现场总线CC-Link的组织、通信协议和应用

　　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操作中的瓶颈。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操作。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，在掘进操作期间输送机可以连续地操作。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，但由于该隧道掘进操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，让操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操作，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），进一步提高设备操作人员的安全。
　　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操作人员发出警报。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操作的人机界面。“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，信息能够提供给操作员或工程师团队，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网络的任意点控制操作。使用的CC-Link网络具有抗噪能力，满足隧道掘进操作长距离的需求。
　　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，通过隧道操作去除渣土。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。