Cấu trúc và nguyên lý làm việc của PLC

Cấu trúc chung




PLC là thiết bị điều khiển logic khả trình (Program Logic
Control), là loại thiết bị cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều
khiển số thông qua 1 ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán
đó bằng mạch số.


Cũng như các thiết bị lập trình khác, hệ thống lập trình
cơ bản của PLC bao gồm 2 phần: khối xử lý trung tâm (CPU) và hệ thống giao tiếp
vào/ra (I/O) như sơ đồ khối:

Khối xử lý trung tâm:




Là một vi xử lý điều khiển tất cả các hoạt động của PLC
như: Thực hiện chương trình, xử lý vào/ra và truyền thông với các thiết bị bên
ngoài.

Bộ nhớ




Có nhiều các bộ nhớ khác nhau dùng để chứa chương trình
hệ thống là một phần mềm điều khiển các hoạt động của hệ thống, sơ đồ LAD, trị
số của Timer, Counter được chứa trong vùng nhớ ứng dụng, tùy theo yêu cầu của
người dùng có thể chọn các bộ nhớ khác nhau:


1. Bộ nhớ ROM: là loại bộ nhớ không thay đổi được,
bộ nhớ này chỉ nạp được một lần nên ít được sử dụng phổ biến như các loại bộ
nhớ khác.


2. Bộ nhớ RAM: là loại bộ nhớ có thể thay đổi được
và dùng để chứa các chương trình ứng dụng cũng như dữ liệu, dử liệu chứa trong
Ram sẽ bị mất khi mất điện. Tuy nhiên, điều này có thể khắc phục bằng cách dùng
Pin.


3. Bộ nhớ EPROM: Giống như ROM, nguồn nuôi cho EPROM
không cần dùng Pin, tuy nhiên nội dung chứa trong nó có thể xoá bằng cách chiếu
tia cực tím vào một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó nạp lại nội dung bằng máy nạp.


4. Bộ nhớ EEPROM: kết hợp hai ưu điểm của RAM và EPROM,
loại này có thể xóa và nạp bằng tín hiệu điện. Tuy nhiên số lần nạp cũng có
giới hạn.


Một PLC có đầy đủ các chức năng như: bộ đếm, bộ định
thời, các thanh ghi (registers) và tập lệnh cho phép thực hiện các yêu cầu điều
khiển phức tạp khác nhau. Hoạt động của PLC hoàn toàn phụ thuộc vào chương
trình nằm trong bộ nhớ, nó luôn cập nhật tín hiệu ngõ vào, xử lý tín hiệu để
điều khiển ngõ ra.


Để đánh giá một bộ PLC người ta dựa vào 2 tiêu chuẩn
chính: Dung lượng bộ nhớ và số tiếp điểm vào/ra của nó. Bên cạnh đó cũng cần
chú ý đến các chức năng như: Bộ vi xử lý, chu kỳ xung clock, ngôn ngữ lập
trình, khả năng mở rộng số cổng vào/ra.


Bên cạnh đó, một bộ PLC hoàn chỉnh còn đi kèm 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, 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, RS458,…


Trong hệ thống điều khiển PLC các phần tử nhập tín hiệu
như: chuyển mạch, nút ấn, cảm biến, ... được nối với đầu vào của thiết bị PLC.
Các phần tử chấp hành như: đèn báo, rơ le, công tắc tơ,... được nối đến lối ra
của PLC tại các đầu nối.


Chương trình điều khiển PLC được soạn thảo dưới các dạng
cơ bản (sẽ được trình bày ở phần sau) sẽ được nạp vào bộ nhớ bên trong PLC, sau
đó tự động thực hiện tuần tự theo một chuỗi lệnh điều khiển được xác định trước.


Hệ còn cho phép công nhân vận hành thao tác bằng tay
các tiếp điểm, nút dừng khẩn cấp để đảm bảo tính an toàn trong các trường hợp xảy
ra sự cố.


PLC được xem như trái tim trong một hệ thống điều khiển
tự động đơn lẻ với chương trình điều khiển được chứa trong bộ nhớ của PLC, PLC
thường xuyên kiểm tra trạng thái của hệ thống thông qua các tín hiệu hồi tiếp
từ thiết bị vào để từ đó có thể đưa ra những tín hiệu điều khiển tương ứng đến
các thiết bị ra.


PLC có thể được sử dụng cho những yêu cầu điều khiển
đơn giản và được lập đi lập lại theo chu kỳ, hoặc liên kết với máy tính chủ
khác hoặc máy tính chủ thông qua một kiểu hệ thống mạng truyền thông để thực
hiện các quá trình xử lý phức tạp.

Tín hiệu vào




Mức độ thông minh của một hệ thống điều khiển phụ thuộc
chủ yếu vào khả năng của PLC để đọc được các dữ liệu khác nhau từ các cảm biến
cũng như bằng các thiết bị nhập bằng tay.


Tiêu biểu cho các thiết bị nhập bằng tay như: nút
ấn, bàn phím và chuyển mạch. Mặt khác, để đo, kiểm tra chuyển động, áp suất,
lưu lượng chất lỏng ,... PLC phải nhận các tín hiệu từ các cảm biến. Ví dụ:
tiếp điểm hành trình, cảm biến quang điện,...tín hiệu đưa vào PLC có thể là tín
hiệu số (digital) hoặc tín hiệu tương tự (analog), các tín hiệu này được giao
tiếp với PLC thông qua các modul nhận tín hiệu vào khác nhau khác nhau DI
(Digital Input) hoặc AI (Analog Input),....

Đối tượng điều khiển




Một hệ thống điều khiển sẽ không có ý nghĩa thực tế nếu
không giao tiếp được với thiết bị ngoài, các thiết bị ngoài thông dụng như: môtơ,
van, rơle, đèn báo, chuông điện,...cũng giống như thiết bị vào, các thiết bị
ngoài được nối đến các cổng ra của modul ra (output). Các modul ra này có thể là
DO (Digital Output) hoặc AO (ra tương tự).

Nguyên lý làm việc




CPU 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. Các 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.


PLC thực chất chạy bằng mã máy với hệ thống số nhị phân,
do đó tốc độ quét vòng chương trình có thể đạt đến vài phần ngàn giây, các Software
dùng để lập trình PLC tích hợp cả phần biên dịch. Các dòng lệnh khi lập trình
chúng ta đưa từ chương trình vào thì trình biên dịch sẽ chuyển đổi sang mã máy
và ghi từng bit “0” hay bit “1” lên đúng vào vị trí có địa chỉ đã được quy ước
trước trong PLC lên PC được thực thi xảy ra ngược lại và trình biên dịch đã làm
xong nhiệm vụ của mình trước khi trả chương trình lên Monitor..


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


- Address Bus: Bus địa chỉ dùng để truyền địa
chỉ đến các Modul khác nhau.


- Data Bus: Bus dùng để truyền dữ liệu.


- 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 modul 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 cạch đó, 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 địnhthời,
đồng hồ của hệ thống.


* Vòng quét của chương trình:


PLC thực hiện các công việc (bao gồm cả chương trình
điều khiển) theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (scancycle).
Mỗi vòng quét được bắt đàu bằng việc chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng
bộ đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng
quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối
OB1.


Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển
các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng
giai đoạn xử lý các yêu cầu truyền thông (nếu có) và kiểm tra trạng thái của
CPU. Mỗi vòng quét có thể mô tả như sau:


Chú ý: Bộ đệm I và Q không liên quan tới các
cổng vào/ra tương tự nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực
tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua bộ đệm.


Thời gian cần thiết để cho PLC thực hiện được một vòng
quét được gọi là thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố
định, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời
gian như nhau. Có vòng quét được thực hiện lâu, có vòng quét được thực hiện nhanh
tuỳthuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu
truyền thông. Trong vòng quét đó. Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượngđể
xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển đến đối tượng có một khoảngthời
gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét. Nói cách khác, thời gian vòng quét
quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC. Thời gian
vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao.


Nếu sử dụng các khối chương trình đặc biệt có chế độ
ngắt, ví dụ khối OB40, OB80,... Chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện trong
vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại. Các khối chương trình
này có thể thực hiện tại mọi vòng quét chứ không phải bị gò ép là phải ở trong
giai đoạn thực hiện chương trình. Chẳng hạn một tín hiệu báo ngẵt xuất hiện khi
PLC đang ở giai đoạn truyền thông và kiểm tra nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công việc
truyền thông, kiểm tra, để thực hiện ngắt như vậy, thời gian vòng quét sẽ càng
lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện trong vòng quét. Do đó để nâng
cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển, tuyệt đối không nênviết
chương trình xử lý ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt
trong chương trình điều khiển.


Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh
không làm việc trực tiếp với cổng vào/ra mà chỉ thông qua bộ nhớ đệm của cổng
trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đêm ảo với ngoại vi trong giai
đoạn 1 và 3 do hệ điều hành CPU quản lý. Ở một số modul CPU, khi gặp lệnh vào/ra
ngay lập tức hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử
lý ngắt, để thực hiện với cổng vào/ra.

Ưu nhược điểm của PLC trong công nghiệp



Đặc điểm hệ thống điều khiển dùng Rơle




- Tốn kém rất nhiều dây dẫn .


- Thay thế rất phức tạp.


- Cần công nhân sửa chữa tay nghề cao.


- Công suất tiêu thụ lớn .


- Thời gian sửa chữa lâu.


- Khó cập nhật sơ đồ nên gây khó khăn cho công tác bảo
trì cũng như thay


thế.


Tóm lại: Ở những hệ thống relay cũ để điều
khiển đóng ngắt một thiết bị sau khi thực thi tác vụ theo một khoảng thời gian
xác định, chúng ta hay dùng các bộ Timer Controller, khi đếm các sự kiện, sản
phẩm,… chúng ta dùng các bộ Counter Controller có thể là bằng số cơ khí hay
hiển thị bằng Led 7 đoạn, LCD… các giá trị cài đặt được thao tác trên các bộ
controller này, nhưng vấn đề sẽ bắt đầu phức tạp dần khi trong hệ thống cần
nhiều bộ timer hay counter riêng lẻ nhưng phải phối hợp có hệ thống trong một
tác vụ liên tục và không có tính lặp lại, lúc này tủ điều khiển của ta bắt đầu
quá tải về số lượng controller, dây nối điều khiển, cable nguồn bắt đầu tăng lên
và khi hệ thống cần sự thay đổi các tham số trong quá trình điều khiển chúng ta
sẽ tốn rất nhiều công sức để lần lượt thiết lập từng bộ Timer hay Counter. Quá
phức tạp. Chúng ta chưa tính đến khả năng lão hoá các thiết bị, tính chính xác
sẽ từ từ kém đi theo thời gian, chưa tính đến khả năng hư hỏng tức thời của số
lượng thiết bị này sẽ tiều tốn của chúng ta khá nhiều tiền chi cho việc chuẩn đoán
và thay thế và chúng ta còn chưa tính đến số thời gian vô ích khi ngừng hệ thống
không vận hành sản xuất được, có lẽ các sự kiện nêu trên hoàn toàn đúng với
công thức: “Xác suất của số lần hỏng hóc sẽ tăng tỷ lệ thuận với tổng số các thiết
bị có tham gia trong quá trình điều khiển”.

Đặc điểm hệ thống điều khiển dùng PLC




Sự ra đời của hệ điều khiển PLC đã làm thay đổi hẳn hệ
thống điều khiển cũng như các quan niệm thiết kế về chúng, hệ điều khiển dùng PLC
có nhiều ưu điểm như sau:


- Giảm 80% số lượng dây nối.


- Công suất tiêu thụ của PLC rất thấp .


- Có chức năng tự chuẩn đoán do đó giúp cho công tác
sửa chữa được nhanh chóng và dễ dàng.


- Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết
bị lập trình (máy tính, màn hình) mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có
yêu cầu thêm bớt các thiết bị vào, ra.


- Số lượng rơle và timer ít hơn nhiều so với hệ điều
khiển cổ điển.


- Số lượng tiếp điểm trong chương trình sử dụng
không hạn chế.


- Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh
(vài ms) dẫn đến tăng cao tốc độ sản xuất .


- Chương trình điều khiển có thể in ra giấy chỉ
trong vài phút giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì và sửa chữa hệ thống.


- 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.


- Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp.


- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như:
máy tính, nối mạng, các Modul mở rộng.


- Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ.


- Giá cả có thể cạnh tranh được.


Đặc trưng của PLC là khả năng có thể lập trình được,
chỉ số IP ở dải quy định cho phép PLC hoạt động trong môi trường khắc nghiệt công
nghiệp, yếu tố bền vững thích nghi, độ tin cậy, tỉ lệ hư hỏng rất thấp, thay
thế và hiệu chỉnh chương trình dễ dàng, khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi
hay mở rộng số lượng đầu vào nhập và đầu ra xuất được đáp ứng tuỳ nghi trong
khả năng trên có thể xem là các tiêu chí đầu tiên cho chúng ta khi nghĩ đến
thiết kế phần điều khiển trung tâm cho một hệ thống hoạt động tự động.

Ứng dụng của PLC trong công nghiệp




Từ các ưu điểm nêu trên, hiện nay PLC đã được ứng dụng
trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như:


- Hệ thống nâng vận chuyển.


- Dây chuyền đóng gói.


- Các robot lắp giáp sản phẩm .


- Điều khiển bơm.


- Dây chuyền xử lý hoá học.


- Công nghệ sản xuất giấy .


- Dây chuyền sản xuất thuỷ tinh.


- Sản xuất xi măng.


- Công nghệ chế biến thực phẩm.


- Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn.


- Dây chuyền lắp giáp Tivi.


- Điều khiển hệ thống đèn giao thông.


- Quản lý tự động bãi đậu xe.


- Hệ thống báo động.


- Dây chuyền may công nghiệp.


- Điều khiển thang máy.


- Dây chuyền sản xuất xe ôtô.


- Sản xuất vi mạch.


- Kiểm tra quá trình sản xuất .