I. Tổng Quan Về PLC Nền Tảng Đồ Án Tốt Nghiệp Hiện Đại
Kỹ thuật điều khiển tự động ngày càng phát triển, đặc biệt là công nghệ điều khiển lôgic lập trình dựa trên sự phát triển của tin học và kỹ thuật máy tính. Sự phát triển của máy tính điện tử và tin học đã đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các ứng dụng như PLC và CNC. Trước đây, người ta phân biệt điều khiển bằng cơ khí và điều khiển bằng điện tử, nhưng từ cuối thập kỷ 20, sự phát triển của sản xuất đòi hỏi điều khiển tổng thể hệ thống máy. PLC đã đem lại nhiều thuận lợi, giúp các thao tác máy nhanh nhạy, dễ dàng và đáng tin cậy hơn. Kỹ thuật điều khiển lôgic khả lập trình phát triển dựa trên công nghệ máy tính và tiếp cận nhu cầu công nghiệp. Quy trình lập trình ban đầu được sử dụng trong các xí nghiệp công nghiệp điện tử, kết hợp kỹ thuật và tay nghề. Đến nay, người dùng PLC không cần giỏi điện tử, chỉ cần nắm vững công nghệ sản xuất để chọn thiết bị thích hợp và lập trình. Trình độ lập trình dễ dàng là một chỉ tiêu quan trọng để xếp hạng hệ thống điều khiển. Có sự phân biệt giữa bộ điều khiển có thể thay đổi quy trình hoạt động so với điều khiển theo quy trình cứng. Tùy theo kết cấu hệ thống và cấu tạo thành phần, mỗi phạm trù điều khiển lại chia ra nhiều loại khác nhau. Những đặc trưng lập trình của các loại điều khiển bao gồm điều khiển bằng tiếp xúc vật lý, điều khiển bằng bộ nhớ khả lập, quy trình cứng và quy trình mềm. Vai trò của một bộ điều khiển PLC trong một hệ thống điều khiển tự động được ví như là trái tim, liên tục kiểm tra trạng thái của hệ thống thông qua các tín hiệu phản hồi từ các thiết bị nhập, xử lý tín hiệu dựa trên chương trình logic và đưa ra các tín hiệu điều khiển đến các thiết bị xuất. PLC được sử dụng để điều khiển các hệ thống từ đơn giản đến phức tạp, hoặc kết hợp chúng thành một mạng truyền thông để điều khiển một quá trình phức hợp. Theo tài liệu gốc, sự phát triển của PLC đã đem lại nhiều thuận lợi và làm cho các thao tác máy trở lên nhanh nhạy dễ dàng và tin cậy hơn.
1.1. Lịch Sử Phát Triển và Vai Trò của PLC Trong Công Nghiệp
Sự ra đời và phát triển của PLC gắn liền với sự tiến bộ của kỹ thuật điều khiển tự động và công nghệ thông tin. Từ chỗ chỉ phân biệt giữa điều khiển cơ khí và điện tử, nhu cầu sản xuất ngày càng phức tạp đòi hỏi các hệ thống điều khiển tổng thể. PLC đã đáp ứng nhu cầu này bằng cách mang lại sự linh hoạt, chính xác và tin cậy cao hơn so với các phương pháp điều khiển truyền thống. Vai trò của PLC không chỉ dừng lại ở việc điều khiển các máy móc đơn lẻ mà còn cho phép tích hợp nhiều thiết bị và hệ thống khác nhau vào một mạng lưới điều khiển thống nhất. Điều này đã mở ra những khả năng mới trong việc tự động hóa quy trình sản xuất và quản lý hệ thống. "Trong một hệ thống điều khiển tự động, PLC được xem như là trái tim của hệ thống điều khiển" (Đồ án tốt nghiệp Tổng quan PLC LUAN VAN CHAT LUONG). PLC giúp các thao tác máy trở lên nhanh nhạy dễ dàng và tin cậy hơn.
1.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của PLC So Với Hệ Thống Điều Khiển Cứng
So với các hệ thống điều khiển cứng (relay, contactor), PLC mang lại nhiều ưu điểm vượt trội. Khả năng lập trình linh hoạt cho phép dễ dàng thay đổi quy trình điều khiển mà không cần thay đổi phần cứng. Kích thước nhỏ gọn giúp tiết kiệm không gian lắp đặt. Khả năng tự kiểm tra và chẩn đoán lỗi giúp giảm thời gian bảo trì. Độ tin cậy cao giúp đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống. Đặc biệt, khả năng kết nối mạng giúp PLC dễ dàng tích hợp vào các hệ thống quản lý sản xuất lớn hơn. Như đồ án chỉ ra, hệ thống điều khiển bằng PLC làm giảm sự cồng kềnh do có quá nhiều dây dẫn và rơle. Nó còn tiết kiệm thời gian và công sức cho việc thiết kế, lắp đặt.
II. PLC Các Thành Phần Cơ Bản và Chức Năng Quan Trọng Nhất
Phần cứng của PLC được cấu tạo từ nhiều môđun, bao gồm: Môđun nguồn, Môđun bộ nhớ chương trình, Môđun đầu vào (thẻ đầu vào), Môđun đầu ra (thẻ đầu ra), Môđun phối ghép (thẻ phối ghép), Môđun chức năng phụ. Mỗi môđun được lắp thành đơn vị riêng, có phích cắm nhiều chân để cắm vào rút ra dễ dàng trên panen cơ khí. Trên panen có: Đường ray nguồn để đưa nguồn điện một chiều (thường là 24v) từ đầu ra của môđun nguồn, đưa đi cung cấp cho tất cả các môđun khác; Luồng liên lạc để trao đổi thông tin giữa các môđun và với bên ngoài. Đơn vị xử lý trung tâm CPU, có hai loại: Đơn vị xử lý “ một – bít”, thích hợp cho việc xử lý các thao tác lôgic; Đơn vị xử lý bằng “ từ ngữ “. Bộ nhớ có nhiều loại, đây là nơi lưu giữ trạng thái hoạt động của hệ thống và bộ nhớ của người sử dụng. Các thiết bị nhập; Hình thức giao diện cơ bản giữa PLC và các thiết bị nhập là: Nút ấn, cầu dao, phím,… Các thiết bị xuất; Các thiết bị xuất thông thường là: động cơ, cuộn dây nam châm, relay, chuông báo. Mô đun phối ghép dùng để nối bộ điều khiển PLC với các thiết bị bên ngoài, như màn hình thiết bị lập trình hoặc với panen mở rộng. Các chức năng phụ điển hình nhất của PLC: Bộ nhớ duy trì; Bộ thời gian; Bộ đếm; Bộ ghi; Chức năng số học; Chức năng điều khiển số (NC). Theo đồ án, các môđun được lắp thành những đơn vị riêng, có phích cắm nhiều chân để cắm vào rút ra dễ dàng trên một panen cơ khí có dạng bảng hoặc hộp.
2.1. CPU Trung Tâm Xử Lý và Các Loại Đơn Vị Xử Lý Trong PLC
CPU là trung tâm xử lý của PLC, chịu trách nhiệm thực hiện các lệnh và điều khiển hoạt động của toàn hệ thống. Có hai loại CPU chính: CPU xử lý từng bit và CPU xử lý theo từ ngữ. CPU xử lý từng bit thích hợp cho các ứng dụng đơn giản, trong khi CPU xử lý theo từ ngữ phù hợp với các ứng dụng phức tạp hơn đòi hỏi tốc độ xử lý cao hơn. Việc lựa chọn loại CPU phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng. Đồ án đề cập đến việc bộ xử lý quyết định khả năng và chức năng của PLC. Bộ điều khiển lôgic khả lập trình với đơn vị xử lý trung tâm bằng từ ngữ được dùng khi đòi hỏi xử lý văn bản và các thông tin số, các phép tính, đo lường đánh giá, điều khiển, kiểm tra,ghi nhớ cũng như xử lý các tín hiệuđơn trong mã nhị nguyên.
2.2. Bộ Nhớ Các Loại Bộ Nhớ và Vai Trò Trong Lưu Trữ Dữ Liệu PLC
Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình điều khiển, dữ liệu và các thông tin cần thiết cho hoạt động của PLC. Có nhiều loại bộ nhớ khác nhau như ROM, RAM, EPROM và EEPROM, mỗi loại có ưu nhược điểm riêng. ROM thường được sử dụng để lưu trữ chương trình hệ thống, RAM được sử dụng để lưu trữ dữ liệu tạm thời và chương trình người dùng, EPROM và EEPROM được sử dụng để lưu trữ chương trình người dùng và có thể được lập trình và xóa nhiều lần. Đồ án nêu rõ để đảm bảo PLC hoạt động, phải cần có bộ nhớ để lưu trữ chương trình, và đôi khi cần mở rộng bộ nhớ để thực hiện các chức năng khác.
2.3 Module Vào Ra và Tầm Quan Trọng trong Giao Tiếp với Thiết Bị Bên Ngoài
Module vào/ra cho phép PLC giao tiếp với các thiết bị bên ngoài như cảm biến, công tắc, động cơ, van, v.v. Module vào nhận tín hiệu từ các thiết bị bên ngoài và chuyển đổi chúng thành định dạng mà PLC có thể hiểu được. Module ra nhận tín hiệu từ PLC và chuyển đổi chúng thành định dạng mà các thiết bị bên ngoài có thể hiểu được. Số lượng và loại module vào/ra cần thiết phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.
III. So Sánh PLC Với Các Thiết Bị Điều Khiển Thông Thường Khác
Hiện nay, các hệ thống điều khiển bằng PLC đang dần thay thế các hệ thống điều khiển bằng relay, contactor thông thường. Hệ thống điều khiển thông thường có nhiều hạn chế như tốn diện tích, tốn thời gian thiết kế, tốc độ hoạt động chậm, công suất tiêu thụ lớn, khó thay đổi chương trình và khó bảo quản sửa chữa. Hệ thống điều khiển bằng PLC có nhiều ưu điểm như nhỏ gọn, công suất tiêu thụ ít, dễ dàng thay đổi chương trình, tốc độ hoạt động nhanh, dễ bảo trì sửa chữa, độ bền cao, giá thành giảm khi số tiếp điểm tăng, có thiết bị chống nhiễu, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu và dễ lập trình trên máy tính. Theo đồ án, do những lý do trên PLC thể hiện rõ ưu điểm so với các thiết bị điều khiển thông thường khác. PLC còn có khả năng thêm vào hay thay đổi các lệnh tùy theo yêu cầu của công nghệ. Khi đó ta chỉ cần thay đổi chương trình của nó, điều này nói lên tính năng điều khiển khá linh động của PLC.
3.1. Ưu và Nhược Điểm Của Hệ Thống Điều Khiển Bằng Relay Contactor
Hệ thống điều khiển bằng Relay và Contactor tuy có ưu điểm là dễ thiết kế và bảo trì, nhưng lại có nhiều nhược điểm như: Cồng kềnh do có nhiều dây dẫn và rơle. Tốn nhiều thời gian cho việc thiết kế, lắp đặt. Tốc độ hoạt động chậm. Công suất tiêu thụ lớn. Mỗi lần muốn thay đổi chương trình thì phải lắp đặt lại toàn bộ, tốn nhiều thời gian. Khó bảo quản và sửa chữa.
3.2. Ưu Điểm Vượt Trội Của Hệ Thống Điều Khiển Dùng PLC
Hệ thống điều khiển bằng PLC khắc phục được các nhược điểm của hệ thống điều khiển bằng Relay và Contactor, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội như: Giảm thiểu dây kết nối, kích thước nhỏ gọn hơn. Công suất tiêu thụ ít hơn. Sự thay đổi các ngõ vào, ra và điều khiển hệ thống trở nên dễ dàng hơn nhờ phần mềm điều khiển bằng máy tính hay trên Console. Tốc độ hoạt động của hệ thống nhanh hơn. Bảo trì và sửa chữa dễ dàng. Độ bền và tin cậy vận hành cao. Giá thành của hệ thống giảm khi số tiếp điểm tăng. Có thiết bị chống nhiễu. Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu. Dễ lập trình và có thể lập trình trên máy tính, thích hợp cho việc thực hiện các lệnh tuần tự của nó.
IV. Các Bước Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Dùng PLC Hiệu Quả Nhất
Để thiết kế một chương trình điều khiển cho một hoạt động, cần thực hiện các bước sau: Xác định quy trình công nghệ; Xác định ngõ vào, ngõ ra; Viết chương trình theo sơ đồ hình bậc thang (ladder ) phải theo sự hoạt động tuần tự từng bước của hệ thống. Sử dụng các khối chức năng, đó là những hàm logic và những hàm đặc biệt để lập trình. Có thể lập trình trực tiếp trên PLC nhờ các phím chức năng. Hoặc có thể lập trình trên máy tính sau đó đổ chương trình xuống PLC nhờ cáp nối; Nạp chương trình vào bộ nhớ; Chạy chương trình. Đồ án nêu rõ với bất cứ một bộ điều khiển nào thì người thiết kế đều phải tuân thủ tất cả các bước trên. Nếu không muốn hệ thống của mình gặp trục trặc.
4.1. Xác Định Quy Trình Công Nghệ và Yêu Cầu Điều Khiển
Bước đầu tiên và quan trọng nhất là xác định rõ quy trình công nghệ cần điều khiển. Điều này bao gồm việc phân tích các bước trong quy trình, các thiết bị tham gia, các thông số cần kiểm soát và các điều kiện vận hành. Việc hiểu rõ quy trình công nghệ sẽ giúp xác định được yêu cầu điều khiển và lựa chọn PLC phù hợp. Trước tiên, ta phải xác định thiết bị hay hệ thống nào muốn điều khiển. Mục đích cuối cùng của bộ điều khiển là điều khiển một hệ thống hoạt động. Sự vận hành của hệ thống được kiểm tra bởi các thiết bị đầu vào. Nó nhận tín hiệu và gửi tín hiệu đến CPU , CPU xử lý tín hiệu và gửi nó đến thiết bị xuất để điều khiển sự hoạt động của hệ thống như lập trình sẵn trong chương trình
4.2. Lựa Chọn Phần Cứng và Phần Mềm Lập Trình Thích Hợp Cho PLC
Sau khi xác định yêu cầu điều khiển, cần lựa chọn phần cứng PLC và phần mềm lập trình phù hợp. Việc lựa chọn PLC cần dựa trên số lượng đầu vào/ra, loại tín hiệu, tốc độ xử lý, khả năng mở rộng và các yêu cầu đặc biệt khác. Phần mềm lập trình cần dễ sử dụng, có đầy đủ các chức năng cần thiết và hỗ trợ ngôn ngữ lập trình quen thuộc.
4.3. Viết Chương Trình Điều Khiển và Kiểm Tra Gỡ Lỗi
Sau khi lựa chọn phần cứng và phần mềm, cần viết chương trình điều khiển để thực hiện các yêu cầu đã xác định. Chương trình có thể được viết bằng các ngôn ngữ lập trình khác nhau như Ladder Diagram, Function Block Diagram, Structured Text, v.v. Sau khi viết chương trình, cần kiểm tra và gỡ lỗi để đảm bảo chương trình hoạt động đúng và không gây ra lỗi.