3. Nguyên tắc hoạt động cơ bản của PLC: Vòng quét chương trình
PLC hoạt động theo nguyên tắc quét vòng (Scan). Mỗi vòng quét (Scan Cycle) bao gồm ba giai đoạn cơ bản được trình bày trên hình dưới.
Ở giai đoạn thứ nhất, PLC đọc trạng thái tín hiệu ở các module vào, gửi vào vùng đầu vào để làm dữ liệu thực hiện chương trình.
Giai đoạn thứ hai là thực hiện chương trình trong bộ nhớ. Kết quả thực hiện chương trình là dữ liệu và các quyết định được lưu giữ trong bộ nhớ dùng cho vòng quét sau hay đưa module ra.
Giai đoạn thứ ba, PLC gửi dữ liệu đến vùng đầu ra và biến đổi thành tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành nối với module ra. khi đó, một vòng quét được hoàn thành, vòng quét tiếp theo bắt đầu và quá trình được thực hiện liên tục không ngừng.
Quá trình đọc tín hiệu vào và gửi tín hiệu ra gọi là quá trình quét vào/ra. Quá trình thực hiện chương trình gọi là quét chương trình.
Thời gian để thực hiện một vòng quét gọi là chu kỳ quét. Chu kì quét có ảnh hưởng đến tốc độ xử lý của PLC và ảnh hưởng đến khả năng xử lý thời gian thực của PLC. Nói cách khác, việc sử dụng PLC trong các bài toán điều khiển chỉ được chấp nhận khi chu kì quét của PLC đủ nhỏ so với hằng số thời gian của hệ điều khiển. Khi đó, có thể chấp nhận xử lý đồng thời (thời gian thực) được thay thế bằng xử lý tuần tự.
Chu kỳ quét phụ thuộc vào các nhân tố sau: tốc độ của bộ vi xử lý của CPU, độ dài chương trình, số lượng các đầu vào/ra. Ngoài ra, chu kỳ quét còn phụ thuộc một số các chu kỳ quét phụ như: thời gian chuyển đổi song song – nối tiếp của hệ thống vào ra phân tán (Remote I/O), thời gian xử lý truyền thông nối tiếp, thời gian xử lý ngắt, thời gian đọc/ ghi đầu vào / ra tương tự, thời gian thưch hiện các chương trình kiểm tra, cảnh báo hệ thống… Tuy nhiên, đối với một hệ cụ thể thì các nhân tố, trừ tốc độ của bộ vi xử lý, đều lầ cố định. Vì vậy để giảm chu kỳ quét thì phải chọn CPU có tốc độ xử lý cao.
Nguyên tắc hoạt động quét vòng của CPU hạn chế khản năng xử lý tức thời của PLC. Vì vậy, PLC chủ yếu được sử dụng trong các hệ điều khiển quá trình biến thiên chậm. Tuy nhiên, các PLC hiện đại đã được trang bị và tăng cường các tính năng xử lý ngắt ngày càng hoàn thiện để xử lý nhanh và kịp thời.
Vấn đề xử lý vòng quét đầu tiên cần phải được quan tâm khi ứng dụng PLC. Điều này là do ở vòng quét đầu tiên, các dữ liệu đều chưa sẵn sàng, hệ đang ở quá trình khởi tạo. Đối với các hệ mà quá trình khởi tạo không ảnh hưởng đến quá trình điều khiển thì có thể bỏ qua. Ngược lại, các hệ thống khác cần lưu ý vòng quét này. Vì vậy, PLC đều cung cấp cờ trạng thái có giá trị bằng 1 ở vòng quét đầu tiên và bằng 0 ở các vòng quét khác, gọi là First Scan Flag. Người sử dụng có thể dùng cờ trạng thái này để tiến hành khởi tạo và thiết lập các điều kiện ban đầu cho hệ thống.
So sánh PLC và PC
Về cấu trúc, PLC tương tự như máy tính số. Tuy nhiên, giữa PLC và máy tính số có sự khác nhau về căn bản.
+ Thứ nhất, PLC được thiết kế để hoạt động trong môi trường công nghiệp rất khắc nghiệt với sự thay đổi lớn về độ ẩm, nhiệt độ và nhiễu mạnh.
+ Thứ hai, phần cứng và phần mềm của PLC được thiết kế dễ sử dụng và phù hợp với trình độ của người vận hành trực tiếp tại dây chuyền sản xuất. Phần cứng được chế tạo ở dạng các module tiêu chuẩn dễ lắp ráp, bảo dưỡng. Chương trình của PLC được biểu diễn một cách tiêu chuẩn không chính thức ở dạng giản đồ thang (LAD) rất trực quan và dễ sử dụng. Mỗi họ PLC có hệ điều hành riêng và chỉ sử dụng một ngôn ngữ lập trình do nhà sản xuất cung cấp. Vì vậy, không thể chạy chương trình của PLC hãng này trên PLC của hang khác. Trong khi đó, máy tính có thể cài đặt nhiều hệ điều hành, có thể sử dụng nhièu ngôn ngữ lập trình. Có thể sử dụng máy tính vai trò như PLC, thậm chí có thể chạy chương trình mô phỏng PLC trên máy tính. máy tính được cài đặt phần mềm lập trình trở thành thiết bị lập trình cho PLC và điều khiển PLC. Máy tính có thể sử dụng như thiết bị giao diện người máy trong các hệ điều hành mà PLC vừa là các bộ điều khiển, vừa là thiết bị thu nhập dữ liệu.
+ Thứ ba, máy tính là thiết bị tính toán phức tạp, có chức năng đa nhiệm (Multitask). Bộ nhớ của máy tính có thể chứa đồng thời nhiều chương trình. Trong khi đó, PLC chỉ thực hiện một chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ RAM.
+ Thứ tư, PLC hoạt động theo nguyên tắc quét vòng, máy tính hoạt động theo nguyên tắc xử lý ngắt.
+ Các PLC hiện đại được hoàn thiện về tốc độ tính toán, mở rộng bộ nhớ, tăng cường trang bị các chức năng tính toán và xử lý ngắt để thu hẹp khoảng cách so với máy tính. Vì vậy, các PLC hiện đại ngoài chức năng cơ bản là điều khiển logic, nó còn là một trạm tính toán đóng vai trò như các bộ điều khiển quá trình, điều khiển vị trí và xử lý thông tin.
Phân Loại và Ứng dụng của PLC
PLC có rất nhiều chủng loại và do rất nhiều nhà sản xuất cung cấp. Một số nhà sản xuất và tích hợp hệ thống sử dụng PLC do chính họ chế tạo.Nó là một thành phần cấu thành hệ thống và được sử dụng trong phạm vi hẹp. Một số nhà sản xuất cung cấp PLC như là sản phẩm đa dụng cho người thiết kế và tích hợp hệ thống. Nhà sản xuất cung cấp thiết bị, phần mềm, hỗ trợ kỹ thuật và đào tạo để người sử dụng có điều kiện ứng dụng các sản phẩm này vào các hệ thống của mình. Có một số hãng sản xuất điển hình là: SIEMENS(Đức), ALLEN-BRADLEY, GEFANUC(Mỹ), MITSUBISHI, TOSHIBA,KEYENCE,OMRON,PANASONIC( Nhật bản)…
Do PLC được sử dụng rất rộng rãi từ các bài toán đơn giản đến các bài toán phức tạp, nên PLC được chế tạo dưới nhiều loại khác nhau phù hợp với yêu cầu của thực tế. Việc phân loại PLC dựa trên cơ sở khả năng (tốc độ xử lý, dung lượng bộ nhớ, số lượng đầu vào/ ra) được chia thành các loại chính sau: loại nhỏ, loại vừa và loại lớn.
+ PLC loại nhỏ có nhiều tên gọi khác nhau tùy thuộc các hãng chế tạo (small, micro), có dung lượng bố nhớ dưới 2KB, quản lý số điểm vào/ra dưới 128 và được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản, yêu cầu ít điểm ra/vào.
+ PLC cỡ vừa (Medium) có bộ nhớ đến 32KB, và quản lý số điểm vào/ra đến 2048. cấu hình của hệ có thể sử dụng các module vào/ra đặc biệt để thực hiện các chức năng điều khiển quá trình và xử lý thông tin.PLC cỡ lớn (Large) là thiết bị phức tạp nhất có thể quản lý đến 2MB bộ nhớ và 16.000 điểm vào ra.
+ PLC loại này có ứng dụng không hạn chế từ điều khiển một quá trình công nghệ đến điều khiển một phân xưởng, một nhà máy.
Phương pháp phân loại PLC ở trên kết hợp với kiểu dáng chế tạo sẽ đưa ra các chủng loại PLC sau đây:
+ Các PLC cỡ nhỏ thường được chế tạo ở dạng cố định (Compact, Fixed). Với loại này, nguồn cung cấp,CPU và một số điểm vào/ra được chế tạo trên cùng một (Onboard). Ưu điểm cơ bản của PLC loại này là giá thành thấp, nhỏ, gọn và thích hợp các ứng dụng nhỏ. Số các điểm vào/ra trên PLC theo tỷ lệ 3:2, ví dụ, loại 10 điểm (6 vào, 4 ra), loại 20 điểm (12 vào, 8 ra), loại 30 điểm (12 vào, 18 ra) và loại 48 điểm, 60 điểm…. Khi cần thiết có thể sử dụng các module vào/ra mở rộng. Tuy nhiên với PLC loại này ít khi sử dụng cách mở rộng như vậy. Nhược điểm chính là tính mềm dẻo không cao, tốc độ xử lý chậm, bộ nhớ nhỏ, hạn chế số điểm vào/ra. Sơ đồ tổ chức PLC loại nhỏ, dạng cố định được trình bày trên hình dưới.
+ Các PLC loại vừa và loại lớn được chế tạo ở dạng các module riêng biệt, có thể tháo, lắp dễ dàng (Modular). Các module cơ bản là: nguồn, CPU, vào/ra… Đây là cấu trúc tiêu chuẩn của PLC, đảm bảo cho PLC được sử dụng một cách mềm dẻo và người sử dụng có nhiều lựa chọn cho cấu hình của mình. Các module được lắp vào các khe cắm (Slot) trên bảng mạch Bus (Bus Module, Backplane).
Ứng dụng của PLC được chia làm 3 nhóm chính là: Đơn nhiệm (Single), đa nhiệm (Multitask) và quản lý điều khiển (Control Manegment).
+ Ứng dụng đơn nhiệm là chỉ sử dụng một PLC duy nhất để điều khiển một quá trình kĩ thuật. Đó là một khối điều khiển độc lập, không có trao đổi thông tin với máy tính hoặc các PLC khác. Cấu hình của hệ có thể dùng PLC các loại nhỏ, vừa hoặc lớn.
+ Ứng dụng đa nhiệm thường sử dụng PLC cỡ vừa để điều khiển một công đoạn của dây truyền sản xuất hoặc để điều khiển một vài quá trình kỹ thuật với số lượng điểm vào/ra thích hợp. Mỗi PLC có thể thành một nút trong hệ điều khiển phức tạp (ví dụ: hệ điều khiển DCS). Khi đó, yêu cầu có sự trao đổi dữ liệu, thông tin giữa các PLC với nhau, hoặc giữa PLC và các thiết bị khác (như máy tính, trạm kĩ thuật…). Việc trao đổi dữ liệu, thông tin nhờ truyền thông mạng theo chuẩn công nghiệp.
+ Ứng dụng quản lý điều khiển thường sử dụng các PLC cỡ lớn, với cấu hình của hệ là một mạng LAN điều khiển thống nhất, có sự trao đổi dữ liệu và thông tin giữa các thành phần của hệ. Trong đó PLC đóng vai trò là bộ điều khiển, đồng thời quản lý hoạt động toàn bộ hệ là trạm chủ (Master). Các PLC khác là các bộ điều khiển và đồng thời là thiết bị thu nhập dữ liệu phục vụ cho công tác quản lý và theo dõi hệ thống gọi trạm tớ (Slave).
Còn tiếp…
