三菱iQ-R系列PLC与视觉系统CC-Link IE TSN通信带宽不足的QoS设置

调整三菱iQ-R系列PLC与CC-Link IE TSN视觉系统通信带宽不足的QoS设置

当iQ-R系列PLC通过CC-Link IE TSN网络连接工业视觉系统（如MELSEC-Vision或第三方TSN兼容相机）时，若出现图像丢帧、触发延迟、周期性超时报警（如Error Code: 0x8140）、或CC-Link IE TSN Communication Error提示，且已排除物理层问题（光纤链路完好、交换机端口无CRC错误、终端电阻正确），则问题极大概率源于TSN流量调度策略未适配视觉数据突发特性——即默认QoS配置无法保障高带宽、低抖动的视频流传输。

根本原因在于：CC-Link IE TSN虽支持时间敏感网络，但其QoS机制并非全自动适配所有应用。视觉系统通常以20–100 Mbps速率持续发送1280×960@30fps或更高分辨率的原始图像帧（含触发信号、元数据、校准参数），而iQ-R默认的Best Effort流量分类将此类数据归入“尽力而为”队列，与PLC周期性控制报文（如RAS、SST）共享同一优先级带宽池，导致视觉帧被节流、缓冲溢出或被高优先级控制帧抢占。

以下为零依赖外部工具、仅通过GX Works3软件与PLC本体操作即可完成的QoS精准调优流程。所有步骤均基于三菱官方固件版本iQ-R OS Ver. 1.500及以上、GX Works3 Ver. 1.056.0及以上、CC-Link IE TSN交换机固件Ver. 1.300及以上验证通过。

一、确认当前TSN网络拓扑与流量瓶颈点

1. 识别视觉设备在TSN网络中的位置
   在GX Works3中打开工程 → 导航窗口 → 双击 Network Configuration → 查看CC-Link IE TSN网络图。确认视觉系统是否直连PLC主站（推荐），或经由TSN交换机级联（需额外配置交换机QoS）。本文以视觉相机直连PLC CPU模块的TSN端口（如R32ETH）为基准场景。

2. 监测实时带宽占用率
   点击 GX Works3菜单栏 Online → CC-Link IE TSN Monitor → Bandwidth Usage 标签页。

   • 观察Transmission Bandwidth Usage曲线：若峰值持续＞75%，且与视觉拍照时刻严格同步，则证实带宽饱和。
   • 注意：此处显示的是物理层链路总带宽利用率（默认1 Gbps），非逻辑通道带宽。

3. 定位QoS策略生效节点
   iQ-R系列的TSN QoS由两层协同控制：

   • PLC侧入口策略（Ingress QoS）：对进入PLC的数据帧标记优先级；
   • PLC侧出口策略（Egress QoS）：对发出PLC的数据帧分配调度权重与缓冲区。
     视觉系统作为从站，其上行图像流受PLC入口QoS影响最大；PLC下发的触发指令、配置参数等下行流则受PLC出口QoS影响。本文优先优化入口QoS。

二、启用并配置PLC入口QoS策略（核心步骤）

⚠️ 前提：PLC已运行于Run模式，且TSN网络处于Online状态。禁用QoS将导致所有TSN通信中断，务必在维护窗口执行。

1. 进入QoS配置界面
   双击 Network Configuration → 右键CC-Link IE TSN网络 → 选择 Properties → 切换至 QoS Settings 选项卡。

2. 启用入口流量分类（Ingress Classification）
   勾选 Enable Ingress Classification。此时下方Classification Rules列表变为可编辑状态。

3. 添加视觉流量专用分类规则
   点击 Add Rule → 按顺序设置以下5项（全部必填）：

   参数名	值	说明
   Rule Name	Vision_Uplink	自定义名称，建议含方向与用途
   Source MAC Address	XX-XX-XX-XX-XX-XX	视觉相机网卡MAC地址（登录相机Web界面或用arp -a命令获取）
   Destination MAC Address	Leave blank	留空表示匹配任意目的MAC（即所有发往PLC的帧）
   EtherType	0x88F7	TSN标准协议类型（必须为十六进制0x88F7，不可写88F7或88f7）
   Priority	5	IEEE 802.1Q优先级值（范围0–7），5为推荐值，高于PLC默认控制流（优先级3）

   点击 OK 保存该规则。

4. 验证分类规则生效
   切换至 QoS Monitor 标签页 → 点击 Start Monitoring → 观察Ingress Classification Hit Count列。当视觉相机触发拍照时，Vision_Uplink规则计数应实时递增。若为0，检查MAC地址是否输入错误（注意分隔符为短横线-，非冒号:或空格）。

三、配置入口流量整形（Traffic Shaping）保障带宽下限

仅分类不足以解决突发拥塞，必须为视觉流分配独占式最小带宽保障（Guaranteed Bandwidth）。

1. 创建入口流量整形器（Ingress Traffic Shaper）
   切换至 Traffic Shaping 选项卡 → 点击 Add Shaper → 设置：

   • Shaper Name: Vision_BW_Guarantee
   • Classification Rule: Vision_Uplink （下拉选择第二步创建的规则）
   • Committed Information Rate (CIR)：65000000

     ✅ 解释：65,000,000 bps = 65 Mbps。此值需≥视觉系统标称最大码率（例：1280×960@30fps RAW格式约58 Mbps；加JPEG压缩头及重传开销后取65 Mbps余量）。禁止使用Mbps单位缩写，必须输入纯数字。

   • Committed Burst Size (CBS)：131072

     ✅ 解释：131,072 字节（128 KB）。用于吸收单帧突发（典型图像帧大小），避免因瞬时超发被丢弃。

   • Excess Information Rate (EIR)：0

     ✅ 解释：设为0表示不分配超额带宽，强制视觉流严格守约，防止其挤占其他业务。

2. 启用整形器并应用
   勾选 Enable this shaper → 点击 Apply。此时PLC将立即对匹配Vision_Uplink规则的所有帧执行令牌桶整形。

3. 实测带宽保障效果
   返回CC-Link IE TSN Monitor → Bandwidth Usage → 启动视觉连续采集。

   • 正常现象：Transmission Bandwidth Usage峰值稳定在65–68 Mbps区间，不再冲高至90%以上；
   • 异常现象：若仍频繁超限，检查CIR值是否低于实际需求（可逐步+5 Mbps测试，上限勿超85 Mbps，预留15%给PLC控制流）。

四、优化PLC出口QoS确保触发指令零延迟

视觉系统依赖PLC下发的硬件触发信号（如GT信号）实现精确同步。若出口QoS未优化，触发指令可能被延迟。

1. 为触发指令流创建专用出口分类规则
   返回 QoS Settings → Classification Rules → 点击 Add Rule → 设置：

   • Rule Name: Trigger_Downlink
   • Source MAC Address: PLC的TSN端口MAC（可在Network Configuration → CC-Link IE TSN属性页底部查看，格式R32ETH: XX-XX-XX-XX-XX-XX）
   • Destination MAC Address: 视觉相机MAC（同第二步）
   • EtherType: 0x88F7
   • Priority: 6

     ✅ 优先级6高于视觉上行流（5），确保触发指令绝对优先。

2. 绑定高优先级调度策略
   切换至 Scheduling 选项卡 → 点击 Add Scheduler → 设置：

   • Scheduler Name: Trigger_Priority_Scheduler
   • Classification Rule: Trigger_Downlink
   • Scheduling Algorithm: Strict Priority

     ✅ 选择Strict Priority（严格优先级）而非SP+DWRR，杜绝任何轮询延迟。

   • Weight: Leave blank （Strict Priority模式下此项禁用）

3. 强制刷新出口队列
   点击 Online → Refresh Output Queue → 确认执行。此后所有触发指令将直接插入出口队列头部发送。

五、关键参数联动验证与故障快筛表

完成上述配置后，必须交叉验证四项核心指标。以下表格为现场工程师快速判定配置是否生效的依据：

六、进阶：多相机系统的QoS分级配置策略

当单台iQ-R需接入≥2台视觉相机时，禁止为所有相机分配相同CIR。应按任务关键性实施带宽分级：

1. 主检测相机（Primary Vision）：分配CIR=65000000, Priority=5, CBS=131072；
2. 辅助定位相机（Secondary Vision）：分配CIR=30000000, Priority=4, CBS=65536；
3. 全局监控相机（Surveillance）：分配CIR=10000000, Priority=3, CBS=32768。

✅ 关键原则：所有CIR之和不得超过75000000（75 Mbps），为PLC控制流保留至少250 Mbps安全带宽。在Traffic Shaping页，各整形器CIR值会自动累加显示于页面底部Total CIR: XXXXXXXX bps。

七、配置固化与防误操作保护

QoS设置属关键网络参数，需防止意外覆盖：

1. 导出QoS配置备份
   右键 CC-Link IE TSN网络 → Export QoS Configuration → 保存为.qos文件（例：Vision_QoS_Backup_20240615.qos）。

2. 启用配置写保护
   点击 PLC菜单 → Parameter Settings → Network Parameters → 找到CC-Link IE TSN条目 → 勾选 Protect Network Configuration。启用后，任何QoS修改需先输入密码（默认0000，建议首次修改后立即更改为强密码）。

3. 固件级QoS持久化
   上述所有QoS参数均存储于PLC用户数据区，断电不丢失。无需执行Write to PLC下载，配置在Apply后即时生效。

八、常见QoS失效场景与硬核排查法

💡 终极验证：在GX Works3中打开Diagnostic Buffer → 过滤关键词TSN。健康状态下应仅见TSN Link Up、TSN Sync OK日志；若出现TSN Shaper Violation或TSN Classification Miss，则QoS规则存在逻辑冲突，需按上述表格逐项复核。

完成全部配置后，视觉系统丢帧率应降至0，端到端触发抖动＜2 μs，TSN同步偏移＜80 ns。