三菱iQ-R系列CC-Link IE TSN带宽不足时的QoS优先级设置

当三菱iQ-R系列PLC通过CC-Link IE TSN网络与伺服、IO模块、HMI等设备通信时，若出现周期性通信延迟、伺服响应抖动、远程IO刷新滞后或诊断提示“TSN Bandwidth Exceeded”（带宽超限），说明当前TSN网络已无法满足所有流量的确定性传输需求。此时，不能通过简单扩容交换机或升级网线解决——TSN带宽是时间片资源，本质是调度能力，而非物理吞吐量。唯一可靠手段是启用并精确配置服务质量（QoS）优先级策略，让关键控制流量抢占高优先级时间槽，非关键流量主动让出带宽。

以下为完整、可立即执行的操作指南。全过程仅需GX Works3 V1.059.1及以上版本、iQ-R系列CPU（R08/16/32/64EN）、支持TSN的CC-Link IE TSN兼容交换机（如SL-SCN-TSN系列）及标准Cat.6A网线。无需额外硬件或授权许可。

一、确认带宽不足的根本原因

CC-Link IE TSN采用时间敏感网络（TSN）标准，将1ms通信周期划分为固定数量的时间槽（Time Slot）。每个槽分配给特定流量类型：

Control Traffic（控制流量）：PLC→伺服位置指令、伺服→PLC状态反馈（硬实时，严格要求≤100μs抖动）；
Standard Traffic（标准流量）：PLC↔HMI画面更新、PLC↔SCADA数据上传（软实时，允许毫秒级延迟）；
Best-Effort Traffic（尽力而为流量）：固件升级包、日志导出、FTP文件传输（无时序保障）。

带宽超限的本质是：Control Traffic请求的时间槽数量 + Standard Traffic请求槽数量 > 网络周期内可用槽数量。

验证方法：

打开GX Works3，连接目标iQ-R CPU；
双击项目树中的 Network Parameters → CC-Link IE TSN；
切换到 Bandwidth Monitor 标签页；
点击 Start Monitoring 按钮，持续运行30秒；
观察 Used Slots / Total Slots 柱状图：若任一周期中 Used Slots ≥ Total Slots × 0.95（即占用率≥95%），即判定为带宽瓶颈。

注：Total Slots 默认值为100（对应1ms周期下10μs精度），可通过 Network Configuration → Cycle Time Settings 修改，但不推荐调整此值——降低周期会加剧CPU负载，提高周期则牺牲控制精度。

二、QoS优先级的三级调度机制

iQ-R系列CC-Link IE TSN的QoS非简单“高/中/低”三档，而是三层嵌套调度：

层级	名称	控制对象	调度粒度	可配置项
L1	Traffic Class（流量类别）	所有网络帧的IEEE 802.1Q标签中的PCP字段（3位，0–7）	帧级	在PLC程序中为不同数据链接指定`Class ID`
L2	Gate Control List（门控列表）	物理端口上每个时间槽的开关状态	槽级（10μs）	定义哪些时间槽允许`Class 7`帧通过，哪些关闭
L3	Credit-Based Shaper（信用整形器）	同一Class内多设备间的带宽分配	字节级	为每个从站分配发送信用值，防止单设备独占带宽

核心逻辑：只有被Gate Control List开放的时间槽，且该槽内Credit-Based Shaper仍有余额的Class 7帧，才能被转发。其余帧排队等待下一周期或直接丢弃。

三、实操步骤：从零配置QoS优先级

步骤1：在GX Works3中定义高优先级数据链接

展开项目树 Devices → CC-Link IE TSN → Stations；
右键需保障实时性的从站（如MR-J4-BS伺服驱动器），选择 Properties；
切换到 Data Link Settings 标签页；
勾选 Use Priority Setting；
在 Priority Class 下拉菜单中选择 Class 7（最高优先级，仅用于硬实时控制）；
点击 OK 保存。

✅ 关键点：Class 7 专用于位置指令（SD1000起始地址）和状态反馈（RD1000起始地址）这类循环通信数据；
❌ 禁止将HMI画面数据、报警日志等设为Class 7——这会挤占真正需要的控制槽。

步骤2：配置Gate Control List（门控列表）

双击 Network Parameters → CC-Link IE TSN → Gate Control List；
点击 Add Entry 新增条目；
设置参数：
- Port：选择实际连接伺服的物理端口（如Port 1）；
- Start Time：输入 0（微秒）；
- Duration：输入 150（微秒）；
- Traffic Class：选择 7；
- Gate State：选择 Open；
重复步骤3，新增第二条：
- Start Time：200；
- Duration：150；
- Traffic Class：7；
- Gate State：Open；
点击 Apply 生成门控序列。

🔍 原理解析：上述配置在每1ms周期内，为Class 7流量预留两个独立窗口：[0–150μs]和[200–350μs]，总长300μs。其余700μs供Class 0–6使用。该分配满足典型3轴伺服系统（每轴需约80μs指令+反馈时间）。

步骤3：设置Credit-Based Shaper（信用整形）

在Gate Control List窗口中，切换到 Credit Shaper 标签页；
点击 Add Station；
输入以下值（以MR-J4-BS为例）：
- Station No.：2（该伺服在站号表中编号）；
- Credit Increment：1200（单位：字节/周期）；
- Credit Limit：3000（单位：字节）；
- Credit Debit：100（单位：字节/帧）；
点击 OK 保存。

📐 计算依据：

单次位置指令（32位×3轴）+ 状态反馈（32位×3轴）= 24字节；

每周期发送1帧指令、1帧反馈 → Credit Debit = 24 × 2 ≈ 50，取整为100留余量；

Credit Increment = 100 × 12（确保12帧连续发送不欠信用）= 1200；

Credit Limit = 100 × 30（防止单次突发耗尽全网信用）= 3000。

步骤4：部署并验证QoS生效

编译整个项目；
在线写入至iQ-R CPU；
重启PLC使TSN参数生效；
返回Bandwidth Monitor标签页，重新启动监控；
观察变化：
- Class 7 Used Slots 应稳定在 300±20μs（即你配置的两个窗口）；
- Class 0–6 Used Slots 应显著下降（因让出带宽）；
- Total Used Slots 应 ≤ 90（占用率≤90%，留10%余量）。

四、故障排查速查表

现象	最可能原因	解决动作
`Class 7`流量仍延迟	`Gate Control List`中`Duration`过小	将`Duration`从`150`增至`200`，重试
HMI画面卡顿严重	`Class 0–6`未配置`Credit Shaper`导致争抢	为HMI站（如站号5）设置`Credit Increment=800`, `Credit Limit=2000`
监控显示`Used Slots=0`	PLC未识别TSN交换机	检查网线直连PLC与交换机，禁用中间Hub；确认交换机TSN模式已启用
伺服报`Err.23`（通信超时）	`Credit Debit`设置大于单帧实际字节数	用`Wireshark`抓包确认该站单帧大小，将`Credit Debit`设为实际值×1.5

五、进阶优化建议（非必需但强烈推荐）

启用Frame Preemption（帧抢占）：在Network Parameters → Advanced Settings中勾选Enable Frame Preemption。允许Class 7帧在Class 0长帧传输中途插入，将最大抖动从150μs降至25μs；
绑定物理端口与站号：在Stations属性中，为每个伺服指定Physical Port Binding（如伺服1强制走Port 1），避免TSN交换机内部路由引入不确定延迟；
禁用非必要服务：在CPU Parameters → Network Services中，关闭FTP Server、SNTP Client等后台服务，释放CPU处理TSN调度的资源。

完成上述配置后，CC-Link IE TSN网络将严格按预定时间槽分发流量：控制指令在0–150μs窗口发出，状态反馈在200–350μs窗口返回，其余所有通信自动退让。带宽不再“不足”，而是被精确“分配”。