Tổng quan về PLC

Ngày nay tự động hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng đời sống và công nghiệp, tự động hóa đã phát triển vượt bậc nhờ những tiến bộ của lý thuyết điều khiển tự động, tiến bộ của ngành điện – điện tử, Công nghệ thông tin…Chính vì vậy mà nhiều hệ thống điều khiển tự động ra đời, nhưng phát triển mạnh và có khả năng ứng dụng rộng rãi là Bộ điều khiển lập trình PLC. Trong bài này chúng ta sẽ cùng đi tìm hiểu sơ về PLC.

Hình 1. Hình ảnh thực tế PLC.

1. Sơ lược lịch sử của PLC

Bộ điều khiển lập trình PLC là ý tưởng của nhóm kỹ sư hãng General Motors vào năm 1968, và họ đã đề ra các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng những yêu cầu điều khiển như sau:

Dễ lập trình và thay đổi chương trình điều khiển, sử dụng thích hợp trong các nhà máy công nghiệp.
Cấu trúc dạng Module dễ mở rộng, dễ bảo trì và sửa chữa.
Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất của các nhà máy công nghiệp.
Sử dụng các linh kiện bán dẫn nên phảicó kích thước nhỏ gọn hơn mạch role mà chức năng vẫn tương đương.
Giá cả cạnh tranh.

Hình 2. PLC vào những thời kì mới ra đời.

2. Khái quát về PLC

2.1. PLC là gì?

PLC là viết tắt của “Programmable Logic Controller”, là một thiết bị điều khiển logic được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp để điều khiển và giám sát các quá trình sản xuất và hoạt động khác.

PLC được lập trình để thực hiện các chức năng điều khiển khác nhau, sử dụng các ngôn ngữ lập trình như ladder logic, instruction list, function block diagram và structured text.

PLC có thể được kết nối với các thiết bị đầu vào và đầu ra để giám sát và điều khiển các tín hiệu và trạng thái của các thiết bị khác nhau, bao gồm cả cảm biến, van, động cơ và các thiết bị khác.

Với khả năng lập trình và tính linh hoạt, PLC đã trở thành một công cụ quan trọng trong ngành công nghiệp để cải thiện hiệu suất sản xuất và độ tin cậy của các quá trình tự động hóa.

Hình 3. Một số hình ảnh PLC thực tế.

2.2. Cấu trúc cơ bản của PLC

PLC bao gồm các thành phần cơ bản sau đây:

CPU (Central Processing Unit): Là trung tâm của hệ thống PLC, thực hiện các tác vụ lập trình, điều khiển và xử lý dữ liệu. CPU có thể được chia thành các phần khác nhau, bao gồm bộ vi xử lý, bộ nhớ và các giao diện đầu vào/đầu ra.
Các đầu vào (Inputs): Các tín hiệu từ các cảm biến và các thiết bị đầu vào khác được gửi đến PLC thông qua các đầu vào. Các tín hiệu này được xử lý bởi CPU để điều khiển các thiết bị đầu ra.
Các đầu ra (Outputs): Các tín hiệu điều khiển được gửi đến các thiết bị đầu ra, bao gồm các động cơ, van và các thiết bị khác thông qua các đầu ra. Các đầu ra này được điều khiển bởi CPU dựa trên các tín hiệu đầu vào.
Nguồn cung cấp điện: Là nguồn cung cấp điện cho toàn bộ hệ thống PLC.
Giao diện lập trình: Là phần mềm lập trình được sử dụng để lập trình và cấu hình PLC.
Bộ nhớ: Là nơi lưu trữ các chương trình điều khiển, các tham số cấu hình và các giá trị lưu trữ khác.

Hình 4. Cấu trúc cơ bản của PLC.

Các thành phần trên cùng hoạt động cùng nhau để điều khiển và giám sát các quá trình sản xuất và hoạt động khác trong các hệ thống tự động hóa công nghiệp.

2.2. Các loại điều khiển cơ bản

Các loại điều khiển cơ bản của PLC bao gồm:

Điều khiển chương trình (Program Control): Điều khiển chương trình là loại điều khiển cơ bản của PLC, trong đó các chương trình được lập trình để điều khiển các hoạt động của hệ thống. Các chương trình này có thể được lập trình để thực hiện các tác vụ đơn giản như mở và đóng van, hay thực hiện các tác vụ phức tạp hơn như quản lý quá trình sản xuất hoàn chỉnh.
Điều khiển thời gian (Timer Control): Điều khiển thời gian là một tính năng của PLC, cho phép người lập trình thiết lập các thời gian trễ hoặc thời gian chờ giữa các hoạt động. Điều này cho phép các chương trình của PLC thực hiện các hoạt động theo các chu kỳ thời gian nhất định.
Điều khiển số lượng (Counter Control): Điều khiển số lượng là một tính năng khác của PLC, cho phép người lập trình theo dõi và điều khiển số lượng các hoạt động hoặc sự kiện xảy ra trong hệ thống. Các hoạt động này có thể được đếm và kiểm soát để đảm bảo các quy trình sản xuất diễn ra đúng cách.
Điều khiển PID (Proportional-Integral-Derivative Control): Điều khiển PID là một loại điều khiển cơ bản của PLC, được sử dụng để điều khiển các thông số của quá trình sản xuất như nhiệt độ, áp suất hoặc lưu lượng chất lỏng. Điều khiển PID sử dụng các thuật toán điều khiển để điều chỉnh các thông số này và giữ cho chúng trong các giá trị được thiết lập trước đó.
Điều khiển năng lượng (Energy Control): Điều khiển năng lượng là một tính năng mới được tích hợp vào các hệ thống PLC hiện đại, cho phép người dùng quản lý và giảm thiểu nhu cầu về năng lượng của hệ thống sản xuất. Điều khiển năng lượng thường sử dụng các cảm biến và phân tích dữ liệu để theo dõi mức tiêu thụ năng lượng và tối ưu hóa quá trình sản xuất.
Điều khiển lưu lượng (Flow Control): Điều khiển lưu lượng được sử dụng để điều khiển lưu lượng của các chất lỏng hoặc khí trong hệ thống. Các thông số lưu lượng này có thể được đo bằng cảm biến và được điều khiển bằng các van điều khiển hoặc bơm.
Điều khiển vị trí (Position Control): Điều khiển vị trí được sử dụng để điều khiển vị trí của các bộ phận trong hệ thống sản xuất. Các thông số vị trí này có thể được đo bằng cảm biến và được điều khiển bằng các động cơ servo hoặc các bộ phận điều khiển khác.
Điều khiển động cơ (Motor Control): Điều khiển động cơ là một tính năng của PLC, cho phép người dùng điều khiển các động cơ trong hệ thống sản xuất. Điều khiển động cơ này có thể bao gồm việc điều khiển tốc độ, hướng quay hoặc các thông số khác của động cơ.
Điều khiển bảo vệ (Safety Control): Điều khiển bảo vệ là một tính năng của PLC, cho phép người dùng giám sát và bảo vệ hệ thống sản xuất. Các chương trình này có thể được lập trình để ngắt hoạt động của hệ thống khi phát hiện một tình huống nguy hiểm, giúp bảo vệ người sử dụng và tránh những thiệt hại cho hệ thống.

2.3. Vai trò của PLC

Trong một hệ thống điều khiển tự động, PLC được xem như là trái tim của hệ thống điều khiển. Với một chương trình ứng dụng (đã được lưu trữ bên trong bộ nhớ của PLC) thì PLC liên tục kiểm tra trạng thái của hệ thống, bao gồm: kiểm tra tín hiệu phản hồi từ các thiết bị nhập, dựa vào chương trình logic để xử lý tín hiệu và mang các tín hiệu điều khiển ra thiết bị xuất.
PLC được dùng để điều khiển những hệ thống từ đơn giản đến phức tạp. Hoặc ta có thể kết hợp chúng với nhau thành một mạng truyền thông có thể điều khiển một quá trình phức hợp.

2.4. Những ưu điểm kỹ thuật của bộ điều khiển PLC

Giá thành khá thấp.
Kích thước vật lý Khá gọn.
Tốc độ điều khiển Nhanh.
Khả năng chống nhiễu Rất tốt.
Lắp đặt dễ dàng, thời gian lắp đặt nhanh.
Lập trình đơn giản, tốn ít thời gian.
Khả năng điều khiển tốt các tác vụ phức tạp.
Dễ dàng thay đổi, nâng cấp và điều khiển.
Công tác bảo trì đơn giản và nhẹ nhàng.

PLC khắc phục được tình trạng đi dây quá nhiều khi liên quan đến các mạch điều khiển relay, ngoài ra PLC còn thực hiện các hoạt động như xử lý tín hiệu tương tự, đếm, định thời gian, sắp xếp thứ tự, so sánh,…

Hoạt động nguyên lý của PLC được minh họa trong hình:

Hình 5. Ví dụ về ưu điểm của PLC.

2.5. Phạm vi ứng dụng PLC

Dùng để điều khiển Robot: ví dụ như gắp phôi từ băng tải bỏ qua bàn gia công của máy CNC, hay điều khiển Robot đưa vật liệu thiết bị vào băng tải, thực hiện các việc đóng hộp, dán tem nhãn…

Ngoài ra, PLC có thể ứng dụng để giám sát các quá trình trong các nhà máy mạ, dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử, dây chuyền kiểm tra sản phẩm bằng các sensor, công tắc hành trình hoặc các sensor,…

Hình 6. Mô hình đào tạo dây chuyền sản xuất tự động.

2.6. So sánh PLC với các thiết bị điều khiển thông thường khác

Sự phát triển của công nghệ khiến PLC đang dần trở nên phổ biến và thay thế các hệ thống điều khiển bằng relay, contactor thông thường.

Hình 7. So sánh mạch PLC với mạch relay.

Bảng 1. Bảng so sánh PLC với những thiết bị thông thường

Hệ thống điều khiển thông thường	Hệ thống điều khiển bằng PLC
Thô kệch do có quá nhiều dây dẫn và relay trên bảng điều khiển.	Những dây kết nối trong hệ thống giảm được 80% nên nhỏ gọn hơn.
Tốn khá nhiều thời gian cho việc thiết kế, lắp đặt.	Công suất tiêu thụ ít hơn, độ bền và tin cậy vận hành cao, dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của nó.
Tốc độ hoạt động chậm. Công suất tiêu thụ lớn.	Tốc độ hoạt động của hệ thống nhanh hơn.
Mỗi lần muốn thay đổi chương trình thì phải lắp đặt lại toàn bộ, tốn nhiều thời gian.	Dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của nó. Sự thay đổi các ngõ vào, ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ phần mềm điều khiển bằng máy tính.
Khó bảo quản và sửa chữa	Có thiết bị chống nhiễu bảo trì và sửa chữa dễ dàng.

Như vậy hệ thống điều khiển bằng PLC thể hiện các ưu điểm nổi trội rõ rệt so với các thiết bị điều khiển thông thường khác. Ngoài ra PLC còn có thể thêm vào hoặc thay đổi các lệnh tùy theo yêu cầu của công nghệ. Điều này thể hiện tính linh động của hệ thống điều khiển khi ta muốn biến đổi chương trình của hệ thống.