开放式现场总线CC-Link 综述

前言
虽然CC-Link在中国的市场表现良好，国内已经存在大量广泛的应用和一些合作伙伴，但是关于CC-Link的全貌的介绍相对较少。
作为包容了现场总线最新技术的CC-Link，其先进的技术性能和特点非常鲜明。有必要逐步向广大的用户和合作伙伴及中国的工程技术人员，介绍CC-Link有关技术和应用情况。使CC-Link的技术为更多的业内人士所了解，为中国的现场总线的发展，提供有益的参考。
一、开放式现场总线CC-Link技术背景和CLPA
在1996年11月，以三菱电机为主导的多家公司以“多厂家设备环境、高性能、省配线”理念开发、公布和开放了现场总线CC-Link，第一次正式向市场推出了CC-Link这一全新的多厂商、高性能、省配线的现场网络。并于1997年获得日本电机工业会（JEMA）颁发的杰出技术成就奖。
CC-Link是Control Communication Link (控制与通信链路系统)的简称。即：在工控系统中，可以将控制和信息数据同时以10Mbps高速传输的现场网络。CC-Link具有性能卓越、应用广泛、使用简单、节省成本等突出优点。作为开放式现场总线，CC-Link是唯一起源于亚洲地区的总线系统，CC-Link的技术特点尤其适合亚洲人的思维习惯。
于1998年，汽车行业的马自达、五十铃、雅马哈、通用、铃木等也成为了CC-Link的用户，而且CC-Link迅速进入中国市场。1999年，销售的实绩已超过17万个节点，2001年达到了72万个节点，到2001年累计量达到了150万，其增长势头迅猛，在亚洲市场占有份额超过15％（据美国工控专业调查机构ARC调查），受到亚、欧、美、日等客户的高度评价。
为了使用户能更方便地选择和配置自己的CC-Link系统，2000年11月，CC-Link协会（CC-Link Partner Association简称CLPA）在日本成立。主要负责CC-Link在全球的普及和推进工作。为了全球化的推广能够统一进行，CLPA（CC-Link协会）在全球设立了众多的驻点，分布在美国、欧洲、中国、中国台湾、新加坡、韩国等国家和地区，负责在不同地区在各个方面推广和支持CC-Link用户和成员的工作。
CLPA现在有“Woodhead”、“Contec”、“Digital”、“NEC”、“松下电工”、“idec”和“三菱电机” 等7个常务理事会员。到2002年4月底，CLPA在全球拥有250多家会员公司，其中包括浙大中控、中科软大等等几家中国大陆地区的会员公司。
二、CC-Link的通讯原理
CC-Link的底层通讯协议遵循RS485，具体的通讯方式请参照下图.

图：通信原理
CC-Link提供循环传输和瞬时传输2种通信方式。一般情况下，CC-Link主要采用广播－轮询（循环传输）的方式进行通讯。具体的方式是：主站将刷新数据（RY/RWw）发送到所有从站，与此同时轮询从站1；从站1对主站的轮询作出响应（RX/RWr），同时将该响应告知其它从站；然后主站轮询从站2（此时并不发送刷新数据），从站2给出响应，并将该响应告知其它从站；依此类推，循环往复。广播－轮询时的数据传输帧格式请参照下图，该方式的数据传输率非常高。
除了广播－轮询方式以外，CC-Link也支持主站与本地站、智能设备站之间的瞬时通讯。从主站向从站的瞬时通讯量为150字节/数据包，由从站向主站的瞬时通讯量为34字节/数据包。瞬时传输时的数据传输帧格式请参照下图，由此可见瞬时传输不会对广播轮询的循环扫描时间造成影响。


所有主站和从站之间的通讯进程以及协议都由通讯用LSI－MFP(Mitsubishi Field Network Processor)控制，其硬件的设计结构决定了CC-Link的高速稳定的通讯。

MFP构成图
三、CC-Link的卓越性能
一般工业控制领域的网络分为3到4个层次，分别是上位的管理层，控制层和部件层。部件层也可以再细分为设备层和传感器层，CC-Link是一个以设备层为主的网络，同时也可以覆盖较高层次的控制层和较低层次的传感器层。
1、CC-Link的网络结构
现场总线CC-Link的一般系统构成如图所示：

图： CC-Link系统构成
一般情况下，CC-Link整个一层网络可由1个主站和64个子站组成，它采用总线方式通过屏蔽双绞线进行连接。网络中的主站由三菱电机FX系列以上的PLC或计算机担当，子站可以是远程I/O模块、特殊功能模块、带有CPU的PLC本地站、人机界面、变频器、伺服系统、机器人以及各种测量仪表、阀门、数控系统等现场仪表设备。如果需要增强系统的可靠性，可以采用主站和备用主站冗余备份的网络系统构成方式。采用第三方厂商生产的网关还可以实现从CC-Link到ASI、S-Link、Unit-wire等等网络的连接。
2、CC-Link的传输速度和距离
CC-Link具有高速的数据传输速度，最高可以达到10Mbps，其数据传输速度随距离的增长而逐渐减慢，传输速度和距离的具体关系如下表所示。

表：传输速度和距离的对应关系
CC-Link的中继器目前有多种：一种为T型分支中继器AJ65SBT-RPT，每增加一个距离延长一倍。一层网络最多可以使用10个。第二种为光中继器AJ65SBT-RPS或AJ65SBT-RPG，用光缆延长，因此在一些比较容易受干扰的环境可以采用。光中继器要成对使用，每一对AJ65SBT-RPS之间的延长距离为1公里，最多可以使用4对；每一对AJ65SBT-RPG之间的延长距离为2公里，最多可以使用2对。第三种为空间光中继器AJ65BT-RPI-10A/AJ65BT-RPI-10B，采用红外线无线传输的方式，在布线不方便，或者连接设备位置会移动的场合使用。空间光中继器也必须成对使用，两者之间的距离不能超过200米，还有一些方便接线的中继器和与其他网络相连的网关和网桥。
CC-Link提供了110欧姆和130欧姆两种终端电阻，用于避免因在总线的距离较长、传输速度较快的情况下，由于外界环境干扰出现传输信号的奇偶校验出错等传输质量下降的情况。
3、 CC-Link实现高速大容量的数据传输
CC-Link提供循环传输和瞬时传输2种方式的通信。
每个内存站循环传送数据为24字节，其中8字节（64位）用于位数据传送，16字节（4点RWr、4点RWw）用于字传送。一个物理站最大占用4个内存站，故一个物理站的循环传送数据为96个字节。
对于CC-Link整个网络而言，其循环传输每次链接扫描的最大容量是2048位和512字。
在循环传输数据量不够用的情况下，CC-Link提供瞬时传输功能，可将960字节的数据，用指令传送给目标站。
CC-Link在连接64个远程I/O站、通信速度为10Mbps的情况下，循环通信的链接扫描时间为3.7毫秒。稳定快速的通信速度是CC-Link的最大优势。
4、 CC-Link丰富的功能
1）自动刷新功能、预约站功能
CC-Link网络数据从网络模块到CPU是自动刷新完成，不必有专用的刷新指令；安排预留以后需要挂接的站，可以事先在系统组态时加以设定，当此设备挂接在网络上时，CC-Link可以自动识别，并纳入系统的运行，不必重新进行组态，保持系统的连续工作，方便设计人员设计和调试系统。
2）完善的RAS功能
RAS是Reliability（可靠性）、Availability（有效性）、Serviceability（可维护性）的缩写。例如故障子站自动下线功能、修复后的自动返回功能、站号重叠检查功能、故障无效站功能、网络链接状态检查功能、自诊断功能等等，提供了一个可以信赖的网络系统，帮助用户在最短时间内恢复网络系统。
3）互操作性和即插即用功能
CC-Link提供给合作厂商描述每种类型产品的数据配置文档。这种文档称为内存映射表，用来定义控制信号和数据的存储单元（地址）。然后，合作厂商按照这种映射表的规定，进行CC-Link兼容性产品的开发工作。以模拟量I/O开发工作表为例，在映射表中位数据RX0被定义为“读准备好信号”，字数据RWr0被定义为模拟量数据。由不同的A公司和B公司生产的同样类型的产品，在数据的配置上是完全一样的，用户根本不需要考虑在编程和使用上A公司与B公司的不同，另外，如果用户换用同类型的不同公司的产品，程序基本不用修改。可实现“即插即用”连接设备
4）循环传送和瞬时传送功能


CC-Link的2种通信的模式：循环通信和瞬时通信。循环通信是数据一直不停地在网络中传送，数据是安站的不同类型，可以共享的，由CC-Link核心芯片MFP自动完成；瞬时通信是在循环通信地数据量不够用，或需要传送比较大的数据（最大960字节），可以用专用指令实现一对一的通信。
5）优异抗噪性能和兼容性
为了保证多厂家网络的良好的兼容性，一致性测试是非常重要的。通常只是对接口部分进行测试。而且，CC-Link的一致性测试程序包含了抗噪音测试。因此，所有CC-Link兼容产品具有高水平的抗噪性能。正如我们所知，能做到这一点的只有CC-Link。除了产品本身具有卓越的抗噪性能以外，光缆中继器给网络系统提供了更加可靠、更加稳定的抗噪能力。至今还未收到过关于噪音引起系统工作不正常的报告。

四、应用特点简介
由于CC-Link可以直接连接各种流量计、电磁阀、温控仪等现场设备，降低了配线成本，并且便于接线设计的更改；通过中继器可以在4.3公里以内保持10M的高速通讯速度，因此广泛用于半导体生产线、自动化传送线、食品加工线以及汽车生产线等各个现场控制领域。在中国国内，也已经有不少地方使用了CC-Link。现将其应用特色归纳如下：
a) 便于组建价格低廉的简易控制网
作为现场总线网络的CC-Link不仅可以连接各种现场仪表，而且还可以连接各种本地控制站PLC作为智能设备站。在各个本地控制站之间通讯量不大的情况下，采用CC-Link可以构成一个简易的PLC控制网，与真正的控制网相比，价格极为低廉。
例如青岛海尔的空调测试生产线。该生产线的每个测试工位都采用了一套独立的PLC（三菱电机的FX2N PLC），来控制该测试工位的测试任务。为了使管理层的人员能够及时了解生产线各工位的工作情况，所以采用CC-Link将各个独立的控制站连接成为一个网络，通过与主站（三菱电机的A1SJHCPU）连接的上位机来监控整个测试线的工作情况。与传统的RS485通讯方式相比，CC-Link不仅通讯距离长、速度快，具有价格上的竞争优势，而且由于CC-Link提供了强大的RAS功能，所以在上位机上可以监控各个现场测试站的工作情况，及时发现各种异常，以及网络的连线异常等。当现场测试站中的某一个PLC站出现问题，会自动断线，而不影响其他站的工作，当该站修复后，会自动上线。

b) 便于组建价格低廉的冗余网络
在一些领域对系统的可靠性提出了很高的要求，这时往往需要设置主站和备用主站构成冗余系统。虽然CC-Link是一个现场级的网络，但是提供了很多高一等级网络所具有的功能，如：可以对其设定主站和备用主站，由于其造价低廉，因此性价比较高。
例如在银川的热电厂项目中，采用了CC-Link的这一功能。主站、备用主站均采用三菱电机的Q2ASHCPU，通过CC-Link连接了两个远程输入站和远程输出站。当主站、备用站均正常工作时，由主站对远程站进行控制；当主站出现故障时，备用主站将自动接管系统的控制权，作为主站工作，防止了系统的停滞。

c) 适用于一些控制点分散，安装范围狭窄的现场。
在楼宇监控系统中，如燃气监控系统，其相应的检测点很多，而且比较分散。另外，高层建筑为追求设计的经济型，往往尽量缩小夹层和上下通道的尺寸。采用CC-Link现场网连接分立的远程I/O模块，一层网络最多可以控制64个地方的2048点，总延长距离可达7.6公里。小型的输入输出模块体积仅为87.3x50x40mm，足以安装在极为狭窄的空间内。
上海西派埃实业公司测控部采用CC-Link的现场网络通讯方式，与1998年上半年成功地开发了“FLD现场总线式燃气泄漏监控系统”并将其产品化，此产品已成功运用于上海浦东国际机场等项目中。

d) 适用于直接连接各种现场设备。
由于CC-Link是一个现场总线网，因此它可以直接连接各种现场设备。
例如在河北大剧院的项目中，使用了众多的变频器。原先常用的连接变频器的方法是通过输出接点、模拟量或者RS485通讯等方式进行控制。例如采用模拟量，则针对一个变频器，PLC需要有一个模拟量模块的一个通道与之相对应，如果采用1个模块8通道的D/A转换模块，则连接40台变频器需要5个这样的模块，而如果采用CC-Link的连接方式，PLC上安装一个连接模块，就可以连接42台变频器。采用CC-Link连接变频器，不仅可连接的数量多，通讯距离也比RS485长，而且具有网络通讯的总体监控和诊断功能，通讯编程方便，这些都是RS485通讯所无法比拟的。

五、 实际应用实例简介
（一）梅州打叶复烤生产线监控系统采用了CC-Link 来组建其现场的工作网络，并通过CC-Link对生产设备进行监控。目前该系统已经正式投入运行，工作良好。生产线机械部分采用北京长征达奥控制工程系统集成有限公司和昆明船舶设备集团有限公司生产的烟草机械，并由两家公司采用三菱电机的工控产品进行系统集成，而且系统的造价比已往的引进生产线降低了很多。
下面就对该控制系统做简单的介绍，其生产线的系统概图如图4-1所示。

图4-1 梅州烟厂系统图
该生产线由打前预处理、打叶分风、除尘、烤片、烤梗、预压打包等6个工艺段组成，分别由6个三菱Q2ASCPU-S1 PLC站控制。这6个PLC站通过MELSECNET/10网进行彼此间的通讯，并通过打前预处理段的PLC经由以太网与上位计算机相连。两台上位监控计算机采用IFIX的组态软件对整个生产线进行在线监控，并将从现场采集到的数据存入数据库。一台工作站计算机可以对数据库的数据进行整理、分析、存储和输出。工程师站的计算机可以读取现场所有6个控制站的程序，监控其运行状态，修改程序，或者进行远程控制。PLC控制站上安装有一块CC-Link链接模块A1SJ61QBT11，通过该模块连接数台变频器以及1台人机界面A985GOT。在人机界面上，可以进行各种输入控制和输出监视，并可直接控制变频器。
为了后文的解说方便，我们对系统作一下简化。假定本系统的CC-Link模块插在CPU模块右侧的第一个槽上，起始地址为：H0000。通过现场总线连接一台变频器和一台人机界面。在人机界面侧对变频器进行启停、频率调整和监测、加速度调整和监测、负载电流监测、和复位控制。
具体使用的PLC内部资源如下：
X20：启动
X21：停止
X22：输入频率；D201：存放设定的频率值
X23：监控频率；D101：存放监控的频率值
X24：监控电流；D100：存放监控的电流值
X25：输入加速度；D203：存放设定的加速度值
X26：监控加速度；D103：存放监控的加速度值
X27：复位

采用CC-Link连接时需要做硬件以及软件两方面的设置。
1. 在硬件方面。
采用屏蔽双绞线按照总线方式连接各控制设备。双绞线的DA/DB为两根信号传输线，DG为接地线，SLD为屏蔽层，连接如图4-2所示。然后对每个站上的站号开关和传输速度开关（旋钮式或拨动式）做设定。变频器设定为1号站，人机界面设定为2号站。采用5Mbps的通讯速度。注意所有设备的速度必须一致，否则L.ERR（通讯出错）灯会点亮。

图4-2 硬件连接图
2. 软件方面需要进行如下的设置：
I. 对CC-Link组态。可以通过编写初始化程序，或者在参数设定画面进行设定来完成。（后者只有高版本的产品才支持。）
II. 编写相应的通讯程序。
下面先就组态加以说明。
在CC-Link运行以前，需要在主站设定该系统连接了几个子站，每个站都是什么设备等等。然后编写初始化程序；如果采用参数设定画面，则如图4-3和4-4所示。

图 4-3

图 4-4
通讯程序主要编写变频器通讯所需的数据交换。

人机界面与CC-Link连接，其通讯方式有两种。一种为循环通讯方式，需要在PLC侧对通讯内容进行简单的编程。另一种为瞬时通讯方式，只需在人机界面侧直接指定所需监控的软元件就可以了，但是所需的通讯时间稍长一些。因此对一些实时要求不高的信息可以采用简单设定的瞬时传输方式。在本系统中人机界面主要采用了瞬时传输，在软元件的设定画面中，在“网络”选项直接指定需要监控的软元件在第几号网络的第几号站，这里指定HMI要监控的是1号网络的0号站即主站。具体设定见下面的图4-5。

图4-5 HMI设定
对于上述的PLC内部资源X20/X21…D100/D103/D201等，依照此方法在人机界面上进行相应的设定。

（二）深圳市自来水集团开天源自动化有限公司在对深圳笔架山水厂泵房自动化工程设计时，经过分析、比较时考虑到原厂已部分实现车间PLC控制，经过价格及性能分析、比较确定：选用了开放式现场总线CC-LINK现场总线产品作为主控设备，控制硬件系统结构图如图4-6所示。

图4-6 笔架山水厂泵房控制系统硬件结构图
图中，主站控制一台送水泵、两台真空泵和一台排水泵，监控与管理整个泵房CC-Link网络的情况，包括：
1、 远程离线：对操作不正常的远程模块或从站自动和网络让其离线。
2、 自动恢复：不正常的远程模块或从站一旦恢复正常，自动与网络接上。
3、 自动诊断：运用自检功能检查硬件及系统接线状态。
4、 网络监视：将网络状态储存在在CPU的寄器中。
5、 负责接受来自（从站）七台泵的开真空泵命令、转发厂站的各泵状态、出厂水水质数据及传送由厂站调度下达的开泵命令。
1#-3#从站各自监测和控制两台送水泵运行，接受来自主站的开泵命令、发送给主站的各泵状态数据。
4#-7#从站监测和控制配电室。对高压配电（合/分闸、变压器、电容补偿）进行监测，对低压配电（合/分闸、变压器、直流电屏）进行监测和控制。
远程I/O站采集部分配电参数。
本应用系统是针对深圳市自来水公司笔架山水厂泵房内设备。应用CC-LINK现场总线产品后，最明显的优点是：
⑴ 泵房内自动控制系统网络速度高达2.5Mbps（100m时），数据采集速度快，系统响应时间短，提高了控制精度和可靠性。
⑵ 系统抗干扰能力明显增强。
⑶ 布线简单，故障诊断定位快速。
⑷ 控制系统的引入，较大程度地减轻工人的劳动强度，提高了生产效率。
⑸ 故障自动隔离。当一个从站或智能仪表故障时系统可自动分离此站，不影响整个网络运行。
⑹ 系统扩展方便。增加站或备用站可在线连于网络上，只需将其设为保留站即可。
⑺ 与其它品牌设备互连性强，本系统将CC-LIN连在MODBUS网络上，显示出网间连接性能稳定，数据传输准确及时。对于解决不同品牌设备互连的问题提供了解决办法。
此应用系统所采用的FCS模式比以往的DCS或PLCS模式更先进、更可靠。随着时间的推移，相信在我国自来水行业使用现场总线模式越来越多，而CC-Link在深圳水厂的成功应用为水处理行业应用CC-Link提供了经验借鉴。

六、CC-Link的技术发展
通过以上介绍，我们对CC-Link的特点和功能有了一个初步的认识，鉴于CC-Link的实际特点和功能，它适用于许多控制系统，同时其自身的功能也在不断完善和改进，可挂接现场设备的合作厂商也在不断增加，以便更有利于现场。
CC-Link的技术在不断的进步和发展过程中，CLPA在2002年推出CC-Link家簇下端产品和协议CC-Link/LT，主要用于开关量数据的传输和通信，使CC-Link在整个结构上更加完善和丰满，并且其成本将更加降低。2003年初，CLPA宣布推出CC-Link V2.0版本，是原来的系统通信量扩大了8倍。
总之，CC-Link是一个技术先进、性能卓越、应用广泛、使用简单、成本较低的开放式现场总线，其在中国的技术发展和应用有着广阔的前景。