PLC là gì?
PLC (Programmable Logic Controller, bộ điều khiển logic khả trình) là thiết bị điều khiển được lập trình để thực hiện các thuật toán điều khiển logic. PLC hoạt động theo chu kỳ quét: đọc trạng thái toàn bộ ngõ vào, thực hiện chương trình, rồi cập nhật ngõ ra. Khi một ngõ vào thay đổi, ngõ ra tương ứng thay đổi theo logic đã lập trình.PLC nhận tác động từ bên ngoài qua ngõ vào (input): công tắc hành trình, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận, nút nhấn, tín hiệu tương tự từ đầu đo nhiệt độ hoặc áp suất. PLC tác động ra bên ngoài qua ngõ ra (output): cuộn hút contactor, van điện từ, biến tần, đèn báo, còi.
Cấu tạo của hệ thống PLC
Một PLC gồm các bộ phận chính sau:- Bộ xử lý trung tâm (CPU): đọc chương trình trong bộ nhớ, thực hiện từng lệnh và quyết định trạng thái ngõ ra.
- Bộ nhớ: RAM chứa dữ liệu làm việc; ROM hoặc bộ nhớ flash chứa hệ thống và chương trình người dùng; một số dòng có thẻ nhớ ngoài để lưu chương trình và dữ liệu.
- Mô-đun ngõ vào/ra (I/O): PLC nhỏ tích hợp sẵn một số ngõ vào ra trên thân máy; khi cần thêm, lắp mô-đun I/O mở rộng cho tín hiệu số, tín hiệu tương tự, đếm tốc độ cao hoặc điều khiển vị trí.
- Nguồn cấp: cấp điện cho CPU và các mô-đun, thường 24 VDC hoặc 100–240 VAC.
- Cổng lập trình: nối với máy tính để nạp và giám sát chương trình, trước đây là RS-232/RS-485, hiện nay phần lớn là Ethernet hoặc USB.
- Cổng truyền thông: PLC thường tích hợp Modbus RTU qua RS-485. Tuỳ hãng và dòng sản phẩm, PLC có thêm Modbus TCP, PROFIBUS, PROFINET, EtherNet/IP, CANopen hoặc EtherCAT để nối với biến tần, HMI, SCADA và PLC khác.
Phân loại các hệ thống PLC phổ biến
PLC được phân loại theo cấu trúc phần cứng và quy mô ứng dụng. Bảng dưới tóm tắt ba loại thường gặp.| Loại PLC | Cấu trúc | Số điểm I/O | Ứng dụng |
|---|---|---|---|
| PLC nhỏ gọn (compact) | CPU, nguồn và I/O trong một khối | Vài chục điểm, mở rộng hạn chế | Máy đơn lẻ, tủ điều khiển nhỏ |
| PLC mô-đun (modular) | CPU và các mô-đun I/O, truyền thông cắm trên đế | Vài trăm điểm, thêm bớt theo nhu cầu | Dây chuyền, máy nhiều công đoạn |
| PLC gắn giá (rack-mounted) | Nhiều đế và giá mở rộng, CPU hiệu năng cao | Hàng nghìn điểm, I/O phân tán | Nhà máy quy mô lớn, điều khiển quá trình |
PLC mô-đun
PLC dạng mô-đun được dùng rộng rãi trong tự động hoá doanh nghiệp nhờ tính linh hoạt và khả năng mở rộng. Hệ thống gồm một đế hoặc ray gắn CPU, nguồn và các mô-đun ngõ vào ra; người dùng thêm hoặc bớt mô-đun theo số điểm I/O cần thiết. Loại này phù hợp với ứng dụng mà số lượng ngõ vào ra thay đổi theo từng dự án hoặc có kế hoạch mở rộng.PLC nhỏ gọn
PLC nhỏ gọn tích hợp CPU, nguồn và một số ngõ vào ra trong một vỏ duy nhất, kích thước nhỏ, lắp trên ray DIN trong tủ điện. Loại này dùng cho dự án tự động hoá quy mô nhỏ, máy đơn lẻ hoặc nơi không gian tủ hạn chế. Nhiều dòng PLC nhỏ gọn vẫn cho phép lắp thêm một vài mô-đun mở rộng.PLC gắn trên giá đỡ
PLC gắn giá là hệ thống lớn, lắp trên giá hoặc trong tủ, CPU có năng lực xử lý cao và hỗ trợ nhiều giá mở rộng hoặc I/O phân tán qua mạng. Loại này xử lý được bài toán điều khiển phức tạp với số điểm I/O lớn, thường gặp trong hệ thống tự động hoá quy mô nhà máy và điều khiển quá trình. Tuỳ yêu cầu và quy mô dự án, người thiết kế chọn loại PLC phù hợp để đáp ứng nhu cầu điều khiển với chi phí hợp lý.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống PLC
CPU điều khiển toàn bộ hoạt động bên trong PLC theo một vòng lặp gọi là chu kỳ quét (scan cycle), gồm bốn bước lặp lại liên tục:- Đọc ngõ vào: CPU đọc trạng thái toàn bộ ngõ vào và lưu vào vùng nhớ ảnh ngõ vào.
- Thực hiện chương trình: CPU chạy tuần tự từng lệnh trong chương trình, dùng dữ liệu trong vùng nhớ ảnh để tính trạng thái ngõ ra.
- Cập nhật ngõ ra: kết quả tính toán được ghi đồng loạt ra các mô-đun ngõ ra để đóng ngắt thiết bị bên ngoài.
- Xử lý nội bộ và truyền thông: CPU tự kiểm tra, trao đổi dữ liệu với HMI, SCADA hoặc PLC khác, rồi quay lại bước 1.
Ưu nhược điểm của PLC
Như mọi thiết bị điều khiển, PLC có điểm mạnh và giới hạn riêng. Nắm rõ hai mặt này giúp chọn đúng thiết bị cho từng bài toán.Ưu điểm của PLC
- Thay đổi logic điều khiển bằng cách sửa chương trình, không phải đấu lại dây; một PLC dùng được cho nhiều ứng dụng.
- Tủ điện gọn, ít rơ-le và dây nối, dễ bảo quản, sửa chữa và thay thế.
- Độ tin cậy cao, thiết bị được chuẩn hoá theo hãng và theo dòng.
- Thực hiện được thuật toán phức tạp như PID, đếm tốc độ cao, điều khiển vị trí với độ chính xác cao.
- Cấu trúc mô-đun cho phép thêm ngõ vào ra và chức năng mà không thay CPU.
- Chống nhiễu tốt, làm việc ổn định trong môi trường công nghiệp có nhiệt độ, độ ẩm cao và điện áp dao động.
- Giao tiếp được với HMI, SCADA, biến tần, máy tính công nghiệp và PLC khác qua mạng truyền thông công nghiệp.
Nhược điểm của PLC
Chi phí phần cứng cao hơn rơ-le. Với bài toán chỉ vài điểm đóng ngắt đơn giản, PLC đắt hơn mạch rơ-le. Tuy nhiên chênh lệch này đã thu hẹp nhờ các dòng PLC nhỏ gọn của Mitsubishi, Delta, Siemens; và khi số điểm điều khiển tăng, PLC rẻ hơn tủ rơ-le vì tiết kiệm dây, không gian và thời gian đấu nối. Phần mềm lập trình theo hãng. Mỗi hãng có phần mềm và cách tổ chức chương trình riêng, một số hãng bán bản quyền phần mềm riêng. Chương trình viết cho PLC hãng này không chạy trực tiếp trên PLC hãng khác, nên nhà máy dùng nhiều hãng phải duy trì nhiều bộ công cụ và kỹ năng. Đòi hỏi người vận hành có chuyên môn. Người lập trình và bảo trì PLC cần được đào tạo về dòng PLC cụ thể, về điện công nghiệp và về quy trình máy. Lập trình sai có thể làm hỏng thiết bị hoặc gây mất an toàn, vì vậy chương trình cần được kiểm thử và có cơ chế khoá liên động (interlock) trước khi vận hành thật.
So sánh điều khiển PLC và các loại điều khiển khác
Trước PLC, mạch điều khiển được xây bằng rơ-le, bộ định thời và bộ đếm cơ điện đấu dây cứng. Logic điều khiển nằm trong cách đấu dây; muốn đổi trình tự máy phải lắp lại mạch và thay linh kiện. Với PLC, logic nằm trong chương trình lưu ở bộ nhớ, nên còn gọi là điều khiển khả trình; đổi trình tự chỉ cần sửa và nạp lại chương trình. Ví dụ điều khiển ba máy bơm qua ba khởi động từ K1, K2, K3 theo trình tự K1 đóng trước, rồi K2, cuối cùng K3. Với rơ-le, trình tự này được bảo đảm bằng tiếp điểm phụ của K1 nối tiếp với cuộn K2, của K2 nối tiếp với cuộn K3. Muốn thêm thời gian trễ giữa các bước phải lắp thêm rơ-le thời gian và đấu lại. Với PLC, cùng bài toán được viết bằng vài dòng Ladder; thêm trễ hoặc đổi thứ tự chỉ là sửa chương trình.
| Tiêu chí | Rơ-le đấu dây | PLC | Máy tính công nghiệp (IPC) |
|---|---|---|---|
| Logic điều khiển | Nằm trong cách đấu dây | Chương trình Ladder, FBD, ST | Phần mềm trên Windows, Linux hoặc PLC mềm |
| Thay đổi logic | Đấu lại mạch | Sửa và nạp chương trình | Sửa phần mềm |
| Thời gian đáp ứng | Cơ điện, không ổn định | Chu kỳ quét ổn định, thời gian thực | Phụ thuộc hệ điều hành, trừ khi dùng PLC mềm thời gian thực |
| Ngõ vào ra | Trực tiếp | Tích hợp, mở rộng bằng mô-đun | Qua card hoặc mô-đun I/O ngoài |
| Thế mạnh | Rẻ với bài toán rất nhỏ | Điều khiển máy, dây chuyền | HMI, SCADA, thu dữ liệu, xử lý ảnh, nối MES |
Các chức năng điều khiển chính của PLC
- Điều khiển tự động và bán tự động trình tự hoạt động của máy.
- Bộ đếm (counter) và bộ định thời (timer) thay cho rơ-le đếm và rơ-le thời gian.
- Thuật toán PID và logic mờ cho vòng điều khiển kín.
- Điều khiển động cơ servo, động cơ bước qua ngõ ra xung hoặc mạng điều khiển chuyển động.
- Điều khiển biến tần theo tốc độ hoặc mô-men.
- Điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng từ tín hiệu tương tự.
- Kết nối nhiều PLC với nhau để chia sẻ dữ liệu giữa các công đoạn.
- Kết nối PLC với màn hình cảm ứng HMI để vận hành tại máy và với hệ thống SCADA để giám sát toàn nhà máy.
Cách lựa chọn hệ thống PLC phù hợp
Chọn đúng PLC cho một ứng dụng cần cân nhắc các yếu tố sau theo thứ tự:- Số lượng và loại ngõ vào ra: đếm số điểm số và tương tự mà ứng dụng cần, cộng dự phòng cho mở rộng; xác định tín hiệu đặc biệt như đếm tốc độ cao, đầu đo nhiệt, ngõ ra xung.
- Năng lực xử lý và bộ nhớ: chọn CPU có chu kỳ quét và dung lượng chương trình đủ cho độ phức tạp của ứng dụng, đặc biệt khi có PID, xử lý chuỗi hoặc nhiều vòng lặp.
- Cổng truyền thông: xem PLC hỗ trợ giao thức nào để nối với HMI, SCADA, biến tần và mạng nhà máy. Tương thích giao thức quyết định việc tích hợp có thuận lợi hay không.
- Môi trường lắp đặt: nhiệt độ, độ ẩm, rung và nhiễu điện tại vị trí tủ ảnh hưởng đến độ tin cậy và tuổi thọ của PLC; chọn dòng có dải nhiệt độ và cấp bảo vệ phù hợp.
- Tương thích và mở rộng: ưu tiên hãng và dòng đã dùng trong nhà máy để tận dụng kỹ năng, phụ tùng dự phòng; xem khả năng nâng cấp CPU và thêm mô-đun trong tương lai.