現場總線CC-Link的組織、通信協議和應用介紹

　　一、組織

　　1.1 CC-Link合作伙伴協會

　　CC-Link合作伙伴協會（CLPA）成立于2000年，當時三菱電機發(fā)布了CC-Link現場總線技術規(guī)范，作為一個開放的工業(yè)標準。從那時起，CLPA一直致力于在全球推動和使用這項技術。在過去的14年中，CLPA已經成為現場總線的全球最大組織之一，在全球擁有2000多名會員和270家公司，提供了支持CC-Link的 1300多種產品，這些產品都通過了嚴格的一致性測試，保證了兼容性。如今，CLPA繼續(xù)為工業(yè)網絡提供業(yè)界領先的技術；例如，開發(fā)出世界上第一個千兆工業(yè)以太網：CC-Link IE。

　　1.2亞洲市場的領導者

　　CC-Link在亞洲保持著市場的領先地位，已經成為很多行業(yè)開放網絡的選擇 – 這個領先地位已經由獨立的市場研究公司 – HIS所證實。

　　進一步支持這個重要位置的論據是HIS和ARC最近的調查結果：全球大約一半的自動化支出發(fā)生在亞洲。除了在亞洲的成功，CC-Link也獲得了世界范圍的市場份額；事實上，一些成員公司在亞洲以外的市場出售了很多的CC-Link兼容產品。這并不奇怪，因為在全球經濟增長的同時，很多企業(yè)也希望打入亞洲市場，CC-Link是首選的網絡技術。

　　兩年前，為了幫助和支持美國與歐洲公司進入亞洲市場，CLPA實施了一個名為通往中國（G2C）的營銷計劃。這項計劃的目的是幫助企業(yè)制定和推動他們的CC-Link兼容設備在中國市場的推廣。當時有22家企業(yè)參與了G2C活動。隨著這項計劃的成功，CLPA把這個計劃移植到了亞洲，稱為通向亞洲（G2A）。

　　CC-Link的增長和發(fā)展獲得了許多知名北美公司的支持，如莫仕（Molex）、康耐視（Cognex）和3M公司，現在已經成為CLPA董事會成員。董事會成員在決定CC-Link未來方向和重要舉措方面，如G2A項目，將發(fā)揮更大作用。

　　1.3 什么是CC-Link？

　　“CC-Link”是一個通用術語，經常在CC-Link合作伙伴協會討論開放網絡技術推廣時使用。簡單地說，今天的CC-Link有兩種技術可供選擇：現場總線（CC-Link）和工業(yè)以太網（CC-Link IE）。 這個“家族”的情況由后面的章節(jié)詳細介紹。

　　自CLPA成立以來，CC-Link已經演變成一種開放自動化網絡技術的綜合體系。該技術提供的兩個關鍵收益是效率和信息透明。效率是通過提供當今開放網絡的最高性能來保證的，同時確保正常運行時間很少中斷。同時，CC-Link也能滿足工業(yè)4.0要求：企業(yè)的所有部門都能夠共享和使用相同的信息，確保工廠以最高效率運行，同時仍然滿足客戶需求的變化；因此，該信息必須在整個企業(yè)中透明。 CC-Link也滿足這一需求，允許信息從車間級到企業(yè)級實現共享：從車間的設備上的數字I/ O到企業(yè)辦公室IT系統(tǒng)的監(jiān)督生產運行。

　　許多公司都選擇了CC-Link作為領先的網絡解決方案，如赫優(yōu)訊（Hilscher）、HMS和瑞薩（Renesas）就是這樣，把CC-Link網絡的產品添加到他們的產品之中。這些自動化市場的領導者也是CLPA的合作伙伴，因此也能提供產品實現CC-Link網絡?，F在CLPA正計劃可用于內部集成與未來發(fā)展的入門套件。對于喜歡外包開發(fā)的組織，CLPA可以幫助他們聯系工程公司，從項目的開始到結束全程提供技術支持。

　　CC-Link的已在世界各個行業(yè)中取得了很大的成功。在本文的后面，我們將提供對有關CC-Link和CC-Link IE網絡技術和能力更深入的了解。

　　二、協議

　　2.1 CC-Link自動化協議族

　　自CLPA于2000年成立以來，CC-Link家族已經發(fā)展成為開放自動化網絡技術的綜合體系，兩個關鍵的收益是該技術提供了效率和信息透明。

　　效率是通過當今開放網絡提供的最高性能來保證的；同時它也保證了正常工作時間很少中斷。物聯網（IOT）的發(fā)展要求制造過程的所有部分能夠連接，共享和使用相同的信息，從而確保了制造企業(yè)的所有部門以最高的效率運行，同時解決了客戶需求的不斷變化。 CC-Link能夠滿足這一需求，允許信息從車間底層到企業(yè)頂層的透明分享。

　　術語“CC-Link”是基于CC-Link技術的開放自動化網絡的通用家族。從層次上，他們劃分成兩項主要技術：現場總線和工業(yè)以太網。

　　2.2 CC-Link現場總線

　　CC-Link總線是一種高速度、高性能、開放的工業(yè)總線技術，能夠使眾多的制造商設備進行通信，從而構建快速、確定性的控制系統(tǒng)。CC-Link總線網絡的運行速度高達10Mbps（無瓶頸），提供了64個站通過網絡彼此通信的能力，網絡長度可達1200米，當使用中繼器時，通信距離可達13公里。網絡的更新時間通常在5毫秒內。然而，它更關鍵的特色是RAS（可靠性、可用性、可維護性）功能，這使得它很難讓常規(guī)工廠事故中斷網絡運行。它還有非常高的抗干擾標準，為的就是在發(fā)生故障時，站仍然能夠繼續(xù)運行。即使一臺控制器發(fā)生故障也不會引起生產中斷，因為有備用的網絡主站（即熱備份）。

　　CC-Link現場總線具有兩種開放現場總線技術：CC-Link安全和CC-Link/ LT。正如名稱所指示的：CC-Link安全是一種專用的安全總線，具有IEC 61508標準定義的 SIL3等級，滿足所有典型工業(yè)安全的要求；CC-Link/ LT是一個面向比特的網絡設計，適用于按鈕、傳感器和執(zhí)行器的部署，使之成為底層數字I / O高性價比的解決方案。

　　2.3 CC-Link IE工業(yè)以太網

　　CLPA提供的另一個關鍵網絡技術是CC-Link IE：基于以太網的工業(yè)網絡。工業(yè)網絡發(fā)展的趨勢是朝著工業(yè)以太網的方向前進，我們已經看到了幾十種不同的工業(yè)以太網協議出現，運行在一個標準的以太網物理層上。然而，能夠讓CC-Link IE脫穎而出的是：目前它是唯一能提供千兆性能的開放工業(yè)以太網，具有固有的確定性。這給了CC-Link IE比工作在100Mbps（或更慢）的網絡從效率上增加了一個以上的數量級。但是，速度還不是故事的全部，CC-Link IE還復制了很多RAS的功能和特性。有人可能會問，千兆的速度是否必要？今天，辦公室以太網服務能夠提供更廣泛的功能，其速度從每秒數百千比特提高到千兆性能。因此，對工業(yè)網絡的性能也有同樣預期，這也推動了CC-Link IE的不斷發(fā)展。

　　網絡的發(fā)展主要由工業(yè)的生產來驅動，如平板顯示器制造和汽車生產，企業(yè)需要處理大量數據，并且這些信息需要在整個工廠實時分享。舉個簡單的例子：一個典型的汽車組裝廠，多數組裝線有著各種各樣車型的變化，每種車型還有巨大的、基于客戶訂單的可選件組合。跟蹤哪些部件應該安裝在哪臺車上，是完成最終裝配的一個數據密集型任務。 CC-Link IE具有這樣的性能，提供實時的現場數據，這就是為什么越來越多的汽車企業(yè)在全球指定CC-Link IE用于他們制造的一個關鍵因素。

　　CC-Link IE是標準的工業(yè)以太網，有兩種主要的提供形式：控制版和現場版。 CC-Link IE控制版是一種高容量、千兆光纖的骨干網，連接眾多的應用控制器可以為整個生產設施提供通信鏈路。 CC-Link IE現場版使用標準的超5類（Cat 5e）電纜，連接控制器和現場設備。 CC-Link IE現場版還提供了不同的協議擴展，是其標準的一部分，其中包括了能源、安全和運動控制。這意味著允許在單一網絡上實現安全、運動控制和能源管理功能，節(jié)省了安裝成本并且簡化了網絡結構。

　　解決方案的最后一塊是CC-Link和CC-Link IE產品的開發(fā)。很多美國公司都選擇與領先的網絡解決方案公司合作，如赫優(yōu)訊、HMS、奧特拉（Altera）和瑞薩公司，這些公司把開放網絡添加到他們的產品中。這些市場的領導者也是CLPA的合作伙伴，因此他們可以提供產品來實現CC-Link網絡。

　　對于許多公司關鍵的一點是：他們已經使用的網絡平臺，能夠支持CC-Link的網絡。因此，他們能夠很容易把這一前沿技術添加到他們的解決方案之中。

　　三、應用

　　紐約市隧道工程使用CC-Link網絡

　　在紐約做項目可不是一件容易的事情：紐約人希望按時、一致和確定的結果 -- 因為，每個人都知道：紐約人不喜歡等待。在紐約市（NYC），一條新的連接長島、曼哈頓和皇后區(qū)的長島鐵路隧道工程將大大改善這些NYC通勤人的交通流量。這個城市項目是一個理想應用案例：要在確保安全、高效的工作環(huán)境下，項目要在特定預定義的限制范圍內完成。

　　羅賓斯（Robbins）公司能夠建造世界級的隧道掘進機，以及運輸和安全系統(tǒng)。羅賓斯承包了NYC項目的一部分，提供隧道掘進、輸送系統(tǒng)和相關設備。

　　該項目需要使用隧道掘進機（TBM），需要鏤空地表之下200英尺的多個隧道。必須掘進12.4公里的巖石 – 并移走所有產出的土石碎片。

　　需要精心設計輸送系統(tǒng)

　　該項目需要使用隧道掘進機（TBM）鏤空地表之下200英尺的多個隧道。必須掘進12.4公里的巖石，并必須移去所有產生的土石碎片。該項目的位置在紐約市中心的心臟地帶，需要一個精心制作的系統(tǒng)，使輸送機不斷地把掘進機產生的雜物、或叫渣土，全部移走。

　　輸送機系統(tǒng)幾乎包括了所有常見的各種輸送機，包括皮帶輸送機， TBM輸送機，轉移輸送機，一臺蛇形輸送機，跟隨掘進機不斷延伸輸送，一臺可擴展冠式輸送機，一臺口袋垂直輸送機，兩臺串級陸上輸送機和一臺徑向堆。由于該項目的位置，挑戰(zhàn)的部分是移出渣土離開隧道，送到一個存儲區(qū)域，且不能中斷附近交通的正常運營。最具挑戰(zhàn)的設計元素是使用兩臺帶箱桁架的陸路輸送機，在北方大道（Northern Boulevard） -- 一條主要公路的上面運輸渣土。

　　從隧道內運出渣土是必需的，這通常成為隧道掘進操作中的瓶頸。在過去的項目中，通常使用軌道車把渣土運送出來，但由于該隧道只有一組軌道，該隧道掘進機只能在軌道車可用時才能操作。這意味著，當軌道車滿載，并攜帶渣土負載運出隧道時，隧道掘進機不能滿負荷運行。此外，TBM進入隧道越遠，軌道車行駛出隧道移除渣土及返回的時間就越長。當隧道變長時，這使TBM的效率降低了。

　　因此，這個項目嘗試使用輸送系統(tǒng)來改善渣土的移除過程。據分析，在掘進操作期間輸送機可以連續(xù)地操作。當第一次使用這種方法時，有時傳送帶破裂了，渣土灑滿了軌道；有時傳送帶會翻轉，渣土拋在了隧道地板上。這些事件發(fā)生的原因是缺少傳送帶電機之間的控制和通信。傳送帶電機必須緊密協調，才能防止不平衡或過載的情況。如果一個電機停止，會對其它電機造成過載和不平衡，因為缺乏電機控制器之間的通信。

　　使用三菱電機生產的變頻驅動器（VFD）來控制傳送帶電機實現了輸送的快速和高效。一臺三菱可編程邏輯控制器控制通過CC-Link的通信網絡連接和控制所有的變頻驅動器，從而控制了電機。

　　使用這種VFD和CC-Link通信技術，使這些電機控制各種不同的輸送系統(tǒng)運行，在負載分擔機制下使用CC-Link成為實現所有功能的關鍵所在。 （在過去的系統(tǒng)中，嘗試過其他的通信網絡，但由于該隧道掘進操作所需的長度以及惡劣的環(huán)境條件，這些網絡不能滿足該作業(yè)的嚴格要求：通信系統(tǒng)經常失敗。）

　　選擇CC-Link有幾個原因，一個主要的因素是極長的距離，它提供了在很長隧道內進行通信的能力。另一個挑選CC-Link的原因是它能夠承受惡劣條件和電氣噪聲的能力。CC-Link通信電纜必須在接近電機、TBM動力電纜（13.8千伏）和其他電氣噪聲設備的附近運行。即使在這種惡劣和嘈雜的環(huán)境中，CC-Link網絡也能完美地工作。

　　急停監(jiān)視

　　CC-Link網絡也能監(jiān)視隧道系統(tǒng)中的急停功能，這是像傳送帶負載均衡一樣重要的特性。

　　倘若在隧道的任何地方有一個緊急停止開關啟動，CC-Link網絡可以精確定位激活點，可以讓輸送系統(tǒng)控制關機。 提供緊急停止激活的位置，這是處理這個問題的關鍵。三菱的人機界面（hmi）可用來顯示緊急停車系統(tǒng)的狀態(tài)和歷史。

　　水泵控制

　　除了控制輸送機去除隧道中的渣土，CC-Link通信系統(tǒng)還向隧道內的抽水泵傳輸控制信號。

　　大型水泵遍布于整個隧道施工系統(tǒng)。每個泵站都有一個相關的攝像頭，讓操作員監(jiān)測每個站的水位。當水位超過預定設定點時，該水泵被激活，將水從隧道中抽出。該項目的整個抽水系統(tǒng)包括四個泵站，每個泵站有兩臺30馬力的泵。這些水泵通過CC-Link控制，使用與傳送系統(tǒng)相同的網絡，不用安裝新網絡而且降低了成本。

　　隧道通風

　　就像地面以下的各種操作，讓設備運行，氣流通暢是必需的。該隧道掘進設備的安裝沒有什么不同。CC-Link網絡能夠控制風扇，為隧道內的系統(tǒng)提供空氣的流動。

　　大風扇剛好位于隧道入口，通過整個隧道施工系統(tǒng)的通風管道，強制輸送新鮮空氣。六臺150馬力的風扇使外部的新鮮空氣進入隧道，在此基礎上保持連續(xù)流動。與水泵和輸送馬達一樣，控制風扇的通信由相同的CC-Link網絡處理。

　　緊急疏散通信系統(tǒng)（EECS）

　　在這個項目實施到兩年時，主承包商希望能夠進一步提高這個項目的投資回報，所以他們與羅賓斯公司一起，就如何提高現有資產的利用率進行了頭腦風暴。承包商對使用CC-Link通信系統(tǒng)和擴展使用這種可用資源非常有興趣。當時就拍板決定：使用CC-Link的網絡，擴展緊急疏散通信系統(tǒng)（EECS），進一步提高設備操作人員的安全。

　　承包商正在更新整個隧道的緊急站，加入附加功能。這個增強的應急疏散通訊系統(tǒng)有一個I / O塊與CC-Link的通信，與風機、水泵和輸送控制使用相同的網絡電纜。在緊急的情況下，每個站將發(fā)出報警聲，并觸發(fā)應急示位標，在整個隧道系統(tǒng)對設備操作人員發(fā)出警報。這個緊急疏散通信系統(tǒng)可由沿隧道的任何站、位于TBM的任何HMI控制站、工程辦公室、或隧道主控制站控制和激活。

　　系統(tǒng)設計和協調

　　CC-Link通信系統(tǒng)由三條相互關聯的CC-Link網絡協同工作，實現上述各種功能的控制。這三條網絡同時一起工作，共同的控制超過了70個站，包括輸送機、泵、風機、EECS以及HMI輸入和輸出，控制隧道施工系統(tǒng)內的各種功能。

　　三個CC-Link主站網絡模塊安裝在三菱Q系列可編程自動化控制器的一個機架上，位于隧道內的主控中心。這個地下主控中心距離主工程辦公室大約有3英里。主工程辦公室位于隧道外的皇后區(qū)。那里容納了輸送機驅動器的控制面板和監(jiān)視隧道系統(tǒng)內操作的人機界面?！霸谒淼谰蜻M過程中使用CC-Link已被證明為非常靈活和好用，具有極大的可靠性” ，電氣經理馬修？格拉謝科（Matthew Gluszak）說。

　　當在隧道的主控中心與在皇后區(qū)隧道外的工程辦公室通信時，它要通過3英里通信進入隧道，控制兩個網絡前往TBM。這三個相互關聯的CC-Link網絡協同工作，控制輸送機進出隧道。這些輸送機，即使通過單獨的CC-Link網絡控制，也能高效地協同工作，完成從隧道中去除渣土的工作。如果一個輸送機運行不正常，信息能夠提供給操作員或工程師團隊，防止渣土積聚在隧道系統(tǒng)的任何輸送機轉移點。

　　這些CC-Link網絡也與位于整個隧道系統(tǒng)內的各種人機界面一起工作，監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)。狀態(tài)信息來自所有網絡，包括急停（E-STOP）和EECS信息，這些信息提供給所有的HMI，不管是否是始發(fā)的CC-Link網絡。每臺HMI也可以在三條CC-Link網絡的任意點控制操作。使用的CC-Link網絡具有抗噪能力，滿足隧道掘進操作長距離的需求。

　　集成商的視角

　　系統(tǒng)集成是整個項目成功的關鍵。該集成商安裝了一種獨特和長距離的連續(xù)輸送系統(tǒng)，通過隧道操作去除渣土。項目中集成了超過八種不同類型的輸送系統(tǒng)以及它們的控制，能夠快速去除隧道掘進機（TBM）產生的渣土，從而使兩臺隧道掘進機能夠連續(xù)運行。使用CC-Link控制了這種精心設計的輸送系統(tǒng)（900噸重）。

　　該項目的集成商對CC-Link技術的安裝容易程度具有深刻的印象。下面舉一個例子，在集成和安裝陸上＃2輸送機（穿越北方大道上方的輸送帶）的網絡時，初步估計要用55個小時，而實際安裝僅僅用了29小時 -- 比最初的估計提前了24個小時完成。

　　此外，通信主干網的簡單安裝可以容易增加輸送系統(tǒng)的距離，對原有的系統(tǒng)設施添加額外的輸送機和HMI，擴展系統(tǒng)的功能（例如，EECS）。

　　最終，有了TBM的創(chuàng)新和CC-Link的使用，連續(xù)的輸送系統(tǒng)使隧道掘進過程創(chuàng)造了可用性紀錄，在一個移動的城市中，沒有這個比其他更受大家贊賞的收益了。