Mở đầu Sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại và công nghệ điều khiển logic khả trình dựa trên cơ sở phát triển của tin học mà cụ thể là sự phát của kỹ thuật máy tính. Kỹ thuật điều khiển logic khả trình PLC (Programmable Logic Control) được phát triển từ những năm 1968 - 1970. Trong giai đoạn đầu các thiết bị khả trình yêu cầu người sử dụng phải có kỹ thuật điện tử, phải có trình độ cao. Ngày này các thiết bị PLC đã phát triển mạnh mẽ và có mức độ phổ cập cao.
PLC (Programmable Logic Control): Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC. Là loại thiết bị cho phép điều khiển linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện mạch toán đó trên mạch số. Như vậy với chương trình điều khiển trong mình, PLC trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh (với các PLC khác hay với máy tính). Để có thể thực hiện một chương trình điều khiên, PLC phải có tính năng như một máy tính.
Nghĩa là phải có một bộ vi xử lý trung tâm (CPU), một hệ điều hành, một bộ nhớ chương trình để lưu chương trình cũng như dữ liệu và tất nhiên phải có các cổng vào ra để giao tiếp với các thiết bị bên ngoài. Bên cạnh đó, nhằm phục vụ các bài toán điều khiển số, PLC phải có các khối hàm chức năng như Timer, Counter, và các hàm chức năng đặc biệt khác. Sơ đồ khối của PLC Các PLC tương tự máy tính, nhưng máy tính được tối ưu hóa cho các nhiệm vụ tính toán và hiển thị còn PLC được chuyên biệt cho các nhiệm vụ điều khiển và môi trường công nghiệp. Vì vậy các PLC được thiết kế: - Để chịu được các rung động, nhiệt độ, độ ẩm, bụi bẩn và tiếng ồn.
- Có sẵn giao diện cho các thiết bị vào ra. - Được lập trình dễ dàng với ngôn ngữ lập trình dễ hiểu, chủ yếu giải quyết các phép toán logic và chuyển mạch. Về cơ bản chức năng của bộ điều khiển logic PLC cũng giống chức năng của bộ điều khiển thiết kế trên cơ sở rơle công tắc tơ hay trên cơ sở các khối điện tử đó là: 3 - Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ cảm biến. - Liên kết, ghép nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiện đóng mở các mạch phù hợp với công nghệ.
- Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển đến các địa chỉ thích hợp. Các thành phần cơ bản của một bộ PLC Hệ thống PLC thông dụng có năm bộ phận cơ bản gồm: Bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao diện vào ra và các thiết bị lập trình. Sơ đồ hệ thống như sau: Hình 1. Sơ đồ hệ thống của PLC a.
Bộ xử lý: Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU) là linh kiện chứa bộ vi xử lý. Bộ xử lý nhận các tín hiệu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động đến các thiết bị ra. Nguyên lý làm việc của bộ xử lý tiến hành theo từng bước tuần tự. Đầu tiên các thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình được gọi tên tuần tự và được kiểm soát bởi bộ đếm chương trình.
Bộ xử lý liên kết các tín hiệu và đưa kết quả 4 ra đầu ra. Chu kỳ thời gian này gọi là thời gian quét (scan). Thời gian vòng quét phụ thuộc vào tầm vóc bộ nhớ, tốc độ của CPU. Chu kỳ một vòng quét có hình như hình 1.
Chu kỳ một vòng quét Sự thao tác tuần tự của chương trình dẫn đến một thời gian trễ trong khi bộ đếm của chương trình đi qua một chu kỳ đầy đủ, sau đó lại bắt đầu lại từ đầu. Để đánh giá thời gian trễ người ta đo thời gian quét của một chương trình dài 1 Kbyte và coi đó là chỉ tiêu để so sánh các PLC. Với nhiều loại thiết bị thời gian trễ này có thể tới 20ms hoặc hơn. Nếu thời gian trễ gây trở ngại cho quá trình điều khiển thì phải dùng các biện pháp đặc biệt, chẳng hạn như lặp lại những lần gọi quan trọng trong thời gian một lần quét, hoặc là điều khiển các thông tin chuyển giao để bỏ bớt đi những lần gọi sit quan trọng khi thời gian quét dài tới mức không thể chấp nhận được.
Nếu các biện pháp trên không thỏa mãn thì phải dùng PLC có thời gian quét ngắn hơn. Bộ nguồn: Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp cho bộ vi xử lý (thường là 5VDC) và cho các mạch điện cho các module còn lại (thường là 24V). Thiết bị lập trình: Thiết bị lập trình được sử dụng để lập các chương trình điều khiển cần thiết sau đó được chuyển cho PLC. Thiết bị lập triofnh có thể là thiết bị lập trình 5 chuyên dụng, có thể là thiết bị cầm tay gọn nhẹ, có thể là phần mềm được cài đặt trên máy tính cá nhân.
Bộ nhớ: 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 tùy 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 kích cỡ khác nhau, khi cần mở rộng có thể cắm thêm.
Giao diện vào/ra: Giao diện vào là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông tin đến các thiết bị bên ngoài. Tín hiệu vào có thể từ các công tắc, bộ cảm biến nhiệt độ, các tế bào quang điện,… 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 các tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệ logic,… Các tín hiệu vào/ra có thể biểu hiện như sau: Mỗi điểm vào/ra có một địa chỉ Hình 1. Giao diện vào ra của PLC 6 Các kênh vào ra đã có chức năng cách ly và điều hóa tín hiệu sao cho các bộ cảm biến và các bộ tác động có thể nối trực tiếp với chúng mà không cần thêm mạch điện khác. Tín hiệu vào thường được ghép cách điện (cách ly) nhờ linh kiện quang như hình 1.
Dải tín hiệu nhận vào cho các PLC cỡ lớn có thể là 5V, 24V, 110V, 220V. Các PLC cỡ nhỏ chỉ nhập tín hiệu 24V. Mạch cách ly tín hiệu vào Tín hiệu ra cũng được ghép cách ly, tín hiệu ra cũng được cách ly kiểu rơ le như hình 1.6 hay cách ly kiểu quang như hình 1. Tín hiệu ra có thể là tín hiệu chuyển mạch 24V, 100mA; 110V, 1A một chiều; thậm chí 240V, 1A xoay chiều tùy loại PLC.
Tuy nhiên, với PLC cỡ lớn dải tín hiệu ra có thể thay đổi bằng cách lựa chọn các module ra thích hợp. Mạch cách ly tín hiệu ra kiểu rơ le 7 Hình 1. Mạch cách ly tín hiệu ra kiểu quang 1. Đánh giá ưu nhược điểm của PLC Trước đây, bộ PLC thường rất đắt, khả năng hoạt động bị hạn chế và quy trình lập trình phức tạp.
Vì những lý do đó mà PLC chỉ được dùng trong những nhà máy và các thiết bị đặc biệt. Ngày nay, do giá thành hạ kèm theo tăng khả năng của PLC dẫn đến PLC ngày càng được áp dụng rộng cho các thiết bị máy móc. Các bộ PLC đơn khối với 24 kênh đầu vào và 26 kênh đầu ra thích hợp với các máy tiêu chuẩn đơn, các trang thiết bị liên hợp. Còn các bộ PLC với nhiều khả năng ứng dụng và lựa chọn được dùng cho những nhiệm vụ phức tạp hơn.
Có thể kể ra các ưu điểm của PLC như sau: - Chuẩn bị vào hoạt động nhanh: Thiết kế kiểu module cho phép thích nghi nhanh với mọi chức năng điều khiển. Khi đã được lắp ghép thì PLC sẵn sàng làm việc ngay. Ngoài ra nó còn được sử dụng lại cho các ứng dụng khác dễ dàng. - Độ tin cậy cao: Các linh kiện điện tử có tuổi thọ dài hơn các thiết bị cơ điện.
Độ tin cậy của PLC ngày càng tăng, bảo dưỡng định kỳ thường không cần thiết còn với mạch rơle công tắc tơ thì việc bảo dưỡng định kỳ là cần thiết. - Dễ dàng thay đổi chương trình: Việc thay đổi chương trình được tiến hành đơn giản. Để sửa đổi hệ thống điều khiển và các quy tắc điều khiển đang được sử dụng, người vận hành chỉ cần nhập tập lệnh khác, 8 gần như không cần mắc nối lại dây. Nhờ đó hệ thống rất linh hoạt và hiệu quả.
- Đánh giá nhu cầu đơn giản: Khi biết các đầu vào và đầu ra thì có thể đánh giá được kích cỡ yêu cầu của bộ nhớ hay độ dài chương trình. Do đó có thể dễ dàng và nhanh chóng lựa chọn PLC phù hợp với các yêu cầu công nghệ đặt ra. - Khả năng tái tạo: Nếu dùng PLC với quy cách kỹ thuật giống nhau thì chi phí lao động sẽ giảm thấp hơn nhiều so với bộ điều khiển rơle. Đó là do giảm phần lớn lao động lắp ráp.
- Tiết kiệm không gian: PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với bộ điều khiển rơle tương đương. - Có tính chất nhiều chức năng: PLC có ưu điểm chính là có thể sử dụng cùng một thiết bị điều khiển cơ bản cho nhiều hệ thống điều khiển. Người ta thường dùng PLC cho các quá trình tự động linh hoạt vì dễ dàng thuận tiện trong tính toán, so sánh các giá trị tương quan, thay đổi chương trình và thay đổi thông số. - Về giá trị kinh tế: Khi xét về giá trị kinh tế của PLC ta phải đề cập đến số lượng đầu vào và đầu ra.
Quan hệ về giá thành với số lượng đầu vào và đầu ra có dạng như hình 1. Như vậy, nếu số lượng đầu vào/ra quá ít thì hệ rơle ra kinh tế hơn, nhưng khi số lượng đầu vào/ra tăng lên thì hệ PLC kinh tế hơn hẳn. Quan hệ giữa số lượng vào/ra và giá thành Có thể so sánh hệ điều khiển rơle và hệ điều khiển PLC như sau: - Hệ rơle: Nhiều bộ phận đã được chuẩn hóa. Ít nhạy cảm với nhiễu.
Kinh tế với các hệ thống nhỏ. Thời gian lắp đặt lâu. Thay đổi khó khăn. Kích thước lớn.
Cần bảo quản thường xuyên.
