第2章-罗克韦尔ControlLogix系统硬件体系架构.ppt

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 5ControlLogixPLC系统的控制器 2 6ControlLogixPLC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 9ControlLogix系统的I O模块工作模式 2 10ControlLogix系统的网络通信模块 2 11ControlLogix系统的专用模块 2 12ControlLogix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 1 ControlLogix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 2 CompactLogix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 3 FlexLogix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 4 DriveLogix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 5 SoftLogix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 6 ProcessLogix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ControlLogix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100MbpsEtherNet 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 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 ControlLogixPLC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ControlLogixPLC系统由一个机架背板 chassis 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 5ControlLogixPLC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 5ControlLogixPLC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 它们之间的关系也不同 如图2 8所示 2 5ControlLogixPLC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 5ControlLogixPLC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 5ControlLogixPLC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 5ControlLogixPLC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 5ControlLogixPLC系统的控制器 1 状态指示灯控制器面板上的状态指示灯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 5ControlLogixPLC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 5ControlLogixPLC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 5ControlLogixPLC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 Consumed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 5ControlLogixPLC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ProduceTag外部每一个ConsumeTag占用1个连接 控制器中的每一个ConsumeTag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CacheConnection功能来释放非执行中的MSG连接 2 5ControlLogixPLC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 6ControlLogixPLC系统的电源模块 1 基本介绍ControlLogixPLC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 PA75 1756 PB75 1756 PC75 1756 PH75 标准电源模块直接安装在机架左端 2 6ControlLogixPLC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 6ControlLogixPLC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 6ControlLogixPLC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 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PLC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ControlLogixI 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 该模块的输入电压为AC120V 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 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 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ControlLogixPLC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 输出模块 模拟量输入 输出模块实物如图2 33所示 2 9ControlLogix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 RequestedPacketInterval 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还在控制网络数据流中设置 远程片段 spot 2 9ControlLogix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 9ControlLogix系统的I O模块工作模式 3 模拟量输入模块工作模式 1 模拟量输入模块安装在本地机架实时采样速率RTS RealTimeSamplingRate 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 RequestedPacketInterval 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 9ControlLogix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 9ControlLogix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 10ControlLogix系统的网络通信模块 1 工业以太网通信模块在ControlLogixPLC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 10ControlLogix系统的网络通信模块 2 控制