現(xiàn)場總線CC-Link的組織、通信協(xié)議和應用

　　1.1 CC-Link合作伙伴協(xié)會
　　CC-Link合作伙伴協(xié)會（CLPA）成立于2000年，當時三菱電機發(fā)布了CC-Link現(xiàn)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(jīng)成為現(xiàn)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(chǎn)品，這些產(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)：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(jīng)成為很多行業(yè)開放網(wǎng)絡的選擇 – 這個領先地位已經(jīng)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(jù)是HIS和ARC最近的調(diào)查結(jié)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(chǎn)品。這并不奇怪，因為在全球經(jīng)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(wǎng)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(xiàn)在已經(jīng)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(jīng)常在CC-Link合作伙伴協(xié)會討論開放網(wǎng)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(xiàn)場總線（CC-Link）和工業(yè)以太網(wǎng)（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(jīng)演變成一種開放自動化網(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)共享：從車間的設備上的數(shù)字I/ O到企業(yè)辦公室IT系統(tǒng)的監(jiān)督生產(chǎn)運行。
　　許多公司都選擇了CC-Link作為領先的網(wǎng)絡解決方案，如赫優(yōu)訊（Hilscher）、HMS和瑞薩（Renesas）就是這樣，把CC-Link網(wǎng)絡的產(chǎn)品添加到他們的產(chǎn)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(chǎn)品實現(xiàn)CC-Link網(wǎng)絡?，F(xiàn)在CLPA正計劃可用于內(nèi)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(lián)系工程公司，從項目的開始到結(jié)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(wǎng)絡技術和能力更深入的了解。
　　二、協(xié)議
　　2.1 CC-Link自動化協(xié)議族
　　自CLPA于2000年成立以來，CC-Link家族已經(jīng)發(fā)展成為開放自動化網(wǎng)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(wǎng)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(lián)網(wǎng)（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(wǎng)絡的通用家族。從層次上，他們劃分成兩項主要技術：現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網(wǎng)。
　　2.2 CC-Link現(xiàn)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(wǎng)絡的運行速度高達10Mbps（無瓶頸），提供了64個站通過網(wǎng)絡彼此通信的能力，網(wǎng)絡長度可達1200米，當使用中繼器時，通信距離可達13公里。網(wǎng)絡的更新時間通常在5毫秒內(nèi)。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(wǎng)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(chǎn)中斷，因為有備用的網(wǎng)絡主站（即熱備份）。
　　CC-Link現(xiàn)場總線具有兩種開放現(xiàn)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(wǎng)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(shù)字I / O高性價比的解決方案。
　　2.3 CC-Link IE工業(yè)以太網(wǎng)
　　CLPA提供的另一個關鍵網(wǎng)絡技術是CC-Link IE：基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡。工業(yè)網(wǎng)絡發(fā)展的趨勢是朝著工業(yè)以太網(wǎng)的方向前進，我們已經(jīng)看到了幾十種不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議出現(xiàn)，運行在一個標準的以太網(wǎng)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(wǎng)，具有固有的確定性。這給了CC-Link IE比工作在100Mbps（或更慢）的網(wǎng)絡從效率上增加了一個以上的數(shù)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(wǎng)服務能夠提供更廣泛的功能，其速度從每秒數(shù)百千比特提高到千兆性能。因此，對工業(yè)網(wǎng)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(wǎng)絡的發(fā)展主要由工業(yè)的生產(chǎn)來驅(qū)動，如平板顯示器制造和汽車生產(chǎn)，企業(yè)需要處理大量數(shù)據(jù)，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(shù)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(shù)據(jù)密集型任務。 CC-Link IE具有這樣的性能，提供實時的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，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(wǎng)，有兩種主要的提供形式：控制版和現(xiàn)場版。 CC-Link IE控制版是一種高容量、千兆光纖的骨干網(wǎng)，連接眾多的應用控制器可以為整個生產(chǎn)設施提供通信鏈路。 CC-Link IE現(xiàn)場版使用標準的超5類（Cat 5e）電纜，連接控制器和現(xiàn)場設備。 CC-Link IE現(xiàn)場版還提供了不同的協(xié)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(wǎng)絡上實現(xiàn)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(wǎng)絡結(jié)構。
　　解決方案的最后一塊是CC-Link和CC-Link IE產(chǎn)品的開發(fā)。很多美國公司都選擇與領先的網(wǎng)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(wǎng)絡添加到他們的產(chǎn)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(chǎn)品來實現(xiàn)CC-Link網(wǎng)絡。
　　對于許多公司關鍵的一點是：他們已經(jīng)使用的網(wǎng)絡平臺，能夠支持CC-Link的網(wǎng)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(wǎng)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(jié)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(nèi)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(chǎn)出的土石碎片。
　　需要精心設計輸送系統(tǒng)

　　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(zhuǎn)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。

　　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(jù)分析，在掘進操作期間輸送機可以連續(xù)地操作。當?shù)谝淮问褂眠@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(zhuǎn)，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(xié)調(diào)，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(chǎn)的變頻驅(qū)動器（VFD）來控制傳送帶電機實現(xiàn)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(wǎng)絡連接和控制所有的變頻驅(qū)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(xiàn)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(wǎng)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(wǎng)絡不能滿足該作業(yè)的嚴格要求：通信系統(tǒng)經(jīng)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(nèi)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(wǎng)絡也能完美地工作。
　　急停監(jiān)視
　　CC-Link網(wǎng)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(wǎng)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(nèi)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(wǎng)絡，不用安裝新網(wǎng)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(wǎng)絡能夠控制風扇，為隧道內(nèi)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(wǎng)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(xiàn)有資產(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)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(xié)調(diào)
　　CC-Link通信系統(tǒng)由三條相互關聯(lián)的CC-Link網(wǎng)絡協(xié)同工作，實現(xiàn)上述各種功能的控制。這三條網(wǎng)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(nèi)的各種功能。
　　三個CC-Link主站網(wǎng)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(nèi)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(qū)動器的控制面板和監(jiān)視隧道系統(tǒng)內(nèi)操作的人機界面。“在隧道掘進過程中使用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(jīng)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(wǎng)絡前往TBM。這三個相互關聯(lián)的CC-Link網(wǎng)絡協(xié)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(wǎng)絡控制，也能高效地協(xié)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(zhuǎn)移點。
　　這些CC-Link網(wǎng)絡也與位于整個隧道系統(tǒng)內(nèi)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(wǎng)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(wǎng)絡。每臺HMI也可以在三條CC-Link網(wǎng)絡的任意點控制操作。使用的CC-Link網(wǎng)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(chǎn)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(wǎng)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(wǎng)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。