GB/T 38002.1-2019 自动化系统与集成 制造业串行实时通信系统集成 第1部分：总则和框架

　　ICS 35 . 240 . 50 J 07

　　中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准

　　GB/T 38002 . 1—2019

　　自动化系统与集成

　　制造业串行实时通信系统集成

　　第 1 部分：总则和框架

　　Automationsystem andintegration—

　　Serialrealtimecommunicationsystem

　　formanufacturingintegration—

　　part1：Generaloverview andarchitecture

　　2019-08-30 发布 2020-03-01 实施

　　国家市场监督管理总局中国国家标准化管理委员会

　　发

　　布

　　GB/T 38002 . 1—2019

　　前 言

　　GB/T 38002《 自动化系统与集成 制造业串行实时通信系统集成》分为以下 4 个部分：

　　— 第 1 部分：总则和框架;

　　— 第 2 部分：输入输出专规;

　　— 第 3 部分：通信专规;

　　— 第 4 部分：驱动专规。

　　本部分为 GB/T 38002 的第 1 部分。

　　本部分按照 GB/T 1 . 1—2009 给出的规则起草。

　　请注意本文件的某些内容可能涉及专利。 本文件的发布机构不承担识别这些专利的责任。

　　本部分由中国机械工业联合会提出。

　　本部分由全国 自动化系统与集成标准化技术委员会(SAC/TC 159)归口 。

　　本部分起草单位：北京机械工业自动化研究所、中国机电一体化技术应用协会。

　　本部分主要起草人：孙洁香、杨秋影、王凯、张雪嫣、王锡俊。

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　　自动化系统与集成

　　制造业串行实时通信系统集成

　　第 1 部分：总则和框架

　　1 范围

　　GB/T 38002 的本部分规定了制造业生产过程串行实时通信系统总体框架结构，包括串行通信系统设备模型、通信模型以及参数模型。

　　本部分适用于制造业生产过程串行实时通信技术的应用、研究与系统集成。

　　2 术语和定义

　　下列术语和定义适用于本文件。

　　2.1

　　部件 component

　　设备中典型、独立、可预定的物理部分。

　　注：在 GB/T 38002 中“设备”指串行实时通信系统设备，带有一个或多个串行实时通信系统主站和/或从站接口 。

　　2.2

　　功能组 functiongroup

　　用于描述一个功能的不同参数构成的集合。

　　2.3

　　资源 resource

　　包含适当参数的应用程序，其参数在功能专用行规中描述。

　　2.4

　　子设备 sub-device

　　设备中含有初始化、参数保护、错误处理等功能组的一个或多个资源的管理单元。

　　2.5

　　主从连接 master-slaveconnection;MS

　　主站和某个从站之间循环的、预先配置的、实时的、双向的连接。

　　2.6

　　交叉通信 crosscommunication;cc

　　串行实时通信网络中的任何两个节点之间的循环的、预先配置的、实时的、单向的单点或多点连接。

　　2.7

　　服务通道 servicechannel;Svc

　　主站和某个从站之间的非周期的、参数随机访问的、单向的连接。

　　2.8

　　非实时通信 nonreal-time;NRT

　　非实时的通信连接，用于 IP报文的标准以太网帧的时间槽。

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　　2.9

　　通用设备行规 genericdeviceprofile

　　子设备中不依赖于诸如驱动功能专用行规和输入输出设备功能专用行规等专用功能行规的通用功能组。

　　注：通用设备行规包括识别、管理、状态机、诊断、归档、能源管理、探测和比较、触发值分配。

　　2 . 10

　　功能专用行规 functionspecificprofile;FSP

　　现场总线应用层协议中与子设备具体功能密切相关的功能组。

　　注：功能专用设备行规分为：驱动功能专用行规、输入输出设备功能专用行规。

　　3 缩略语

　　下列缩略语适用于本文件。

　　AT：反馈报文(acknowledge telegram)

　　CP：通信阶段(communication phase)

　　C-Con：连接控制字(connection control)

　　C-Dev：设备控制字(control device)

　　C-Res：资源控制字(control resource)

　　EMC：电磁兼容性(electro magnetic compatibility)

　　IDN：识别号 (identification number)

　　MDT：主站数据报文(master data telegram)

　　RT：实时(real-time)

　　RTC：实时通信通道(real-time channel)

　　SCP: SERCOS通信行规(SERCOS communication profile)

　　S-Dev：设备状态字(status device)

　　S-Res：资源状态字(status resource)

　　SERCOS：串行实时通信协议(serial real time communication specification)

　　UCC：统一通信通道(unified communication channel)

　　4 串行实时通信系统概述

　　串行实时 通 信 系 统 将 以 太 网 用 作 它 的 物 理 层 和 传 输 层，应 支 持 全 双 工 通 信、传 输 速 率 为100 Mbit/s、自动交叉功能、自动协商。 通信介质应为铜缆或者光缆，其中铜缆要求使用 Cat5e 及之上的铜缆，考虑到 EMC约束，应采用合适的屏蔽方式来保证通信的可靠性。

　　如图 1 所示，串行实时通信系统采用主从通信结构，在一个拓扑中应由一个主站和 N(其中 N = 0 , 1,2…)个从站组成，支持线型或环型两种类型的接线拓扑，并分别产生单环或双环的连接拓扑。

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　　a)线性拓扑

　　b)环型拓扑

　　图 1 环型和线型拓扑

　　串行实时通信系统定义了 MDT 和 AT两种报文类型，每种报文最多有 4 个，报文号码分别为 0、1、 2、3,报文的数量应根据需要由主站进行配置。 如图 2 所示，串行实时通信系统报文采用标准的以太网报文结构，以太网类型为 0x88CD,首部和数据域为串行实时通信系统的传输数据。

　　MDT用来传输来自主站的数据，对于主站报文是可读写的，对于从站报文是只读的;AT对于每个节点(主站和从站)都是可读写的。

　　图 2 用于串行实时通信系统报文的一般报文结构

　　通信周期计时以 MST为基准，一个通信周期为相邻两个 MST之间的时间间隔。 采用基于时间槽的通信机制，一个通信周期被分为实时通信通道(RTC)和统一通信通道(UCC) 。按照报文传输顺序可以分为两种通信时序：MDT-AT-UCC 和 MDT-UCC-AT,如图 3 所示。

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　　图 3 通信周期中的报文以及通信时序

　　下列为串行实时通信系统的 4 个逻辑通信通道：

　　● MS：主站和某个从站之间的循环的、预先配置的、实时的、双向的连接，用于 MDT 和 AT 报文中;

　　● CC: SERCOS 网络中的任何两个节点之间的循环的、预先配置的、实时的、单向的单点或多点连接(主站或从站，交叉通信)，用于 AT报文中;

　　● SVC：主站和某个从站之间的非周期的、参数随机访问的、单向的连接(带有特殊参数协议的服务通道)，用于 MDT 和 AT报文中;

　　● NRT：非实时的通信连接，用于 IP报文的标准以太网帧的时间槽。

　　5 设备模型

　　5 . 1 从站设备的逻辑设备结构

　　5 . 1 . 1 概述

　　从站设备的逻辑结构如图 4 所示，下列典型功能在复杂从站设备中的单个或多个实例中实现：

　　a) 驱动(包括命令值处理、操作模式控制、轴控制、编码功能、马达控制等)，取决于电气或液压伺服系统的执行器物理性质;

　　b) 虚拟主控轴;

　　c) 测量编码器;

　　d) 编码器仿真器;

　　e) 凸轮开关;

　　f) 可编程序控制系统;

　　g) 数字和模拟 I/O。

　　GB/T 38002 为这些本质上相互独立工作的功能定义常规术语“资源”。一个资源包含了一个或多个功能组来实现其目标。 例如：资源“real axis”包含了多个功能组( 如：位置控制器、状态机控制、运行模式、位置模式、马达编码器估计、定标度等)。

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　　资源在一个叫子设备的单元内实现，子设备提供了必要的管理机制，以便通过它们来运行。 一个设备中可以有多个子设备。 每个子设备都具有它自己的独立参数地址区域。 子设备包含了多个功能组来满足所需的管理功能，如：子设备初始化、参数保护、错误处理。 每个子设备中都集成了一个或多个资源。

　　为了通信，串行实时通信系统设备需要一个串行实时通信系统接 口 。该接口提供了访问串行实时通信系统网络的物理途径。 串行实时通信系统接口 由一个或多个从站组成，它们包括逻辑实时通道及其特定条件和通信相关的管理机制。 一个从站具有逻辑通信通道 MS、CC 以及 SVC通道。

　　注 ：由于通信通道的这种划分，可以对一个设备中的各个独立的通信单元进行管理，这类似于一个设备中有多个子设备。

　　串行实时通信系统从站将被恰当地分配给每个子设备。 从站包含通信相关的功能组，如：MS 和CC容器的实时通信通道的配置。

　　图 4 从站设备的逻辑结构框图

　　5 . 1 . 2 资源到子设备的分配

　　一个复杂资源(例如一个有着大约 50 个 IDN 的实际轴)宜被集成到一个单独的子设备中。 资源到子设备的恰当分配是设备制造商的职责。

　　5 . 2 设备物理结构

　　一个串行实时通信系统设备的物理结构由一个或多个组件组成。 一般情况下，每个组件都可以独立地排序。 例如在一个模块化的 I/O设备系统中，这些组件通常被编入单独的模块中，分别代表这个模块化 I/O设备的各个槽。

　　物理结构可以完全独立于设备的逻辑顺序。 所以，串行实时通信系统设备的完整设备模型由两个独立的逻辑和物理维度组成，从站设备的完整结构如图 5 所示。

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　　图 5 从站设备的完整结构图(包括物理顺序)

　　5 . 3 设备和通信规范

　　按照图 6 中所显示的，使用串行实时通信系统的设备结构图，可以显示设备和通信行规的划分。

　　“串行实时通信系统接口”和“串行实时通信系统从站”成分属于串行实时通信系统的通信行规(SCP),并且为所有的串行实时通信系统从站设备定义。

　　“设备”和“子设备”成分属于类属串行实时通信系统通用设备行规(GDP),并且也为所有串行实时通信系统从站设备定义。

　　各个资源分别在不同的功能专用行规(FSP)中描述。 来自不同资源种类的功能组可以被分配给 一个子设备。

　　图 6 从站设备的通信和设备行规

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　　5 . 4 寻址方式和逻辑通信通道

　　从站管理自己的逻辑 MS、CC 和 SVC通道，而 IP通道直接与串行实时通信系统接口相关。

　　如图 7 所示子设备相关寻址是通过串行实时通信系统从站的“从站地址”完成的。 为了从一个主站设备分配从站地址，可以在通信初始化过程中进行一种“拓扑地址”检测序列。

　　与设备相关的寻址是使用串行实时通信系统接口的“MAC 和 IP地址”完成的。

　　图 7 设备的寻址方式和逻辑通信通道

　　5 . 5 通信和子设备状态机

　　如图 8 所示，一个串行实时通信系统设备中的主状态控制包含两种机制：

　　a) 通信状态机：串行实时通信系统的通信初始化由 6 个“通信阶段”(CP) 的状态组成，它从 CP1开始(这期间，没有串行实时通信系统报文被发送到网络上)，并在 CP4 结束(这期间，所配置的所有定时和报文丛都处于活动状态)，并且所有已经配置的循环连接都处于活动状态;

　　b) 子设备状态机：子设备由两个主要的状态组成：参数模式和操作模式。 在参数模式下，一个子设备中的集成资源的所有配置参数都可更改，但是资源在典型情况下是处于一种基本配置模式下。 在操作模式下，所集成的资源也处于操作模式下。

　　可能的使用情况有：

　　a) 正常使用情况是：子设备及其集成资源在它们的专用从站的 CP4(S-0-0128) 阶段的转换检查命令期间，都被切换到操作模式。

　　b) 如果不希望这样，则意味着串行实时通信系统网络应该切换到第 4 阶段，但是一个或多个子设备应该停留在参数模式下。 命令 S-0-0420 应该在启动 S-0-0128 之前执行。 这将子设备留置在参数模式下，尽管通信可以被切换到第 4 阶段。

　　c) 通过使用 S-0-0422 和 S-0-0420 命令，可以单独控制子设备及其资源，而通信停留在第 4 阶段。这允许每个子设备的单独控制，而不依赖于网络上的通信状态。

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　　6 通信模型

　　图 8 通信和子设备状态机

　　6 . 1 基本要求

　　如图 9 所示，一般的通信结构由一个三层结构组成，包括：

　　a) 通信层;

　　b) 连接层;

　　c) 应用层。

　　设备模型通信层和连接层属于接口和从站，在 SCP 中详述;应用层属于资源、子设备和设备，在GDP 以及不同的 FSP 中详述。

　　主站设备不需要在它的通信层中区分不同的设备应用程序类型。 从站设备可以实现同样的通信栈，而不管该设备中的应用类型。

　　通信层分为通信控制层和连接控制层。 连接控制机制完全一致，并且与 MS 和 CC连接不相冲突。每个从站中可以有多个连接。

　　图 9 三层通信模型

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　　6 . 2 通信层

　　通信层的属性和任务有：

　　a) 阶段处理;

　　b) 同步、定时;

　　c) 报文处理;

　　d) 拓扑控制和状态;

　　e) 识别 ;

　　f) 服务通道。

　　MDT报文由主站使用，用于将控制信息(阶段、同步、指令拓扑、识别、服务通道等)传送给从站。 AT报文被从站用于将状态信息传送到主站(拓扑地址、活动拓扑、错误标志、服务通道)。 为此 目 的，主站设备和从站设备之间的通信层之间存在一个点对点关系。 这个通信关系在每一个通信阶段中都是可用的。

　　6 . 3 连接层

　　连接层的属性和任务有：

　　a) 连接的控制和监控;

　　b) 实时数据的配置;

　　c) 连接错误处理。

　　在一个生产者和一个或多个消费者的连接层之间存在一个 1 对 n 的关系。 每个总线从站和总线主站都可以是一个消费者或生产者。

　　任意两个从站节点之间都可以存在交叉通信连接(CC) 。 每个串行实时通信系统支持多个 MS 或CC连接。

　　6 . 4 应用层

　　应用层将通信和连接层用于资源所需的特定功能，以及连接数据的生产和消费。

　　6 . 5 层次关系

　　每个层都有其专用非重叠任务，并占有单独的(E)IDN、单独的控制/状态字和专用的错误处理。 在一个网路中的两个不同的节点之间，只有相同的层彼此通信。 带有不同连接的通信模型范例如图 10所示。

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　　说明：

　　P — 生产者;

　　C — 消费者;

　　— 连接;

　　mm mm — 传输的数据。

　　图 10 带有不同连接的通信模型范例

　　6 . 6 设备控制字和状态字

　　6 . 6 . 1 概述

　　控制和状态字的结构如图 11 所示，由下列组成：

　　a) 设备控制/状态字(C-Dev/S-Dev)：包含设备、接口、从站以及子设备相关的控制/状态信息;

　　b) 连接控制字(C-Conn)：包含连接相关的控制信息;

　　c) 资源控制/状态字(C-Res/S-Res) - 16 位的控制或状态字含有一个资源的控制或状态信息。资源控制/状态字的内容强烈地依赖于资源的类型。 例如，驱动控制字不同于一种 I/O 单元控制字。 C-Res/S-Res是可配置循环数据内容的一部分，并且应要明确地配置。 如果不必通过一个连接来控制一个资源，则不必配置这个资源。 如果一个连接控制着多个资源，则可以在一个连接中配置多个 C-Res/S-Res。

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　　图 1 1 控制和状态字的一般结构

　　6 . 6 . 2 设备控制/状态字(C-Dev/S-Dev)

　　如果 MDT 中有一个 16 位的控制字，并且在 AT 中有一个状态字，包含 1 个用于接口控制/状态(拓扑、通信、识别)的字节以及 1 个用于设备/子设备信息(错误、警告位、参数化级别、命令更改位、连接错误标志)的字节。 C-Dev/S-Dev是一个 MS连接的混合部分，它们不需要配置。

　　6 . 6 . 3 连接控制字(C-Con)

　　这是位于一个 MS或 CC连接的数据帧的开始处的一个 16 位的控制字，控制着从实时数据生产者

　　到消费者的连接。它包含 ProducerReady、NewData、CC_DataFieldDelay等控制标志，以及多个可 自 由

　　配置的信号控制位。 一个主从连接是 SERCOS 主站与一个含有两个单极连接的带有两个不同连接控制字(每个方向各一个)的从站之间的一个双极单模通信连接。 一个交叉通信的通信关系是：任何两个从站之间或任何从站与主站之间的一个单模或多模通信关系，并且含有一个连接控制字。 C-Con 是每个 MS或 CC连接的一个固定部分;不必配置它。

　　6 . 6 . 4 资源相关的控制和状态( C/S_RES)

　　每个资源都由它的资源控制字来控制，并为控制资源提供其资源状态字。 资源的控制字和状态字的精确定义取决于该资源的类型。 这意味着一个 I/O 资源与驱动资源相比，具有一种不同的定义。 然而，所有资源控制字和状态字定义都共享某些基本的控制位和状态位。 “C/S-Res”是实时报文的可配置部分中的一部分，所以，应要配置它。 在许多应用程序中，预定义的资源控制或状态字是不必要或不可用的。

　　6 . 6 . 5 实时数据中的控制字和状态字范例

　　图 12 展示了一个子设备中的一个带有“real-axis”资源和“I/O”资源的混合设备的全部 MDT 和AT循环数据，其中的驱动和 I/O 资源是通过 MS 连接而被控制的，该驱动还通过一个单独的 CC 连接来发送其资源状态。

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　　图 12 一个含有资源“realaxis”和“I/o”的混合子设备的控制和状态字范例

　　报文结构如图 13 所示。

　　图 13 一个混合子设备范例的控制和状态字结构

　　图 14 中显示了上面设备的另一种结构，它将“real axis”和“I/O”两个资源分到两个不同的子设备/从站内。 这意味着每个资源都有它 自 己的从站/子设备，有着它 自 己 的 SERCOS 地址和子设备管理功能。

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　　图 14 一个单独的子设备中含有资源“realaxis”和“I/o”的一个混合型子设备的范例

　　报文结构如图 15 所示。

　　图 15 带有 2 个单独的从站/子设备的范例的控制和状态字结构

　　7 参数模型

　　7 . 1 参数模型的概述

　　为了将另外的外围设备类型(如：I/O设备、监视设备、控制器等)增加到现有的、已经建立的伺服驱动行规，有必要对参数区域进行扩展(IDN 地址区域)。类似地，应要找到一种解决方案，以便让现场总线支持设备中建立的复杂性(例如 I/O,其中有大量的子模块需要参数化和数据处理)。 因此，可以引入

　　次级下标。见竞争的行规，如 CANopen、PROFIdrive、CIP、DriveCom 等。

　　7 . 2 IDN

　　7 . 2 . 1 概述

　　如图 16 所示，当前参数的寻址范围被限制到 4 096 个不同的标准 IDN,每个都有 8 个参数集合。同时，还可以实现 4 096 制造商专用 IDN,每个都有 8 个参数集合。

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　　图 16 2 字节-IDN编码

　　用于以下目的：

　　a) 参数区域的扩展;

　　b ) 具有相同功能的 IDN 的逻辑分组;

　　c) 使能具有相同基本 IDN 的相同功能的实例，IDN识别区域被扩展到 32 位，如图 17 中所示。

　　图 17 4 字节-IDN编码

　　IDN 的符号化表示法被定义如下：

　　〈IDN〉.〈SI〉.〈SE〉

　　下列扩展被详细介绍：

　　a) 结构元素(SE) 。结构元素用于寻址各个元素。 因此，可以有多达 256 个元素。 因此，数据类型“DataStructure”(每个结构元素都是一个单独的参数)允许一个比以前大 256 倍的 IDN 区域 —这意味着可以有超过一百万个不同的参数。 结构元素 1~127(如同先前的 S 参数)被预定，其余的多达 254 个结构元素是制造商专用的。

　　b ) 结构实例(SI) 。这用于对一个子设备中的同一类型的结构进行寻址。 所以，一个子设备中，同一结构可以有 255 个实例。

　　一个假想参数 S-x-1530.y. z 的不同实现方法在图 18 中显示。

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　　图 18 SE、SI和参数集上的完整寻址范围

　　一个 IDN 的不同 自 由度的用法显示于表 1 内 。

　　表 1 4 字节 IDN用法

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　　7.2.2 SE 0 的特殊含义

　　SE 0 被保留用作特殊功能，不应用于一般的参数用途。

　　7 . 2 . 3 制造商专用扩展

　　串行实时通信系统定义的结构的制造商专用扩展可以通过高端的 SE 128 . . . 254 实现。

　　7 . 3 设备中的参数寻址区域

　　子设备具有一个封闭的、独立的参数区域。 这意味着所有参数在这个子设备的环境中都是可用的，无论该功能组是属于从站、设备、子设备或资源。 循环参数访问服务的寻址由从站的地址完成，它被分配给子设备。

　　设备和 SERCOS接口专用参数可被这个设备的所有从站地址来寻址，但总是寻址同样的值。 那些参数被称为“全局参数”。全局参数的典型范例为：

　　● S-0-0380,一个带有一个公共电源的多轴控制器设备的中间 DC 总线电压：一种设备专用全局参数。

　　● S-0-xxxx,物理设备识别：一个设备专用全局参数。

　　● S-0-1002,通信周期(TScyc)：一个接口专用全局参数，从站和子设备专用参数只能被专用的从站地址寻址。 那些参数被称为“局域参数”，如图 19 所示。 一个设备的大部分参数都是这种类型的。

　　● S-0-0104 , Kv 因子：一个复杂的资源(如：一个伺服驱动器)具有它 自 己的子设备→ 子设备专用→ 局域参数。

　　● S-0-1040,从站地址→ 从站专用→ 局域参数。

　　图 19 全局和局域参数的参数地址

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　　参 考 文 献

　　[1] GB/T 18473—2016 工业机械电气设备 控制与驱动装置间实时串行通信数据链路

　　[2] IEC 61784-2 : 2014 Industrial communication networks—Profiles—Part 2 : Additional field- bus profiles for real-time networks based on ISO/IEC 8802-3

　　[3] SERCOS : Communication_Protocol_V1 . 3 . 1-1 . 12

　　[4] SERCOS : Communication_Profile_V1 . 3 . 1-1 . 6