[ KIẾN THỨC] PLC là gì? Cấu tạo,nguyên lý hoạt Động, các bước lập trình

Trong bài viết này mình cùng nhau tìm hiểu về một loại thiết bị được dùng khá nhiều trong các chuyên ngành tự động hóa. Đó chính là PLC, là một module công nghệ cao có khả năng điều khiển được các loại thiết bị khác một cách tự động.

Tuy nhiên thì nhu cầu tìm hiểu về loại thiết bị ngày một tăng cao nhất là các bạn sinh viên hay các bạn vừa ra trường chuẩn bị làm việc với loại thiết bị này. Trong bài viết mình sẽ giới thiệu về các nội dung như PLC là gì ? Cấu trúc của PLC là gì ? Nguyên lý hoạt động ? Bộ nhớ của thiết bị này ra sao ? Các ưu nhược điểm của một PLC ra sao cũng như các thông tin chi tiết liên quan khác. Từ đó các bạn sẽ có thêm thông tin để phục vụ cho việc học và công việc.

PLC là gì?

PLC 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. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện. Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm. PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế. PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo. Ngôn ngữ lập trình của PLC có thể là Ladder hay State Logic.

PLC là một từ viết tắt của programmable logic controller.

PLC thay thế của tiếp điểm Relay như thế nào?

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

• Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.
• Giá cả cá thể cạnh tranh được.
• Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ học.
• Gọn nhẹ, dễ dàng bảo quản, sửa chữa.
• Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp.
• Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các môi Module mở rộng.

Cụ thể:

Các thiết kế đầu tiên là nhằm thay thế cho các phần cứng Relay dây nối và các Logic thời gian. Tuy nhiên việc đòi hỏi tăng cường dung lượng nhớ và tính dễ dàng cho PLC mà vẫn bảo đảm tốc độ xử lý cũng như giá cả. Chính điều này đã gây ra sự quan tâm sâu sắc đến việc sử dụng PLC trong công nghiệp. Các tập lệnh nhanh chóng đi từ các lệnh logic đơn giản đến các lệnh đếm, định thời, thanh ghi dịch … sau đó là các chức năng làm toán trên các máy lớn. Sự phát triển các máy tính dẫn đến các bộ PLC có dung lượng lớn, số lượng I / O nhiều hơn.

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

Cấu trúc của PLC là gì?

Thông thường thì một PLC sẽ có các bộ phận chính như sau:

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

Tuy nhiên thì với một PLC hoàn chỉnh chúng ta sẽ có thêm một đơn vị lập trình bằng tay hay bằng máy tính. 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 thì RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, chỉ khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn sàng sử dụng thì nó mới truyền sang bộ nhớ 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 RS232, RS422, RS485,…

Nguyên lý hoạt động của PLC như thế nào?

Các PLC sẽ có nguyên lý vận hành như sau; CPU sẽ điều khiển các hoạt động bên trong PLC. Bộ xử lý sẽ đọc và kiểm tra chương trình được chứa trong bộ nhớ. Sau đó sẽ thực hiện thứ tự từng lệnh trong chương trình, sẽ đóng hay ngắt các đầu ra. Trạng thái ngõ ra ấy được phát tới các thiết bị liên kết để thực thi và toàn bộ các hoạt động thực thi đó đều phụ thuộc vào chương trình điều khiển được giữ trong bộ nhớ.

Hệ thống Bus là bộ phận dùng để truyền tín hiệu, hệ thống gồm nhiều đường tín hiệu song song:

• Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.

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

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

Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O. Bên cạnh đó thì CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1,8 MHz. Xung này quyết định tốc độ hoạt động của PLC và cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống.

Bộ nhớ của PLC là gì?

PLC thường yêu cầu bộ nhớ trong các trường hợp:

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

Mỗi lệnh của chương trình có một vị trí riêng trong bộ nhớ, tất cả mọi vị trí trong bộ nhớ đều được đánh số, những số này chính là địa chỉ 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. Bộ vi xử lý sẽ giá trị trong bộ đếm này lên một trước khi xử lý lệnh tiếp theo. Với một địa chỉ mới, nội dung của ô nhớ tương ứng sẽ xuất hiện ở đầu ra, quá trình này được gọi là quá trình đọc. Bộ nhớ bên trong PLC được tạo bởi các vi mạch bán dẫn, mỗi vi mạch này có khả năng chứa 2.000 – 16.000 dòng lệnh, tùy theo loại vi mạch. Trong PLC các bộ nhớ như RAM, EPROM đều được sử dụng.

EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)

Có nhiệm vụ liên kết với những truy xuất linh động của RAM và có tính ổn định. Nội dung của nó có thể được xóa và lập trình lại, tuy nhiên số lần lưu sửa nội dung là có giới hạn.

RAM (hay còn gọi Random Access Memory)

Đây là bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tương tự như RAM trong máy tính hay laptop. Có thể nạp chương trình, thay đổi hay xóa bỏ nội dung bất kỳ lúc nào.

Nội dung của RAM sẽ bị mất nếu nguồn điện nuôi bị mất. Để tránh tình trạng này các PLC đều được trang bị một pin khô, có khả năng cung cấp năng lượng dự trữ cho RAM từ vài tháng đến vài năm.

Trong thực tế RAM được dùng để khởi tạo và kiểm tra chương trình. Khuynh hướng hiện nay dùng CMOS-RAM nhờ khả năng tiêu thụ thấp và tuổi thọ lớn.

EPROM (Electrically Programmable Read Only Memory)

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

Kích thước bộ nhớ

• Các PLC loại nhỏ có thể chứa từ 300 -1.000 dòng lệnh tùy vào công nghệ chế tạo.
• Các PLC loại lớn có kích thước từ 1K – 16K, có khả năng chứa từ 2.000 -16.000 dòng lệnh.

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

Môi trường ghi dữ liệu thứ tư

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

Vị trí của PLC trong hệ thống điều khiển

Trong phần này chúng ta sẽ tìm hiểu về các vị trí tương ứng của PLC cũng như các vị trí của thiết thiết bị liên quan khác nhé. Có thể phần này sẽ cần thiết cho những bạn lần đầu tìm hiểu về loại module này đấy.

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

Các bước để lập trình cơ bản PLC là gì?

Có thể nói là quá sớm để các bạn vừa tìm hiểu có thể tiếp thu được phần này vì chúng ta cần thời gian để học tập. Tuy nhiên vì đây là một bài viết giới thiệu; nên mình cũng sẽ nêu lên từng bước tổng quát nhất và dễ hiểu nhất. Để các bạn có thể nắm kiến thức một cách khách quan nhất nhé.

Cụ thể chúng ta sẽ có 11 bước như sau:

• Bước 1: tìm hiểu kỹ yêu cầu công nghệ trong bước này. Người lập trình phải tìm hiểu kỹ các yêu cầu công nghệ; phải bổ sung được các yêu cầu còn thiếu. Vì trong thực tế khi đặt hàng người đặt hàng chỉ quan tâm đến các yêu cầu chính. Còn các yêu cầu khác để thực hiện được nhiệm vụ chính đặt ra thì thường không được nêu lên.
• Bước 2: liệt kê đầy đủ các cổng vào ra, các cổng dự trữ. Cần thiết khi phát triển hệ thống và chọn PLC có số đầu vào ra lớn hơn hoặc bằng theo yêu cầu.
• Bước 3: phân cổng vào ra cho PLC về nguyên tắc. Nên tuân thủ các nguyên tắc để thuận tiện cho việc lập trình, theo dõi kiểm tra phát hiện lỗi như sau :
  – Phân cổng vào ra theo chức năng yêu cầu: ví dụ đầu vào đếm tốc độ cao, đầu vào Analog, đầu vào logic, phải đúng với các đầu vào chức năng của PLC
  – Phân cổng vào ra có dụng ý: theo tên gọi, hoặc theo trình tự tác động để tận dụng được các khả năng tín hiệu hoá của PLC để có thể dễ theo dõi phát hiện lỗi và dễ lập trình.

• Bước 4: dựng lưu đồ chương trình

• Bước 5: dịch lưu đồ sang giản đồ

• Bước 6: lập trình giản đồ thang vào PLC

• Bước 7: chạy mô phỏng kiểm tra chương trình
  – Phải tạo ra tập tín hiệu thử tương tự thực tế đưa vào đầu vào PLC
  – Xem kết quả đầu ra trên PLC và trên phần mềm mô phỏng. So sánh với lý thuyết.
  Nếu chương trình sai thì ta sửa chương trình và quay lại bước 7
  Nếu chương trình đúng ta tiếp tục sang bước 8

• Bước 8: kết nối PLC với thiết bị thực.
• Bước 9: phải kiểm tra chắc chắn phần ghép nối theo đúng sơ đồ nguyên lý, đảm bảo phần nguồn cấp được thực hiện đúng đảm bảo chắc chắn điện áp nguồn cấp phải đúng với sơ đồ nguyên lý, yêu cầu để đảm bảo không gây nguy hiểm cho thiết bị.
• Bước 10: chạy toàn bộ hệ thống theo các bước sau:
  – Đảm bảo chắc chắn hệ thống nối đúng
  – Đảm bảo chắc chắn hệ thống cơ khí, 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 bước 10
  Nếu chương trình đúng thì ta sang bước 11
• Bước 11: bàn giao và lưu trữ chương trình.

Các phương thức điều khiển chính của PLC là gì?

Điều khiển logic

• Thời gian, đếm
• Chức năng điều khiển rơ le
• Điều khiển tự động, bán tự động, bằng tay các máy và các quá trình
• Thay 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 lưu lượng…
• Điều khiển động cơ chấp hành, động cơ bước
• Điều khiển biến tần
• Điều khiển động cơ chấp hành, động cơ bước
• Khối đầu vào thêm các khâu cảm biến tương tự (analog), chiết áp…
• Khối đầu ra có thêm các thiết bị tương tự như biến tần, động cơ Servo, động cơ bước…
• Khối điều khiển thêm các khâu biến đổi A/D, D/A…
• Thực hiện các phép toán số học và logic

Điều khiển tổng thể

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

Các ưu nhược điểm của PLC là gì?

Bất cứ một loại thiết bị nào khi đưa vào sử dụng cũng đều có ưu và nhược điểm cả và PLC cũng là một trong số đó. Sau đây mình xin liệt kê một số ưu nhược điểm để các bạn có thể tham khảo cũng như cân nhắc trước khi sử dụng và chọn mua nhé.

Ưu điểm:

• Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn, thích hợp để lập trình cho nhiều ứng dụng khác nhau.
• Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản, sửa chữa và thay thế
• Độ tin cậy cao, chuẩn hóa được thiết bị.
• 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
• Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp.
• Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị khác.
• Sử dụng tốt trong các loại môi trường như nhiệt độ, độ ẩm cao, dòng điện dao động,…

Nhược điểm

• Giá thành phần cứng cao: Vì đây là một thiết bị công nghệ cao, tự động hóa cao nên giá trị sẽ cao hơn nhiều so với các lại thiết bị rơ le ON/OFF thông thường. Tuy nhiên hiện tại giá thành PLC đã giảm đáng kể như các dòng PLC Mitsubishi hoặc PLC Delta.
• Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn cao: hầu hết những người sử dụng được PLC phải được đào tạo rất bài bản. Họ phải được trang bị các kiến thức liên quan đến từng loại PLC của từng hãng khác nhau. Bởi vì mỗi hãng sẽ có phần mềm lập trình riêng nên để đào tạo thì cần một khoảng thời gian để có thể đảm nhiệm được công việc này. Nếu chuyên môn không cao sẽ dẫn dên lập trình sai, gây hư hỏng và tổn thất trang thiết bị và xảy ra các sự cố đáng tiếc.
• Một số hãng phải mua thêm phần mềm để lập trình: thật vậy, các loại PLC sẽ được hãng thiết kế riêng chính vì thế chúng sẽ có sự khác biệt trong khâu lập trình hệ thống. Một số hãng sẽ kèm theo phần mềm, tuy nhiên cũng sẽ có một số hãng bán kèm để chúng ta sử dụng.

Ứng dụng thực tế hiện nay của PLC là gì?

Khi nói đến ứng dụng của PLC hiện nay thì mình có thể trả lời rằng chúng rất phổ biến trong công nghiệp cũng như đời sống. Những loại máy móc nhỏ như đóng gói, băng tải cũng có thể sử dụng một số dòng PLC kinh tế có in/out ít, thiết kế nhỏ gọn với giá thành rất cạnh tranh. Đặc điểm chính của những loại PLC này đó chính là tích hợp đầy đủ các tính năng cần thiết để linh hoạt sử dụng cho nhiều ứng dụng cơ bản.

Đối với những hệ thống lớn cần có bộ điều khiển phức tạp như dây chuyền xử lý nước thải; nhà máy xi măng thì có những dòng PLC thiết kế dạng module. Tùy theo nhu cầu mà có thể sử dụng nhiều loại module khác nhau. Khi sử dụng loại này thì chúng ta phải tính toán loại CPU chính cũng như số lượng in/out; module analog, truyền thông để có thể đáp ứng đúng và đủ yêu cầu kỹ thuật của dự án.

Một số ứng dụng khác trong đời sống và công việc như PLC có thể ứng dụng cho rất nhiều hệ thống đèn giao thông, nhà thông minh. Đặc biệt trong sự phát triển của nền nông nghiệp thì PLC đã và sẽ ứng dụng nhiều để giúp hiện đại hóa; quá trình sản xuất nông nghiệp ở của nước ta hiện nay.

Các loại PLC thường dùng hiện nay

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều hãng sản xuất PLC. Mỗi hãng lại có nhiều dòng khác nhau. Chính vì vậy mà bạn sẽ rất mơ hồ khi quyết định tìm hiểu về một dòng PLC nào đó.

Tuy nhiên thì với thị hiếu mua hàng chúng ta sẽ thường hướng đến những sản phẩm của những hãng được sử dụng phổ biến; dễ sử dụng đúng không nào. Và trong phần này mình sẽ giới thiệu đến các bạn một số dòng như sau:

Ví dụ:

Đầu tiên là phải kể đến có là PLC đến từ hãng Siemens của Đức. Với các dòng mới hiện nay là s7-1200 s7-1500 thay thế cho một số dòng cũ là s7-200 và s7-300.

Nói đến PLC siemens là phải nói đến giá cả cao và phần mềm lập trình rất nặng. Tuy nhiên bù lại độ ổn định cao cũng như hỗ trợ của hãng cũng như cộng đồng người sử dụng nhiều. Các PLC của Siemens thường ứng dụng nhiều cho máy móc cao cấp hoặc hệ thống tự động hóa lớn. Nguyên nhân quan trọng khiến tại Việt Nam nhiều người dùng Siemens; đó là do hãng xâm nhập vào thị trường Việt Nam tương đối sớm.

Một hãng PLC khác cũng khá phổ biến đó chính là Mitsubishi của Nhật Bản. Một số dòng đang phổ biến hiện nay của mitsu như fx-3u fx-5u hay fx-3g thay thế cho một số dòng cũ như fx-1n và fx2n.

PLC của Mitsu thì có giá thành mềm hơn có thể ứng dụng cho một số loại máy móc công cụ hoạt động độc lập. Sự phổ biến của plc mitsu tại Việt Nam là do theo máy nhập về từ Nhật rất nhiều.

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

Lời kết

Trên đây là một số thông tin và kiến thức cơ bản về PLC là gì? Hy vọng nó sẽ cần thiết cho những bạn đang cần tìm hiểu. Vì là kiến thức cá nhân và thu thập được trên các trang mạng. Nên không thể tránh khỏi sai sót, rất mong được sự đóng góp của các bạn để bài viết được hoàn hảo hơn.

Đây là bài viết chia sẻ kiến thức, bên mình không kinh doanh mặt hàng này. Xin cám ơn !