精密位移测量系统集成应用案例: SSI04PNS 网关实现通用技术国测时栅磁尺LAC0120-BF04与 PROFINET 控制系统无缝对接

 

一、项目背景

在精密机械加工、自动化装配及质量检测领域，高精度位移测量是确保产品质量和生产效率的关键环节。通用技术集团国测时栅科技有限公司作为国内精密位移测量技术的领军企业，其生产的 LAC0120-BF04 磁栅尺（磁致伸缩直线位移传感器）广泛应用于数控机床、注塑机、压铸机等设备，提供微米级精度的位置反馈。

然而，LAC0120-BF04 磁尺采用 SSI（Synchronous Serial Interface，同步串行接口） 输出，而现代自动化产线多采用基于工业以太网的 PROFINET 通信架构。协议差异导致磁尺无法直接接入西门子 S7-1500/1200 等主流 PLC 系统，制约了设备数字化升级进程。

 

二、解决方案

本项目采用 北京中科易联 HT1S-SSI04PNS 协议转换网关，作为 SSI 接口与 PROFINET 网络之间的桥梁，实现磁栅尺数据的实时采集与传输。系统架构图如下：

 

 

三、网关核心功能：

·       SSI 侧：4 路独立 SSI 主站接口，支持 13 位、25 位多圈/单圈编码器，兼容格雷码和二进制数据格式

·       PROFINET 侧：作为从站（Device）接入 PROFINET 网络，支持 PROFINET V2.32 总线协议和实时（RT）通信，兼容西门子 S7-300/400/1200/1500 及 SMART200 系列 PLC

·       数据转换：支持编码器值转换（0-12 位标准化）、每圈步进数设定（2~8192），SSI 发送周期最快 1 ms，满足高速定位需求

 

四、实施过程

1. 硬件接线

SSI 接口接线（RS-422 差分信号）：

·       Clock+ / Clock-：网关向磁尺提供同步时钟信号（125K/250K/500K/1M 可选）

·       Data+ / Data-：磁尺向网关返回绝对位置数据

·       24V / GND：磁尺供电电源

PROFINET 接口：

·       网关配备 2 个 RJ45 网口，内置交换机功能，支持串联和星型拓扑

·       通过网线连接西门子 PLC 的 PROFINET 接口，支持环网冗余配置

 

2. 网关参数配置

通过博图（TIA Portal）软件进行组态：

（1）GSD 文件导入 在 TIA Portal 中通过"选项"→"管理通用站描述文件"安装 HT1S-SSI04PNS 的 GSDML 文件。

（2）设备组态

·       将网关添加到 PROFINET 网络，设置 IP 地址和设备名称

·       根据 LAC0120-BF04 磁尺的技术参数配置 SSI 通道：

o       Clock Rate：设置为 500KHz（根据磁尺规格和线缆长度优化）

o       Absolute Sensor：25 位（匹配磁尺分辨率）

o       Code Type：格雷码（Gray Code）或二进制（Binary）可选

o       Positions：标准化位置，设置右移位数去除无效地址区

（3）数据映射 每路 SSI 通道对应独立的输入数据区：

·       SSI_Channel_1~4：32 位整数型位置值

·       Control and Status：4 位状态字，实时显示各路磁尺连接状态（0=在线，1=断线）

 

3. 磁尺数据标定

针对 LAC0120-BF04 磁尺的量程和精度特性：

·       Steps per Revolution：设置磁尺分辨率（如 0.01mm/脉冲）

·       编码器值转换：通过网关内部算法将原始 SSI 数据转换为工程单位（mm）

·       零点偏移：在 PLC 程序中设置机械原点偏移量

 

四、应用效果

1. 高精度实时反馈

·       网关支持 10ms 的最快采集周期，确保位移数据实时更新

·       25 位 SSI 信号完整传输，保留磁尺原始精度（±0.01mm），无精度损失

·       4 路通道同步采集，适用于多轴联动设备的协调控制

2. 无缝集成

·       磁尺数据以标准 PROFINET IO 数据块形式呈现，PLC 无需额外通信编程

·       可直接使用西门子 Motion Control 功能块进行闭环位置控制

·       支持 TIA Portal 在线诊断，实时监控磁尺通信状态

3. 工程实施优化

·       网关采用 35mm DIN 导轨安装，体积紧凑（40×110×74 mm），节省控制柜空间

·       工业级设计，工作温度 -25℃~+55℃，适应机床电气柜环境

·       内置 3KV 通信端口隔离和 15KV ESD 静电防护，确保在强电磁干扰环境下稳定运行

4. 成本与扩展性

·       单台网关可同时接入 4 路 SSI 磁尺（或编码器），降低单轴通信成本

·       支持热插拔和即插即用，后期维护无需停机

·       磁尺断线故障可通过状态字实时报警，减少停机时间

 

五、典型应用场景

1. 数控机床直线轴定位 在龙门加工中心中，X/Y/Z 三轴各配置 LAC0120-BF04 磁栅尺，通过 HT1S-SSI04PNS 网关接入西门子 840D sl 系统，实现全闭环控制，定位精度达 ±5μm。

 

2. 注塑机合模位置监控 大型注塑机的合模机构采用磁栅尺监测模板位置，网关将位移数据实时传输至 S7-1500 PLC，参与锁模力计算和安全联锁控制，防止模具碰撞。

 

3. 压铸机射出曲线记录 在压铸机射出阶段，通过高速采集（1 ms 周期）记录射锤位移曲线，用于工艺分析和质量追溯，满足 IATF 16949 质量体系要求。

 

4. 机器人直线导轨 第七轴直线导轨采用磁栅尺绝对定位，网关将位置数据送入 KUKA 或 ABB 机器人控制器，实现长距离精准移动和重复定位。

 

总结

北京中科易联 HT1S-SSI04PNS 协议网关 成功解决了通用技术国测时栅 LAC0120-BF04 磁栅尺与 PROFINET 控制系统的协议兼容性问题。该方案具有以下核心价值：

·       协议透明：SSI 数据无缝映射至 PROFINET 地址区，无需复杂协议转换编程

·       高精度保持：支持 25 位 SSI 全分辨率传输，不损失磁尺固有精度

·       多轴集成：4 通道设计满足多轴设备同步测量需求，降低系统成本

·       工业可靠：完善的电气隔离和 EMC 防护，适应恶劣工业环境

 

通过该网关的应用，企业得以在保留原有高精度测量设备的前提下，快速实现设备联网和数字化改造，为智能制造和预测性维护提供了可靠的位移数据基础。

 

附：以网关SSI04PNS进行操作配置

2.1.Profinet配置

（1）先进行网关PROFINET配置，根据需求进行配置，参考SSI04PNS手册。

（2）通过SSI手册结合设备标签进行配置通信参数。

 

2.2读取模块配置

（1）需要知道设备的输出格式、传感器的位数，才能配置相对应的参数， 

图2

 

（2）通过手册结合设备可知为二进制输出、数据长度25位，如图：

 

图3

 

2.3网关的配置

（1）组态后，相关参数如图设置

        图4

 

（2）传感器与网关的相关接线

传感器灰线接D0-；白线接D0+；蓝线C0+；绿线C0-；黑线接0V；红线接24V，网关L+接24V，M接0V。电脑连接西门子的P1口，西门子PLC的P2口连接网关的网口。下图为传感器线序：

3.现场效果展示：

网关电源端子接入24V，网口接PLC，通讯成功后，指示灯灯常亮。

数据接收下发无异常，成功解决协议不同的问题，

 

参数配置如下：

 

结果显示：

 

 

产品型号：HT1S-SSI04PNS（4 路 RS-422/SSI 协议转 PROFINET 协议转换网关）
厂商：北京中科易联科技有限公司
适配设备：通用技术国测时栅 LAC0120 系列磁栅尺、各类 SSI 接口编码器
技术支持：https://www.fieldbus.com.cn/cpzx

 

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