Bạn là một kỹ sư hoặc làm việc trong lĩnh vực điều khiển kỹ thuật, nhưng bạn có chắc rằng bạn hiểu về PLC - thiết bị điều khiển lập trình ? Tài liệu chi tiết về PLC mà Asin Việt Nam mang đến dưới đây sẽ giúp bạn có cái nhìn tổng quan về đặc điểm, ưu điểm và cấu hình của PLC. Tài liệu này sẽ được mô phỏng dựa trên PLC và Fx5U của Mishubishi.
Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình (PLC - Programmable Logic Controller)
Bộ điều khiển logic khả trình PLC là một thiết bị điện tử bán dẫn thực hiện các hàm điều khiển logic bằng chương trình thay thế cho các mạch logic truyền thống. Về bản chất, PLC là một hệ thống vi xử lý được thiết kế tương tự như máy tính, với ngôn ngữ lập trình gần gũi với người dùng, được sử dụng trong các bài toán điều khiển logic. Hạt nhân của hệ thống là bộ vi xử lý thực hiện các phép tính số học và logic cùng với các thành phần khác như bộ nhớ, các cổng vào/ra,...
PLC được đặt tại dây chuyền sản xuất và tích hợp với các thành phần hệ thống điều khiển để thực hiện điều khiển trực tiếp quá trình kỹ thuật. PLC thường làm việc trong môi trường khắc nghiệt và gắn liền với người vận hành trực tiếp. Vì vậy, PLC được thiết kế và chế tạo với các tiêu chuẩn đặc biệt về độ bền, tính module hóa cao, ngôn ngữ lập trình phù hợp và dễ sử dụng.
PLC không chỉ là một thiết bị điều khiển tại hiện trường sản xuất, mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập và xử lý dữ liệu trong các hệ thống SCADA và là một nút trong các hệ điều khiển phân tán (DCS). Vì vậy, từ quan điểm hệ thống, PLC là một thành phần quan trọng của hệ điều khiển.
Hình 1: Hình ảnh về PLC (Nguồn: Asin Việt Nam)
PLC bao gồm phần cứng và phần mềm. Phần cứng bao gồm các thiết bị vật lý như nguồn cung cấp, CPU, module vào/ra và các thiết bị phụ trợ. Phần mềm bao gồm hệ điều hành và chương trình ứng dụng. Hệ điều hành được cài đặt sẵn trong bộ nhớ của PLC, trong khi chương trình ứng dụng được lập trình bởi người sử dụng bằng ngôn ngữ lập trình của PLC để thực hiện một thuật toán điều khiển cụ thể. Sự tương tác giữa phần cứng và phần mềm là một yếu tố quan trọng trong việc xây dựng các hệ thống điều khiển hiệu quả.
Tính ưu việt của PLC
Việc sử dụng PLC thay thế các bộ điều khiển logic truyền thống mang lại nhiều lợi ích cơ bản. Các bộ điều khiển logic truyền thống có đặc điểm chung là các phần tử logic là các phần tử vật lý. Hệ thống điều khiển này thực hiện hàm điều khiển bằng sơ đồ nối các phần tử logic với nhau thông qua các dây dẫn vật lý. Do đó, hệ thống này chỉ thực hiện một hàm điều khiển cố định và để thay đổi chức năng, cần phải thay đổi cấu trúc của hệ.
Đối với các hệ thống phức tạp với nhiều phần tử, tính không linh hoạt của các bộ điều khiển logic truyền thống là một nhược điểm lớn. Tuy nhiên, PLC lại có tính mềm dẻo cao. Trong các mạch logic được lập trình bằng PLC, các phần tử logic được định nghĩa bằng chương trình và có thể thay đổi chức năng một cách dễ dàng. Điều này giúp PLC thích hợp cho các hệ thống phức tạp với nhiều phần tử. Ngoài ra, ưu điểm của PLC bao gồm hoạt động tin cậy, tiêu thụ năng lượng ít, dễ dàng mở rộng hệ thống và tiết kiệm thời gian và công sức trong việc chuyển giao công nghệ.
PLC cũng có khả năng mô phỏng trước khi triển khai và thiết kế hệ thống. Với các chức năng truyền thông, PLC có thể kết nối với các bộ điều khiển khác, các hệ thống máy tính và điều khiển để thực hiện các chức năng điều khiển quá trình, điều khiển phân tán, thu thập dữ liệu và giao diện người-máy.
Cấu trúc PLC
PLC bao gồm các thành phần cơ bản như khối xử lý trung tâm (CPU), các module vào/ra, nguồn cung cấp và thiết bị lập trình. Chương trình được soạn thảo trong thiết bị lập trình và được lưu trong bộ nhớ của PLC. Module vào/ra có nhiệm vụ chuyển đổi tín hiệu giữa PLC và các thiết bị bên ngoài. Luồng dữ liệu và quyết định điều khiển của chương trình được lưu giữ trong bộ nhớ RAM.
Chức năng của các thành phần cơ bản như sau:
- Khối CPU: Đây là bộ não của PLC, nơi các quyết định và tính toán được thực hiện.
- Module vào/ra: Kết nối PLC với các thiết bị bên ngoài và chuyển đổi tín hiệu giữa chúng.
- Nguồn cung cấp: Cung cấp nguồn điện cố định cho các khối được lắp đặt trên bảng mạch.
- Thiết bị lập trình: Dùng để soạn thảo và nạp chương trình vào bộ nhớ của PLC.
Hình 2: Cấu trúc PLC (Nguồn: Asin Việt Nam)
Tùy thuộc vào nhu cầu của hệ thống, PLC có thể được mở rộng bằng cách thêm các module vào/ra và các bộ vi xử lý khác.
Các ưu điểm của PLC
Việc sử dụng PLC thay thế các bộ điều khiển logic truyền thống mang lại nhiều lợi ích căn bản.
Các bộ điều khiển logic truyền thống điều khiển bằng sơ đồ và các phần tử vật lý, do đó chỉ thực hiện một hàm điều khiển cố định và không linh hoạt. Trong khi đó, PLC thực hiện các chương trình lập trình tự động, cho phép thay đổi chức năng một cách dễ dàng. Điều này giúp PLC phù hợp với các hệ thống phức tạp có nhiều phần tử và yêu cầu mềm dẻo cao.
PLC cung cấp tính module hóa cao, cho phép dễ dàng mở rộng hệ thống và thay đổi chức năng. Ngoài ra, PLC hoạt động tin cậy, tiêu thụ ít năng lượng và có khả năng kết nối với các hệ thống máy tính và điều khiển. Việc sử dụng PLC cũng giúp tiết kiệm thời gian và công sức trong việc chuyển giao công nghệ.
Sự khác biệt giữa PLC và máy tính
PLC và máy tính có sự khác biệt căn bản.
Trước tiên, PLC được thiết kế để hoạt động trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, với sự thay đổi lớn về độ ẩm, nhiệt độ và nhiễu mạnh. Trong khi đó, máy tính thường được sử dụng trong môi trường văn phòng và gia đình.
Thứ hai, phần cứng và phần mềm của PLC được thiết kế đặc biệt để dễ sử dụng và phù hợp với trình độ của người vận hành trực tiếp tại dây chuyền sản xuất. Phần cứng của PLC được chế tạo dễ dàng lắp ráp và bảo dưỡng, trong khi chương trình của PLC được biểu diễn bằng ngôn ngữ lập trình đơn giản và dễ hiểu. Trong khi đó, máy tính có thể cài đặt nhiều hệ điều hành và sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình. Máy tính cũng có thể lập trình và điều khiển PLC, đồng thời cũng có thể thực hiện các chức năng giao diện người-máy.
Thứ ba, PLC hoạt động theo nguyên tắc quét vòng, trong khi máy tính hoạt động theo nguyên tắc xử lý ngắt. Điều này tạo ra sự khác nhau về cách thức xử lý và điều khiển giữa hai thiết bị.
Mặc dù PLC và máy tính có sự khác biệt, nhưng với sự phát triển của công nghệ, các tính năng và chức năng của PLC ngày càng tương đồng với máy tính, giúp nâng cao hiệu suất và ứng dụng của PLC trong các hệ thống điều khiển phức tạp.
Các chủng loại PLC và ứng dụng
PLC có rất nhiều chủng loại và được cung cấp bởi nhiều nhà sản xuất. Một số nhà sản xuất cung cấp PLC như sản phẩm đa dụng cho người thiết kế và tích hợp hệ thống, trong khi một số khác chỉ cung cấp PLC cho các ứng dụng cụ thể.
Có nhiều hãng sản xuất PLC điển hình như SIEMENS (Đức), ALLEN-BRADLEY, GEFUNUC (Mỹ), MITSUBISHI, TOSHIBA (Nhật Bản)...
PLC cũng được phân loại dựa trên khả năng, kích thước và ứng dụng. Phân loại này bao gồm các loại nhỏ, vừa và lớn.
PLC loại nhỏ có dung lượng bộ nhớ dưới 2KB, quản lý số điểm vào/ra dưới 128 và được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản.
PLC cỡ vừa có bộ nhớ đến 32KB và quản lý số điểm vào/ra đến 2048. Cấu hình của hệ có thể sử dụng các module vào/ra đặc biệt để thực hiện các chức năng điều khiển quá trình và xử lý thông tin.
PLC cỡ lớn có dung lượng bộ nhớ đến 2MB và quản lý đến 16.000 điểm vào/ra. PLC loại này có ứng dụng không hạn chế từ điều khiển một quá trình công nghệ đến điều khiển một phân xưởng hay một nhà máy.
Kết luận
PLC là một thiết bị điều khiển lập trình quan trọng trong các hệ thống điều khiển công nghệ hiện đại. Với tính mềm dẻo, hiệu quả và độ bền cao, PLC đã thay thế các bộ điều khiển logic truyền thống và tạo ra một sự tiện lợi lớn cho việc điều khiển và quản lý quá trình kỹ thuật.
Hi vọng tài liệu về PLC và Fx5U của Mishubishi đã cung cấp cho bạn cái nhìn tổng quan về thiết bị này và giúp bạn hiểu rõ hơn về cấu trúc, ưu điểm và ứng dụng của PLC trong các hệ thống điều khiển công nghệ.
