陳曉濤，宋 師，李建華，李 俊，吳蘇如

（1.廣州數(shù)控設備有限公司，廣東廣州 510530；2.廣州數(shù)控信息科技有限公司，廣東廣州 510663）

0 前言

工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線已越來越廣泛地應用于數(shù)控系統(tǒng)和自動化領域，GSK-Link[1]是廣州數(shù)控設備有限公司推出的自主知識產(chǎn)權工業(yè)以太網(wǎng)現(xiàn)場總線協(xié)議，已成功應用于中高檔數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了CNC 與伺服驅(qū)動單元、I/O 單元的實時通信。GSK-Link-PA是本文作者基于GSK-Link總線數(shù)據(jù)鏈路層研發(fā)的設備總線協(xié)議，實現(xiàn)了相互獨立的GSK-Link總線網(wǎng)絡之間的組網(wǎng)和實時通信。

GSK-Link-PA 總線協(xié)議具備與國外主流的Profinet PA、EtherCAT EAP[2]等協(xié)議相似的功能，已成功應用于廣東省科技計劃項目《智能化車間關鍵技術研究及應用示范工程》、廣州市科技計劃項目《機械加工車間網(wǎng)絡控制技術研究及相關設備研制》，實現(xiàn)了基于GSK-Link 總線的可編程控制器（PLC）、數(shù)控系統(tǒng)（CNC）、工業(yè)機器人控制器之間的組網(wǎng)通信，滿足了由數(shù)控機床、工業(yè)機器人和輔助設備構(gòu)成的自動生產(chǎn)線的控制需要。

1 GSK-Link-PA總線的研制

1.1 概述

現(xiàn)場總線的應用特點是：現(xiàn)場設備分散，單個節(jié)點信息量小，但實時性和快速性要求較高[3]，所以GSK-Link-PA總線定義了“三層”現(xiàn)場總線參考模型，分別為物理層、鏈路層、應用層。

物理層遵循標準以太網(wǎng)協(xié)議，使用超五類以太網(wǎng)線傳輸媒介和標準以太網(wǎng)接口芯片，主從站都采用同樣的硬件模塊[1]。

鏈路層使用FPGA 來實現(xiàn)，主要任務是進行數(shù)據(jù)封裝和數(shù)據(jù)連接的建立。

應用層是自定義的協(xié)議標準，該標準參考了SERCOS[4]、EtherCAT[2]、NCUC-Bus[5-6]等國外先進總線協(xié)議，在實現(xiàn)成本、通訊效率等方面有顯著的優(yōu)勢。

1.2 總線物理層

1.2.1 連接拓撲

GSK-Link-PA總線通信物理層協(xié)議規(guī)范的網(wǎng)絡只支持物理拓撲結(jié)構(gòu)為環(huán)型結(jié)構(gòu)（見圖1）。

圖1 環(huán)型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

1.2.2 環(huán)型結(jié)構(gòu)

如圖2 所示，每個站點包含兩個相同的網(wǎng)絡接口（端口1 和端口2），通過2 對雙絞線連接形成2個物理環(huán)路。

圖2 環(huán)型結(jié)構(gòu)

1.3 總線鏈路層

1.3.1 報文

（1）報文的基本結(jié)構(gòu)

報文基本結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 報文基本結(jié)構(gòu)

幀前導：用來同步和界定報文的起始位置。

源地址：發(fā)送站點的物理地址。

目的地址：接收站點的物理地址。

控制字：包含報文類別以及各種報文的控制信息。

數(shù)據(jù)長度：表示數(shù)據(jù)域的字節(jié)個數(shù)。

CRC 域：數(shù)據(jù)校驗域，采用的是循環(huán)冗余碼校驗方式。CRC 校驗碼計算包括源地址、目的地址、控制字、數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)域，也就是說除了幀前導以外都計算在內(nèi)。

（2）報文的分類

主站同步報文（Master Sync Telegram，簡稱MST）：初始化階段，每個通訊階段的開始，主站以廣播形式發(fā)送MST報文，用于通知各個從站進入新的通訊階段；正常工作階段，每個周期的開始，主站以廣播形式發(fā)送MST報文，主要用于同步主站和各個從站，同步各從站要考慮環(huán)路的傳輸延時。

令牌報文（Master Command Telegram，簡稱MCT）：正常工作階段，GDT的傳輸受令牌報文的控制，MST、MDT、AT 的傳輸由主站控制進行周期傳輸，不受令牌報文的控制。

主站數(shù)據(jù)報文（Master Data Telegram，簡稱MDT）：每個通訊周期中，主站以廣播形式發(fā)送一次這種報文，各伺服裝置從MDT 提取屬于自己的數(shù)據(jù)（位置指令值、速度指令值等）。

伺服報文（Drive Telegram，簡稱AT）：每個通訊周期中，主站以廣播形式發(fā)送一次這種報文，各伺服裝置將要反饋給主站的數(shù)據(jù)添加到伺服報文中（實際位置值、實際速度值等）。

普通數(shù)據(jù)報文（General Data Telegram，簡稱GDT）：用于在主站與從站，從站與從站之間傳送非周期數(shù)據(jù)。

編址報文（Address Assign Telegram，簡稱AAT）：用于主站對從站的地址編制。

1.3.2 連接的建立

GSK-Link-PA 總線是一種一主多從式的現(xiàn)場總線，環(huán)路中擁有一個主站設備（主站）和多個從站設備（從站）[6]。主站與從站依次連接，形成雙環(huán)形；GSK-Link-PA 總線環(huán)路中的每個站點設備都包含兩個相同的網(wǎng)絡接口（端口1 和端口2），每個端口包含有獨立的物理層芯片和收發(fā)鏈路兩個通信接口；通信由主站發(fā)起，由從站依次進行通信數(shù)據(jù)讀取反饋和幀的重新打包之后，轉(zhuǎn)發(fā)相鄰從站，最終回到主站。

GSK-Link-PA 總線在總線拓撲檢測中，將對網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)進行掃描，主站通過對各站點的拓撲結(jié)構(gòu)識別和檢查，若環(huán)路連接失敗則給出報警信息。

1.3.3 時鐘的同步

每個周期的開始，主站以廣播形式發(fā)送MST報文，各個從站以主站時鐘為參考時鐘將本地時間校準到與參考時鐘一致，從而使鏈路層的同步達到了納秒級別的精度，并且做到同步誤差不累計。

1.3.4 傳輸?shù)难舆t

傳輸延遲= 發(fā)送延遲＋線路延遲＋轉(zhuǎn)發(fā)延遲，為了減少傳輸延遲，站點鏈路層對幀的處理是邊收邊轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)延遲約等于零，這種處理方式有效減少了報文的傳輸延遲。

1.3.5 傳輸?shù)目煽啃允侄?/p>

為了實現(xiàn)鏈路層間數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?，鏈路層采用了兩種檢測方式：CRC校驗和超時監(jiān)測窗口。

（1）CRC校驗

發(fā)送站點對返回的報文進行CRC校驗，如果出現(xiàn)錯誤，主站將重新傳送該幀。接收站點對數(shù)據(jù)域進行CRC校驗，如果發(fā)生錯誤，則過濾此幀。

（2）超時監(jiān)測窗口

發(fā)送站點在發(fā)出一個報文后開始計時，如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到該幀的返回幀，則認為該數(shù)據(jù)出錯或丟失，并重新發(fā)送該幀。

1.4 總線應用層

1.4.1 通信階段管理

通信階段劃分為七個，各個階段的通信行為有明確的行為規(guī)定，具體見表1。階段0～5主要是正常通訊前的各種檢測和配置工作，階段6 進入正常的數(shù)據(jù)交互階段。

1.4.2 通訊時序與資源規(guī)劃

（1）GSK-Link-PA 協(xié)議定義了非周期和周期兩種數(shù)據(jù)傳輸時序。非周期傳輸主要用于對實時性要求不高、數(shù)據(jù)量交互較大的通訊需求，譬如通訊初始化過程，主站使用非周期性數(shù)據(jù)傳輸尋址從站，并為從站配置參數(shù)。周期性運行模式用于正常運行階段，主站用周期性數(shù)據(jù)傳輸實時控制從站。GSK-Link-PA 的雙環(huán)結(jié)構(gòu)規(guī)劃了兩個通訊環(huán)路，A 環(huán)用于周期傳輸模式，B 環(huán)用于非周期傳輸模式，兩個環(huán)路的資源和管理互相獨立。

表1 通信階段分工列表

（2）基于A 環(huán)通訊，從網(wǎng)關定期向設備控制器收集和發(fā)布實時數(shù)據(jù)，主網(wǎng)關定期向各從網(wǎng)關收集和發(fā)布實時數(shù)據(jù)。A 環(huán)通訊使用MDT/AT 幀，具體封裝格式見圖4。

基于B 環(huán)通訊，主網(wǎng)關不定期的與GPC1000進行數(shù)據(jù)交互，GPC1000 為通訊主動方。主網(wǎng)關將設備控制器的反饋數(shù)據(jù)提交給GPC1000，并從GPC1000獲取控制指令，分發(fā)到各設備控制器。B環(huán)通訊使用GDT幀，具體封裝格式見圖5。

圖4 MDT/AT幀格式

圖5 GDT幀格式

1.4.3 遠程寄存器池

在加工自動化生產(chǎn)線中，根據(jù)加工需求的不同，接入GSK-Link-PA網(wǎng)絡的加工控制平臺變化多樣，交互的信息繁雜多變，提供一個統(tǒng)一的、低成本、適用性強的信息管理機制，顯得非常重要。

在本總線中，提出了“遠程寄存器池”的概念。由主控制臺統(tǒng)一提供和管理“遠程寄存器池”，并定義“遠程寄存器池”中每個存儲單位的應用意義。主控制臺根據(jù)各從控制平臺的加工任務，給其分配和開放特定區(qū)域的訪問權限，從控制平臺定時從該區(qū)域提取控制指令，并提交自己的執(zhí)行狀態(tài)。

在GSK-Link-PA 網(wǎng)絡，對通訊數(shù)據(jù)進行了抽象，只有遠程寄存器池訪問概念，屏蔽了數(shù)據(jù)具體應用的概念，簡化了GSK-Link-PA網(wǎng)絡的通訊管理。

GSK-Link-PA 總線各平臺的網(wǎng)絡通訊，實際就是完成對“遠程寄存器池”的讀寫訪問事務。例如，機床CNC系統(tǒng)訪問遠程寄存器池的數(shù)據(jù)流程圖如圖6。

1.4.4 網(wǎng)關概述

網(wǎng)關是組網(wǎng)的關鍵設備，參與GSK-Link-PA通訊的對象，要借助網(wǎng)關來接入GSK-Link-PA網(wǎng)絡。本總線中的網(wǎng)關的存在意義類似于以太網(wǎng)網(wǎng)關。

網(wǎng)關有兩個網(wǎng)絡接入接口，代表兩個站點實體，可以同時參與兩個網(wǎng)絡的通訊，并同時遵循兩個網(wǎng)絡的協(xié)議標準，從而起到了網(wǎng)絡橋接和協(xié)議轉(zhuǎn)換的作用。

1.4.5 組網(wǎng)原理

由數(shù)控機床、工業(yè)機器人和輔助設備組成的自動線需要CNC、機器人控制器和PLC 等多種控制器，這些控制器之間存在聯(lián)鎖互鎖邏輯關系及控制時序要求，傳統(tǒng)方法是采用大量信號電纜連接控制器之間的I/O接口。在筆者實施的自動線控制方案中，控制器選用廣州數(shù)控設備有限公司的GSK 系列CNC、機器人控制器、GPC1000 可編程控制器，這些控制器全部采用了GSK-Link 總線，控制器之間通過網(wǎng)關接入GSK-Link-PA總線，通過GSK-Link-PA 總線實現(xiàn)控制器之間控制邏輯、控制時序信息的實時交互。GSK-Link-PA 總線網(wǎng)絡連接拓撲如圖7。

總線網(wǎng)關分為兩類，主網(wǎng)關和子網(wǎng)關。在GSK-Link-PA 網(wǎng)絡中，處于主控地位的車間設備使用主網(wǎng)關接入GSK-Link-PA網(wǎng)絡，其他受控設備使用從網(wǎng)關接入GSK-Link-PA網(wǎng)絡。

網(wǎng)關在不同的網(wǎng)絡擔任不同的通訊角色。主網(wǎng)關作為GSK-Link網(wǎng)絡的從站，通過非周期通信來建立訪問GPC1000 共享內(nèi)存的通道；作為GSK-Link-PA網(wǎng)絡的主站，與各子網(wǎng)關進行周期通信，周期性的觸發(fā)共享內(nèi)存訪問事務。子網(wǎng)關作為GSK-Link網(wǎng)絡的從站，與設備控制器進行周期通信，給設備控制器提供訪問共享內(nèi)存的通道；作為GSK-Link-PA 網(wǎng)絡的從站，與主網(wǎng)關進行周期通信，周期性的響應共享內(nèi)存訪問事務。

1.4.6 特性

（1）跨網(wǎng)功能

每 個 網(wǎng) 關 同 時 面 向GSK-Link-PA 網(wǎng)絡和GSK-Link網(wǎng)絡，在兩個網(wǎng)絡中都具有參與通訊的權利。

圖7 GSK-Link-PA網(wǎng)絡拓撲圖

（2）多站點身份

每個網(wǎng)關具有兩個站點的功能，站點類型可設置為主站或從站。在不同網(wǎng)絡中，可以根據(jù)需求設置為主/從身份，從而滿足不同的通訊需求。

（3）組網(wǎng)功能

通過網(wǎng)關可以將GSK-Link網(wǎng)絡級聯(lián)成一個更大的網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡級別的通訊功能，將通訊對象由站點升級到網(wǎng)絡級別，將通訊范疇從一個網(wǎng)絡擴展到多個網(wǎng)絡。

（4）友好級聯(lián)接口

GSK-Link 網(wǎng)絡無需針對網(wǎng)絡級聯(lián)做任何改動，GSK-Link-PA 網(wǎng)絡對外屏蔽級聯(lián)管理技術，使得GSK-Link-PA網(wǎng)絡具有友好的網(wǎng)絡擴展特性。

2 GSK-Link-PA總線的性能與測試

2.1 總線技術指標

總線技術指標見表1。

2.2 傳輸延遲測試

實驗目的：測量主站到某一個從站的同步報文的傳輸時延。

實驗原理：主站鏈路層通過發(fā)送時延測量報文對網(wǎng)絡時延進行測量。測量原理圖見圖8。

時延測量步驟如下。

Step1：將主站計數(shù)器清零（Tmx=0），同時發(fā)時延測量報文給對應的從站。

Step2:目標從站在Tsx 時間點收到該報文后，在Tsy時間點將該報文原路發(fā)回。

Step3: 主站收到MST 報文后，停止主站計數(shù)器的計數(shù)，并記錄當前的計數(shù)值Tmy。

表1 總線技術指標

Step4: 重復Step1～3 若干次，記錄下所有的時間點。

如果忽略從站對時延測試報文的處理延時，即假設Tsy-Tsx=0，又因為Tmx 恒等于0，那么可以得到公式：

實驗結(jié)論：在網(wǎng)線為2 米的情況下，測得發(fā)送時延為30 ns。

2.3 同步性能測試

實驗目的：測量總線系統(tǒng)中站點間的時鐘同步精度。

實驗原理：直接測量站點鏈路層發(fā)出的指令有效中斷信號。

圖8 時延測量原理圖

實驗結(jié)論：用示波器觀察主從站的中斷。500 μs 周期時，主從站的中斷信號放大之后可以看到信號之間的偏差＜±20 ns，如圖9。

圖9 指令有效信號放大圖

2.4 定時精度測試

實驗目的：測試總線系統(tǒng)中站點的通訊周期定時精度。

實驗原理是：CPU 處理平臺響應站點鏈路層發(fā)出的周期定時中斷，在中斷服務程序中讀取一個硬件計數(shù)器的值，相鄰兩個中斷內(nèi)讀數(shù)的差值就是中斷周期的時間，圖解見圖10。

實驗結(jié)論：設定通訊周期8 ms時，記錄了500個周期時間的統(tǒng)計結(jié)果，平均值為8 012.1 μs。定時器模塊的定時單位是20 μs，所以通訊周期時間應該介于8 000 μs～8 020 μs，實驗結(jié)果和理論分析相吻合。

圖10 定時精度測試原理圖

3 GSK-Link-PA總線應用實例

GSK-Link-PA 總線已成功應用于廣州數(shù)控設備有限公司的伺服電機機加車間3 條自動線，包括：電機軸自動線、電機后端蓋自動線、電機前端蓋自動線。這3條自動線不僅實現(xiàn)了零件的自動化生產(chǎn)，還實現(xiàn)了遠程設備監(jiān)控、工藝管理和生產(chǎn)信息管理。下面具體介紹電機軸自動線的情況。

3.1 電機軸自動線設備構(gòu)成

電機軸的加工分三道工序，為了平衡生產(chǎn)節(jié)拍，第一道、第二道工序分別使用一臺機床和各一臺機器人；第三道工序使用兩臺機床，一臺機器人。每兩臺機器人之間有滾道式輸送線傳輸工件，生產(chǎn)線的前端有一個具有分料功能的毛坯料盤，生產(chǎn)線的后端有一放置成品的料車。整條輸送線共有四臺數(shù)控機床、三臺機器人、兩條輸送線、一個毛坯轉(zhuǎn)盤料架、一個成品料車。

圖11 生產(chǎn)自動線拓撲圖

3.2 自動線的GSK-Link-PA總線概況

（1）組網(wǎng)

機器人、機床、主控制臺GPC1000 等加工設備網(wǎng)絡通過網(wǎng)關接入GSK-Link-PA網(wǎng)絡。

（2）加工設備網(wǎng)絡信息交互接口

各加工設備網(wǎng)絡通過訪問“遠程寄存器池”，實現(xiàn)與目標網(wǎng)絡的實時或非實時數(shù)據(jù)交互。

（3）通信技術參數(shù)

各技術參數(shù)如表2所示。

表2 技術參數(shù)

圖12 電機軸加工自動線布局圖

圖13 工藝流程

自動線拓撲圖、自動線布局、工藝流程分別如圖11～13所示。

4 結(jié)束語

GSK-Link-PA 總線協(xié)議是國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)推出的第一個自主知識產(chǎn)權的工業(yè)以太網(wǎng)設備總線協(xié)議，實現(xiàn)了設備控制器之間實時的信息交互，并可通過局域網(wǎng)接入信息管理系統(tǒng)，提供了基于工業(yè)以太網(wǎng)的完整的自動化控制方案。GSK-Link-PA 總線技術的推廣應用將有力推動我國機械加工設備的自動化、信息化進程。

［1］廣州數(shù)控設備有限公司.Q GZSK 323.X-2011 GSK-Link 現(xiàn)場總線協(xié)議規(guī)范［Z］.廣州數(shù)控設備有限公司，2011.

［2］EtherCAT Technology Group （ETG）.EtherCAT Automation Protocol［Z］.Germany：Beckhoff.2012.

［3］IEC61158-6-12.FDIS Part12-Application layer protocol specification［S］.

［4］郇極.數(shù)字伺服通訊協(xié)議SERCOS 驅(qū)動程序設計及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［5］中國數(shù)控系統(tǒng)總線技術聯(lián)盟工作組.機床數(shù)控系統(tǒng)NCUC-Bus 現(xiàn)場總線協(xié)議規(guī)范 第2 部分：物理層［S］.

［6］中國數(shù)控系統(tǒng)總線技術聯(lián)盟工作組.機床數(shù)控系統(tǒng)NCUC-Bus現(xiàn)場總線協(xié)議規(guī)范第3部分：數(shù)據(jù)鏈路層［S］.