2.1　ControlLogix硬件組成

ControlLogix系統硬件采用模塊化結構，包括控制器模塊、框架、電源模塊、I/O模塊、通信模塊和其他專用模塊等。可以根據不同的應用需要進行靈活配置，構成各種結構和規模的ControlLogix控制系統。

2.1.1　控制器

ControlLogix控制器[注]是控制系統的核心模塊，采用32位的精簡指令處理器（RISC）芯片，負責整個自控系統的控制工作。它采集各種輸入模塊、通信模塊以及其他控制器模塊的數據，執行用戶編制的程序，輸出控制各種執行設備，并通過各種網絡接口，為可視化和人機界面提供監視數據和操作接口，來實現全生產全過程的監視和控制。

（1）主要性能指標

ControlLogix控制器（V18版后）可以控制的數字量I/O最多可達256000點，模擬量I/O最多可達8000點。一個控制器支持32個任務，每個任務最多可有100個程序和設備階段。數據和邏輯存儲器（也稱為用戶內存）最大可達32MB，并可擴展64MB的擴展內存。支持NetLinx開放網絡和控制器冗余，支持梯形圖、結構化文本、功能塊、順序功能圖等編程語言等。ControlLogix控制器為雙CPU設計，一個稱為邏輯CPU，負責邏輯控制和數據處理；另一個稱為背板CPU，負責背板通信。掃描速度小于0.03ms/K平均布爾指令，內置USB端口運行速度達12Mbps。1756-L7X控制器的主要性能指標如表2-1所示。

（2）控制器模塊和部件

1756-L7X控制器模塊外形如圖2-1所示，圖中打開了儲能模塊（ESM）卡槽。控制器模塊的面板上部是狀態顯示屏，滾動顯示控制器的固件版本、儲能模塊狀態、項目狀態和嚴重故障[注]信息等；顯示屏下部是發光二極管（LED）狀態指示燈，分別指示控制器的運行狀態、I/O強制、SD狀態和控制器狀態等[注]；指示燈下方是一個模式開關，也稱為鑰匙開關，用專門配置的鑰匙來切換控制器的工作模式；模式開關右側是SD卡槽，用于安裝SD卡；模塊下部是ESM模塊插槽和USB串行接口。

模式開關有3擋，即運行（RUN）、遠程（REM）和編程（PROG），表示3種工作模式。

①在RUN模式時，控制器運行各種任務，控制輸入和輸出。組態站不能改變控制器的工作狀態，也不能在線修改控制器的程序。正常運行時，為了防止不必要的誤動，可切換到RUN模式并取走鑰匙，放好備用。

②在REM模式時，控制器保持鑰匙開關切換時的工作狀態，即從RUN切換到REM時保持運行狀態；從PROG切換到REM時保持編程狀態。組態站可以遠程改變控制器的工作模式：在線編輯、修改程序、下裝和運行等。如果經常需要修改程序或遠程啟停控制器，通常切換到REM模式。

③在PROG模式時，控制器處于編程模式，停止運行任務和輸出。組態站可以進行在線編輯、修改和下裝等，但不能改變控制器的工作狀態。

2.1.2　框架

ControlLogix系統框架[注]用來安裝除電源模塊之外的各種系統模塊，有4槽、7槽、10槽、13槽和17槽5種框架尺寸，目錄號分別為1756-A4、A7、A10、A13和A17，插槽編號都是從0號開始。框架的背板有高速總線，各種模塊通過背板總線進行數據傳遞和交換。安裝了標準電源模塊的1756-A4框架如圖2-2所示。

2.1.3　系統電源模塊

系統電源模塊給框架背板提供1.2V、3.3V、5V和24V等多種直流電源，有非冗余和冗余電源模塊兩大類。輸入電壓有交流和直流兩種，有多種輸入電壓等級和輸出電壓。非冗余電源有標準電源模塊和細長型電源模塊等，安裝在框架的最左側，通過插槽給背板供電。當需要冗余電源供電時，可采用兩塊冗余電源模塊、兩條連接電纜和一塊框架適配器連接模塊組成冗余電源套件。標準電源供電和冗余電源供電都不占用框架的槽位。典型的電源性能指標如表2-2所示。

2.1.4　I/O模塊

I/O模塊是ControlLogix控制器與現場設備的信號接口。ControlLogix系統提供種類眾多的1756系列I/O模塊，覆蓋工業控制中絕大多數的信號類型。I/O模塊可以混合安裝在框架的插槽中，支持帶電插拔，現場儀表設備的信號可以直接與模塊相連，也可以通過可拆卸的端子塊和接口模塊（IFM/AIFM）與I/O模塊相連。I/O模塊還可以根據組態，提供相應的信息和附加的功能[注]。

（1）I/O模塊的基本特點

I/O模塊有交流、直流和數字、模擬信號模塊4大類，包括交流數字量I/O模塊、直流數字量I/O模塊、繼電器觸點模塊、模擬量I/O模塊、熱電阻與熱電偶模塊輸入、組合I/O模塊等。每一種類型又有眾多型號，分別對應于不同點數、電壓電流類型、工作電壓范圍、電阻范圍、分辨率、通道是否隔離和通道故障診斷等。數字量模塊也稱為開關量模塊。

①數字量輸入（DI）模塊采集、接收現場儀表設備的數字量信號，包括按鈕、選擇開關、行程開關、接近開關、光電開關、數字撥碼開關、繼電器觸點等，并把狀態信號通過背板傳送給控制器和其他監聽設備[注]。

②數字量輸出（DO）模塊通過背板接收控制器輸出的數字量信號，對各種執行部件或儀表設備進行控制，包括接觸器、電磁閥、繼電器和指示燈等。

③模擬量輸入（AI）模塊采集、接收由電位器、轉速探頭、變送器等儀表設備輸出的連續變化模擬信號，通過A/D轉換器把信號轉換為控制器需要的數值，并通過背板傳送給控制器和其他監聽設備。

④模擬量輸出（AO）模塊把控制器從背板傳送的數值通過D/A轉換器轉換為標準模擬量信號輸出，去控制閥門定位器等儀表設備以及電機等。

⑤I/O模塊通道間大多采用分組隔離方式的模塊，每組共用一個公共端子和電源回路。也有每個通道都隔離的分隔隔離方式。

⑥晶體管型輸出模塊動作速度快，無觸點，開關次數幾乎沒有限制。繼電器型輸出可以提高通道的負載能力，還可以選用多種負載的供電類型。

⑦I/O模塊的灌流和拉流是指信號電流經過現場儀表設備后流入或流出模塊。電流流入模塊的稱為灌流（Sink），流出模塊的稱為拉流（Source），如圖2-3所示。

⑧A/D和D/A轉換　模擬量模塊的A/D轉換把輸入的模擬信號轉換為整型數，D/A轉換把控制器運算后的整型數轉換為模擬量輸出。整型數的大小與轉換器的處理位數有關。以12位轉換器為例，模擬量4~20mA的A/D和D/A轉換如圖2-4所示。1756系列模擬量模塊通過通道組態完成A/D和D/A轉換，只需要定義好每個通道相應的工程單位轉換就可以了。

⑨I/O模塊的命名　1756系列I/O模塊的命名如表2-3所示。掌握命名規則，對模塊的選型和應用都是很有幫助的。如模塊型號1756-OB8EI，就是1756系列的直流10~30V DC、8點、帶電子保險的隔離型輸出模塊。此外，1756系列I/O中還有一些特殊模塊的命名，如1756-MODULE，在工程中用于第三方連接而在模塊選擇一覽表中沒有的模塊[注]。

（2）常用I/O模塊

在過程控制中常用直流I/O模塊，它們的性能指標如表2-4所示。

①1756-IB16D模塊　1756-IB16D模塊是16點直流灌入型DI模塊，有12V DC和24V DC兩種電壓類別，輸入通道分4組，每組4點，共用一個公共端，每個通道與背板采用光電隔離。模塊的外部回路接線圖[注]如圖2-5所示。在輸入開關的兩端并聯一個電阻，就可以使用外部斷線自動診斷功能。當外部斷線時，對應通道的故障指示燈就會亮。

②1756-OB16D模塊　1756-OB16D模塊是16點直流拉出型DO模塊，有12V DC和24V DC兩種電壓類別，16點輸出分2組，每組8點有一個公共端，每個通道與背板采用光電隔離。每點最大輸出電流為2A，每個模塊最大輸出電流為8A。模塊帶診斷功能，當有故障時對應通道的故障指示燈就會亮。模塊的外部回路接線圖如圖2-6所示。

③1756-IF16模塊　1756-IF16模塊是非隔離型模擬量電壓／電流輸入模塊，有多種電壓／電流輸入信號范圍，如-10~10V、0~5V、0~10V、0~20mA等。內置有濾波器，具有欠壓（流）/過壓（流）范圍檢測、斷線檢測、過程量和速率報警等附加功能。支持單端、差分和高速模式差分3種接線方式，分別提供16路、8路和4路輸入通道。單端和差分電流輸入接線圖分別如圖2-7和圖2-8所示，圖中A表示二線制儀表，B表示四線制儀表。

④1756-OF8模塊　1756-OF8模塊是非隔離型AO模塊，有8個模擬量輸出通道，可以混用電流／電壓輸出，具有斜坡／速率限制、初始化保持、開路檢測、鉗位／限值報警和數據回送等附加功能。電流輸出連接IOUT端子，電壓輸出連接VOUT端子。模塊的外部回路接線圖如2-9所示，通道0為電流輸出，通道2為電壓輸出。DO模塊的外形圖如圖2-10所示，其他I/O模塊的外形類似。

各種I/O模塊的外部回路信號連接和組件的裝配會略有差異。I/O模塊還可以選擇專用的連接電纜和現場接口模塊（IFM/AIFM）與現場儀表信號相連，如圖2-11所示，既可簡化信號連接，也增加系統配置的靈活性。

2.1.5　通信模塊

通信模塊是ControlLogix系統的網絡接口，不同的通信模塊連接不同的網絡，安裝在框架中的各種網絡接口模塊通過背板實現網絡間的連接，不需要控制器模塊。ControlLogix系統支持多種通信網絡，如EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet、DH+、RIO和基金會現場總線（FF）等。通過這些通信模塊，控制器就可以訪問相應的網絡，進而控制或監聽網絡中的I/O設備。

（1）EtherNet/IP模塊

ControlLogix控制器通過EtherNet/IP通信模塊連接EtherNet/IP網絡，每個模塊最多可以支持128個TCP/IP連接和128個邏輯連接。通信介質、傳輸距離、傳輸速率等與商用以太網相同，采用五類雙絞線時傳輸距離達100m，傳輸速率達100Mbps；采用單模光纖可傳輸30km及更遠。支持星形和環形拓撲結構。常用的EtherNet/IP模塊和特性如表2-5所示。

（2）ControlNet模塊

ControlNet模塊連接ControlNet網絡，采用RG6同軸電纜，支持光纖中繼器和冗余介質。支持總線型、星形、樹形和混合拓撲結構，網絡速度達5Mbps。干線長度與節點數量有關，單網段，2個節點時干線長度達1km，48個節點時干線長度為250m。ControlNet網最多支持99個節點，有128個連接，終端電阻為BNC型，阻值75Ω。常用的ControlNet通信模塊和特性如表2-6所示。

（3）DeviceNet模塊

DeviceNet通信模塊連接DeviceNet網絡，采用典型的干線-分支拓撲結構，支持粗纜、細纜和扁平電纜。可容納64個節點地址，每個節點支持的I/O數量沒有限制，支持對等通信、多主或主／從通信模式和冗余結構，網絡速度可選125Kbps、250Kbps和500Kbps。干線長度與通信速率成反比，采用粗纜時，最長干線長度達500m。終端電阻為120Ω，不少于1/4W，有圓纜孔式、圓纜針式和扁平電纜式3種型式。常用的DeviceNet通信模塊和特性如表2-7所示。

（4）其他通信和模塊

①DH+是羅克韋爾自動化控制層的一種工業控制局域網，支持遠程編程，可以連接各種處理器、計算機、人機界面等設備。DH+采用總線結構和令牌傳送協議，只有持有令牌的節點才能發送數據。DH+采用標準雙絞線作為傳輸介質，按菊花鏈或主干／分支的連接方式，單條DH+網絡可最多連接32個工作站，通道A支持57.6Kbps、115.2Kbps和230.4Kbps等三種通信速率，傳送距離分別為3024m、1524m和230m；通道B支持57.6Kbps和115.2Kbps兩種速率。

②RIO鏈路是處理器與遠程I/O機架、智能設備、操作員界面等設備的通信鏈路，處理器通過內置的掃描器端口或獨立的掃描器模塊對所有的遠程I/O設備進行數據交換。RIO還可連接兼容的第三方產品，如機器人、焊接控制器、無線調制解調器等。RIO采用標準雙絞線作為傳輸介質，通過光纖中繼可支持光纖傳輸。采用菊花鏈或主干／分支的連接方式和主／從通信方式。最多可以連接32個I/O機架或適配器式的設備，支持57.6Kbps、115.2Kbps和230.4Kbps等三種通信速率，傳送距離分別為3024m、1524m和762m。

1756-DHRIO模塊是ControlLogix系統的DH+和RIO網路通信模塊，具有傳統DH+和RIO通道的全部技術特性，可以通過撥碼開關組態為DH+通道或RIO通道，使用MSG或生產／消費標簽完成各種數據的交換和共享，可實現ControlLogix控制器與處理器之間的信息交換和數據共享，以及用作掃描器控制遠程I/O，協調多種設備的通信工作。同時，可提高系統集成的靈活性和選擇性，降低集成和維護等費用。典型的DH+和RIO網絡架構分別如圖2-12和圖2-13所示。

除DH+和RIO外，羅克韋爾自動化系統的傳統網絡還有DH-485以及第三方通信模塊，如Prosoft公司的MVI56E-MCM進行ModBus通信等。ControlLogix控制器可以采用這些通信網絡對上一代控制系統進行升級、改造，連接各個系列的I/O模塊等，都具有很好的兼容性。