PLC – Phần 1: Cấu Tạo, Nguyên Lý Hoạt Động

PLC là thiết bị điều khiển lập trình được, nó có khả năng thực hiện các thuật toán thông qua ngôn ngữ lập trình. Trong thực tế, PLC có thể dùng thay thế các mạch rơ le. Chúng có độ tin cậy cao, được sử dụng rộng rãi trong môi trường khắc nghiệt. Vậy PLC là gì, có cấu tạo và nguyên lý hoạt động ra sao? Hãy cùng Elecfarm tìm hiểu qua bài viết sau.

1. Tác dụng

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị cho phép lập trình thực hiện các thuật toán điều khiển logic. PLC nhận tín hiệu từ các sự kiện bên ngoài thông qua đầu vào (input), thực hiện và cho đầu ra (output). Nó hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào. Khi có sự thay đổi ở đầu vào, dựa theo logic, chương trình cho đầu ra tương ứng.

2. Cấu tạo

Thông thường, hệ thống PLC có các bộ phận chính sau:

• Bộ nhớ chương trình: RAM, ROM, ngoài ra có thể sử dụng vùng nhớ ngoài – EPROM.
• Bộ xử lý trung tâm CPU.
• Module input/output. Thông thường module I/O được tích hợp trên PLC, khi có nhu cầu mở rộng I/O có thể lắp module I/O.

Ngoài ra, PLC còn có các bộ phận khác:

• Cổng kết nối PLC và máy tính: RS232, RS422, RS485. Các cổng này dùng để nạp và giám sát chương trình.
• Cổng truyền thông: PLC thường tích hợp cổng truyền thông Modbus RTU. Tùy hãng và dòng sản phẩm, PLC có thể được tích hợp thêm các chuẩn truyền thông khác như Profibus, Profinet, CANopen, EtherCAT…

3. Nguyên lí hoạt động

Bộ xử lý CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC. CPU đọc và kiểm tra chương trình trong bộ nhớ. Tiếp theo, nó thực hiện từng lệnh theo thứ tự trong chương trình. Các trạng thái đầu ra được đưa tới các thiết bị liên kết để thực thi.

Hệ thống Bus dùng để truyền tín hiệu, gồm nhiều đường tín hiệu song song:

• Address Bus: dùng để truyền địa chỉ đến các Module khác nhau.
• Data Bus: dùng để truyền dữ liệu.
• Control Bus: dùng để truyền các tín hiệu định thời và điểu khiển, đồng bộ các hoạt động trong PLC.

Trong PLC, dữ liệu được trao đổi giữa bộ CPU và các module I/O thông qua Data Bus. Address Bus và Data Bus gồm 8 đường, ở cùng thời điểm cho phép truyền 8 bit song song.

Nếu module đầu vào nhận được địa chỉ của nó trên Address Bus, nó sẽ chuyển tất cả trạng thái đầu vào của nó vào Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, module đầu ra tương ứng sẽ nhận được dữ liệu từ Data bus. Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển vào theo dõi chu trình hoạt động của PLC. Các địa chỉ và dữ liệu được chuyển lên các Bus tương ứng.

Hệ thống Bus sẽ làm nhiệm vụ trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và I/O. Bên cạch đó, CPU được cung cấp một xung Clock có tần số từ 1,8 MHz. Xung này cung cấp các yếu tố về định thời, đồng hồ của hệ thống. Nó cũng quyết định tốc độ hoạt động của PLC.

4. Phân loại

PLC được phân loại theo tiêu chí sau:

Theo hãng sản xuất:

• Các nhãn hiệu như Siemens, Ormon, Misubishi, Liyan, Fatek,…

Theo version:

• PLC loại ALPHA:

  • Có kích thước thật nhỏ gọn, phù hợp với các ứng dụng với số lượng I/O nhỏ hơn 30 cổng.
  • Dòng này có màn hình LCD và các phím nhấn cho phép thao tác, lập trình, sửa đổi…
  • Chương trình được tích hợp bên trong bộ đếm tốc độ cao và bộ ngắt (rơ le trung gian), cho phép xử lý tốt một số ứng dụng phức tạp…

  PLC loại FX0S:

  • Có kích thước siêu nhỏ, phù hợp với các ứng dụng với số lượng I/O nhỏ hơn 30, kích cỡ panel điều khiển.
  • Sử dụng bộ nhớ chương trình bằng EEPROM, cho phép dữ liệu chương trình được lưu lại trong bộ nhớ trong trường hợp mất nguồn đột ngột, giảm thiểu thời gian bảo hành sản phẩm.
  • Được tích hợp sẵn bên trong bộ đếm tốc độ cao và các bộ tạo ngắt, cho phép xử lý tốt một số ứng dụng phức tạp.
  • Nhược điểm của dòng FX0 là không có khả năng mở rộng số lượng I/O, không có khả năng kết nối mạng, thời gian thực hiện chương trình lâu.

  PLC loại FX0N:

  • Sử dụng cho các máy điều khiển độc lập hay các hệ thống nhỏ từ 10 đến 128 I/O.
  • FX0N thực chất là bước đệm trung gian giữa FX0S với FX PLC. FX0N có đầy đủ các đặc trưng cơ bản của dòng FX0S, đồng thời còn có khả năng mở rộng tham gia nối mạng.

  PLC FX1N:

  • Thích hợp với các bài toán điều khiển với số lượng đầu vào ra trong khoảng 14-60 I/O. Khi sử dụng các module vào ra mở rộng lên tới 128 I/O.
  • Bộ nhớ chương trình 8000 kstep.
  • Chu kỳ lệnh 0.55us/lệnh, 6 bộ đếm tốc độ cao (60KHz), hai bộ phát xung đầu ra với tần số điều khiển tối đa là 100KHz.
  • Nguốn cung cấp:12-24VDC, 120-240VAC.
  • Thích hợp cho các ứng dụng dùng trong công nghiệp chế biến gỗ, trong các hệ thống điều khiển cửa, hệ thống máy nâng, thang máy, sản xuất xe hơi, hệ thống điều hòa không khí trong các nhà kính, hệ thống xử lý nước thải, hệ thống điều khiển máy dệt,…

  PLC loại FN2N:

  • Có tính năng tương đối mạnh, gồm tất cả các tính năng dòng FX1N.
  • Tốc độ xử lý tăng cường với thời gian thực hiện 0.08us/lệnh.
  • Điều khiển số lượng đầu ra từ 16-128I/O. Nó có thể mở rộng lên tới 256 I/O.
  • Bộ nhớ 8kstep, có thể mở rộng bộ nhớ lên tới 16kstep.
  • Có khả năng truyền thông, nối mạng nói chung của dòng FX1N đã đưa FX2N lên vị trí hàng đầu trong dòng FX.
  • Có thể đáp ứng tốt các đòi hỏi khắt khe nhất đối với các ứng dụng điều khiển dây chuyền sản xuất, xử lý nước thải, các ứng dụng hệ thống xử lý môi trường, điều khiển các máy dệt và trong các ứng dụng dây chuyền đóng lắp ráp tàu biển….

Theo số lượng các đầu vào/ra

PLC có 4 loại sau:

• Micro PLC là loại có dưới 32 kênh vào/ra
• PLC nhỏ có đến 256 kênh vào/ra
• PLC trung bình có đến 1024 kênh vào/ra
• PLC có đến trên 1024 kênh vào/ra

5. Tham số cơ bản

Các tham số cơ bản của PLC gồm:

• Nguồn hoạt động, điện áp nguồn cung cấp đầu ra
• Số lượng đầu vào, số lượng đầu ra
• Dung lượng bộ nhớ
• Chu kỳ lệnh
• Kích thước
• Khối lượng

6. Các hãng phổ biến trên thị trường

Siemens – Đức:

Siemens chính thức có mặt tại Việt Nam vào năm 1993, chuyên cung cấp các dịch vụ và sản phẩm công nghệ điện, điện tử.

Các dòng sản phẩm PLC: Logo, S7-200, S7-1200, S7-300, S7-1500, S7-400.

Mitsubishi – Nhật bản:

Mitsubishi Electric chính thức có mặt tại Việt Nam vào năm 2011. Trong quá trình phát triển tại Việt Nam, đến thời điểm hiện tại PLC Mitsubishi đã trở nên phổ biến.

Các dòng sản phẩm PLC Mitsubishi như: FX Series “FX1N, FX1S, FX2N, FX3G, FX3U, FX3S, FX3GE, FX3UC, FX5U, FX3GA, FX3GC, FX3SA”. Ngoài ra, các dòng khác phát triển sau như: iQ-R Series, iQ-F Series, Q Series, L Series, QS/WS Series, A Series.

Unitronics – Israel

UNITRONICS được thành lập vào năm 1989. PLC+HMI All-in-One đã được cung ứng ra thị trường hơn 20 năm và liên tục nhận được phản hồi tích cực từ đơn vị sử dụng.

Các dòng sản phẩm PLC Unitronics: PLC UniStream, [PLC+HMI] UniStream, [PLC+HMI] Vision, [PLC+HMI] Samba, [PLC+HMI] Jazz & M91.

Omron – Nhật bản:

Omron chính thức có mặt tại Việt Nam vào năm 1996, nổi tiếng với các sản phẩm trong lĩnh vực y tế và công nghiệp.

Trong lĩnh vực tự động hóa, Omron cung cấp rất nhiều sản phẩm như biến tần, động cơ Servo, bộ lập trình điều khiển logic, màn hình HMI hay phần mềm SCADA. PLC Omron phổ biến tại Việt Nam với các dòng như: NX1 Series, NX1P Series, NJ Series, CP Series, CJ1 Series, CJ2 Series, CS1 Series, CPM Series.

Schneider – Pháp:

Schneider chính thức hoạt động tại Việt Nam vào năm 1994. Các dòng PLC Schneider phổ biến: Zelio Logic (Smart relays), Twido, Modicon M171/M172, Modicon M221, Modicon M238, Modicon M251, Modicon M258, Modicon MC80, Modicon TSX Micro, Preventa XPS MF.

LS – Hàn quốc:

LS với tiền thân bắt đầu từ tập đoàn LG Industrial và được tách ra vào năm 2003 dưới thương hiệu LS (chuyên sản xuất thiết bị điện công nghiệp, điện tử).

Các dòng sản phẩm PLC LS phổ biến: XGT Series (XGK, XGI, XGR), XGB Series, MASTER-K Series, GLOFA-GM Series, XMC Motion.