Giới thiệu chung về PLC
1.1.1 PLC là gì?
PLC (programmable Logic Controller) là thiết bị có thể lập trình được, được thiết kế chuyên dùng trong công nghiệp để điều khiển các tiến trình xử lý từ đơn giản đến phức tạp. Tùy thuộc vào người điều khiển, PLC có thể thực hiện một loạt các chương trình hoặc một sự kiện, sự kiện này được kích hoạt bởi các tác nhân kích thích (ngõ vào) hoặc qua các bộ định thời (Timer) hay các sự kiện đếm qua bộ đếm. Khi một sự kiện được kích thích, PLC sẽ bật ON, OFF hoặc phát một chuỗi xung ra các thiết bị bên ngoài được gắn vào ngõ ra. Việc thay đổi chương trình được cài đặt bên trong PLC cho phép thực hiện các chức năng khác nhau trong các môi trường điều khiển khác nhau.
1.1.2 Đặc điểm bộ điều khiển lập trình
Nhu cầu về bộ điều khiển dễ sử dụng, linh hoạt và có giá thành thấp đã thúc đẩy sự phát triển của hệ thống điều khiển lập trình (Programmable-Control System). Bộ điều khiển lập trình PLC được thiết kế nhằm thay thế phương pháp điều khiển truyền thống dùng Role và thiết bị rời cồng kềnh, tạo ra khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và linh hoạt dựa trên các lệnh logic cơ bản. PLC còn có thể thực hiện các tác vụ khác như định thời, đếm, các lệnh tính toán số học, xử lý dữ liệu trên mạng, làm tăng khả năng điều khiển cho các hoạt động phức tạp.
Hoạt động của PLC là kiểm tra trạng thái tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện logic đã lập trình và kích tín hiệu điều khiển ra các thiết bị bên ngoài. Các mạch giao tiếp chuẩn ở khối đầu vào và đầu ra của PLC cho phép kết nối trực tiếp đến cơ cấu tác động (Actuators) có công suất nhỏ ở đầu ra và các mạch chuyển đổi tín hiệu (Transducer) ở ngõ vào. Tuy nhiên, cần có mạch điện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển các thiết bị có công suất lớn.
Việc sử dụng PLC cho phép hiệu chỉnh hệ thống mà không cần thay đổi kết nối dây, chỉ cần thay đổi chương trình điều khiển bên trong bộ nhớ. Thời gian lắp đặt và đưa vào hoạt động cũng nhanh hơn so với hệ thống điều khiển truyền thống.
1.1.3 Khái niệm cơ bản
Bộ điều khiển lập trình là ý tưởng của một nhóm kỹ sư hãng General Motors vào năm 1968, với các chỉ tiêu kỹ thuật đáp ứng yêu cầu điều khiển trong công nghiệp. Các bộ điều khiển lập trình có các đặc điểm nổi bật như:
- Dễ lập trình và thay đổi chương trình điều khiển.
- Cấu trúc dạng module dễ dàng bảo trì và sửa chữa.
- Độ tin cậy cao trong môi trường công nghiệp.
- Kích thước nhỏ gọn hơn mạch role chức năng tương đương.
- Giá thành cạnh tranh.
Những yêu cầu này đã thúc đẩy nghiên cứu về khả năng ứng dụng của PLC trong công nghiệp, bao gồm các lệnh logic, định thời, đếm, xử lý toán học, xử lý dữ liệu và xử lý xung tốc độ cao.
1.2 Cấu trúc và hoạt động của một PLC
1.2.1 Cấu trúc
Một hệ thống lập trình cơ bản gồm hai phần: khối xử lý trung tâm (CPU) và hệ thống giao tiếp vào/ra. Thiết bị đầu vào là các thiết bị tạo tín hiệu điều khiển (nút ấn, cảm biến). Input, Output là các cổng nối phía đầu vào ra của PLC. Cơ cấu chấp hành là các thiết bị được điều khiển (chuông, đèn, động cơ). Chương trình điều khiển định ra quy luật thay đổi tín hiệu Output đầu ra theo tín hiệu Input đầu vào.
1.2.2 Hoạt động của một PLC
Hoạt động của PLC khá đơn giản: hệ thống các cổng vào/ra nhận tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi vào CPU. CPU xử lý tín hiệu và đưa tín hiệu điều khiển qua ngõ ra xuất ra các thiết bị được điều khiển. Quá trình này bao gồm các bước: đọc tín hiệu ở ngõ vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội bộ, tự kiểm tra lỗi và gửi cập nhật tín hiệu ngõ ra. Chu kỳ này được gọi là chu kỳ quét (Scanning).
1.3 Phân loại
1.3.1 Phân loại theo hãng sản xuất
Trên thế giới có nhiều hãng sản xuất PLC nổi tiếng như: Mitsubishi, Siemens, Omron, Idec, Fuji.
1.3.2 Phân loại theo số lượng cổng vào ra và dung lượng bộ nhớ
- Loại 1: micro PLC: Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất nhỏ, điều khiển thiết bị đơn lẻ. Có 32 ngõ vào/ra, sử dụng vi xử lý 8 bit, bộ nhớ 1k.
- Loại 2: PLC cỡ nhỏ: Sử dụng trong các hệ thống nhỏ, điều khiển động cơ, dây chuyền sản xuất nhỏ.
- Loại 3: PLC cỡ trung bình: Điều khiển tín hiệu tương tự, xuất nhập dữ liệu, ứng dụng thuật toán.
1.4 Ưu, nhược điểm và ứng dụng của PLC
1.4.1 Ưu điểm
- Giảm đến 80% số lượng dây nối.
- Công suất tiêu thụ thấp.
- Khả năng tự chuẩn đoán, sửa chữa nhanh chóng, dễ dàng.
- Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng mà không cần nâng cấp phần cứng.
- Giảm thiểu số lượng rơle và timer so với hệ điều khiển cổ điển.
- Không hạn chế số lượng tiếp điểm sử dụng trong chương trình.
- Thời gian hoàn thành chu trình điều khiển nhanh, tăng tốc độ và năng suất.
- Chương trình điều khiển có thể in ra giấy thuận tiện cho bảo trì.
- Chức năng lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu.
- Kích thước nhỏ gọn, dễ bảo quản, sửa chữa.
- Dung lượng chương trình lớn.
- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.
- Dễ dàng kết nối với các thiết bị thông minh khác.
- Độ tin cậy cao.
- Giá bán cạnh tranh.
1.4.2 Nhược điểm
- Giá thành cao (phần cứng và phần mềm).
- Đòi hỏi người sử dụng phải có chuyên môn.
1.4.3 Ứng dụng
- Hệ thống nâng hạ vận chuyển.
- Dây chuyền đóng gói.
- Robot lắp ráp sản phẩm.
- Dây chuyền xử lý hóa học, sản xuất thủy tinh, xi măng, chế biến thực phẩm.
- Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn, lắp ráp Tivi.
- Điều khiển hệ thống đèn giao thông.
- Quản lý tự động bãi đậu xe.
- Hệ thống báo động.
- Dây chuyền may công nghiệp.