Hệ thống PLC là gì? Cùng tìm hiểu qua bài viết sau về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng của PLC – một trong những hệ thống điều khiển hiện đại nhất, đang góp phần lớn cho cuộc cách mạng công nghiệp 4.0.
1. PLC là gì?
Hệ thống lập trình PLC (viết tắt của Programmable Logic Controller) là thiết bị lập trình thực hiện các thuật toán điều khiển logic. Hoạt động dựa theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi bất kỳ từ ngõ vào, dựa theo logic chương trình ngõ ra tương ứng sẽ thay đổi.
Hệ thống PLC nhận tác động các sự kiện bên ngoài thông qua ngõ vào (input) và thực hiện hoạt động thông qua ngõ ra (output).
Trong đó ngôn ngữ lập trình PLC được ưu chuộng nhất là Ladder, Step Ladder. Tuy nhiên, mỗi hãng sản xuất sẽ có các ngôn ngữ lập trình riêng. Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như Siemens (Đức), Omron (Nhật Bản), Mitsubishi (Nhật Bản), Delta (Đài Loan) …
2. Cấu tạo của hệ thống PLC
Thông thường, hệ thống PLC có các bộ phận chính sau:
- Bộ nhớ chương trình: RAM, ROM, ngoài ra có thể sử dụng vùng nhớ ngoài – EPROM.
- Bộ xử lý trung tâm CPU.
- Module input/output. Thông thường module I/O được tích hợp trên PLC, khi có nhu cầu mở rộng I/O có thể lắp module I/O.
Ngoài ra, PLC còn có các bộ phận khác:
- Cổng kết nối PLC và máy tính: RS232, RS422, RS485 thực hiện đổ chương trình và giám sát chương trình.
- Cổng truyền thông: Hệ thống PLC thường tích hợp cổng truyền thông Modbus RTU. Tùy hãng và dòng sản phẩm, PLC có thể được tích hợp thêm các chuẩn truyền thông khác như Profibus, Profinet, CANopen, EtherCAT…
3. Phân loại các hệ thống lập trình PLC phổ biến
PLC có thể được phân thành nhiều loại khác nhau dựa trên khả năng và ứng dụng của chúng. Dưới đây là một số loại PLC thông dụng và các thành phần cấu tạo của chúng.
3.1. PLC mô-đun
Bộ lập trình PLC dạng mô-đun được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa công nghiệp do tính linh hoạt và khả năng mở rộng của chúng. Chúng bao gồm một hệ thống giá đỡ mô-đun cho phép người dùng thêm hoặc bớt các mô-đun đầu vào và đầu ra theo yêu cầu của họ. Tính linh hoạt này làm cho chúng phù hợp với các ứng dụng mà số lượng đầu vào và đầu ra có thể khác nhau.
3.2. PLC nhỏ gọn
PLC nhỏ gọn, như tên gọi, là các đơn vị có kích thước nhỏ được thiết kế cho các ứng dụng có không gian hạn chế. Chúng tích hợp CPU, các mô-đun đầu vào/đầu ra và các thành phần cần thiết khác vào một vỏ bọc nhỏ gọn duy nhất. PLC nhỏ gọn thường được sử dụng trong các dự án tự động hóa quy mô nhỏ hoặc nơi không gian là một hạn chế.
3.3. PLC gắn trên giá đỡ
PLC gắn trên giá đỡ là các hệ thống PLC lớn hơn được gắn trên giá đỡ hoặc tủ. Chúng cung cấp sức mạnh xử lý cao và phù hợp với các ứng dụng có số lượng lớn các điểm đầu vào và đầu ra. PLC gắn trên giá đỡ có thể xử lý các nhiệm vụ điều khiển phức tạp và thường được sử dụng trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp quy mô lớn.
Tùy thuộc vào yêu cầu và quy mô của dự án, người ta có thể lựa chọn loại PLC phù hợp để đáp ứng các nhu cầu điều khiển và tự động hóa của họ.
4. Nguyên lý hoạt động của hệ thống PLC là gì
CPU điều khiển các hoạt động bên trong hệ thống PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ, sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi. Và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.
Hệ thống Bus là tuyến dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:
- Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau.
- Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.
- Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các tín hiệu định thì và điểu khiển đồng bộ các hoạt động trong PLC.
Trong hệ thống điều khiển PLC các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào ra thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay song song.
Nếu một modul đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ chuyển tất cả trạnh thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data bus.
Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của hệ thống PLC. Các địa chỉ và số liệu được chuyển lên các Bus tương ứng trong một thời gian hạn chế.
Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O. Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1¸8 MHZ. Xung này quyết định tốc độ hoạt động của bộ điều khiển PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống.
5. Ưu nhược điểm của PLC
Bất cứ một loại thiết bị nào khi đưa vào sử dụng cũng đều có ưu và nhược điểm cả và hệ thống PLC cũng là một trong số đó. Sau đây mình xin liệt kê một số ưu nhược điểm để các bạn có thể tham khảo cũng như cân nhắc trước khi sử dụng và chọn mua nhé.
5.1 Ưu điểm PLC là gì
- Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn, thích hợp để lập trình cho nhiều ứng dụng khác nhau.
- Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản, sửa chữa và thay thế
- Độ tin cậy cao, chuẩn hóa được thiết bị.
- Thực hiện được các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao.
- Cấu trúc hệ thống PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng chức năng khác
- Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp.
- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị khác.
- Sử dụng tốt trong các loại môi trường như nhiệt độ, độ ẩm cao, dòng điện dao động,…
5.2 Nhược điểm của hệ thống PLC là gì
Giá thành phần cứng cao
Vì đây là một thiết bị công nghệ cao, tự động hóa cao nên giá trị sẽ cao hơn nhiều so với các lại thiết bị rơ le ON/OFF thông thường. Tuy nhiên hiện tại giá thành hệ thống điều khiển PLC đã giảm đáng kể như các dòng PLC Mitsubishi hoặc PLC Delta.
Một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình: thật vậy, các loại PLC sẽ được hãng thiết kế riêng chính vì thế chúng sẽ có sự khác biệt trong khâu lập trình hệ thống. Một số hãng sẽ kèm theo phần mềm, tuy nhiên cũng sẽ có một số hãng bán kèm để chúng ta sử dụng.
Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn cao
Hầu hết những người sử dụng được hệ thống lập trình PLC phải được đào tạo rất bài bản. Họ phải được trang bị các kiến thức liên quan đến từng loại PLC của từng hãng khác nhau.
Bởi vì mỗi hãng sẽ có phần mềm lập trình riêng nên để đào tạo thì cần một khoảng thời gian để có thể đảm nhiệm được công việc này. Nếu chuyên môn không cao sẽ dẫn dên lập trình sai, gây hư hỏng và tổn thất trang thiết bị và xảy ra các sự cố đáng tiếc.
6. So sánh điều khiển PLC và các loại điều khiển khác
Có thể lập trình cho hệ thống lập trình PLC nhờ vào các ngôn ngữ lập trình đơn giản. Đặc biệt đối với người sử dụng không cần nhờ vào các ngôn ngữ lập trình khó khăn, cũng có thể lập trình PLC được nhờ vào các liên kết logic cơ bản.
Như vậy thiết bị PLC làm nhiệm vụ thay thế phần mạch điện điều khiển trong khâu xử lý số liệu. Nhiệm vụ của sơ đồ mạch điều khiển sẽ được xác định bởi một số hữu hạn các bước thực hiện xác định gọi là chương trình.
Chương trình này mô tả các bước thực hiện gọi là tiến trình điều khiển, tiến trình này được lưu vào bộ nhớ nên được gọi là điều khiển theo lập trình nhớ hay điều khiển khả trình.
Khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển thì người ta thay đổi mạch điều khiển: Lắp lại mạch, thay đổi các phần tử mới ở hệ điều khiển bằng relais điện. Trong khi đó khi thay đổi nhiệm vụ điều khiển ở hệ điều khiển logic khả trình PLC thì người ta chỉ thay đổi chương trình soạn thảo.
Sự khác nhau giữa hệ điều khiển bằng rơ le điện và hệ điều khiển logic khả trình có thể minh hoạ 1 cách cụ thể như sau: Điều khiển hệ thống của 3 máy bơm qua 3 khởi động từ K1, K2, K3. Trình tự điều khiển như sau: Các khởi động từ chỉ được phép thực hiện tuần tự, nghĩa là K1 đóng trước, tiếp theo K2 đóng và cuối cùng K3 mới đóng.
7. Cách thức điều khiển chính của hệ thống PLC là gì
Điều khiển logic:
- Điều khiển tự động, bán tự động quy trình máy.
- Hỗ trợ bộ đếm (Couter) và bộ định thời gian (Timer).
Điều khiển đáp ứng:
- Giải thuật điều khiển PID, Logic mờ.
- Điều khiển động cơ Servo, động cơ bước.
- Điều khiển biến tần.
- Điều khiển đáp ứng nhiệt độ, áp suất, lưu lượng…
Mạng truyền thông:
- Kết nối nhiều bộ điều khiển PLC.
- Kết nối bộ điều khiển PLC và hệ thống SCADA.
8. Cách lựa chọn hệ thống PLC phù hợp
Việc lựa chọn đúng bộ lập trình PLC cho một tác vụ cụ thể yêu cầu sự cân nhắc tỉ mỉ về một số yếu tố dưới đây:
1. Yếu tố I/O cần thiết: Xác định số lượng và loại các điểm đầu vào và đầu ra mà ứng dụng của bạn đòi hỏi. Hãy xem xét cả yêu cầu hiện tại và tiềm năng mở rộng trong tương lai.
2. Hiệu suất xử lý và dung lượng bộ nhớ: Đánh giá khả năng xử lý và dung lượng bộ nhớ của PLC để đảm bảo rằng nó có thể xử lý hiệu quả mức độ phức tạp của ứng dụng và mang lại hiệu suất tối ưu.
3. Khả năng giao tiếp: Xem xét các giao thức giao tiếp mà PLC hỗ trợ. Khả năng tương thích với các thiết bị và hệ thống khác như HMI hoặc hệ thống SCADA là rất quan trọng để quá trình tích hợp diễn ra một cách mượt mà.
4. Môi trường hoạt động: Cân nhắc đến điều kiện môi trường mà PLC sẽ hoạt động trong. Những yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, độ rung và nhiễu điện có thể tác động đến độ tin cậy và tuổi thọ của PLC.
5. Tính tương thích và khả năng mở rộng: Đánh giá khả năng tích hợp dễ dàng của PLC với các hệ thống hiện có và xem xét khả năng mở rộng hoặc nâng cấp trong tương lai.
Bằng cách xem xét các yếu tố này, bạn có thể lựa chọn bộ lập trình PLC phù hợp với yêu cầu cụ thể của ứng dụng và đảm bảo quá trình tự động hóa diễn ra một cách suôn sẻ với hiệu suất tối ưu nhất.
Xem thêm video sau:
