GSK-Link-PA總線技術的研究與應用

陳曉濤，宋 師，李建華，李 俊，吳蘇如

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

0 前言

工業以太網現場總線已越來越廣泛地應用于數控系統和自動化領域，GSK-Link[1]是廣州數控設備有限公司推出的自主知識產權工業以太網現場總線協議，已成功應用于中高檔數控系統，實現了CNC 與伺服驅動單元、I/O 單元的實時通信。GSK-Link-PA是本文作者基于GSK-Link總線數據鏈路層研發的設備總線協議，實現了相互獨立的GSK-Link總線網絡之間的組網和實時通信。

GSK-Link-PA 總線協議具備與國外主流的Profinet PA、EtherCAT EAP[2]等協議相似的功能，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《機械加工車間網絡控制技術研究及相關設備研制》，實現了基于GSK-Link 總線的可編程控制器（PLC）、數控系統（CNC）、工業機器人控制器之間的組網通信，滿足了由數控機床、工業機器人和輔助設備構成的自動生產線的控制需要。

1 GSK-Link-PA總線的研制

1.1 概述

現場總線的應用特點是：現場設備分散，單個節點信息量小，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協議，使用超五類以太網線傳輸媒介和標準以太網接口芯片，主從站都采用同樣的硬件模塊[1]。

鏈路層使用FPGA 來實現，主要任務是進行數據封裝和數據連接的建立。

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

1.2 總線物理層

1.2.1 連接拓撲

GSK-Link-PA總線通信物理層協議規范的網絡只支持物理拓撲結構為環型結構（見圖1）。

圖1 環型網絡拓撲結構

1.2.2 環型結構

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

圖2 環型結構

1.3 總線鏈路層

1.3.1 報文

（1）報文的基本結構

報文基本結構如圖3所示。

圖3 報文基本結構

幀前導：用來同步和界定報文的起始位置。

源地址：發送站點的物理地址。

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。

數據長度：表示數據域的字節個數。

CRC 域：數據校驗域，采用的是循環冗余碼校驗方式。CRC 校驗碼計算包括源地址、目的地址、控制字、數據長度和數據域，也就是說除了幀前導以外都計算在內。

（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。

主站數據報文（Master Data Telegram，簡稱MDT）：每個通訊周期中，主站以廣播形式發送一次這種報文，各伺服裝置從MDT 提取屬于自己的數據（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，主站以廣播形式發送一次這種報文，各伺服裝置將要反饋給主站的數據添加到伺服報文中（實際位置值、實際速度值等）。

普通數據報文（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據。

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場總線，環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，形成雙環形；GSK-Link-PA 總線環路中的每個站點設備都包含兩個相同的網絡接口（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鏈路兩個通信接口；通信由主站發起，由從站依次進行通信數據讀取反饋和幀的重新打包之后，轉發相鄰從站，最終回到主站。

GSK-Link-PA 總線在總線拓撲檢測中，將對網絡拓撲結構進行掃描，主站通過對各站點的拓撲結構識別和檢查，若環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 傳輸的延遲

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

1.3.5 傳輸的可靠性手段

為了實現鏈路層間數據傳輸的可靠性，鏈路層采用了兩種檢測方式：CRC校驗和超時監測窗口。

（1）CRC校驗

發送站點對返回的報文進行CRC校驗，如果出現錯誤，主站將重新傳送該幀。接收站點對數據域進行CRC校驗，如果發生錯誤，則過濾此幀。

（2）超時監測窗口

發送站點在發出一個報文后開始計時，如果在規定的時間內沒有收到該幀的返回幀，則認為該數據出錯或丟失，并重新發送該幀。

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 進入正常的數據交互階段。

1.4.2 通訊時序與資源規劃

（1）GSK-Link-PA 協議定義了非周期和周期兩種數據傳輸時序。非周期傳輸主要用于對實時性要求不高、數據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據傳輸尋址從站，并為從站配置參數。周期性運行模式用于正常運行階段，主站用周期性數據傳輸實時控制從站。GSK-Link-PA 的雙環結構規劃了兩個通訊環路，A 環用于周期傳輸模式，B 環用于非周期傳輸模式，兩個環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 環通訊，從網關定期向設備控制器收集和發布實時數據，主網關定期向各從網關收集和發布實時數據。A 環通訊使用MDT/AT 幀，具體封裝格式見圖4。

基于B 環通訊，主網關不定期的與GPC1000進行數據交互，GPC1000 為通訊主動方。主網關將設備控制器的反饋數據提交給GPC1000，并從GPC1000獲取控制指令，分發到各設備控制器。B環通訊使用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

在加工自動化生產線中，根據加工需求的不同，接入GSK-Link-PA網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。主控制臺根據各從控制平臺的加工任務，給其分配和開放特定區域的訪問權限，從控制平臺定時從該區域提取控制指令，并提交自己的執行狀態。

在GSK-Link-PA 網絡，對通訊數據進行了抽象，只有遠程寄存器池訪問概念，屏蔽了數據具體應用的概念，簡化了GSK-Link-PA網絡的通訊管理。

GSK-Link-PA 總線各平臺的網絡通訊，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系統訪問遠程寄存器池的數據流程圖如圖6。

1.4.4 網關概述

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

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

1.4.5 組網原理

由數控機床、工業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鎖互鎖邏輯關系及控制時序要求，傳統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，控制器之間通過網關接入GSK-Link-PA總線，通過GSK-Link-PA 總線實現控制器之間控制邏輯、控制時序信息的實時交互。GSK-Link-PA 總線網絡連接拓撲如圖7。

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

網關在不同的網絡擔任不同的通訊角色。主網關作為GSK-Link網絡的從站，通過非周期通信來建立訪問GPC1000 共享內存的通道；作為GSK-Link-PA網絡的主站，與各子網關進行周期通信，周期性的觸發共享內存訪問事務。子網關作為GSK-Link網絡的從站，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存的通道；作為GSK-Link-PA 網絡的從站，與主網關進行周期通信，周期性的響應共享內存訪問事務。

1.4.6 特性

（1）跨網功能

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

圖7 GSK-Link-PA網絡拓撲圖

（2）多站點身份

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

（3）組網功能

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

（4）友好級聯接口

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

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：主站鏈路層通過發送時延測量報文對網絡時延進行測量。測量原理圖見圖8。

時延測量步驟如下。

Step1：將主站計數器清零（Tmx=0），同時發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回。

Step3: 主站收到MST 報文后，停止主站計數器的計數，并記錄當前的計數值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：

實驗結論：在網線為2 米的情況下，測得發送時延為30 ns。

2.3 同步性能測試

實驗目的：測量總線系統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出的指令有效中斷信號。

圖8 時延測量原理圖

實驗結論：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出的周期定時中斷，在中斷服務程序中讀取一個硬件計數器的值，相鄰兩個中斷內讀數的差值就是中斷周期的時間，圖解見圖10。

實驗結論：設定通訊周期8 ms時，記錄了500個周期時間的統計結果，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條自動線不僅實現了零件的自動化生產，還實現了遠程設備監控、工藝管理和生產信息管理。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成

電機軸的加工分三道工序，為了平衡生產節拍，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，生產線的前端有一個具有分料功能的毛坯料盤，生產線的后端有一放置成品的料車。整條輸送線共有四臺數控機床、三臺機器人、兩條輸送線、一個毛坯轉盤料架、一個成品料車。

圖11 生產自動線拓撲圖

3.2 自動線的GSK-Link-PA總線概況

（1）組網

機器人、機床、主控制臺GPC1000 等加工設備網絡通過網關接入GSK-Link-PA網絡。

（2）加工設備網絡信息交互接口

各加工設備網絡通過訪問“遠程寄存器池”，實現與目標網絡的實時或非實時數據交互。

（3）通信技術參數

各技術參數如表2所示。

表2 技術參數

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 結束語

GSK-Link-PA 總線協議是國內數控系統企業推出的第一個自主知識產權的工業以太網設備總線協議，實現了設備控制器之間實時的信息交互，并可通過局域網接入信息管理系統，提供了基于工業以太網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］廣州數控設備有限公司.Q GZSK 323.X-2011 GSK-Link 現場總線協議規范［Z］.廣州數控設備有限公司，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.數字伺服通訊協議SERCOS 驅動程序設計及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2005.

［5］中國數控系統總線技術聯盟工作組.機床數控系統NCUC-Bus 現場總線協議規范 第2 部分：物理層［S］.

［6］中國數控系統總線技術聯盟工作組.機床數控系統NCUC-Bus現場總線協議規范第3部分：數據鏈路層［S］.