Nguyên lý hoạt động – cấu trúc PLC

PLC đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và các dây chuyền sản xuất. Tuy nhiên nguyên lý hoạt động – cấu trúc PLC không hẳn ai cũng biết. Bài viết dưới đây, sẽ giúp các bạn tìm hiểu rõ hơn về nguyên lý hoạt động, các khối và ưu nhược điểm của PLC.

Trong một hệ thống điều khiển tự động PLC ( Programmable Logic Controller ). Nguyên lý hoạt động cấu trúc PLC phải tinh tế để có thể  là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình và được xem như trái tim của hệ thống điều khiển. Trên thực tế, PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le). Ngôn ngữ lập trình phổ biến hiện nay của PLC là Ladder hoặc State Loggin.

Tìm hiểu thêm về ngôn ngữ lập trình PLC

Nguyên lý hoạt động 

Nguyên lý hoạt động của PLC là quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào, có nghĩa là khi đầu vào thay đổi thì đầu ra cũng sẽ thay đổi.

Các hoạt động bên trong PLC được điều khiển bới CPU. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ và thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình 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 đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.

Tùy thuộc vào đầu vào và đầu ra, bộ điều khiển lập trình PLC có thể theo dõi và ghi lại dữ liệu thời gian chạy như năng suất máy hoặc nhiệt độ vận hành, tự khởi động và dừng quy trình, tạo báo thức nếu máy gặp trục trặc và hơn thế nữa.

Bộ điều khiển lập trình PLC là một giải pháp điều khiển linh hoạt có thể thích ứng với hầu như bất kỳ ứng dụng nào.

Dưới đây là một số tính năng của PLC khách với vi điều khiển, máy tính công nghiệp và các giải pháp kiểm soát công nghiệp khác:

• Truyền thông – Ngoài các thiết bị đầu vào và đầu ra, PLC cũng có thể kết nối với các loại hệ thống khác. Ví dụ người dùng có thể xuất dữ liệu ứng dụng được PLC ghi lại vào hệ thống điều khiển giám sát và thu thập dữ liệu (SCADA) giám sát nhiều thiết bị được kết nối. PLC cung cấp một loạt các cồng giao thức và truyền thông để đảm bảo rằng PLC có thể giao tiếp với các hệ thống khác này.
• HMI – Để tương tác với PLC trong thời gian thực. Các giao diện điều khiển này có thể là các màn hình đơn giản, với việc đọc văn bản và bàn phím nhập liệu, hoặc các màn hình cảm ứng lớn tượng tự như các thiết bị điện tử tiêu dùng, nhưng theo cách này, chúng cho phép người dùng xem lại và nhập thông tin vào PLC trong thời gian thực.
• I/O – CPU của PLC lưu trữ và xử lý dữ liệu chương trình, nhưng các mô-đun đầu vào và đầu ra kết nối PLC với phần còn lại của máy, các mô-đun I/O cung cấp thông tin cho CPU và kích hoạt các kết quả cụ thể. I/O có thể là đầu vào tương tự hoặc đầu vào số; thiết bị đầu vào bao gồm cảm biến, công tắc và bộ đếm, trong khi đầu ra có thể bao gồm rơ le, đèn, van,… Người dùng có thể lựa chọn và kết hợp I/O của PLC để có được cấu hình phù hợp cho ứng dụng của họ.

Cấu trúc của PLC:

Cũng như các thiết bị lập trình khác, hệ thống lập trình cơ bản của PLC bao gồm 2 phần: khối xử lý trung tâm (CPU) và hệ thống giao tiếp vào/ra như sơ đồ khối:

• Khối xử lý trung tâm:

Đây là một vi xử lý điều khiển tất cả các hoạt động của PLC như: thực hiện chương trình, xử lý vào/ra và truyền thông với các thiết bị bên ngoài.

• Bộ nhớ:

Đây là phần mềm điều khiển các hoạt động của hệ thống, sơ đồ LAD, trị số của Timer, Counter được nhớ trong vùng nhớ ứng dụng. Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau nên người dùng có thể lựa chọn nó tùy theo nhu cầu:

• Bộ nhớ ROM: Đây là loại bộ nhớ chỉ nạp được một lần và không thay đổi được nên ít được người dùng lựa chọn.
• Bộ nhớ RAM: Loại này chứa các chương trình cũng như dữ liệu có thể thay đổi được, nhưng sẽ bị mất khi mất điện. Có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách dùng Pin.
• Bộ nhớ EPROM: Tương tự như ROM, nguồn nuôi cho EPROm không cần dùng Pin. Tuy nhiên, có thể xóa nội dung bằng cách chiếu tia cực tím vào một xửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó nạp lại nội dung bằng máy nạp.
• Bộ nhớ EEPROM: kết hợp hai ưu điểm của RAM và EPROM, loại này có thể xóa và nạp bằng tín hiệu điện. Tuy nhiên số lần nạp cũng có giới hạn.

Một PLC có đầy đủ các chức năng như: bộ định thời, các thanh ghi (registers), bộ đếm và tập lệnh cho phép thực hiện các yêu cầu điều khiển phức tạp khác nhau. Hoạt động của PLC hoàn toàn phụ thuộc vào chương trình nằm trong bộ nhớ, nó luôn cập nhật tín hiệu ngõ vào, xử lý tín hiệu để điều khiển ngõ ra.

Hơn nữa, một bộ PLC hoàn chỉnh đi kèm thêm một đơn vị lập trình bằng máy tính hay bằng tay. Hầu hết các đơn vị lập trình đơn giản đều có đủ RAM để chứa đựng chương trình dưới dạng hoàn thiện hay bổ sung. Nếu đơn vị lập trình là đơn vị xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi chương trình đã được kiểm tra và sẵn sang sử dụng thì nó mới được truyền sang bộ nhớ của PLC. Đối với các PLC lớn, thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc, và kiểm tra chương trình. Các đơn vị lập trình nối với PLC qua cổng RS422, RS485, RS232,…

Các phần tử nhập tín hiệu trong hệ thống điều khiển PLC như: nút ấn, chuyển mạch, cảm biến,… được nối với đầu vào của thiết bị PLC. Các phần tử chấp hành như: rơ le, công tắc tơ, đèn báo,… được nối đến lối ra của PLC tại các đầu nối.

Chương trình điều khiến PLC được soạn thảo dưới các dạng cơ bản sẽ được nạp vào bộ nhớ bên trong PLC, sau đó tự động thực hiện tuần tự theo một chuỗi lệnh điều khiển được xác định trước.

Hệ còn cho phép công nhân vận hành thao tác bằng tay các tiếp điểm, nút dừng khẩn cấp để đảm bảo tính an toàn khi xảy ra sự cố.

Để đánh giá một bộ PLC người ta dựa vào 2 tiêu chuẩn chính: Số tiếp điểm vào/ra của nó, và dung lượng bộ nhớ. Ngoài ra cũng cần chú ý tới các chức năng như: Ngôn ngữ lập trình, bộ vi xử lý, khả năng mở rộng số cổng vào/ra và chu kỳ xung lock.

Ưu điểm và nhược điểm của PLC:

Bộ điều khiển lập trình PLC đã khắc phục được những nhược điểm của bộ điều khiển bằng Relay, tuy nhiên dựa vào nguyên lý hoạt động cấu trúc PLC mà nó cũng có những ưu nhược điểm riêng:

• Các ưu điểm của PLC:

Với nhiều ưu điểm vượt trội, sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển cũng như các quan niệm thiết kế về chúng:

• Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.
• Dung lượng bộ nhớ lớn để chứa được những chương trình phức tạp.
• Thực hiện được các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao.
• Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng chức năng khác.
• Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng sửa chữa và bảo quản.
• Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: các Module mở rộng, máy tính, nối mạng truyền thông,…
• Khả năng chống nhiễu tốt, tin cậy hoàn toàn trong môi trường công nghiệp.
• Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn.
• Giá thành ổn, cạnh tranh được.

  • Các nhược điểm của PLC:

Bên cạnh các ưu điểm đó, PLC cũng có một số nhược điểm như sau:

• Giá thành phần cứng cao, một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình. Tuy nhiên hiện nay giá PLC đã giảm khá nhiều, khách hàng có thể tham khảo dòng PLC của hãng nổi tiếng Schneider với giá hấp dẫn, liên hệ ngay Hoàng Vina để được tư vấn nhiệt tình.
• Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn cao: Để lập trình được các chương trình điều khiển, người sử dụng phải được đào tạo, có trình độ để đảm bảo độ chính xác.

Từ các ưu nhược điểm và đặc trưng của PLC là có thể lập trình được, chỉ số IP của nó cho phép hoạt động trong các môi trường khắc nghiệt. Vì vậy PLC ngày nay được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực.

Như vậy thông tin trong bài đã chỉ ra Nguyên lý hoạt động – cấu trúc PLC để có thể nắm rõ hơn trong quá trình ứng dụng và vận hành. Bài viết có tham khảo thông tin về PLC tại wiki