數據或指令信息由主設備控制應用單元下達到應用層，應用層按照協議規范封包，由數據鏈路層封裝后通過物理層發送到總線上。在總線上，該幀數據流沿網絡拓撲依次遍歷總線上各從設備，數據流由各從設備物理層接收后，上傳至數據鏈路層，若數據鏈路層檢測發現不是發給本站的幀，則將該幀轉發到總線上繼續傳輸，若數據鏈路層檢測確認為發給本站的幀，則接收進入應用層，按照協議解包獲得有效數據，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。該幀被依次轉發后返回主設備，通過主設備物理層、數據鏈路層和應用層將應答幀解包，得到應答信息或返回的數據，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應用層封包數據解包數據數據鏈路層幀頭封包的數據CRC物理層從設備1控制應用單元應用層解包數據封包數據從設備2控制應用單元應用層解包數據封包數據數據鏈路層數據鏈路層物理層物理層圖5NCUC-Bus設備行為4.6NCUC-Bus同步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監控。主設備和從設備支持多級CRC錯誤檢測(數據鏈路層、應用層)。4.8NCUC-Bus設備冗余NCUC-Bus提供雙線形環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，總線協議無需對冗余設備做特殊處理。4.9NCUC-Bus狀態機總線通信狀態包括：初始態、等待態、運行態、停止態(見圖6)。8-E10-E10E1E0-初始態停止態E4結束運行態等待態開始通過建立狀態機機制，NCUC-Bus在不同的狀態下執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通信狀態和狀態間的轉換條件簡述：初始態：在系統上電后，主設備、從設備均進入初始化態，主設備通過正向環路檢測指令和反向環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：主設備、從設備完成地址分配后將進入等待態。在該狀態下，主設備通過參數讀寫操作完成對從設備相關參數配置；運行態：從設備與主設備進行過程數據通信；停止態：在系統準備正常關閉或出現異常時，主設備通過總線指令配置系統進入停止態，停止除狀態切換之外的所有總線活動。狀態轉換條件：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；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，此狀態下主設備完成對從設備相關參數的配置；E2:運行態切換。當主設備準備好并確認從設備也做好進入運行態的準備，進入運行態，即啟動過程數據通信；E3:正常系統關閉或出現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，拒絕狀態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，結束通信狀態機管理，總線關閉；E5:異常停止。當總線運行在等待態，由于總線或系統異常而需要總線進入停止態，執行該操作；E6:重新初始化。當總線處于停止態，需要重新初始化總線設備，執行該操作；E7:恢復等待態。當總線處于停止態，需要重新配置設備參數等，執行該操作；E8:恢復運行態。由于總線或系統異常進入停止態，而異常原因排除，系統需要繼續運行，執行該操作；E9:返回等待態。在處于運行態的系統運行過程中，需要變更總線設備參數等原因，為保證總線運E10:運行態重新初始化總線設備；E11:等待態重新初始化總線設備。9數據鏈路層物理層數據鏈路層物理層NCUC-Bus具有幀錯誤檢測、設備錯誤檢測和錯誤重發機制保證通信的可靠性和安全性。主設備根據接收幀中的反饋信息進行CRC校驗，如果出現錯誤，主設備將重發該幀，直至接收校驗正確或重發幀數超過設定為止；集總幀的每個從設備信息區均執行獨立的CRC校驗，并通過錯誤重發機制來保證數據的可靠性；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測數據通信鏈路的性能和穩定性。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網絡傳輸數據。應用層開放專用指令通道封裝第三方總線數據。NCUC-Bus對其數據不做任何處理。第三方總線從NCUC-Bus網絡中某從設備x接入(設此從設備包含該總線的物理層和鏈路層，該總線擁有與NCUC-Bus相同的網絡分層結構),在此從設備內部，該總線鏈路層收發的數據被鏈接到NCUC-Bus應用層，通過應用層提供的專用指令封包進入NCUC-Bus傳輸(見圖7)。主設備擁有該總線的應用層協議棧，該協議棧收發數據被橋接到NCUC-Bus的應用層，通過包含專用指令的數據幀與從設備x交換數據。等同于該總線的網絡分層結構被拆分，物理