第2章 罗克韦尔ControlLogix系统硬件体系架构

1、第2章罗克韦尔controllogix系统硬件体系架构,2.1 罗克韦尔controllogix系统的产品线介绍,2.2 罗克韦尔controllogix系统的控制功能和主要性能特点,2.3 罗克韦尔controllogix系统的主要模块及功能,2.4 系统的i/o架构,2.5 controllogix plc系统的控制器,2.6 controllogix plc系统的电源模块,2.7 数字量输入/输出模块,2.8 模拟量输入/输出模块,2.9 controllogix系统的i/o模块工作模式,2.10 controllogix系统的网络通信模块,2.11 controllogix系统的专用模

2、块,2.12 controllogix系统的机架背板,2.13 系统组态,2.1 罗克韦尔controllogix系统的产品线介绍,产品线如图2-1所示。,2.1 罗克韦尔controllogix系统的产品线介绍,1controllogix控制器 controllogix控制器适用于大规模的控制系统，可以控制大量的i/o点，具有极强的网络通信功能。 2compactlogix控制器 compactlogix控制器较适合于几百个控制点的工作站级的小型plc系统，将逐渐替代slc500系列plc。 3flexlogix控制器 flexlogix控制器是从1794系列的适配器发展而来的，广泛应用于分

3、布式控制系统。一个简单的flexlogix系统包含一个控制器和最多8个输入/输出模块。,2.1 罗克韦尔controllogix系统的产品线介绍,4drivelogix控制器 drivelogix控制器是专用于变频驱动器的控制器，可以减少控制层和变频驱动器之间的通信，将相关的逻辑控制直接放在变频驱动器上，适用于传动系统结构。 5softlogix控制器 softlogix控制器是基于pc平台的控制器，把控制和信息组合在一个单元中，适用于以数据为中心的应用。 6processlogix 控制器 processlogix控制器是小型dcs系统控制器，与controllogix控制器共用1756的框

4、架及其i/o模块，这两种控制器可以构成混和系统，实现dcs与plc的无缝连接及信息交换。,2.2 罗克韦尔controllogix系统的控制功能和主要性能特点,1控制功能 （1）顺序控制 （2）过程控制 （3）驱动控制 （4）运动控制,controllogix系统的功能结构如图2-2所示。,2.2 罗克韦尔controllogix系统的控制功能和主要性能特点,controllogix平台不仅技术领先，而且有多种解决方案，集成简易，在能源电力、冶金、市政、基础设施、水处理、烟草、消费品制造、造纸、石化、油气输送、交通、地铁、汽车、采矿等各个行业中都有广泛应用，如图2-3所示。,2.2 罗克韦尔c

5、ontrollogix系统的控制功能和主要性能特点,2主要性能特点 （1）logix处理器的功能强大。 （2）创新的机架和背板采用最大可用性设计，使用生产者/消费者（producer/ consumer）技术的无源多主数据总线。 （3）支持controlnet、devicenet等标准工业现场总线，兼容hart过程仪表总线协议，同时提供与各类第三方控制系统的广泛接口。 （4）支持开放的100mbps ethernet/ip网络，控制系统和上位机可以组成多服务器/多客户端模式的实时监控系统。 （5）在ethernet/ip、controlnet和devicenet各层网络中采用统一的cip协议，

6、该协议可以区别对待实时控制数据和非实时监视/组态数据，保证了工业控制的实时性和确定性。 （6）用户通过软件刷新，即可实现包括处理器在内的各种模块的升级。 （7）系统的所有模块，包括i/o模块均为智能化模块，均可带电插拔。,2.3 罗克韦尔controllogix系统的主要模块及功能,controllogix系列plc系统的主要部件如表2-1所示。,2.3 罗克韦尔controllogix系统的主要模块及功能,controllogix plc系统的实物如图2-4所示。,2.4 系统的i/o架构,1单处理器本地i/o架构 一个最小的单处理器本地controllogix plc系统由一个机架背板（c

7、hassis）、一个电源、一个处理器模块、一个i/o模块组成。 模块在机架背板内任意排列，机架内的各模块通过背板无源数据总线传递数据，如图2-5所示。,2.4 系统的i/o架构,2多处理器本地i/o架构 在同一个controllogix机架背板内安装多个处理器，可以使每个处理器独立执行各自的控制任务。但是，在多处理器本地i/o架构中要进行系统规划，为每一个i/o指明宿主控制器。 多处理器本地i/o架构如图2-6所示。,2.4 系统的i/o架构,3远程或分布式i/o架构 对于需要i/o远程分站，或控制点数比较分散，实时性和经济性都有比较严格要求的应用，controllogix系统提供了远程或分布

8、式i/o体系结构解决方案。 远程或分布式i/o架构如图2-7所示。,2.5 controllogix plc系统的控制器,1基本介绍 从应用上来说，controllogix控制器的硬件主要包括控制器的cpu和内存两大部件，它们的作用分别如下。 cpu：共有两个，一个是逻辑cpu，主要负责逻辑控制和数据处理；一个是背板cpu，主要负责背板通信。 内存：可以分为基本内存和扩展内存，基本内存主要用来存储控制器与外部交换的通信数据，扩展内存主要存储用户的逻辑程序和内部数据。,2.5 controllogix plc系统的控制器,不同类型控制器的结构是不同的，其cpu执行的任务和内存存储的内容不同，它们

9、之间的关系也不同，如图2-8所示。,2.5 controllogix plc系统的控制器,（1）逻辑cpu 逻辑cpu系统高层管理的内容主要包括： 操作系统的操作执行； msg的信息处理； 串口通信； 连接信息的管理。,2.5 controllogix plc系统的控制器,（2）背板cpu 背板cpu主要负责外部数据交换的操作，访问i/o内存。 背板cpu的优先级别比逻辑cpu更高。当背板cpu有新的外来数据要刷新基本内存的数据缓冲区时，可以中断逻辑cpu正在进行的数据通信，先刷新数据缓冲区。 控制器的内存中总有一部分是用做信息缓冲区的，存储动态连接信息，作为系统运行时信息交换的临时存储区。主

10、要存储的信息包括： 信息处理过程的进出队列； rslinx数据处理的标签组； 在线编辑时的临时存储； 趋势图的数据缓冲区。,2.5 controllogix plc系统的控制器,2控制器的型号分类及主要技术参数 controllogix系列plc的型号分类及主要技术参数如表2-2所示。,2.5 controllogix plc系统的控制器,3控制器面板 controllogix系列plc控制器如图2-9所示。其前面板上有一些与操作及状态显示有关的模式选择开关和led（发光二极管）状态/故障显示灯。,2.5 controllogix plc系统的控制器,（1）状态指示灯 控制器面板上的状态指示灯

11、可以直观地显示控制器一些重要的状态信息，用户在不使用编程终端的情况下，也能了解控制器的工作情况。,（2）钥匙开关 钥匙开关可以选择控制器的本地工作状态，共有3个选择挡位。 （3）通信串口 控制器的通信串口主要用于在编程时传输应用程序的。 串口的连接方式如图2-10所示。,2.5 controllogix plc系统的控制器,（4）控制器结构 controllogix控制器的结构如图2-11所示。,2.5 controllogix plc系统的控制器,4控制器内存结构 随机存储器（ram）由一系列寄存器阵列组成。这种存储器可以进行读、写操作。 只读存储器（rom）有两种，一种是不可擦除rom，这

12、种存储器只能写入一次，不能改写；另一种是可擦除eprom和eeprom，这种存储器擦除后还可以重写。 controllogix系列plc控制器的内存主要分为基本内存和扩展内存，且所有内存元件均在电路板上，不需要配置额外的芯片。,2.5 controllogix plc系统的控制器,（1）基本内存 基本内存长度固定，存储来自背板、控制器与外部设备通信的交换数据，主要包括： 初始化操作系统用的43kb。 i/o模块交换数据。这是建立i/o模块时产生的模块结构数据。 i/o强制数据表。这是建立i/o模块时产生的列表。 produced/consumed标签交换数据。这是建立produced/cons

13、umed标签产生的。 信息数据缓冲区。这是各种信息交流活动极为活跃的动态区域。 （2）扩展内存 扩展内存是用户根据实际需求，选择不同容量的内存，存储用户程序、内部数据、rslinx直接访问的数据等。,2.5 controllogix plc系统的控制器,5控制器的连接容量 控制器对外的数据交换统称为信息的连接，也就是通常所说的plc可以带i/o的能力，分为静态连接和动态连接两种。 一个controllogix控制器的最大可连接容量为250个，通常占用连接情况如下： 本地机架中的i/o模块，每块占用1个连接。 远程机架中非离散量模块各占用1个连接。 远程机架非优化离散量模块各占1个连接。 远程同

14、一个机架所有的优化离散量模块共占1个连接。 每块dh/rio模块占用1个连接。 每块dnb模块占用2个连接。 每个rio 的适配器占用1个连接。 每个produce占用1个连接，对应produce tag外部每一个consume tag占用1个连接。 控制器中的每一个consume tag占用1个连接。 每条msg指令占用1个连接，可以通过取消msg指令中的cache connection功能来释放非执行中的msg连接。,2.5 controllogix plc系统的控制器,6通信数据的同步机制 背板cpu将交换的i/o数据和produced/consumed标签放在基本内存区域。逻辑cpu在

15、执行程序使用到i/o地址时，也会访问同一内存区。逻辑cpu和背板cpu是相互独立工作的，背板cpu的优先级高于逻辑cpu。背板cpu可以中断正在访问基本内存区域的逻辑cpu，以刷新数据，如图2-12所示。,2.6 controllogix plc系统的电源模块,1基本介绍 controllogix plc系统的电源模块主要有两种作用：一是向底板提供直流电源，为cpu、i/o模块、通信模块和专用功能模块等提供电源；二是保护系统免受噪声杂波和额定电压摆动影响。 电源模块可以分为标准电源模块和冗余电源模块。 （1）标准电源模块 标准电源模块主要包括1756-pa72、1756-pb72、1756-p

16、a75、1756-pb75、1756-pc75、1756-ph75。标准电源模块直接安装在机架左端。,2.6 controllogix plc系统的电源模块,标准电源模块的主要技术参数如表2-3所示。,2.6 controllogix plc系统的电源模块,（2）冗余电源模块 冗余电源模块主要包括1756-pa75r和1756-pb75r。其主要技术参数如表2-4所示。,2.6 controllogix plc系统的电源模块,2电源负载与变压器负载间的线性关系 这里以标准电源模块为例，说明电源负载与变压器负载之间的线性关系，如图2-13所示。,2.7 数字量输入/输出模块,1数字量输入/输出模

17、块原理 （1）数字量输入模块原理 plc的输入电路按外接电源的类型分为直流输入电路和交流输入电路；按plc输入模块公共端（com 端）电流的流向分为源输入电路和漏输入电路；按光耦发光二极管公共端的连接方式分为共阳极和共阴极输入电路；按接线方式分为汇点式、分组式和分隔式。,2.7 数字量输入/输出模块,汇点式的各i/o电路有一个公共点，各输入点或输出点共用一个电源；分组式的i/o电路分为若干组，每个组的i/o电路有一个公共点，各组之间的电路是分开的，可以分别使用不同的电源；分隔式的各i/o电路之间都是相互隔离的，每一个i/o均可以使用单独的电源，如图2-14所示。,2.7 数字量输入/输出模块,

18、直流输入模块的内部电路如图2-15所示。,2.7 数字量输入/输出模块,交流输入模块的内部电路如图2-16所示。,2.7 数字量输入/输出模块,（2）数字量输出模块原理 同样，数字量输出模块也有两种基本的信号类型：直流信号输出和交流信号输出。 直流输出模块的内部电路如图2-17所示。,2.7 数字量输入/输出模块,交流输出模块的内部电路如图2-18所示。,2.7 数字量输入/输出模块,（3）外接开关量信号和plc输入电路的连接 npn和pnp输出电路的形式分别如图2-19和图2-20所示。,2.7 数字量输入/输出模块,npn集电极开路输出为0v，当输出out端和plc输入端相连时，电流从pl

19、c的输入端流出，从plc的公共端流入，为plc的漏型电路形式。即npn集电极开路输出只能接漏型或混合式输入电路形式的plc，连接图如图2-21所示。,2.7 数字量输入/输出模块,pnp集电极开路输出为+v高电平，当输出out端和plc输入端相连时，电流从plc的输入端流入，从plc的公共端流出，此为plc的源型电路的形式。即pnp集电极开路输出只能接源型或混合型输入电路形式的plc，连接图如图2-22所示。,2.7 数字量输入/输出模块,每个安装在机架上的controllogix i/o模块，都需要有可拆卸接线端子块（rtb）或者一个1492接口模块（ifm），以便连接从现场来的线。可拆卸接

20、线端子块如图2-23所示。,2.7 数字量输入/输出模块,2直流输入模块 直流输入模块的主要技术参数如表2-5所示。,2.7 数字量输入/输出模块,这里以直流输入模块1756-ib16d（见图2-24）为例，作简单介绍。,2.7 数字量输入/输出模块,3直流输出模块 直流输出模块的主要技术参数如表2-6所示。,2.7 数字量输入/输出模块,这里以直流输出模块1756-ob16d（见图2-25）为例，作简单介绍。,2.7 数字量输入/输出模块,4交流输入模块 交流输入模块的主要技术参数如表2-7所示。,2.7 数字量输入/输出模块,以交流输入模块1756-ia16为例，作简单介绍。该模块的输入电

21、压为ac 120v，总的输入点数为16点，分为2组，每组8点，如图2-26所示。,2.7 数字量输入/输出模块,5交流输出模块 交流输出模块的主要技术参数如表2-8所示。,2.7 数字量输入/输出模块,以交流输出模块1756-oa8为例，作简单介绍。该模块总的输出点数为8点，分为两组，每组4点，如图2-27所示。,2.7 数字量输入/输出模块,6数字量触点输出模块 数字量触点输出模块的主要技术参数如表2-9所示。,2.7 数字量输入/输出模块,数字量输出模块实物如图2-28所示。,2.8 模拟量输入/输出模块,1模拟量输入/输出模块原理 （1）分辨率是指a/d转换器所能分辨模拟输入信号的最小变

22、化量，它用转换后的二进制数的位数来表示。模拟量输入/输出模块的分辨率一般有8位和12位两种。 （2）转换速率是指能够重复进行数据转换的速度，即每秒转换的次数。 （3）模拟量转换的精度除了取决于a/d转换的分辨率，还受到转换芯片的外围电路的影响。 （4）采样时间也叫做循环时间，是指同一通道两次转换之间的时间。,2.8 模拟量输入/输出模块,与单片机不同，plc模拟量输入模块的a/d转换过程一般是周期性自动进行的，不需要用户程序去启动a/d转换过程，用户程序只需要直接读取当前最新的转换结果即可。关闭未用的通道可减小模块总的a/d转换周期。a/d转换模块示意图如图2-29所示。,2.8 模拟量输入/

23、输出模块,模拟量输入模块主要实现将模拟量输入信号通过a/d转换器转换为二进制数字量的功能。以12位二进制数据为例来说明模拟量输入信号与a/d转换后数据之间的关系，如图2-30所示。,2.8 模拟量输入/输出模块,模拟量输出模块，是把数字信号转换成模拟信号，即d/a转换模块。数字量的位数和转换速率是d/a转换模块的重要指标，如图2-31所示。,2.8 模拟量输入/输出模块,模拟量信号的输入过程如下。 当plc用户程序运行并执行模拟量输入指令时，根据指令所指定的输入通道，经过控制与译码电路，选中一路输入信号。被选中的这一路输入信号经过预处理电路转换成plc能接收的电平信号，再通过多路转换开关进入a

24、/d转换器。 模拟量信号的输出过程如下。 当运行plc用户程序的模拟量输出指令时，根据指令所指定的存储输出数据的地址，将其中的数据取出送到模块内部的缓冲器中。进入缓冲器的数据按照控制信号的要求传送到中间寄存器。中间寄存器中的二进制数经光电隔离后，进入d/a转换器，进行转换。,2.8 模拟量输入/输出模块,模拟量处理过程如图2-32所示。,2.8 模拟量输入/输出模块,2模拟量输入/输出模块 controllogix plc的模拟量输入/输出模块和数字量输入/输出模块一样，也包括很多种类和规格，在实际使用时可分为单端型和差动型两种接线方法，其主要技术参数如表2-10所示。,2.8 模拟量输入/输

25、出模块,模拟量输入/输出模块实物如图2-33所示。,2.9 controllogix系统的i/o模块工作模式,1数字量输入模块工作模式 （1）数字量输入模块安装在本地机架 预定性数据请求数据包传递间隔时间rpi（requested packet interval）指定了模块广播数据的速率。当一个指定的rpi时间帧过后，模块开始广播数据，也称为周期数据交换。 （2）数字量输入模块安装在远程机架 rpi和cos的值用于确定模块何时在自身机架内广播数据，但只有rpi值可以决定主控制器何时接收网络上的数据。当在远程框架上为一个输入模块指定rpi值时，除了通知模块广播自身机架内的数据之外，rpi还在控制

26、网络数据流中设置“远程片段”（spot）。,2.9 controllogix系统的i/o模块工作模式,2数字量输出模块工作模式 （1）数字量输出模块安装在本地机架 如果数字量输出模块与主模块控制器位于同一机架上，当主控制器发出数据后，模块几乎同时接收到该数据。每个任务中的所有程序扫描结束后，发送数据。 （2）数字量输出模块安装在远程机架 如果数字量输出模块与主控制器不在同一个框架上，例如，通过controlnet或ethernet/ip连接的远程框架，主控制器将按照rpi速率向输出模块发送数据。,2.9 controllogix系统的i/o模块工作模式,3模拟量输入模块工作模式 （1）模拟量输

27、入模块安装在本地机架 实时采样速率rts（real time sampling rate）值确定模块何时扫描其通道，更新输入数据缓冲区并广播数据。预定性数据请求数据包传递间隔时间rpi（requested packet interval）指定了模块何时广播输入数据缓冲区中的当前数据，而不扫描更新通道。 （2）模拟量输入模块安装在远程机架 rts和rpi值用于确定模块何时在自身机架内广播数据，但只有rpi值可以决定主控制器什么时候接收网络上的数据。,2.9 controllogix系统的i/o模块工作模式,4模拟量输出模块工作模式 （1）模拟量输出模块安装在本地机架 rpi值指定了主控制器何时向

28、模块广播输出数据。如果模块与主模块控制器位于同一机架上，当主控制器发出数据后，模块几乎同时接收到该数据。 （2）模拟量输出模块安装在远程机架 如果输出模块与主控制器不在同一个框架上，例如，通过controlnet或ethernet/ip连接的远程框架，主控制器可以按照rpi速率向输出模块发送数据。,2.9 controllogix系统的i/o模块工作模式,5数据更新流程图 controllogix控制器更新时间与逻辑执行不同步，生产者发送数据的流程如图2-34所示。,2.10 controllogix系统的网络通信模块,1工业以太网通信模块 在controllogix plc系统中，通信模块1756-enbt和1756-eweb可以连接ethernet/ip网络进行通信，通信速率为10/100mbps。每个通信模块最多可以支持64个tcp/ip连接，支持128个controllogix连接的i/o信息数据。其最大功耗为3.65w。实物如图2-35所示。,2.10 controllogix系统的网络通信模块,2控制网通信模块