Bộ điều khiển PLC (điều khiển logic)

1/ PLC là gì?

Bộ điều khiển logic khả lập trình (PLC) là một dạng máy tính công nghiệp giám sát đầu vào và đầu ra và đưa ra các quyết định dựa trên logic cho các quy trình tự động hoặc điều khiển máy móc.

plc là gì
Hình ảnh trên là rack PLC Allen-Bradley, một ví dụ phổ biến về cách lắp đặt PLC bao gồm CPU, đầu vào tương tự, đầu ra tương tự và đầu ra DC

PLC được giới thiệu vào cuối những năm 1960 bởi nhà phát minh Richard Morley nhằm thực hiện các chức năng tương tự như hệ thống logic rơle. Hệ thống rơ le vào thời điểm đó có xu hướng dễ gây lỗi và tạo ra sự chậm trễ. Các kỹ thuật viên đã phải cẩn thận sửa lỗi cả một dãy hàng loạt rơ le để khắc phục sự cố.

Khả năng hoạt động của PLC rất mạnh mẽ và có thể tồn tại trong các điều kiện khắc nghiệt bao gồm nhiệt độ cao, lạnh, bụi và độ ẩm khắc nghiệt. Ngôn ngữ lập trình rất dễ hiểu, vì vậy nó có thể được lập trình dễ dàng mà không có nhiều khó khăn. PLC có dạng mô-đun nên chúng có thể được cắm vào các thiết lập khác nhau. Rơle chuyển mạch dưới tải có thể gây ra phóng điện không mong muốn giữa các tiếp điểm. Hồ quang tạo ra nhiệt độ cao làm đóng các tiếp điểm của mối hàn và gây ra sự suy giảm chất lượng của các tiếp điểm trong rơle, dẫn đến hỏng hóc thiết bị. Việc thay thế rơ le bằng PLC giúp ngăn chặn các tiếp điểm quá nóng và hoạt động sai lệch.

Tuy nhiên, PLC cũng có những nhược điểm. Chúng không hoạt động tốt khi yêu cầu phải xử lý dữ liệu phức tạp. Khi xử lý dữ liệu yêu cầu C ++ hoặc Visual Basic, máy tính là bộ điều khiển được ưu tiên lựa chọn. PLC cũng không thể hiển thị trực quan dữ liệu nên thường phải có màn hình ngoài.

 

2/ Các phần cứng của một PLC

Bộ xử lý trung tâm (CPU) đóng vai trò là bộ não của PLC. Nó là một bộ vi xử lý 16 hoặc 32 bit bao gồm một chip nhớ và các mạch tích hợp để điều khiển logic, giám sát và giao tiếp. CPU chỉ đạo PLC thực hiện các lệnh điều khiển, giao tiếp với các thiết bị khác, thực hiện các phép toán logic và số học cũng như thực hiện chẩn đoán nội bộ. CPU chạy các quy trình bộ nhớ, liên tục kiểm tra PLC (bộ điều khiển PLC là dự phòng) để tránh lỗi lập trình và đảm bảo bộ nhớ không bị hỏng.

hệ thống PLC
PLC hoạt động với các đầu vào, đầu ra, nguồn điện và các thiết bị lập trình bên ngoài.

Bộ nhớ cung cấp khả năng lưu trữ vĩnh viễn cho hệ điều hành đối với dữ liệu được CPU sử dụng. Bộ nhớ chỉ đọc (ROM) của hệ thống lưu trữ dữ liệu vĩnh viễn cho hệ điều hành, bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) lưu trữ thông tin trạng thái cho các thiết bị đầu vào và đầu ra, cùng với các giá trị cho bộ hẹn giờ, bộ đếm và thiết bị nội bộ. PLC yêu cầu một thiết bị lập trình, máy tính hoặc bảng điều khiển, để tải dữ liệu lên CPU.

chu kỳ vận hành của 1 plc
Một chu kỳ hoạt động của CPU bao gồm các bước sau: a) bắt đầu quét; b) kiểm tra nội bộ; c) quét đầu vào; d) thực hiện logic chương trình; và e) cập nhật kết quả đầu ra. Chương trình lặp lại với các đầu ra được cập nhật.

PLC đọc tín hiệu từ các cảm biến và thiết bị đầu vào khác nhau. Các thiết bị đầu vào này có thể là bàn phím, công tắc hoặc cảm biến. Đầu vào có thể ở dạng kỹ thuật số (digital) hoặc tương tự (analog). Robot và hệ thống trực quan là những thiết bị thông minh có thể gửi tín hiệu đến các mô-đun đầu vào PLC. Các thiết bị đầu ra như động cơ và van điện từ hoàn thiện hệ thống tự động.

dữ liệu input plc
Hình trên mô tả các đầu vào phổ biến trong PLC, bao gồm các nút nhấn và công tắc. Các kết nối đầu ra được hiển thị trong hình dưới và bao gồm đầu ra tín hiệu (SOL – Signal Out Line), đèn báo hiệu (PL – Pilot Light) và đánh lửa động cơ (MI – Motor Ignition).

Hình trên mô tả các đầu vào phổ biến trong PLC, bao gồm các nút nhấn và công tắc. Các kết nối đầu ra được hiển thị trong hình dưới và bao gồm đầu ra tín hiệu (SOL – Signal Out Line), đèn báo hiệu (PL – Pilot Light) và đánh lửa động cơ (MI – Motor Ignition).

“Sinking” và “sourcing” là hai thuật ngữ quan trọng khi nói về kết nối đầu vào và đầu ra của PLC. “Sinking” – đấu chìm là đấu qua đường nối đất chung (-) và “sourcing” – đấu nguồn là đấu quá đường VCC chung (+). VCC là viết tắt của điểm kết nối điện áp cung cấp tích cực. Sinking và sourcing chỉ dẫn điện theo một hướng. Mỗi đầu vào có dòng hồi tín hiệu riêng và một số đầu vào kết nối với một dòng trả về thay vì một số dòng trả về riêng biệt. Những dòng chung này được gắn nhãn “COMM.” Đầu ra của cảm biến đánh dấu kích thước của tín hiệu đã cho.

Mô-đun đầu vào dòng điện một chiều (DC) kết nối với các thiết bị loại bóng bán dẫn sink hoặc source. Mô-đun đầu vào dòng điện xoay chiều (AC) ít phổ biến hơn đầu vào DC vì hầu hết các cảm biến đều có đầu ra là transistor, vì vậy nếu hệ thống sử dụng đầu vào cảm biến, nó rất có thể sẽ là DC; Đầu vào AC mất nhiều thời gian hơn để PLC có thể phân tích và hiểu so với đầu vào DC. Một đầu vào xoay chiều điển hình là một công tắc cơ học được sử dụng cho các ổ đĩa cơ học chậm.

Rơ le là một trong những dạng kết nối đầu ra phổ biến nhất. Một rơle có thể chuyển đổi các mô-đun xoay chiều hoặc một chiều vì chúng không phân cực. Một rơ le chạy chậm, chuyển mạch và chờ ở tốc độ từ 5 đến 50 mili giây (ms), nhưng có thể tải dòng điện lớn. Ví dụ, một rơ le có thể được sử dụng cho pin điện áp thấp để chuyển mạch chính xoay chiều 230 volt. Kết nối sử dụng transistor – bóng bán dẫn nhanh hơn rơ le và có tuổi thọ cao. Các transistor chuyển đổi một dòng điện nhỏ, nhưng chỉ hoạt động với điện một chiều. Một ví dụ về bóng bán dẫn công suất cao có dòng điện 15 ampe với điện áp tối đa là 60V. Kết nối đầu ra triac (triode cho dòng điện xoay chiều) chỉ điều khiển tải xoay chiều. Giống như bóng bán dẫn, triac nhanh hơn và xử lý tải xoay chiều lớn. Ví dụ, một đầu ra triac có thể xử lý điện áp từ 500 đến 800 với dòng điện 12 amps.

 

3/ Ngôn ngữ lập trình PLC

Có 5 ngôn ngữ lập trình được sử dụng trong PLC. Chúng được định nghĩa theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 61131. Logic ladder – bậc thang là một trong những ngôn ngữ PLC thông dụng nhất. Trong đó, các ký hiệu đại diện cho các rơle đóng mở, bộ đếm, bộ định thời, thanh ghi dịch và các phép toán. Các ký hiệu được sắp xếp thành chu trình hoạt động chương trình mong muốn. Các quy tắc trong logic bậc thang được gọi là “bậc thang”. Mỗi bậc thang có một đầu ra duy nhất, nhưng có thể tìm thấy một đầu vào duy nhất ở nhiều bậc thang.

logic bậc thang
Logic bậc thang có thể được quét bởi PLC ở các định dạng ngang (bắt đầu từ trái sang phải ở góc trên bên trái và tiến dần đến dòng tiếp theo) hoặc ở các định dạng dọc (từng cột bắt đầu ở góc trên bên trái). | | là các công tắc While() là lệnh hành động.

Một ngôn ngữ lập trình khác là sơ đồ khối chức năng (FBD – function block diagram). Nó mô tả các chức năng giữa các biến đầu vào và đầu ra. Hàm, được biểu diễn bằng các khối, kết nối các biến đầu vào và đầu ra. FBD hữu ích trong việc mô tả các thuật toán và logic từ các hệ thống điều khiển được kết nối với nhau.

Văn bản có cấu trúc (ST – Structured Text) là một ngôn ngữ bậc cao sử dụng các lệnh câu. Trong ST, người lập trình có thể sử dụng câu lệnh “if / then / else”, “SQRT” hoặc “repeat / Until” để tạo chương trình.

Danh sách lệnh (IL – Instruction List) là một ngôn ngữ cấp thấp với các hàm và biến được xác định bởi một danh sách đơn giản. Điều khiển chương trình được thực hiện bằng các lệnh nhảy và các quy trình con với các tham số tùy chọn.

Ngôn ngữ biểu đồ chức năng tuần tự (SFC – Sequential Function Chart) là một phương pháp lập trình các hệ thống điều khiển phức tạp. Nó sử dụng các khối xây dựng cơ bản chạy các quy trình con của riêng chúng. Các tệp chương trình được viết bằng các ngôn ngữ lập trình khác. SFC chia các tác vụ lập trình lớn và phức tạp thành các tác vụ nhỏ hơn và dễ quản lý hơn.

biểu đồ
Biểu đồ chức năng sử dụng các thành phần thể hiện các chương trình và nhận dữ liệu input từ các cổng vào bên trái. Cổng bên phải thể hiện kết quả output

4/ Giao tiếp với PLC

RS-232 là phương pháp phổ biến nhất mà PLC sử dụng để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài. Nó là một tiêu chuẩn giao tiếp nối tiếp sử dụng mã nhị phân để truyền dữ liệu ở định dạng American Standard Code of Information Interchange (ASCII). ASCII dịch các chữ cái và số thành mã nhị phân mà máy tính có thể đọc được. ASCII là mã 7 bit (một bit là “1” hoặc “0”), khi được dịch, kết quả là 128 ký tự. Các cổng nối tiếp PLC truyền và nhận dữ liệu dưới dạng điện áp. PLC có thể là thiết bị đầu cuối dữ liệu (DTE – Data Terminal Equipment) hoặc thiết bị truyền thông dữ liệu (DCE – Data Communications Equipment). Ví dụ, một DTE có thể là một máy tính, trong khi một modem là một DCE. Thông thường, PLC là DTE và thiết bị bên ngoài là DCE. Khi PLC và thiết bị bên ngoài được kết nối với nó là cùng một thiết bị (tức là DTE / DTE hoặc DCE / DCE), chúng không thể giao tiếp với nhau và phải sử dụng kết nối null-modem.

giao tiếp PLC

Trong truyền thông nối tiếp, dữ liệu được truyền từng bit một. Dữ liệu được tách thành các bit đơn vị tạo nên dữ liệu để truyền và được tập hợp lại khi được thiết bị bên ngoài nhận. Một “bit bắt đầu” (start bit) là tín hiệu ban đầu được gửi và đi trước bất kỳ bit giao tiếp nào khác. Nó được coi là “không gian” hoặc điện áp âm. “Bit dừng” (stop bit), mã cuối cùng được gửi, được hiểu là “Dấu” hoặc điện áp dương.

Tám bit tạo thành một byte và PLC được định hướng theo byte. ASCII là một mã bảy bit, do đó, bit thứ tám (hoặc “byte chẵn lẻ”) sẽ kiểm tra xem dữ liệu có bị hỏng hay không. Các dạng chẵn lẻ phổ biến bao gồm chẵn (1) hoặc lẻ (0). Tổng số 1 trong byte cộng lại thành một số chẵn hoặc lẻ. Thiết bị gửi xác định xem giao tiếp là chẵn hay lẻ và thiết bị nhận sẽ so sánh kết quả của chẵn lẻ với bit thứ tám để đảm bảo chúng khớp nhau. Nếu một thiết bị truyền 1001101 và tính nó là một giá trị lẻ, nó sẽ thêm 1 vào bit thứ tám và gửi 10011011. Người nhận quyết định bit là lẻ và xác minh tổng số lẻ của 1 ký tự.

Tốc độ truyền là số bit mỗi giây được truyền từ DTE đến DCE. Giao thức truyền thông RS232 sẽ xuất hiện dưới dạng tốc độ truyền, bit dữ liệu và bit dừng chẵn lẻ. Ví dụ, chuỗi 9600-8-1-1 chuyển thành tốc độ truyền 9600, 8 bit dữ liệu, 1 cho chẵn lẻ và 1 bit dừng để kết thúc quá trình truyền.

Phần mềm bắt tay (handshake) đảm bảo các thiết bị sẵn sàng gửi và nhận dữ liệu. Bộ thu sẽ gửi ký tự XOFF khi nó muốn bộ phát tạm dừng gửi dữ liệu. Nó gửi ký tự XON khi nó sẵn sàng nhận lại dữ liệu. XOFF đôi khi được gọi là ký tự giữ lại và XON là ký tự giải phóng.

Dấu phân tách được thêm vào cuối tin nhắn để thông báo cho bộ thu xử lý dữ liệu vừa nhận được. Dấu phân cách phổ biến nhất là “ký tự xuống dòng” (CR – Carriage Return). PLC hoặc thiết bị bên ngoài nhận dấu phân cách và lấy dữ liệu từ bộ đệm của nó. Bộ đệm tạm thời lưu trữ dữ liệu trước khi nó được xử lý. Nguồn cấp dữ liệu dòng (LF – Line Feed) đôi khi được gửi với ký tự CR. Nếu được xem trên máy tính, trang sẽ di chuyển xuống một dòng để bắt đầu một dòng giao tiếp mới.

5/ Tiêu chí lựa chọn PLC

Lựa chọn PLC
Việc lựa chọn PLC chính xác sẽ phụ thuộc vào nhu cầu và quy mô của hệ thống tự động hóa. Trên đây là các ví dụ về các PLC khác nhau với các tùy chọn đầu vào, đầu ra và hiển thị khác nhau.

Có một số yêu cầu cần lưu ý khi chọn PLC. Hệ thống được đề xuất là hệ thống mới hay dựa trên hệ thống hiện tại? Dù bằng cách nào, hãy đảm bảo bộ điều khiển hoạt động giao tiếp hoàn hảo với các phần cứng.

Điều kiện môi trường sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của PLC. Các bộ điều khiển điển hình hoạt động ở nhiệt độ từ 0 đến 55 ° C (32 ° -130 ° F). Số lượng thiết bị rời (thiết bị logic Bật / Tắt) và thiết bị tương tự xác định số lượng kết nối I / O mà PLC sẽ cần. Nếu các thiết bị rời rạc là AC hoặc DC, hãy xác định xem PLC có thể hỗ trợ tín hiệu yêu cầu hay không.

Việc xác định yêu cầu của CPU là rất quan trọng để tính toán dung lượng RAM cần thiết cho thao tác và lưu trữ dữ liệu. Bộ đếm và bộ định thời sử dụng RAM để lưu trữ các điểm đặt, giá trị hiện tại và các cờ bên trong khác. Nếu dữ liệu phải được lưu trữ trong thời gian dài, bộ nhớ CPU phải có kích thước phù hợp.

Bộ nhớ chương trình hoặc ROM lưu trữ các chương trình điều khiển. Thiết bị analog thường yêu cầu bộ nhớ 25 từ (word) cho mỗi thiết bị. Ví dụ như đồng hồ đo điện áp, dòng điện và nhiệt độ hoặc cảm biến. Các ứng dụng đơn giản và tuần tự thường yêu cầu 5 từ bộ nhớ trên mỗi thiết bị I / O. Các ứng dụng phức tạp không thể đoán trước được và cần nhiều không gian bộ nhớ chương trình hơn.

Phần cứng I / O dựa trên kết nối nối tiếp và Ethernet là những lựa chọn điển hình cho các kết nối từ xa. Các thiết bị từ xa là cần thiết khi PLC được đặt riêng biệt. Kết nối nối tiếp có khoảng cách tối đa là 50 feet trong khi kết nối Ethernet có thể đạt đến tối đa 328 feet. Các thiết bị từ xa này được gọi là I / O phân tán. Cuối cùng, hãy chắc chắn rằng PLC hiểu các lệnh chương trình. Một số PLC đi kèm với các hàm đạo hàm tích phân tỷ lệ giúp loại bỏ nhu cầu của các kỹ sư viết code để điều khiển quy trình vòng kín.

Bài viết liên quan