現場(chǎng)總線(xiàn)CC-Link的組織、通信協(xié)議和應用

　　1.1 CC-Link合作伙伴協(xié)會(huì )
　　CC-Link合作伙伴協(xié)會(huì )（CLPA）成立于2000年，當時(shí)三菱電機發(fā)布了CC-Link現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)規范，作為一個(gè)開(kāi)放的工業(yè)標準。從那時(shí)起，CLPA一直致力于在全球推動(dòng)和使用這項技術(shù)。在過(guò)去的14年中，CLPA已經(jīng)成為現場(chǎng)總線(xiàn)的全球最大組織之一，在全球擁有2000多名會(huì )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(guò)了嚴格的一致性測試，保證了兼容性。如今，CLPA繼續為工業(yè)網(wǎng)絡(luò )提供業(yè)界領(lǐng)先的技術(shù)；例如，開(kāi)發(fā)出世界上第一個(gè)千兆工業(yè)以太網(wǎng)：CC-Link IE。
　　1.2亞洲市場(chǎng)的領(lǐng)導者
　　CC-Link在亞洲保持著(zhù)市場(chǎng)的領(lǐng)先地位，已經(jīng)成為很多行業(yè)開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )的選擇 – 這個(gè)領(lǐng)先地位已經(jīng)由獨立的市場(chǎng)研究公司 – HIS所證實(shí)。
　　進(jìn)一步支持這個(gè)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(dòng)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(chǎng)份額；事實(shí)上，一些成員公司在亞洲以外的市場(chǎng)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(cháng)的同時(shí)，很多企業(yè)也希望打入亞洲市場(chǎng)，CC-Link是首選的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。
　　兩年前，為了幫助和支持美國與歐洲公司進(jìn)入亞洲市場(chǎng)，CLPA實(shí)施了一個(gè)名為通往中國（G2C）的營(yíng)銷(xiāo)計劃。這項計劃的目的是幫助企業(yè)制定和推動(dòng)他們的CC-Link兼容設備在中國市場(chǎng)的推廣。當時(shí)有22家企業(yè)參與了G2C活動(dòng)。隨著(zhù)這項計劃的成功，CLPA把這個(gè)計劃移植到了亞洲，稱(chēng)為通向亞洲（G2A）。
　　CC-Link的增長(cháng)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(jīng)成為CLPA董事會(huì )成員。董事會(huì )成員在決定CC-Link未來(lái)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(gè)通用術(shù)語(yǔ)，經(jīng)常在CC-Link合作伙伴協(xié)會(huì )討論開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )技術(shù)推廣時(shí)使用。簡(jiǎn)單地說(shuō)，今天的CC-Link有兩種技術(shù)可供選擇：現場(chǎng)總線(xiàn)（CC-Link）和工業(yè)以太網(wǎng)（CC-Link IE）。 這個(gè)“家族”的情況由后面的章節詳細介紹。
　　自CLPA成立以來(lái)，CC-Link已經(jīng)演變成一種開(kāi)放自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的綜合體系。該技術(shù)提供的兩個(gè)關(guān)鍵收益是效率和信息透明。效率是通過(guò)提供當今開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )的最高性能來(lái)保證的，同時(shí)確保正常運行時(shí)間很少中斷。同時(shí)，CC-Link也能滿(mǎn)足工業(yè)4.0要求：企業(yè)的所有部門(mén)都能夠共享和使用相同的信息，確保工廠(chǎng)以最高效率運行，同時(shí)仍然滿(mǎn)足客戶(hù)需求的變化；因此，該信息必須在整個(gè)企業(yè)中透明。 CC-Link也滿(mǎn)足這一需求，允許信息從車(chē)間級到企業(yè)級實(shí)現共享：從車(chē)間的設備上的數字I/ O到企業(yè)辦公室IT系統的監督生產(chǎn)運行。
　　許多公司都選擇了CC-Link作為領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò )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(luò )的產(chǎn)品添加到他們的產(chǎn)品之中。這些自動(dòng)化市場(chǎng)的領(lǐng)導者也是CLPA的合作伙伴，因此也能提供產(chǎn)品實(shí)現CC-Link網(wǎng)絡(luò )?，F在CLPA正計劃可用于內部集成與未來(lái)發(fā)展的入門(mén)套件。對于喜歡外包開(kāi)發(fā)的組織，CLPA可以幫助他們聯(lián)系工程公司，從項目的開(kāi)始到結束全程提供技術(shù)支持。
　　CC-Link的已在世界各個(gè)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(guān)CC-Link和CC-Link IE網(wǎng)絡(luò )技術(shù)和能力更深入的了解。
　　二、協(xié)議
　　2.1 CC-Link自動(dòng)化協(xié)議族
　　自CLPA于2000年成立以來(lái)，CC-Link家族已經(jīng)發(fā)展成為開(kāi)放自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的綜合體系，兩個(gè)關(guān)鍵的收益是該技術(shù)提供了效率和信息透明。
　　效率是通過(guò)當今開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )提供的最高性能來(lái)保證的；同時(shí)它也保證了正常工作時(shí)間很少中斷。物聯(lián)網(wǎng)（IOT）的發(fā)展要求制造過(guò)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(mén)以最高的效率運行，同時(shí)解決了客戶(hù)需求的不斷變化。 CC-Link能夠滿(mǎn)足這一需求，允許信息從車(chē)間底層到企業(yè)頂層的透明分享。
　　術(shù)語(yǔ)“CC-Link”是基于CC-Link技術(shù)的開(kāi)放自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò )的通用家族。從層次上，他們劃分成兩項主要技術(shù)：現場(chǎng)總線(xiàn)和工業(yè)以太網(wǎng)。
　　2.2 CC-Link現場(chǎng)總線(xiàn)
　　CC-Link總線(xiàn)是一種高速度、高性能、開(kāi)放的工業(yè)總線(xiàn)技術(shù)，能夠使眾多的制造商設備進(jìn)行通信，從而構建快速、確定性的控制系統。CC-Link總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的運行速度高達10Mbps（無(wú)瓶頸），提供了64個(gè)站通過(guò)網(wǎng)絡(luò )彼此通信的能力，網(wǎng)絡(luò )長(cháng)度可達1200米，當使用中繼器時(shí)，通信距離可達13公里。網(wǎng)絡(luò )的更新時(shí)間通常在5毫秒內。然而，它更關(guān)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工廠(chǎng)事故中斷網(wǎng)絡(luò )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(shí)，站仍然能夠繼續運行。即使一臺控制器發(fā)生故障也不會(huì )引起生產(chǎn)中斷，因為有備用的網(wǎng)絡(luò )主站（即熱備份）。
　　CC-Link現場(chǎng)總線(xiàn)具有兩種開(kāi)放現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)：CC-Link安全和CC-Link/ LT。正如名稱(chēng)所指示的：CC-Link安全是一種專(zhuān)用的安全總線(xiàn)，具有IEC 61508標準定義的 SIL3等級，滿(mǎn)足所有典型工業(yè)安全的要求；CC-Link/ LT是一個(gè)面向比特的網(wǎng)絡(luò )設計，適用于按鈕、傳感器和執行器的部署，使之成為底層數字I / O高性?xún)r(jià)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(gè)關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò )技術(shù)是CC-Link IE：基于以太網(wǎng)的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )。工業(yè)網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的趨勢是朝著(zhù)工業(yè)以太網(wǎng)的方向前進(jìn)，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，運行在一個(gè)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(kāi)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(luò )從效率上增加了一個(gè)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(huì )問(wèn)，千兆的速度是否必要？今天，辦公室以太網(wǎng)服務(wù)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(wǎng)絡(luò )的性能也有同樣預期，這也推動(dòng)了CC-Link IE的不斷發(fā)展。
　　網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展主要由工業(yè)的生產(chǎn)來(lái)驅動(dòng)，如平板顯示器制造和汽車(chē)生產(chǎn)，企業(yè)需要處理大量數據，并且這些信息需要在整個(gè)工廠(chǎng)實(shí)時(shí)分享。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子：一個(gè)典型的汽車(chē)組裝廠(chǎng)，多數組裝線(xiàn)有著(zhù)各種各樣車(chē)型的變化，每種車(chē)型還有巨大的、基于客戶(hù)訂單的可選件組合。跟蹤哪些部件應該安裝在哪臺車(chē)上，是完成最終裝配的一個(gè)數據密集型任務(wù)。 CC-Link IE具有這樣的性能，提供實(shí)時(shí)的現場(chǎng)數據，這就是為什么越來(lái)越多的汽車(chē)企業(yè)在全球指定CC-Link IE用于他們制造的一個(gè)關(guān)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：控制版和現場(chǎng)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(gè)生產(chǎn)設施提供通信鏈路。 CC-Link IE現場(chǎng)版使用標準的超5類(lèi)（Cat 5e）電纜，連接控制器和現場(chǎng)設備。 CC-Link IE現場(chǎng)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(dòng)控制。這意味著(zhù)允許在單一網(wǎng)絡(luò )上實(shí)現安全、運動(dòng)控制和能源管理功能，節省了安裝成本并且簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò )結構。
　　解決方案的最后一塊是CC-Link和CC-Link IE產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。很多美國公司都選擇與領(lǐng)先的網(wǎng)絡(luò )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(kāi)放網(wǎng)絡(luò )添加到他們的產(chǎn)品中。這些市場(chǎng)的領(lǐng)導者也是CLPA的合作伙伴，因此他們可以提供產(chǎn)品來(lái)實(shí)現CC-Link網(wǎng)絡(luò )。
　　對于許多公司關(guān)鍵的一點(diǎn)是：他們已經(jīng)使用的網(wǎng)絡(luò )平臺，能夠支持CC-Link的網(wǎng)絡(luò )。因此，他們能夠很容易把這一前沿技術(shù)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(luò )
　　在紐約做項目可不是一件容易的事情：紐約人希望按時(shí)、一致和確定的結果 -- 因為，每個(gè)人都知道：紐約人不喜歡等待。在紐約市（NYC），一條新的連接長(cháng)島、曼哈頓和皇后區的長(cháng)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(gè)城市項目是一個(gè)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(jìn)機，以及運輸和安全系統。羅賓斯承包了NYC項目的一部分，提供隧道掘進(jìn)、輸送系統和相關(guān)設備。
　　該項目需要使用隧道掘進(jìn)機（TBM），需要鏤空地表之下200英尺的多個(gè)隧道。必須掘進(jìn)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

　　輸送機系統幾乎包括了所有常見(jiàn)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(jìn)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，挑戰的部分是移出渣土離開(kāi)隧道，送到一個(gè)存儲區域，且不能中斷附近交通的正常運營(yíng)。最具挑戰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(gè)項目嘗試使用輸送系統來(lái)改善渣土的移除過(guò)程。據分析，在掘進(jìn)操作期間輸送機可以連續地操作。當第一次使用這種方法時(shí)，有時(shí)傳送帶破裂了，渣土灑滿(mǎn)了軌道；有時(shí)傳送帶會(huì )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(xié)調，才能防止不平衡或過(guò)載的情況。如果一個(gè)電機停止，會(huì )對其它電機造成過(guò)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)的變頻驅動(dòng)器（VFD）來(lái)控制傳送帶電機實(shí)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(guò)CC-Link的通信網(wǎng)絡(luò )連接和控制所有的變頻驅動(dòng)器，從而控制了電機。
　　使用這種VFD和CC-Link通信技術(shù)，使這些電機控制各種不同的輸送系統運行，在負載分擔機制下使用CC-Link成為實(shí)現所有功能的關(guān)鍵所在。 （在過(guò)去的系統中，嘗試過(guò)其他的通信網(wǎng)絡(luò )，但由于該隧道掘進(jìn)操作所需的長(cháng)度以及惡劣的環(huán)境條件，這些網(wǎng)絡(luò )不能滿(mǎn)足該作業(yè)的嚴格要求：通信系統經(jīng)常失敗。）
　　選擇CC-Link有幾個(gè)原因，一個(gè)主要的因素是極長(cháng)的距離，它提供了在很長(cháng)隧道內進(jìn)行通信的能力。另一個(gè)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(dòng)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(luò )也能完美地工作。
　　急停監視
　　CC-Link網(wǎng)絡(luò )也能監視隧道系統中的急停功能，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(gè)緊急停止開(kāi)關(guān)啟動(dòng)，CC-Link網(wǎng)絡(luò )可以精確定位激活點(diǎn)，可以讓輸送系統控制關(guān)機。 提供緊急停止激活的位置，這是處理這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵。三菱的人機界面（hmi）可用來(lái)顯示緊急停車(chē)系統的狀態(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通信系統還向隧道內的抽水泵傳輸控制信號。
　　大型水泵遍布于整個(gè)隧道施工系統。每個(gè)泵站都有一個(gè)相關(guān)的攝像頭，讓操作員監測每個(gè)站的水位。當水位超過(guò)預定設定點(diǎn)時(shí)，該水泵被激活，將水從隧道中抽出。該項目的整個(gè)抽水系統包括四個(gè)泵站，每個(gè)泵站有兩臺30馬力的泵。這些水泵通過(guò)CC-Link控制，使用與傳送系統相同的網(wǎng)絡(luò )，不用安裝新網(wǎng)絡(luò )而且降低了成本。

　　隧道通風(fēng)
　　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(jìn)設備的安裝沒(méi)有什么不同。CC-Link網(wǎng)絡(luò )能夠控制風(fēng)扇，為隧道內的系統提供空氣的流動(dòng)。
　　大風(fēng)扇剛好位于隧道入口，通過(guò)整個(gè)隧道施工系統的通風(fēng)管道，強制輸送新鮮空氣。六臺150馬力的風(fēng)扇使外部的新鮮空氣進(jìn)入隧道，在此基礎上保持連續流動(dòng)。與水泵和輸送馬達一樣，控制風(fēng)扇的通信由相同的CC-Link網(wǎng)絡(luò )處理。

　　緊急疏散通信系統（EECS）
　　在這個(gè)項目實(shí)施到兩年時(shí)，主承包商希望能夠進(jìn)一步提高這個(gè)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(chǎn)的利用率進(jìn)行了頭腦風(fēng)暴。承包商對使用CC-Link通信系統和擴展使用這種可用資源非常有興趣。當時(shí)就拍板決定：使用CC-Link的網(wǎng)絡(luò )，擴展緊急疏散通信系統（EECS），進(jìn)一步提高設備操作人員的安全。
　　承包商正在更新整個(gè)隧道的緊急站，加入附加功能。這個(gè)增強的應急疏散通訊系統有一個(gè)I / O塊與CC-Link的通信，與風(fēng)機、水泵和輸送控制使用相同的網(wǎng)絡(luò )電纜。在緊急的情況下，每個(gè)站將發(fā)出報警聲，并觸發(fā)應急示位標，在整個(gè)隧道系統對設備操作人員發(fā)出警報。這個(gè)緊急疏散通信系統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。
　　系統設計和協(xié)調
　　CC-Link通信系統由三條相互關(guān)聯(lián)的CC-Link網(wǎng)絡(luò )協(xié)同工作，實(shí)現上述各種功能的控制。這三條網(wǎng)絡(luò )同時(shí)一起工作，共同的控制超過(guò)了70個(gè)站，包括輸送機、泵、風(fēng)機、EECS以及HMI輸入和輸出，控制隧道施工系統內的各種功能。
　　三個(gè)CC-Link主站網(wǎng)絡(luò )模塊安裝在三菱Q系列可編程自動(dòng)化控制器的一個(gè)機架上，位于隧道內的主控中心。這個(gè)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。那里容納了輸送機驅動(dòng)器的控制面板和監視隧道系統內操作的人機界面。“在隧道掘進(jìn)過(guò)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(shuō)。
　　當在隧道的主控中心與在皇后區隧道外的工程辦公室通信時(shí)，它要通過(guò)3英里通信進(jìn)入隧道，控制兩個(gè)網(wǎng)絡(luò )前往TBM。這三個(gè)相互關(guān)聯(lián)的CC-Link網(wǎng)絡(luò )協(xié)同工作，控制輸送機進(jìn)出隧道。這些輸送機，即使通過(guò)單獨的CC-Link網(wǎng)絡(luò )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(gè)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的任何輸送機轉移點(diǎn)。
　　這些CC-Link網(wǎng)絡(luò )也與位于整個(gè)隧道系統內的各種人機界面一起工作，監視系統狀態(tài)。狀態(tài)信息來(lái)自所有網(wǎng)絡(luò )，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(luò )。每臺HMI也可以在三條CC-Link網(wǎng)絡(luò )的任意點(diǎn)控制操作。使用的CC-Link網(wǎng)絡(luò )具有抗噪能力，滿(mǎn)足隧道掘進(jìn)操作長(cháng)距離的需求。
　　集成商的視角
　　系統集成是整個(gè)項目成功的關(guān)鍵。該集成商安裝了一種獨特和長(cháng)距離的連續輸送系統，通過(guò)隧道操作去除渣土。項目中集成了超過(guò)八種不同類(lèi)型的輸送系統以及它們的控制，能夠快速去除隧道掘進(jìn)機（TBM）產(chǎn)生的渣土，從而使兩臺隧道掘進(jìn)機能夠連續運行。使用CC-Link控制了這種精心設計的輸送系統（900噸重）。
　　該項目的集成商對CC-Link技術(shù)的安裝容易程度具有深刻的印象。下面舉一個(gè)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(luò )時(shí)，初步估計要用55個(gè)小時(shí)，而實(shí)際安裝僅僅用了29小時(shí) -- 比最初的估計提前了24個(gè)小時(shí)完成。
　　此外，通信主干網(wǎng)的簡(jiǎn)單安裝可以容易增加輸送系統的距離，對原有的系統設施添加額外的輸送機和HMI，擴展系統的功能（例如，EECS）。
　　最終，有了TBM的創(chuàng )新和CC-Link的使用，連續的輸送系統使隧道掘進(jìn)過(guò)程創(chuàng )造了可用性紀錄，在一個(gè)移動(dòng)的城市中，沒(méi)有這個(gè)比其他更受大家贊賞的收益了。