现场总线CC-Link的组织、通信协议和应用介绍

　　一、组织

　　1.1 CC-Link合作伙伴协会

　　CC-Link合作伙伴协会（CLPA）成立于2000年，当时三菱电机发布了CC-Link现场总线技术规范，作为一个开放的工业标准。从那时起，CLPA一直致力于在全球推动和使用这项技术。在过去的14年中，CLPA已经成为现场总线的全球最大组织之一，在全球拥有2000多名会员和270家公司，提供了支持CC-Link的 1300多种产品，这些产品都通过了严格的一致性测试，保证了兼容性。如今，CLPA继续为工业网络提供业界领先的技术；例如，开发出世界上第一个千兆工业以太网：CC-Link IE。

　　1.2亚洲市场的领导者

　　CC-Link在亚洲保持着市场的领先地位，已经成为很多行业开放网络的选择 – 这个领先地位已经由独立的市场研究公司 – HIS所证实。

　　进一步支持这个重要位置的论据是HIS和ARC最近的调查结果：全球大约一半的自动化支出发生在亚洲。除了在亚洲的成功，CC-Link也获得了世界范围的市场份额；事实上，一些成员公司在亚洲以外的市场出售了很多的CC-Link兼容产品。这并不奇怪，因为在全球经济增长的同时，很多企业也希望打入亚洲市场，CC-Link是首选的网络技术。

　　两年前，为了帮助和支持美国与欧洲公司进入亚洲市场，CLPA实施了一个名为通往中国（G2C）的营销计划。这项计划的目的是帮助企业制定和推动他们的CC-Link兼容设备在中国市场的推广。当时有22家企业参与了G2C活动。随着这项计划的成功，CLPA把这个计划移植到了亚洲，称为通向亚洲（G2A）。

　　CC-Link的增长和发展获得了许多知名北美公司的支持，如莫仕（Molex）、康耐视（Cognex）和3M公司，现在已经成为CLPA董事会成员。董事会成员在决定CC-Link未来方向和重要举措方面，如G2A项目，将发挥更大作用。

　　1.3 什么是CC-Link？

　　“CC-Link”是一个通用术语，经常在CC-Link合作伙伴协会讨论开放网络技术推广时使用。简单地说，今天的CC-Link有两种技术可供选择：现场总线（CC-Link）和工业以太网（CC-Link IE）。 这个“家族”的情况由后面的章节详细介绍。

　　自CLPA成立以来，CC-Link已经演变成一种开放自动化网络技术的综合体系。该技术提供的两个关键收益是效率和信息透明。效率是通过提供当今开放网络的最高性能来保证的，同时确保正常运行时间很少中断。同时，CC-Link也能满足工业4.0要求：企业的所有部门都能够共享和使用相同的信息，确保工厂以最高效率运行，同时仍然满足客户需求的变化；因此，该信息必须在整个企业中透明。 CC-Link也满足这一需求，允许信息从车间级到企业级实现共享：从车间的设备上的数字I/ O到企业办公室IT系统的监督生产运行。

　　许多公司都选择了CC-Link作为领先的网络解决方案，如赫优讯（Hilscher）、HMS和瑞萨（Renesas）就是这样，把CC-Link网络的产品添加到他们的产品之中。这些自动化市场的领导者也是CLPA的合作伙伴，因此也能提供产品实现CC-Link网络。现在CLPA正计划可用于内部集成与未来发展的入门套件。对于喜欢外包开发的组织，CLPA可以帮助他们联系工程公司，从项目的开始到结束全程提供技术支持。

　　CC-Link的已在世界各个行业中取得了很大的成功。在本文的后面，我们将提供对有关CC-Link和CC-Link IE网络技术和能力更深入的了解。

　　二、协议

　　2.1 CC-Link自动化协议族

　　自CLPA于2000年成立以来，CC-Link家族已经发展成为开放自动化网络技术的综合体系，两个关键的收益是该技术提供了效率和信息透明。

　　效率是通过当今开放网络提供的最高性能来保证的；同时它也保证了正常工作时间很少中断。物联网（IOT）的发展要求制造过程的所有部分能够连接，共享和使用相同的信息，从而确保了制造企业的所有部门以最高的效率运行，同时解决了客户需求的不断变化。 CC-Link能够满足这一需求，允许信息从车间底层到企业顶层的透明分享。

　　术语“CC-Link”是基于CC-Link技术的开放自动化网络的通用家族。从层次上，他们划分成两项主要技术：现场总线和工业以太网。

　　2.2 CC-Link现场总线

　　CC-Link总线是一种高速度、高性能、开放的工业总线技术，能够使众多的制造商设备进行通信，从而构建快速、确定性的控制系统。CC-Link总线网络的运行速度高达10Mbps（无瓶颈），提供了64个站通过网络彼此通信的能力，网络长度可达1200米，当使用中继器时，通信距离可达13公里。网络的更新时间通常在5毫秒内。然而，它更关键的特色是RAS（可靠性、可用性、可维护性）功能，这使得它很难让常规工厂事故中断网络运行。它还有非常高的抗干扰标准，为的就是在发生故障时，站仍然能够继续运行。即使一台控制器发生故障也不会引起生产中断，因为有备用的网络主站（即热备份）。

　　CC-Link现场总线具有两种开放现场总线技术：CC-Link安全和CC-Link/ LT。正如名称所指示的：CC-Link安全是一种专用的安全总线，具有IEC 61508标准定义的 SIL3等级，满足所有典型工业安全的要求；CC-Link/ LT是一个面向比特的网络设计，适用于按钮、传感器和执行器的部署，使之成为底层数字I / O高性价比的解决方案。

　　2.3 CC-Link IE工业以太网

　　CLPA提供的另一个关键网络技术是CC-Link IE：基于以太网的工业网络。工业网络发展的趋势是朝着工业以太网的方向前进，我们已经看到了几十种不同的工业以太网协议出现，运行在一个标准的以太网物理层上。然而，能够让CC-Link IE脱颖而出的是：目前它是唯一能提供千兆性能的开放工业以太网，具有固有的确定性。这给了CC-Link IE比工作在100Mbps（或更慢）的网络从效率上增加了一个以上的数量级。但是，速度还不是故事的全部，CC-Link IE还复制了很多RAS的功能和特性。有人可能会问，千兆的速度是否必要？今天，办公室以太网服务能够提供更广泛的功能，其速度从每秒数百千比特提高到千兆性能。因此，对工业网络的性能也有同样预期，这也推动了CC-Link IE的不断发展。

　　网络的发展主要由工业的生产来驱动，如平板显示器制造和汽车生产，企业需要处理大量数据，并且这些信息需要在整个工厂实时分享。举个简单的例子：一个典型的汽车组装厂，多数组装线有着各种各样车型的变化，每种车型还有巨大的、基于客户订单的可选件组合。跟踪哪些部件应该安装在哪台车上，是完成最终装配的一个数据密集型任务。 CC-Link IE具有这样的性能，提供实时的现场数据，这就是为什么越来越多的汽车企业在全球指定CC-Link IE用于他们制造的一个关键因素。

　　CC-Link IE是标准的工业以太网，有两种主要的提供形式：控制版和现场版。 CC-Link IE控制版是一种高容量、千兆光纤的骨干网，连接众多的应用控制器可以为整个生产设施提供通信链路。 CC-Link IE现场版使用标准的超5类（Cat 5e）电缆，连接控制器和现场设备。 CC-Link IE现场版还提供了不同的协议扩展，是其标准的一部分，其中包括了能源、安全和运动控制。这意味着允许在单一网络上实现安全、运动控制和能源管理功能，节省了安装成本并且简化了网络结构。

　　解决方案的最后一块是CC-Link和CC-Link IE产品的开发。很多美国公司都选择与领先的网络解决方案公司合作，如赫优讯、HMS、奥特拉（Altera）和瑞萨公司，这些公司把开放网络添加到他们的产品中。这些市场的领导者也是CLPA的合作伙伴，因此他们可以提供产品来实现CC-Link网络。

　　对于许多公司关键的一点是：他们已经使用的网络平台，能够支持CC-Link的网络。因此，他们能够很容易把这一前沿技术添加到他们的解决方案之中。

　　三、应用

　　纽约市隧道工程使用CC-Link网络

　　在纽约做项目可不是一件容易的事情：纽约人希望按时、一致和确定的结果 -- 因为，每个人都知道：纽约人不喜欢等待。在纽约市（NYC），一条新的连接长岛、曼哈顿和皇后区的长岛铁路隧道工程将大大改善这些NYC通勤人的交通流量。这个城市项目是一个理想应用案例：要在确保安全、高效的工作环境下，项目要在特定预定义的限制范围内完成。

　　罗宾斯（Robbins）公司能够建造世界级的隧道掘进机，以及运输和安全系统。罗宾斯承包了NYC项目的一部分，提供隧道掘进、输送系统和相关设备。

　　该项目需要使用隧道掘进机（TBM），需要镂空地表之下200英尺的多个隧道。必须掘进12.4公里的岩石 – 并移走所有产出的土石碎片。

　　需要精心设计输送系统

　　

　　该项目需要使用隧道掘进机（TBM）镂空地表之下200英尺的多个隧道。必须掘进12.4公里的岩石，并必须移去所有产生的土石碎片。该项目的位置在纽约市中心的心脏地带，需要一个精心制作的系统，使输送机不断地把掘进机产生的杂物、或叫渣土，全部移走。

　　输送机系统几乎包括了所有常见的各种输送机，包括皮带输送机， TBM输送机，转移输送机，一台蛇形输送机，跟随掘进机不断延伸输送，一台可扩展冠式输送机，一台口袋垂直输送机，两台串级陆上输送机和一台径向堆。由于该项目的位置，挑战的部分是移出渣土离开隧道，送到一个存储区域，且不能中断附近交通的正常运营。最具挑战的设计元素是使用两台带箱桁架的陆路输送机，在北方大道（Northern Boulevard） -- 一条主要公路的上面运输渣土。

　　

　　从隧道内运出渣土是必需的，这通常成为隧道掘进 *** 作中的瓶颈。在过去的项目中，通常使用轨道车把渣土运送出来，但由于该隧道只有一组轨道，该隧道掘进机只能在轨道车可用时才能 *** 作。这意味着，当轨道车满载，并携带渣土负载运出隧道时，隧道掘进机不能满负荷运行。此外，TBM进入隧道越远，轨道车行驶出隧道移除渣土及返回的时间就越长。当隧道变长时，这使TBM的效率降低了。

　　因此，这个项目尝试使用输送系统来改善渣土的移除过程。据分析，在掘进 *** 作期间输送机可以连续地 *** 作。当第一次使用这种方法时，有时传送带破裂了，渣土洒满了轨道；有时传送带会翻转，渣土抛在了隧道地板上。这些事件发生的原因是缺少传送带电机之间的控制和通信。传送带电机必须紧密协调，才能防止不平衡或过载的情况。如果一个电机停止，会对其它电机造成过载和不平衡，因为缺乏电机控制器之间的通信。

　　使用三菱电机生产的变频驱动器（VFD）来控制传送带电机实现了输送的快速和高效。一台三菱可编程逻辑控制器控制通过CC-Link的通信网络连接和控制所有的变频驱动器，从而控制了电机。

　　使用这种VFD和CC-Link通信技术，使这些电机控制各种不同的输送系统运行，在负载分担机制下使用CC-Link成为实现所有功能的关键所在。 （在过去的系统中，尝试过其他的通信网络，但由于该隧道掘进 *** 作所需的长度以及恶劣的环境条件，这些网络不能满足该作业的严格要求：通信系统经常失败。）

　　选择CC-Link有几个原因，一个主要的因素是极长的距离，它提供了在很长隧道内进行通信的能力。另一个挑选CC-Link的原因是它能够承受恶劣条件和电气噪声的能力。CC-Link通信电缆必须在接近电机、TBM动力电缆（13.8千伏）和其他电气噪声设备的附近运行。即使在这种恶劣和嘈杂的环境中，CC-Link网络也能完美地工作。

　　急停监视

　　CC-Link网络也能监视隧道系统中的急停功能，这是像传送带负载均衡一样重要的特性。

　　倘若在隧道的任何地方有一个紧急停止开关启动，CC-Link网络可以精确定位激活点，可以让输送系统控制关机。 提供紧急停止激活的位置，这是处理这个问题的关键。三菱的人机界面（hmi）可用来显示紧急停车系统的状态和历史。

　　水泵控制

　　除了控制输送机去除隧道中的渣土，CC-Link通信系统还向隧道内的抽水泵传输控制信号。

　　大型水泵遍布于整个隧道施工系统。每个泵站都有一个相关的摄像头，让 *** 作员监测每个站的水位。当水位超过预定设定点时，该水泵被激活，将水从隧道中抽出。该项目的整个抽水系统包括四个泵站，每个泵站有两台30马力的泵。这些水泵通过CC-Link控制，使用与传送系统相同的网络，不用安装新网络而且降低了成本。

　　

　　隧道通风

　　就像地面以下的各种 *** 作，让设备运行，气流通畅是必需的。该隧道掘进设备的安装没有什么不同。CC-Link网络能够控制风扇，为隧道内的系统提供空气的流动。

　　大风扇刚好位于隧道入口，通过整个隧道施工系统的通风管道，强制输送新鲜空气。六台150马力的风扇使外部的新鲜空气进入隧道，在此基础上保持连续流动。与水泵和输送马达一样，控制风扇的通信由相同的CC-Link网络处理。

　　

　　紧急疏散通信系统（EECS）

　　在这个项目实施到两年时，主承包商希望能够进一步提高这个项目的投资回报，所以他们与罗宾斯公司一起，就如何提高现有资产的利用率进行了头脑风暴。承包商对使用CC-Link通信系统和扩展使用这种可用资源非常有兴趣。当时就拍板决定：使用CC-Link的网络，扩展紧急疏散通信系统（EECS），进一步提高设备 *** 作人员的安全。

　　承包商正在更新整个隧道的紧急站，加入附加功能。这个增强的应急疏散通讯系统有一个I / O块与CC-Link的通信，与风机、水泵和输送控制使用相同的网络电缆。在紧急的情况下，每个站将发出报警声，并触发应急示位标，在整个隧道系统对设备 *** 作人员发出警报。这个紧急疏散通信系统可由沿隧道的任何站、位于TBM的任何HMI控制站、工程办公室、或隧道主控制站控制和激活。

　　系统设计和协调

　　CC-Link通信系统由三条相互关联的CC-Link网络协同工作，实现上述各种功能的控制。这三条网络同时一起工作，共同的控制超过了70个站，包括输送机、泵、风机、EECS以及HMI输入和输出，控制隧道施工系统内的各种功能。

　　三个CC-Link主站网络模块安装在三菱Q系列可编程自动化控制器的一个机架上，位于隧道内的主控中心。这个地下主控中心距离主工程办公室大约有3英里。主工程办公室位于隧道外的皇后区。那里容纳了输送机驱动器的控制面板和监视隧道系统内 *** 作的人机界面。“在隧道掘进过程中使用CC-Link已被证明为非常灵活和好用，具有极大的可靠性” ，电气经理马修？格拉谢科（Matthew Gluszak）说。

　　当在隧道的主控中心与在皇后区隧道外的工程办公室通信时，它要通过3英里通信进入隧道，控制两个网络前往TBM。这三个相互关联的CC-Link网络协同工作，控制输送机进出隧道。这些输送机，即使通过单独的CC-Link网络控制，也能高效地协同工作，完成从隧道中去除渣土的工作。如果一个输送机运行不正常，信息能够提供给 *** 作员或工程师团队，防止渣土积聚在隧道系统的任何输送机转移点。

　　这些CC-Link网络也与位于整个隧道系统内的各种人机界面一起工作，监视系统状态。状态信息来自所有网络，包括急停（E-STOP）和EECS信息，这些信息提供给所有的HMI，不管是否是始发的CC-Link网络。每台HMI也可以在三条CC-Link网络的任意点控制 *** 作。使用的CC-Link网络具有抗噪能力，满足隧道掘进 *** 作长距离的需求。

　　集成商的视角

　　系统集成是整个项目成功的关键。该集成商安装了一种独特和长距离的连续输送系统，通过隧道 *** 作去除渣土。项目中集成了超过八种不同类型的输送系统以及它们的控制，能够快速去除隧道掘进机（TBM）产生的渣土，从而使两台隧道掘进机能够连续运行。使用CC-Link控制了这种精心设计的输送系统（900吨重）。

　　该项目的集成商对CC-Link技术的安装容易程度具有深刻的印象。下面举一个例子，在集成和安装陆上＃2输送机（穿越北方大道上方的输送带）的网络时，初步估计要用55个小时，而实际安装仅仅用了29小时 -- 比最初的估计提前了24个小时完成。

　　此外，通信主干网的简单安装可以容易增加输送系统的距离，对原有的系统设施添加额外的输送机和HMI，扩展系统的功能（例如，EECS）。

　　最终，有了TBM的创新和CC-Link的使用，连续的输送系统使隧道掘进过程创造了可用性纪录，在一个移动的城市中，没有这个比其他更受大家赞赏的收益了。