Chương 1. TỔNG QUAN VỀ THIẾT BỊ ĐIỀU KHIỂN LOGIC KHẢ TRÌNH Trong các hệ thống sản xuất, trong các thiết bị tự động và bán tự động, hệ thống điều khiển đóng vai trò điều phối toàn bộ các hoạt động của máy móc thiết bị. Các hệ thống máy móc và thiết bị sản xuất thường rất phức tạp, có rất nhiều đại lượng vật lý phải điều khiển để có thể hoạt động đồng bộ hoặc theo một trình tự công nghệ nhất định nhằm tạo ra một sản phẩm mong muốn. Từng đại lượng vật lý đơn lẻ có thể được điều khiển bằng một mạch điều khiển cơ sở dạng tương tự hay gián đoạn.
Điều khiển nhiều đại lượng vật lý đồng thời chúng ta không thể dùng các mạch điều khiển tương tự mà phải sử dụng hệ thống điều khiển logic. Trước đây các hệ thống điều khiển logic được sử dụng là hệ thống logic rơle. Nhờ sự phát triển nhanh chóng của kỹ thuật điện tử, các thiết bị điều khiển logic khả lập trình PLC (Programmable Logic Controller) đã xuất hiện vào năm 1969 thay thế các hệ thống điều khiển rơle. Càng ngày PLC càng trở nên hoàn thiện và đa năng.
Các PLC ngày nay không những có khả năng thay thế hoàn toàn các thiết bị điều khiển logic cổ điển, mà còn có khả năng thay thế các thiết bị điều khiển tương tự. Các PLC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. Chức năng chính của PLC là kiểm tra trạng thái của các đầu vào và điều khiển các quá trình hoặc các hệ thống máy móc thông qua các tín hiệu trên chính đầu ra của PLC. Tổ hợp logic của các đầu vào để tạo ra một hay nhiều tín hiệu ra được gọi là điều khiển logic.
Các tổ hợp logic thường được thực hiện theo trình tự điều khiển hay còn gọi là chương trình điều khiển. Chương trình điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC có thể lập trình bằng thiết bị cầm tay nối trực tiếp với PLC hoặc lập trình trên máy tính cá nhân nhờ các phần mềm chuyên dụng và truyền vào PLC qua mạng hay qua cáp truyền dữ liệu. Bộ xử lý tín hiệu, thường là các bộ vi xử lý tốc độ cao, thực hiện chương trình điều khiển theo chu kỳ. Khoảng thời gian thực hiện một chu trình điều khiển từ lúc kiểm tra các tín hiệu vào, thực hiện các phép tính logic hoặc đại số để có được tín hiệu điều khiển, cho đến khi phát tín hiệu đến đầu ra được gọi là chu kỳ thời gian quét.
Các bộ điều khiển khả trình PLCs sử dụng các mạch điện tích hợp sẵn để thực hiện chức năng điều khiển. Chúng có khả năng lưu trữ các thông tin như tần số, thời gian, giá trị đếm, giá trị toán học và có khả năng giao tiếp (communication) để điều khiển các máy móc và quá trình công nghiệp.1 là cấu trúc sử dụng PLC. 3 Trên đầu vào của PLC có thể có các kênh tín hiệu tương tự hoặc các kênh tín hiệu số. Các kênh tín hiệu này xuất phát từ các cảm biến, từ các công tắc hành trình, công tắc đóng ngắt mạch điện hoặc từ các biến logic tương ứng với các các trạng thái của máy móc, thiết bị.
Tín hiệu vào được bộ xử lý trung tâm xử lý nhờ các phép tính logic hay số học và kết quả là các tín hiệu ra. Các tín hiệu tín hiệu ra là các tín hiệu truyền điện năng đến cho các cơ cấu chấp hành như cuộn hút, đèn hiệu, động cơ vv. Sơ đồ ứng dụng PLC Điện áp trên đầu vào của PLC là điện áp công suất thấp, tương ứng với mức từ 0V đến 24V một chiều. Khi ta nối các đầu vào có mức điện áp cao hơn 24V, thường phải dùng các kênh có các mạch chuyển đổi để biến điện.
Điện áp trên đầu ra của PLC có thể có nhiều mức điện áp khác nhau, nhưng đều có mức năng lượng thấp. Nếu cần phải điều khiển cơ cấu chấp hành có mức năng lượng cao hơn, ta phải sử dụng các thiết bị khuếch đại công suất. Lịch sử phát triển Vào khoảng năm 1968, các nhà sản xuất ô tô đã đưa ra các yêu cầu kỹ thuật đầu tiên cho thiết bị điều khiển logic khả lập trình. Mục đích đầu tiên là thay thế cho các tủ điều khiển cồng kềnh, tiêu thụ nhiều điện năng và thường xuyên phải thay thế các rơle do hỏng cuộn hút hay gẫy các thanh lò xo tiếp điểm.
Mục đích thứ hai là tạo ra một thiết bị điều khiển có tính linh hoạt trong việc thay đổi chương trình điều khiển. Các 4 yêu cầu kỹ thuật này chính là cơ sở của các máy tính công nghiệp, mà ưu điểm chính của nó là sự lập trình dễ dàng bởi các kỹ thuật viên và các kỹ sư sản xuất. Với thiết bị điều khiển khả lập trình, người ta có thể giảm thời gian dừng trong sản xuất, mở rộng khả năng hoàn thiện hệ thống sản xuất và thích ứng với sự thay đổi trong sản xuất. Một số nhà sản xuất thiết bị điều khiển trên cơ sở máy tính đã sản xuất ra các thiết bị điều khiển khả lập trình còn gọi là PLC.
Những PLC đầu tiên được ứng dụng trong công nghiệp ô tô vào năm 1969 đã đem lại sự ưu việt hơn hẳn các hệ thống điều khiển trên cơ sở rơle. Các thiết bị này được lập trình dễ dàng, không chiếm nhiều không gian trong các xưởng sản xuất và có độ tin cậy cao hơn các hệ thống rơle. Các ứng dụng của PLC đã nhanh chóng rộng mở ra tất cả các ngành công nghiệp sản xuất khác. Hai đặc điểm chính dẫn đến sự thành công của PLC đó chính là độ tin cậy cao và khả năng lập trình dễ dàng.
Độ tin cậy của PLC được đảm bảo bởi các mạch bán dẫn được thiết kế thích ứng với môi trường công nghiệp. Các mạch vào ra được thiết kế đảm bảo khả năng chống nhiễu, chịu được ẩm, chịu được dầu, bụi và nhiệt độ cao. Các ngôn ngữ lập trình đầu tiên của PLC tương tự như sơ đồ thang trong các hệ thống điều khiển logic, nên các kỹ sư đã làm quen với sơ đồ thang, dễ dàng thích nghi với việc lập trình mà không cần phải qua một quá trình đào tạo nào. Một số các ứng dụng của máy tính trong sản xuất trong thời gian đầu bị thất bại, cũng chính vì việc học sử dụng các phần mềm máy tính không dễ dàng ngay cả với các kỹ sư.
Khi các vi xử lý được đưa vào sử dụng trong những năm 1974 – 1975, các khả năng cơ bản của PLC được mở rộng và hoàn thiện hơn. Các PLC có trang bị vi xử lý có khả năng thực hiện các tính toán và xử lý số liệu phức tạp, điều này làm tăng khả năng ứng dụng của PLC cho các hệ thống điều khiển phức tạp. Các PLC không chỉ dừng lại ở chỗ là các thiết bị điều khiển logic, mà nó còn có khả năng thay thế cả các thiết bị điều khiển tương tự. Vào cuối những năm bảy mươi việc truyền dữ liệu đã trở nên dễ dàng nhờ sự phát triển nhảy vọt của công nghiệp điện tử.
Các PLC có thể điều khiển các thiết bị cách xa hàng vài trăm mét. Các PLC có thể trao đổi dữ liệu cho nhau và việc điều khiển quá trình sản xuất trở nên dễ dàng hơn. Thiết bị điều khiển khả lập trình PLC chính là các máy tính công nghiệp dùng cho mục đích điều khiển máy, điều khiển các ứng dụng công nghiệp thay thế cho các thiết bị “cứng” như các rơle, cuộn hút và các tiếp điểm. 5 Ngày nay chúng ta có thể thấy PLC trong hàng nghìn ứng dụng công nghiệp.
Chúng được sử dụng trong công nghiệp hoá chất, công nghiệp chế biến dầu, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp cơ khí, công nghiệp xử lý nước và chất thải, công nghiệp dược phẩm, công nghiệp dệt may, nhà máy điện hạt nhân, trong công nghiệp khai khoáng, trong giao thông vận tải, trong quân sự, trong các hệ thống đảm bảo an toàn, trong các hệ thống vận chuyển tự động, điều khiển rô bốt, điều khiển máy công cụ CNC vv. Các PLC có thể được kết nối với các máy tính để truyền, thu thập và lưu trữ số liệu bao gồm cả quá trình điều khiển bằng thống kê, quá trình đảm bảo chất lượng, chẩn đoán sự cố trực tuyến, thay đổi chương trình điều khiển từ xa. Ngoài ra PLC còn được dùng trong hệ thống quản lý năng lượng nhằm giảm giá thành và cải thiện môi trường điều khiển trong các các hệ thống phục vụ sản xuất, trong các dịch vụ và các văn phòng công sở. Sự ra đời của máy tính cá nhân PC trong những năm 80s đã nâng cao đáng kể tính năng và khả năng sử dụng của PLC trong điều khiển máy và quá trình sản xuất.
Các PC giá thành không cao có thể sử dụng như các thiết bị lập trình và là giao diện giữa người vận hành và hệ thống điều khiển. Nhờ sự phát triển của các phần mềm đồ hoạ cho máy tính cá nhân PC, các PLC cũng được trang bị các giao diện đồ hoạ để có thể mô phỏng hoặc hiển thị các hoạt động của từng bộ phận trong hệ thống điều khiển. Điều này có ý nghĩa đặc biệt quan trọng đối với các máy CNC, vì nó tạo cho ta khả năng mô phỏng trước quá trình gia công, nhằm tránh các sự cố do lập trình sai. Máy tính cá nhân PC và PLC đều được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển sản xuất và cả trong các hệ thống dịch vụ.
PLC được sản xuất bởi nhiều hãng khác nhau trên thế giới. Về nguyên lý hoạt động, các PLC này có tính năng tương tự giống nhau, nhưng về lập trình sử dụng thì chúng hoàn toàn khác nhau do thiết kế khác nhau của mỗi nhà sản xuất. PLC khác với các máy tính là không có ngôn ngữ lập trình chung và không có hệ điều hành. Khi được bất lên thì PLC chỉ chạy chương trình điều khiển ghi trong bộ nhớ của nó, chứ không thể chạy được hoạt động nào khác.
Một số hãng sản xuất PLC lớn có tên tuổi như: Siemens, Toshiba, Mitsubishi, Omron, Allen Bradley, Rockwell, Fanuc là các hãng chiếm phần lớn thị phần PLC thế giới. Các PLC của các hãng này được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sử dụng công nghệ tự động hoá. Các thiết bị điều khiển PLC tạo thêm sức mạnh, tốc độ và tính linh hoạt cho các 6 hệ thống công nghiệp. Bằng sự thay thế các phần tử cơ điện bằng PLC, quá trình điều khiển trở nên nhanh hơn, rẻ hơn, và quan trọng nhất là hiệu quả hơn.