PLC là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PLC

PLC là gì? Cấu tạo của PLC như thế nào? Nguyên lý hoạt đôạng của PLC ra sao? Cùng theo dõi bài viết dưới đây để được chúng tôi bật mí những kiến thức có liên quan tới PLC là gì nhé!

PLC là gì?

PLC là một từ viết tắt của cụm từ Tiếng anh programmable logic controller. Đây là một thiết bị điều khiển lập trình được cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự những sự kiện khác nhau. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích là ngõ vào tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ ví dụ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm thời gian.

Trong thực tế thì PLC dùng để thay thế các mạch relay. PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái ở trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra cũng sẽ vì thế mà thay đổi theo. Ngôn ngữ lập trình của PLC là Ladder hay có thể là State Logic.

Các loại PLC thường dùng hiện nay

Đầu tiên là PLC đến từ hãng Siemens của Đức. Hiện có các dòng mới là s7-1200 s7-1500. Chúng được thay thế cho một số dòng cũ là s7-200 và s7-300. Nhược điểm lớn nhất của loại PLC này là giá cả cao và phần mềm lập trình rất nặng. Còn ưu điểm là độ ổn định cao cũng như hãng hỗ trợ người sử dụng nhiều. Các PLC của Siemens thường ứng dụng nhiều cho các máy móc, thiết bị cao cấp hoặc hệ thống tự động hóa lớn. Nguyên nhân khiến nhiều người Việt Nam dùng Siemens là do hãng xâm nhập vào thị trường Việt Nam tương đối sớm.

Một hãng PLC khác cũng khá phổ biến đó chính là hãng Mitsubishi của Nhật Bản. Một số dòng đang phổ biến hiện nay của mitsu có thể kể đến như fx-3u fx-5u hay fx-3g. Chúng ra đời để thay thế cho một số dòng cũ như fx-1n và fx2n. Ưu điểm của PLC hãng Mitsu là có giá thành mềm hơn. Và chúng có thể ứng dụng cho một số loại máy móc có công cụ hoạt động độc lập.

Bên cạnh đó thì chúng ta còn có một số hãng chuyên sản xuất PLC nổi tiếng khác như Allen-Bradley, General Electric, Omron, Honeywell, Delta, INVT…

PLC thay thế của tiếp điểm Relay như thế nào?

Để khắc phục được những nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối thì người ta đã chế tạo ra bộ PLC nhằm thỏa mãn các yêu cầu sau:

• Đáng tin cậy trong môi trường công nghiệp.
• Giá cả phù hợp và phải chăng.
• Lập trình dễ dàng và ngôn ngữ lập trình dễ đọc, dễ hiểu.
• Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản và sửa chữa dễ dàng.
• Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình có cấu trúc phức tạp.
• Có thể giao tiếp tốt được với các thiết bị thông minh khác như: Máy tính, nối mạng hay các môi Module mở rộng.

Trong PLC thì phần cứng CPU và chương trình là đơn vị cơ bản cho quá trình điều khiển hoặc là xử lý hệ thống. Chức năng mà bộ điều khiển cần thực hiện sẽ được một chương trình xác định. Chương trình này đã được nạp sẵn vào trong bộ nhớ của PLC. Và PLC sẽ thực hiện việc quan trọng là điều khiển dựa vào chương trình này. Như vậy nếu muốn thay đổi hay là mở rộng chức năng của quy trình công nghệ thì ta chỉ cần thay đổi chương trình bên trong bộ nhớ của PLC. So với việc sử dụng các bộ dây nối hay Relay thì việc thay đổi hay mở rộng chức năng sẽ được thực hiện một cách dễ dàng hơn mà không cần một sự can thiệp vật lý nào.

Cấu trúc của PLC

Cấu trúc của PLC bao gồm:

• RAM, ROM: Là một bộ nhớ chương trình ở bên trong. Chúng ta có thể thêm bộ nhớ bên ngoài là EPROM.
• CPU: Là bộ xử lý trung tâm có cổng giao tiếp được dùng cho việc kết nối với PLC.
• Các module vào – ra.

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

Nguyên lý hoạt động của PLC

CPU sẽ điều khiển các hoạt động ở bên trong PLC. Bộ xử lý có nhiệm vụ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ. Và sau đó sẽ thực hiện thứ tự của từng lệnh ở trong chương trình và đóng hay ngắt các đầu ra. Các trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị được liên kết để thực thi. Toàn bộ hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc nhiều vào các chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.

Hệ thống Bus là một bộ phận dùng để truyền tín hiệu. Hệ thống bao gồm nhiều đường tín hiệu song song:

• Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.
• Address Bus: Bus là địa chỉ dùng để truyền địa chỉ đến các Modul khác nhau.
• Control Bus: Bus điều khiển dùng để truyền các loại tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động ở trong PLC.

Trong PLC thì các số liệu được trao đổi giữa bộ vi xử lý và các modul vào và ra thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus bao gồm 8 đường. Ở cùng một thời điểm sẽ cho phép truyền 8 bit của 1 byte một cách đồng thời hay có thể là song song. Nếu một module đầu vào nhận được địa chỉ của nó ở trên Address Bus thì nó sẽ chuyển tất cả trạng thái đầu vào vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện ở trên Address Bus, modul đầu ra tương ứng sẽ nhận được một dữ liệu từ Data bus. Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào và sau đó theo dõi chu trình hoạt động của PLC.

Bộ nhớ của PLC

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp như sau:

• Làm bộ định thời cho các kênh trạng thái I/O.
• Làm bộ đệm trạng thái các chức năng trong PLC ví dụ như định thời, đếm, ghi các Relay.

Mỗi lệnh của chương trình sẽ có một vị trí riêng ở trong bộ nhớ. Và tất cả mọi vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số thứ tự. Những số này chính là địa chỉ ở trong bộ nhớ. Địa chỉ của từng ô nhớ sẽ được trỏ đến bởi một bộ đếm địa chỉ ở bên trong bộ vi xử lý. Trước khi xử lý lệnh tiếp theo thì bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một.

Với một địa chỉ mới thì nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra và quá trình này được gọi là quá trình đọc. Bộ nhớ bên trong PLC được tạo thành bởi các vi mạch bán dẫn. Mỗi vi mạch này có khả năng chứa trung bình từ 2.000 – 16.000 dòng lệnh, tùy theo loại vi mạch. Trong PLC thì các bộ nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng.

RAM (hay còn gọi Random Access Memory)

Đây là bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tương tự như RAM ở trong máy tính hay trong laptop. Chúng có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ nội dung vào bất kỳ lúc nào. Nếu nguồn điện nuôi bị mất thì nội dung của RAM cũng sẽ bị mất. Chính vì vậy để tránh được tình trạng này thì các PLC đều được trang bị một pin khô. Chúng có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng cho đến vài năm. Trong thực tế thì RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra các chương trình. Xu hướng hiện nay là dùng CMOS-RAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và có tuổi thọ lớn.

EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory)

EPROM là bộ nhớ mà người sử dụng bình thường chỉ có thể đọc được chứ không ghi nội dung vào được. Khi mất nguồn thì nội dung của EPROM sẽ không bị mất đi mà nó được gắn sẵn ở trong máy, đã được nhà sản xuất nạp và chứa hệ điều hành có sẵn. Nếu người sử dụng không muốn mở rộng bộ nhớ thì chỉ cần dùng thêm EPROM gắn bên trong PLC. Trên Programer đã có sẵn chỗ ghi và xóa EPROM.

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)

EEPROM có nhiệm vụ chính là liên kết với những truy xuất linh động của RAM và chúng có tính ổn định. Một điểm hay là nội dung của nó có thể được xóa và lập trình lại. Tuy nhiên số lần lưu và sửa nội dung là có giới hạn nhất định.

Môi trường ghi dữ liệu thứ tư

Là một đĩa cứng hoặc đĩa mềm, chùn được sử dụng trong máy lập trình. Do đĩa cứng hoặc đĩa mềm có dung lượng lớn nên chúng thường được dùng để lưu những chương trình lớn trong một khoảng thời gian dài.

Kích thước bộ nhớ

Các PLC loại nhỏ có thể chứa trung bình từ 300 – 1.000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo.

Các PLC loại lớn có kích thước trung bình từ 1K – 16K. Và chúng sẽ có khả năng chứa từ 2.000 -16.000 dòng lệnh.

Ngoài ra còn cho phép gắn thêm bộ nhớ mở rộng như RAM hay EPROM.

Vị trí của PLC trong hệ thống điều khiển

• Khối đầu vào: Bao gồm các nút điều khiển, công tắc, các loại công tắc hành trình đặt tại máy, các loại cảm biến đo lường được đặt tại dây chuyền sản xuất…
• Khối điều khiển gồm các phần tử: Bao gồm các loại rơle, bộ đếm time, bộ so sánh, bản mạch điện tử…
• Khối đầu ra: Bao gồm các loại động cơ, các loại van, các thiết bị chỉ thị, các thiết bị gia nhiệt…

Các bước để lập trình cơ bản PLC

Bước 1: Tìm hiểu kỹ các yêu cầu công nghệ.
Bước 2: Liệt kê đầy đủ các thông tin như: Cổng vào ra, các cổng dự trữ. Bên cạnh đó chọn PLC có số đầu vào ra lớn hơn hoặc bằng theo với yêu cầu.
Bước 3: Phân cổng vào và ra cho PLC. Bạn nên tuân thủ các nguyên tắc để thuận tiện cho quá trình lập trình, theo dõi kiểm tra phát hiện lỗi như sau: Phân cổng vào ra theo chức năng yêu cầu như đầu vào đếm tốc độ cao, đầu vào Analog hay đầu vào logic phải đúng so với các đầu vào chức năng của PLC

Bước 4: Dựng lưu đồ của chương trình.
Bước 5: Dịch lưu đồ sang dạng giản đồ.
Bước 6: Lập trình giản đồ thang vào PLC.
Bước 7: Chạy mô phỏng kiểm tra chương trình.

• Phải tạo ra một tập tín hiệu thử tương tự thực tế để đưa vào đầu vào PLC.
• Xem kết quả đầu ra ở trên PLC và trên phần mềm mô phỏng.
  • Nếu chương trình sai thì ta sửa chương trình và quay lại thực hiện bước 7.
  • Nếu chương trình đúng thì tiếp tục chuyển sang bước 8.

Bước 8: Kết nối giữa PLC với thiết bị thực.
Bước 9: Phải kiểm tra phần ghép nối theo đúng sơ đồ nguyên lý. Đảm bảo cho phần nguồn cấp được thực hiện đúng và đảm bảo điện áp nguồn cấp phải đúng với sơ đồ nguyên lý.
Bước 10: Chạy toàn bộ hệ thống theo các bước như sau:

• Đảm bảo chắc chắn hệ thống được nối đúng.
• Đảm bảo chắc chắn hệ thống cơ khí và thuỷ lực khí nén chạy được.
• Chạy nhắp.
• Chạy bán tự động.
• Chạy tự động toàn hệ thống.
• Nếu chương trình sai thì ta sửa chương trình và quay lại với bước 10.
• Nếu chương trình đúng thì chuyển sang bước 11.

Bước 11: Bàn giao và lưu trữ lại chương trình.

Các phương thức điều khiển chính của PLC

Điều khiển logic

• Thời gian, đếm.
• Chức năng điều khiển rơ le.
• Điều khiển tự động, bán tự động hay là bằng tay.
• Thay thế cho các panel điều khiển và các mạch in.

Điều khiển liên tục

• Điều khiển PID, FUZY.
• Điều khiển liên tục nhiệt độ, áp suất và lưu lượng…
• Điều khiển biến tần.
• Điều khiển động cơ chấp hành và động cơ bước.
• Khối đầu vào thêm các khâu cảm biến tương tự, chiết áp…
• Khối đầu ra có thêm các thiết bị tương tự ví dụ như biến tần, động cơ Servo, các động cơ bước…
• Khối điều khiển thêm các khâu biến đổi A/D hoặc D/A…
• Thực hiện các phép toán số học cũng như logic.

Điều khiển tổng thể

• Ghép nối máy tính.
• Ghép nối mạng tự động hóa.
• Điều hành quá trình và có báo động.
• Điều khiển tổng thể quá trình. Có nghĩa là điều khiển một quá trình trong một mối liên hệ với các quá trình khác.
• Tín hiệu vào và ra còn có thêm các thông tin.

Các ưu và nhược điểm của PLC là gì?

Ưu điểm

• Dễ dàng thay đổi được chương trình theo ý muốn. Điều đó giúp thích hợp để lập trình cho nhiều ứng dụng khác nhau.
• Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc sửa chữa, bảo quản và thay thế.
• Độ tin cậy cao và chuẩn hóa được thiết bị.
• Thực hiện được các thuật toán đòi hỏi sự phức tạp và độ chính xác cao.
• Cấu trúc PLC dạng module cho phép dễ dàng thay thế và mở rộng đầu vào/ra hay mở rộng chức năng khác.
• Khả năng chống nhiễu tốt và hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp.
• Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: Máy tính, cấc nối mạng truyền thông và các thiết bị khác.
• Sử dụng tốt trong các môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ, độ ẩm cao, dòng điện dao động…

Nhược điểm

• Giá thành phần cứng cao: Vì đây là một loại thiết bị công nghệ cao, tự động hóa cao nên giá thành cũng sẽ cao hơn nhiều so với các lại thiết bị rơ le ON/OFF thông thường. Tuy nhiên hiện nay do PLC ngày càng phổ biến nên giá thành cũng vì thế mà giảm đáng kể. Có thể kể đến như các dòng PLC Mitsubishi hoặc PLC Delta hiện nay có mức giá thành cũng vô cùng phải chăng. 
• Một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình: Các loại PLC được hãng thiết kế riêng. Vì vậy nên chúng sẽ có sự khác biệt trong khâu lập trình hệ thống. Mỗi số hãng sẽ kèm theo phần mềm riêng. Tuy nhiên thì cũng 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 biết cách sử dụng  PLC phải được đào tạo rất bài bản. Họ phải được trang bị các kiến thức liên quan đến PLC là gì của nhiều hãng khác nhau. Bởi mỗi hãng sẽ có phần mềm lập trình riêng. Chính vì vậy họ phải mất khá nhiều thời gian để có thể nắm rõ được đặc điểm của từng hãng. Nếu chuyên môn không cao sẽ dẫn đến việc lập trình sai. Từ đó gây hư hỏng và tổn thất trang thiết bị hoặc các sự cố nghiêm trọng hơn. 

Những ứng dụng thực tế hiện nay của PLC

Những loại máy móc nhỏ như đóng gói, băng tải có thể sử dụng một số dòng PLC kinh tế có in/out ít với thiết kế nhỏ gọn nhưng giá thành rất cạnh tranh. Đặc điểm chính của những loại PLC này  là tích hợp đầy đủ các tính năng cần thiết để linh hoạt sử dụng cho nhiều ứng dụng khác nhau.

Đối với những hệ thống lớn hơn cần có bộ điều khiển phức tạp ví dụ như dây chuyền xử lý nước thải, nhà máy xi măng thì sẽ có những dòng PLC thiết kế dạng module tùy theo nhu cầu.

Ngoài ra PLC còn có thể ứng dụng cho rất nhiều hệ thống đèn giao thông, các tòa nhà thông minh. Đặc biệt trong sự phát triển của nền nông nghiệp hiện nay thì PLC đã và sẽ ứng dụng rất nhiều để giúp hiện đại hóa quá trình sản xuất nông nghiệp ở nước ta hiện nay.

Những lưu ý khi chọn mua PLC

Đối với việc mua dự phòng hay thay thế thì thao tác đầu tiên mà bạn cần làm là phải có hình ảnh nhãn hoặc nameplate của thiết bị cũ. Sau đó xác định mã hàng để tìm mua loại sản phẩm đúng mã.

Lưu ý: Đối với PLC muốn mua hàng dự phòng phải sao chép hay upload được chương trình ở trong thiết bị cũ thì chỉ có cách là mua hàng thay thế mới gắn vào cho máy hoạt động trở lại được.

Còn đối với PLC dùng cho dự án mới thì bạn nên lưu ý một số vấn đề sau:

• Xác định số lượng ngõ vào, ngõ ra cần thiết. Điều đó có mục đích là để chọn loại CPU và module mở rộng thích hợp. Đối với ngõ ra thì bạn phải chọn loại ngõ ra transistor hay relay.
• Tính toán số lượng tín hiệu analog đầu vào ra cần dùng.
• Nếu có kết nối với màn hình cảm ứng HMI thì bạn phải chọn loại PLC có mở rộng truyền thông.
• Ngoài ra nếu ứng dụng phức tạp thì bạn nên tham khảo về bộ nhớ cần dùng và hỗ trợ tập lệnh của loại PLC cần dùng.

Kết luận

Trên đây là toàn bộ thông tin về PLC là gì? Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PLC mà chúng tôi muốn chia sẻ tới bạn đọc. Hy vọng bài viết mang tới cho bạn nhiều thông tin bổ ích. Hẹn gặp lại bạn trong những bài viết tiếp theo tại Website http://thietbikythuat.com.vn nhé!