Tổng quan về các thành phần phần cứng và phần mềm của PLC

Nếu bạn đã quen thuộc với tự động hóa công nghiệp, có thể bạn đã nghe nói về PLC. Vậy, PLC là gì và tại sao chúng lại quan trọng như vậy trong thế giới tự động hóa?

PLC là gì? 

PLC là viết tắt của Programmable Logic Controller. Chúng là các máy tính công nghiệp được sử dụng để điều khiển các quá trình cơ điện khác nhau để sử dụng trong sản xuất, nhà máy hoặc các môi trường tự động hóa khác.

PLC khác nhau về kích thước và hệ số hình thức. Một số đủ nhỏ để vừa với túi của bạn trong khi những chiếc khác đủ lớn để yêu cầu giá đỡ hạng nặng của riêng chúng để lắp vào. Một số PLC có thể được tùy chỉnh với mặt sau và mô-đun chức năng để phù hợp với các loại ứng dụng công nghiệp khác nhau.

PLC được giới thiệu vào cuối những năm 1960 bởi nhà phát minh Richard Morley để cung cấp các chức năng tương tự như hệ thống logic rơle. Hệ thống chuyển tiếp vào thời điểm đó có xu hướng bị lỗi và tạo ra sự chậm trễ. Các kỹ thuật viên sau đó đã phải khắc phục sự cố cả một bức tường rơ le  để khắc phục sự cố.

PLC rất mạnh mẽ và có thể tồn tại trong các điều kiện khắc nghiệt bao gồm nhiệt độ cao, lạnh, bụi và độ ẩm cao. Ngôn ngữ lập trình của họ rất dễ hiểu, vì vậy họ có thể được lập trình mà không gặp nhiều khó khăn. PLC có dạng mô-đun nên chúng có thể được cắm vào các thiết lập khác nhau. rơ le chuyển mạch dưới tải có thể gây ra phóng điện không mong muốn giữa các tiếp điểm. Hồ quang tạo ra nhiệt độ cao làm đóng các tiếp điểm của mối hàn và gây ra sự suy giảm chất lượng của các tiếp điểm trong rơle, dẫn đến hỏng hóc thiết bị. Việc thay thế rơ le bằng PLC giúp ngăn chặn quá nhiệt của các tiếp điểm.

PLC có những nhược điểm. Chúng không hoạt động tốt khi xử lý dữ liệu phức tạp. Khi xử lý dữ liệu yêu cầu C ++ hoặc Visual Basic, máy tính là bộ điều khiển được lựa chọn. PLC cũng không thể hiển thị dữ liệu tốt nên thường phải sử dụng màn hình ngoài.

Thành phần phần cứng PLC

Bộ xử lý trung tâm (CPU) đóng vai trò là bộ não của PLC. Nó là một bộ vi xử lý -16 hoặc -32 bit bao gồm một chip nhớ và các mạch tích hợp để điều khiển logic, giám sát và giao tiếp. CPU chỉ đạo PLC thực hiện các lệnh điều khiển, giao tiếp với các thiết bị khác, thực hiện các phép toán logic và số học cũng như thực hiện chẩn đoán nội bộ. CPU chạy các quy trình bộ nhớ, liên tục kiểm tra PLC (bộ điều khiển PLC là dự phòng) để tránh lỗi lập trình và đảm bảo bộ nhớ không bị hỏng.

PLC hoạt động với các đầu vào, đầu ra, nguồn điện và các thiết bị lập trình bên ngoài.

Bộ nhớ cung cấp khả năng lưu trữ vĩnh viễn cho hệ điều hành đối với dữ liệu được CPU sử dụng. Bộ nhớ chỉ đọc (ROM) của hệ thống lưu trữ dữ liệu vĩnh viễn cho hệ điều hành Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (RAM) lưu trữ thông tin trạng thái cho các thiết bị đầu vào và đầu ra, cùng với các giá trị cho bộ định thời, bộ đếm và thiết bị bên trong. PLC yêu cầu một thiết bị lập trình, máy tính hoặc bảng điều khiển, để tải dữ liệu lên CPU.

Một chu kỳ hoạt động của CPU bao gồm các bước sau:

• Bắt đầu quét

• Kiểm tra nội bộ

• Quét đầu vào

• Thực hiện logic chương trình

• Cập nhật kết quả đầu ra

• Chương trình lặp lại với các đầu ra được cập nhật.

PLC đọc tín hiệu từ các cảm biến và thiết bị đầu vào khác nhau. Các thiết bị đầu vào này có thể là bàn phím, công tắc hoặc cảm biến. Đầu vào có thể ở dạng kỹ thuật số hoặc tương tự. Robot và hệ thống trực quan là những thiết bị thông minh có thể gửi tín hiệu đến các mô-đun đầu vào PLC. Các thiết bị đầu ra như động cơ và van điện từ hoàn thiện hệ thống tự động.

Hình trên mô tả các đầu vào phổ biến trong PLC, bao gồm các nút nhấn và công tắc. Các kết nối đầu ra được hiển thị trong hình dưới cùng và bao gồm đầu ra tín hiệu (SOL), đèn hoa tiêu (PL) và đánh lửa động cơ (MI).

Sinking và sourcing là hai thuật ngữ quan trọng khi thảo luận về kết nối đầu vào và đầu ra của PLC. Sinking là đường nối đất chung (-) và sourcing là đường VCC chung (+). VCC là viết tắt của điểm kết nối điện áp nguồn cung cấp tích cực. Đầu vào Sinking và sourcing  chỉ dẫn điện theo một hướng. Mỗi đầu vào có dòng trả về riêng và một số đầu vào kết nối với một dòng trả về thay vì một số dòng trả về riêng biệt. Những dòng phổ biến này được gắn nhãn "COMM." Đầu ra của cảm biến đánh dấu kích thước của tín hiệu đã cho. 

Mô-đun đầu vào dòng điện một chiều (dc) kết nối với các thiết bị loại bóng bán dẫn chìm hoặc tìm nguồn. Mô-đun đầu vào dòng điện xoay chiều (ac) ít phổ biến hơn đầu vào dc vì hầu hết các cảm biến có đầu ra là bóng bán dẫn, vì vậy nếu hệ thống sử dụng đầu vào cảm biến, rất có thể nó sẽ là dc; Đầu vào ac mất nhiều thời gian hơn để PLC nhìn thấy so với đầu vào dc. Một đầu vào xoay chiều điển hình là một công tắc cơ học được sử dụng cho các ổ đĩa cơ học chậm.

rơ le là một trong những kết nối đầu ra phổ biến nhất. Một rơ le có thể chuyển đổi mô-đun xoay chiều hoặc một chiều vì chúng không phân cực. Một rơ le chạy chậm, chuyển đổi và lắng ở tốc độ từ 5 đến 50 mili giây (mili giây), nhưng có thể chuyển dòng điện lớn. Ví dụ, một rơ le có thể được sử dụng cho pin điện áp thấp để chuyển mạch chính xoay chiều 230v. Kết nối bóng bán dẫn nhanh hơn rơ le và có tuổi thọ cao. Các bóng bán dẫn chuyển đổi một dòng điện nhỏ, nhưng chỉ hoạt động với điện một chiều. Một ví dụ về bóng bán dẫn công suất cao có dòng điện 15ampe với điện áp tối đa là 60V. Kết nối đầu ra triac (triode cho dòng điện xoay chiều) chỉ điều khiển tải xoay chiều. Giống như một bóng bán dẫn, một triac nhanh hơn và xử lý tải xoay chiều lớn. Ví dụ, một đầu ra triac có thể xử lý điện áp từ 500 đến 800 với dòng điện 12 ampe.

Ngôn ngữ lập trình PLC

Năm ngôn ngữ lập trình được sử dụng trong PLC. Chúng được định nghĩa theo tiêu chuẩn quốc tế IEC 61131. Logic bậc thang là một trong những ngôn ngữ PLC thông dụng nhất. Trong đó, các ký hiệu đại diện cho việc đóng mở rơle, bộ đếm, bộ định thời, thanh ghi dịch chuyển và các phép toán. Các ký hiệu được sắp xếp thành thói quen chương trình mong muốn. Các quy tắc trong logic bậc thang được gọi là "bậc thang". Mỗi bậc thang có một đầu ra duy nhất, nhưng một đầu vào duy nhất có thể được tìm thấy ở nhiều bậc.

Logic bậc thang có thể được quét bởi PLC ở các định dạng ngang được hiển thị ở dưới đây.

Một ngôn ngữ lập trình khác là sơ đồ khối chức năng (FBD). Nó mô tả các chức năng giữa các biến đầu vào và đầu ra. Hàm, được biểu diễn bằng các khối, kết nối các biến đầu vào và đầu ra. FBD rất hữu ích trong việc mô tả các thuật toán và logic từ các hệ thống điều khiển được kết nối với nhau.

Văn bản có cấu trúc (ST) là một ngôn ngữ bậc cao sử dụng các câu lệnh. Trong ST, lập trình viên có thể sử dụng câu lệnh “if / then / else”, “SQRT” hoặc “repeat / Until” để tạo chương trình.

Danh sách lệnh (IL) là một ngôn ngữ cấp thấp với các hàm và biến được xác định bởi một danh sách đơn giản. Điều khiển chương trình được thực hiện bằng các lệnh nhảy và các quy trình con với các tham số tùy chọn

Ngôn ngữ biểu đồ chức năng tuần tự (SFC) là một phương pháp lập trình hệ thống điều khiển phức tạp. Nó sử dụng các khối xây dựng cơ bản chạy các quy trình con của riêng chúng. Các tệp chương trình được viết bằng các ngôn ngữ lập trình khác. SFC chia các tác vụ lập trình lớn và phức tạp thành các tác vụ nhỏ hơn và dễ quản lý hơn.

Tiêu chí lựa chọn PLC

Lựa chọn đúng PLC sẽ phụ thuộc vào nhu cầu và quy mô của hệ thống tự động hóa. Trên đây là các ví dụ về các PLC khác nhau với các đầu vào, đầu ra và các tùy chọn hiển thị khác nhau.

Có một số yêu cầu cần lưu ý khi chọn PLC. Hệ thống được đề xuất là hệ thống mới hay hệ thống hiện có? Dù bằng cách nào, hãy đảm bảo bộ điều khiển hoạt động với phần cứng.

Điều kiện môi trường sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của PLC. Bộ điều khiển điển hình hoạt động ở nhiệt độ từ 0 đến 55 ° C (32 ° -130 ° F). Số lượng thiết bị rời (thiết bị logic Bật / Tắt) và thiết bị tương tự xác định số lượng kết nối I / O mà PLC sẽ cần. Nếu các thiết bị rời rạc là ac hoặc dc, hãy xác định xem PLC có thể hỗ trợ tín hiệu cần thiết hay không.

Việc xác định yêu cầu của CPU là rất quan trọng để tính toán dung lượng RAM cần thiết cho thao tác và lưu trữ dữ liệu. Bộ đếm và bộ định thời sử dụng RAM để lưu trữ các điểm đặt, giá trị hiện tại và các cờ bên trong khác. Nếu dữ liệu phải được lưu trữ trong một thời gian dài, bộ nhớ CPU phải có kích thước phù hợp.

Bộ nhớ chương trình hoặc ROM lưu trữ các hướng dẫn chương trình. Các thiết bị analog thường yêu cầu bộ nhớ 25 từ cho mỗi thiết bị. Ví dụ về các thiết bị tương tự là đồng hồ đo điện áp, dòng điện và nhiệt độ hoặc cảm biến. Các ứng dụng đơn giản và tuần tự thường yêu cầu 5 từ bộ nhớ cho mỗi thiết bị I / O. Các ứng dụng phức tạp không thể đoán trước được và cần nhiều không gian bộ nhớ chương trình hơn.

Phần cứng I / O dựa trên kết nối nối tiếp và Ethernet là những lựa chọn điển hình cho các kết nối từ xa. Các thiết bị từ xa là cần thiết khi PLC được đặt riêng biệt. Các kết nối nối tiếp có khoảng cách tối đa là 50 feet trong khi kết nối Ethernet có thể đạt tối đa 328 feet. Các thiết bị từ xa này được gọi là I / O phân tán. Cuối cùng, hãy chắc chắn rằng PLC hiểu các lệnh của chương trình. Một số PLC đi kèm với các hàm đạo hàm tích phân tỷ lệ giúp loại bỏ nhu cầu của các kỹ thuật viên phải viết mã cụ thể để điều khiển quy trình vòng kín.