PLC là gì? Lập trình PLC là gì? Cấu tạo, nguyên lý, phân loại

Bộ lập trình PLC là thiết bị mà chắc chắn ai học ngành điện công nghiệp cũng biết đến nó, hiểu được nó làm những gì, có chức năng gì. Bài viết này chúng ta cùng xem lại về bộ lập trình PLC xem có gì khác biệt so với kiến thức chúng ta đã được học hay không nhé! Bắt đầu tìm hiểu bài viết PLC là gì? Lập trình PLC là gì?

Bộ lập trình PLC
Bộ lập trình PLC

PLC là gì? Lập trình 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 lí từ đơn giản đến phức tạp, tuỳ thuộc vào người điều khiển mà nó có thể thực hiện một loạt các chương trình hoặc sự kiện, sự kiện này được kích hoạt bởi các ngõ vào tác động vào bộ lập trình PLC hoặc qua các bộ Timer hay các sự kiện được đếm qua bộ đếm. Khi một sự kiện được kích hoạt nó sẽ bật ON, OFF hoặc phát một chuỗi xung ra các thiết bị bên ngoài được gắn vào ngõ ra của PLC.

Như vậy nếu ta thay đổi các chương trình được cài đặt trong PLC là ta có thể thực hiện các chức năng khác nhau, trong các môi trường điều khiển khác nhau.

Hiện nay, bộ lập trình PLC có nhiều hãng sản xuất như: Siemens, Omron, Mitsubishi, Festo, Alan Bradley, Schneider, Hitachi … Bộ lập trình PLC còn có các thiết bị mở rộng như : các cổng mở rộng AI (Analog Input), DI (Digital Input), các thiết bị hiển thị, các bộ nhớ Cartridge thêm vào.

Các hãng sản xuất bộ lập trình PLC
Các hãng sản xuất bộ lập trình PLC

Cấu tạo của bộ lập trình PLC


Bộ lập trình PLC thông dụng có cấu tạo gồm những thành phần như: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện vào/ra

Bộ xử lý

Bộ xử lý hay bộ xử lý trung tâm (CPU), có thể xem là não bộ của bộ lập trình PLC. Bộ xử lý có nhiệm vụ biên dịch các tín hiệu vào. Thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ. Sau đó truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các đầu ra.

Bộ xử lý làm việc theo từng bước tuần tự. Trước tiên các thông tin lưu trữ trong bộ nhớ được gọi lên tuần tự và được kiểm soát bởi bộ đếm chương trình. Bộ xử lý liên kết các tín hiệu và đưa kết quả điều khiển tới đầu ra.

Bộ nguồn

Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp cho bộ vi xử lý (thường là 5V) và cho các mạch điện đầu ra hoặc các module còn lại (thường là 24V).

Bộ nhớ của thiết bị lập trình PLC

Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình sử dụng cho các hoạt động điều khiển. Các dạng bộ nhớ có thể là RAM, ROM, EPROM.

Người ta luôn chế tạo nguồn dự phòng cho RAM để duy trì chương trình trong trường hợp mất điện nguồn, thời gian duy trì tuỳ thuộc vào từng PLC cụ thể.

Bộ nhớ cũng có thể được chế tạo thành module cho phép dễ dàng thích nghi với các chức năng điều khiển có kích cỡ khác nhau, khi cần mở rộng có thể cắm thêm.

Các cổng vào/ra

Cổng tín hiệu vào là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi. Tín hiệu vào có thể từ các công tắc, nút nhấn, các cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, loadcell, cảm biến siêu âm…

Cổng in/out của bộ lập trình PLC
Cổng in/out của bộ lập trình PLC

Cổng tín hiệu ra có nhiệm vụ truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài. Tín hiệu ra có thể cung cấp cho các cuộn dây công tắc tơ, các rơle, các van điện từ, các động cơ nhỏ…

Tín hiệu vào/ra có thể là tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic… Mỗi điểm vào/ra có một địa chỉ duy nhất được PLC sử dụng.

Tín hiệu vào thường được ghép cách điện (cách ly) nhờ linh kiện bán dẫn như transistor. Dải tín hiệu nhận vào cho các PLC cỡ lớn có thể là 5v, 24v, 110v, 220v. Các PLC cỡ nhỏ thường chỉ nhập tín hiệu 24v.

Tín hiệu ra cũng được ghép cách ly. Tín hiệu ra có thể là tín hiệu chuyển mạch 24v, 100mA; 110v, 1A một chiều, thậm chí 240v, 1A xoay chiều tuỳ loại PLC. Tuy nhiên, với PLC cỡ lớn dải tín hiệu ra có thể thay đổi bằng cách lựa chọn các module thích hợp.

Phân loại bộ lập trình PLC


Chúng ta có thể phân bộ lập trình PLC làm 2 kiểu dựa vào hình thức của chúng như:

  • Kiểu hộp đơn
  • Kiểu module nối ghép

Kiểu hộp đơn thường là các PLC cỡ nhỏ và được cung cấp dưới dạng nguyên chiếc hoàn chỉnh. Chúng có đầy đủ các thành phần như: bộ nguồn, bộ xử lý, bộ nhớ và các cổng tín hiệu vào/ra. Tuy nhiên, kiểu hộp đơn thường vẫn có khả năng ghép nối được với các module rời để mở rộng khả năng của PLC.

Bộ lập trình PLC dạng khối
Bộ lập trình PLC dạng khối

Kiểu module ghép nối. Chúng gồm các module riêng cho từng chức năng như module nguồn, module xử lý trung tâm, module nhớ, module vào/ra, module mờ, module PID… các module được lắp trên các rãnh và được ghép lại với nhau. Kết cấu này khá linh hoạt, cho phép mở rộng số lượng cổng vào/ra bằng cách bổ sung các module vào/ra hoặc tăng cường bộ nhớ bằng cách tăng thêm các module nhớ.

Bộ lập trình PLC dạng module
Bộ lập trình PLC dạng module

Các phương pháp lập trình


Ngôn ngữ lập trình PLC
Ngôn ngữ lập trình PLC

Có tổng cộng ba phương pháp lập trình giao tiếp với bộ lập trình PLC. Đó là:

  • Lập trình STL
  • Lập trình bậc thang LAD
  • Lập trình lưu đồ điều khiển CSF

Nhưng công cụ đơn giản và phổ biến nhất vẫn là lập trình bậc thang LAD. Tiếp đến là công cụ STL.

Khác biệt giữa 3 ngôn ngữ lập trình PLC
Khác biệt giữa 3 ngôn ngữ lập trình PLC

Và giữa 2 ngôn ngữ này có khả năng chuyển đổi với nhau. Cụ thể, bạn có thể chuyển chương trình từ ngôn ngữ bậc thang LAD sang ngôn ngữ STL. Nhưng ngược lại thì có thể được và có thể không, tuỳ thuộc vào chương trình mà bạn viết như thế nào!

Nguyên lý hoạt động của bộ lập trình PLC


Bộ lập trình PLC hoạt động theo vòng quét.

Các cổng input nhận tín hiệu đầu vào từ các thiết bị như: cảm biến, công tắc, nút nhấn…, qua bộ xử lý và xuất tín hiệu đầu ra để điều khiển các thiết bị như: motor, bóng đèn,…. Tất cả hoạt động này dựa trên phần chương trình mà các bạn đã viết và nạp vào bộ lập trình PLC.

Vòng quét chương trình

Bộ lập trình PLC thực hiện chương trình theo chu kì lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét. Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyển dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng bộ đệm ảo, sau đó là giai đoạn thực hiện chương trình.

Trong từng vòng quét chương trình thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB ( Block End). 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 truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.

Bộ lập trình PLC trong hệ thống Wincc
Bộ lập trình PLC trong hệ thống Wincc

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện 1 vòng quét 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. Tuỳ thuộc vào số câu lệnh và khối truyền thông mà vòng quét thực hiện nhanh hay chậm.

Như vậy sẽ có một khoảng trễ giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lí, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển đến đối tượng 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.

Các tín hiệu kết nối với bộ lập trình PLC


Các tín hiệu kết nối với bộ lập trình PLC tiêu biểu như:

  • Tín hiệu số: Là các tín hiệu thuộc dạng hàm Boolean, dạng tín hiệu chỉ có 2 trị 0 hoặc 1. Đối với một số loại lập trình PLC có quy định:
    • Mức 0 : tương ứng với 0V hoặc hở mạch
    • Mức 1 : Tương ứng với 24V

Ví dụ: Các tín hiệu từ nút nhấn ,từ các công tắc hành trình….. đều là những tín hiệu số

  • Tín hiệu tương tự: Là tín hiệu liên tục, từ 0-10V hay từ 4-20mA….

Ví dụ: Tín hiệu đọc từ Loadcell, từ cảm biến lưu lượng cảm biến siêu âm…

Cảm biến siêu âm
Cảm biến siêu âm
  • Tín hiệu khác: Bao gồm các tín hiệu giao tiếp với máy tính, với các thiết bị ngoại vi khác bằng các giao thức khác nhau như giao thức RS232, RS485, Modbus….

Ưu điểm của bộ lập trình PLC


Từ lúc ra đời đến hiện tại, tầm quan trọng của bộ lập trình PLC chưa bao giờ bị đánh giá thấp. Vậy chúng có những ưu điểm gì? Chúng ta cùng xem qua một vài ưu điểm nổi bật của bộ lập trình PLC như:

– Tốn ít không gian: Bộ lập trình PLC rất nhỏ gọn, cho nên chúng chiếm rất ít diện tích trên tủ điện. Hơn hẳn một máy tính tiêu chuẩn hay tủ điều khiển rơ le để thực hiện cùng một chức năng.

– Giá thành thấp : Một bộ lập trình PLC có chi phí đầu tư tầm 10 cái rơ le, nhưng nó có khả năng thay thế hàng trăm rơ le.

– Khả năng thích ứng với môi trường công nghiệp: Là một thiết bị ra đời để phục vụ cho các nhu cầu của ngành công nghiệp, nên bộ lập trình PLC có khả năng chống chịu được bụi bẩn, dầu mỡ, độ ẩm, rung động và nhiễu.

– Giao diện trực tiếp: Bộ lập trình PLC có khả năng giao tiếp trực tiếp với các thiết bị đầu vào như: cảm biến, công tắc, contactor, relay… nhờ có các mô đun vào ra I/O.

– Lập trình dễ dàng: Phần lớn các PLC sử dụng ngôn ngữ lập trình là sơ đồ thang. Chúng rất đơn giản và dễ hiểu, tương tự như sơ đồ đấu của các hệ thống điều khiển rơ le thông thường.

– Tính linh hoạt cao: Chương trình điều khiển của bộ lập trình PLC có thể thay đổi nhanh chóng và dễ dàng bằng cách nạp lại chương trình điều khiển mới vào PLC bằng bằng thẻ nhớ, bằng truyền tải qua mạng.

Các ứng dụng của bộ lập trình PLC


Bộ lập trình PLC là một thiết bị đa năng và rất dễ sử dụng. Chính vì thế, chúng có vô vàng các ứng dụng được thực tế hoá như:

– Giám sát & Điều khiển các nhà máy công nghiệp: điều khiển khống chế nhiệt độ lò trong nhà máy gang thép, nhà máy nhiệt điện, điều khiển cánh tay robot, nhà máy nước,…

Bộ khuếch đại tín hiệu 4-20mA
Bộ khuếch đại tín hiệu 4-20mA

Bộ khuếch đại tín hiệu 4-20mA là bộ khuếch đại tín hiệu của hãng Seneca xuất xứ Ý, nhỏ gọn và giá rẻ. Có chức năng chống nhiễu 4-20mA, chuyển đổi tín hiệu 4-20mA, khuếch đại tín hiệu 4-20mA…

  • Nguồn cấp: 19,2 … 30 Vdc
  • Công suất tiêu thụ: 500 mW
  • Cách ly chống nhiễu: 1.500 Vac
  • Sai số: 0.1%
  • Thời gian đáp ứng: 40 ms
  • Lắp trên din rail
  • Chuẩn bảo vệ: IP20
  • Nhiệt độ làm việc: -20…65 độ C
  • Kích thước: 6.2 x 93 x 102.5 mm
  • Tiêu chuẩn: CE

INPUT K109S :

  • Số kênh: 1 kênh
  • Ngõ áp: 0-10V, 0-5V, 1-5V, 10-0V, điện trở load 110 KΩ
  • Ngõ dòng: 4-20mA, 0-20mA, 20-4mA, 20-0mA, điện trở load max 35 Ω

OUTPUT K109S :

  • Số kênh: 1 kênh
  • Áp: 0-10V, 0-5V, 1-5V, 10-0V, điện trở load 110 KΩ
  • Dòng: 4-20mA, 0-20mA, 20-4mA, 20-0mA, điện trở load max 500 Ω

– Điều khiển các dây chuyền sản xuất: đóng nắp chai, đóng gói sản phẩm, trạm trộn, cắt tôn, đóng bao tự động, trộn sơn, trạm trộn bê tông…

– Giám sát , điều khiển giao thông: điều khiển tín hiệu đèn giao thông, đèn cảnh báo, chiếu sáng, hệ thống tàu điện…

– Giám sát điều khiển trong tòa nhà, cao ốc thông minh: các hệ thống chữa cháy, thang máy, chiếu sáng, bơm nước, hệ thống báo động, bãi giữ xe…

– Ứng dụng trong ngành truyền tải điện năng: đóng cắt tự động các trạm hạ áp; trung áp, bảo vệ hệ thống trạm…

Lập trình PLC trong hệ thống
Lập trình PLC trong hệ thống

Bài viết này; mình đã tổng hợp lại tất cả những thông tin cơ bản nhất về bộ lập trình PLC. Mình đã cố gắng làm sao; để ai đọc qua cũng có thể hiểu được à PLC là thiết bị này; công năng của nó là để làm những việc này.

Rất mong nhận được những góp ý của các bạn; để bài viết hoàn thiện hơn, góp một phần kiến thức cho cộng đồng điện công nghiệp chúng ta.

Bài viết liên quan:

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Hotline Miền Bắc: 0971.591.766
Hotline Miền Nam: 0912.434.956