1. Giới thiệu chung về bộ điều khiển logic khả trình (PLC – Programmable Logic Controller)
Bộ điều khiển logic khả trình PLC là thiết bị điện tử bán dẫn thực hiện các hàm điều khiển logic bằng chương trình thay thế cho các mạch logic kiểu rơ le (tiếp điểm và phi tiếp điểm).
Về bản chất, PLC là hệ vi xử lý được thiết kế tương tự máy tính số, với ngôn ngữ lập trình riêng gần gũi với người xử dụng, được ứng dụng trong các bài toán điều khiển logic. Hạt nhân của hệ là bộ vi xử lý thực hiện các phép tính số học và logic cùng với các thành phần cấu thành hệ như bộ nhớ, các cổng vào / ra,…
Về phạm vi ứng dụng, PLC là thiết bị đặt tại dây chuyền sản xuất, tích hợp với các thành phần của hệ thống điều khiển để thực hiện điều khiển trực tiếp công nghệ một quá trình kỹ thuật. PLC thường làm việc trong môi trườn rất khắc nghiệt (nhiệt độ cao, độ ẩm lớn, thời gian hoạt động liên tục) và gắn liền với người vận hành trực tiếp thiết bị. 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 thân thiện với trình độ người sử dụngVề cơ bản, PLC là thiết bị điều khiển ở hiện trường sản xuất, sát các thiết bị và cơ cấu chấp hành. Tuy nhiên hiện nay các họ PLC hiện đại được tích hợp các tính năng xử lý thông minh, quản lý dữ liệu và mở rộng các chức năng xử lý ngắt. Ngoài chức năng điều khiển, PLC còn đóng vai trò là khâu thu nhập và xử lý dữ liệu trong các hệ SCADA và là một nút trong các hệ điều khiển phân tán (DCS). Vì vậy, với quan điểm hệ thống, PLC là thành phần cơ bản cấu thành hệ điều khiển.
Như mọi thiết bị tính, PLC gồm phần cứng và phần mềm. Phần cứng là các thiết bị vật lý cấu thành hệ gồm: nguồn cung cấp, CPU, module vào/ra và các thiết bị phụ trợ… Các thiết bị vật lý được lắp ghép với nhau tạo thành một cấu hình vật lý của hệ thống. Phền mềm bao gồm hệ điều hành và chương trình ứng dụng. Hệ điều hành do nhà sản xuất cung cấp được cài sẵn trong bộ nhớ cảu PLC. Chương trình ứng dụng do người sử dụng lập bằng ngôn ngữ lập trình của PLC để thực hiện một thuật toán (algorithm) điều khiển xác định. Giữa phần cứng và phần mềm có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Một chương trình ứng dụng chỉ được thiết lập trên cơ sở một cấu hình vật lý cụ thể. Ngược lại, một hệ thống chỉ có thể thực hiện được đúng thuật toán điều khiển nếu chương trình đó được thiết kế phù hợp với cấu hình của nó.
Tính ưu việt của PLC
Việc sử dụng PLC thay thế các bộ điều khiển logic nối dây đem lại các lợi ích căn bản.
Các bộ điều khiển logic nối dây có đặc điểm chung là các phần tử logic là các phần tử vật lý. Bộ điều khiển logic nối dây thực hiện hàm điều khiển bằng sơ đồ nối các phần tử logic bằng dây dẫn vật lý (dây dẫn điện, mạch in) đã được nối cứng. Vì vậy hệ này chỉ thực hiện một hàm điều khiển nhất định. Muốn thay đổi hàm điều khiển cần phải thay đổi cấu trúc của hệ. Đó là tính không mềm dẻo của bộ điều khiển logic nối dây. Đối với các hệ phức tạp, nhiều phần tử thì tính không mềm dẻo là một nhược điểm lớn. Tuy nhiên, ưu điểm của bộ điều khiển logic nối dây phù hợp với các hệ đơn giản, ít phần tử và công suất lớn.
Đặc điểm của PLC là các phần tử logic được định nghĩa bằng chương trình và thực hiện hàm điều khiển bằng chương trình (hình dưới)
Trong sơ đồ này các module vào và module ra là các thiết bị kết nối với các phần tử logic bên ngoài. Chương trình điều khiển được lưu giữ trong bộ nhớ. PLC thực hiện tuần tự các lệnh của chương trình để điều khiển các thiết bị tương tự như sơ đồ điều khiển kiểu nối dây..
PLC đã thực hiện thay thế các mạch logic nối dây bằng các “mạch logic lập trình được”. Trong các mạch logic này có thể cắt bỏ, chèn, thêm vào các phần tử một cách dễ dàng và đơn giản. Trong thực tế, việc thay đổi tham số điều khiển của chương trình, thậm chí thay đổi chương trình điều khiển thường xuyên xảy ra khi thay đổi sản phẩm, thay đổi công nghệ. Đối với hệ điều khiển logic dùng PLC, cùng một cấu trúc vật lý có thể thực hiện các hàm điều khiển khác nhau, tùy thuộc vào chương trình. Nghĩa là, có thể thay đổi hàm điều khiển mà không cần thay đổi cấu trúc của hệ. Đó là tính mềm dẻo của PLC. Tính mềm dẻo này đảm bảo PLC được sử dụng có hiệu quả cao trong các hệ phức tạp, có nhiều phần tử. Ngoài ra, ưu điểm của PLC là hoạt động tin cậy, tiêu thụ năng lượng ít, dễ dàng mở rộng hệ thống, việc chuyển giao công nghệ được nhanh và hiệu quả hơn so với các hệ logic nối dây. Hạn chế của PLC là tính tác động nhanh không cao và chỉ sử dụng tạo ra các tín hiệu điều khiển công suất nhỏ. Một ưu điểm cần nhấn mạnh khi mở rộng phạm vi ứng dụng của PLC là có thể tiến hành mô phỏng khi khảo sát và thiết kế hệ thống. PLC với các chức năng truyền thông có thể kết nối mạng với các bộ điều khiển khác, với các hệ thống máy tính và điều khiển để thực hiện các chức năng điều khiển quá trình, điều khiển phân tán, thu nhạp dữ liệu và giao diện máy- người.
2. Cấu trúc PLC
Thành phần cơ bản của PLC gồm có: khối xử lý trung tâm (CPU – Central Procesing Unit), các module vào/ra, nguồn cung cấp (Power Supply Unit) và thiết bị lập trình (Programming Device).
Chương trình được soạn thảo trong thiết bị lập trình và được nạp vào bộ nhớ của PLC. Các module vào/ra là các cổng phép nối PLC với thiết bị bên ngoài(gọi là thiết bị trường- Field Device). Các cổng vào/ ra có nhiệm vụ chuyển đổi thích ứng giữa các nguồn tín hiệu và PLC. Các module vào là các thiết bị nhận tín hiệu từ thiết bị vào, chuyển đổi thành dữ liệu, ví dụ: phím bấm, công tắc hành trình, cảm biến, chuyển mạch… Các module ra là thiết bị ghép nối PLC với các thiết bị ra, chuyển đổi dữ liệu thành tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành, ví dụ: rơ le, van. Đèn… Sơ đồ nối các thiết bị vào/ra (I/O) với các module vào/ra được trình bày trên hình dưới.
Trong thực tế, các cổng vào/ra có hai loại: loại cố định (Fixed) và loại dạng module hóa (Modular). Loại cố định được sử dụng cho các PLC cỡ nhỏ, các cổng vào/ra gắn cố định vào khối CPU, không thay đổi được vị trí. Ưu điểm của loại này là giá thành thấp. Tuy nhiên nếu muốn mở rộng cổng vào/ra cần phải trang bị thêm khối mở rộng tương ứng. Loại module hóa được sử dụng trong đa số các trường hợp và là cấu trúc tiêu chuẩn của PLC. Các module vào/ra có thể tháo lắp, thay đổi vị trí dễ dàng trên các khe cắm (Slot) và các rãnh (Rack). Cấu trúc kiểu này (bao gồm cả các đầu nối) tạo thành bảng mạch Bus (Backplane), trên đó coe thể lắp các khối nguồn, CPU, module vào/ra, module mở rộng… và thực hiện trao đổi thông tin với nhau.
Khối nguồn cung cấp nguồn một chiều cho các khối được lắp đặt vào bảng mạch Bus. Công suất của khối nguồn được chọn tùy thuộc vào cấu hình của hệ. Trong đa số các trường hợp, nguồn cung cấp này không phù hợp với các thiết bị trường. Vì vậy, các thiết bị trường thường được cung cấp bằng nguồn ngoài riêng.
Khối CPU là bộ não của PLC, hạt nhân là bộ vi xử lý quyết định tính chất và khả năng của PLC: tốc độ xử lý, khả năng quá trình vào/ra… CPU thực hiện chương trình trong bộ nhớ chương trình, đưa ra các quyết định và trao đổi thông tin với bên ngoài thông qua các cổng vào/ra.
Còn tiếp…
