Tài Liệu đầy đủ Về PLC: PLC Và Fx5U Của Mishubishi - Asin Việt Nam

Bạn hoạt động trong các ngành kỹ thuật điều khiển, vậy bạn có chắc mình hiểu về thiết bị điều khiển lập trình PLC? Tài liệu chi tiết về PLC mà Asin Việt Nam mang đến cho bạn dưới đây sẽ giúp bạn hiểu tổng thể về bản chất, ưu điểm, cấu hình của PLC.

Tài liệu giới thiệu về PLC được mô phỏng dựa trên PLC và Fx5U của Mishubishi.

Tổng quan về bộ điều khiển logic khả trình (PLC – Programmable Logic Controller)

Bộ điều khiển logic khả trình PLC là thiết bị điện tử bán dẫn thực hiện các hàm điều khiển logic bằng chương trình thay thế cho các mạch logic kiểu rơ le (tiếp điểm và phi tiếp điểm).

Về bản chất, PLC là hệ vi xử lý được thiết kế tương tự máy tính số, với ngôn ngữ lập trình riêng gần gũi với người xử dụng, được ứng dụng trong các bài toán điều khiển logic. Hạt nhân của hệ là bộ vi xử lý thực hiện các phép tính số học và logic cùng với các thành phần cấu thành hệ như bộ nhớ, các cổng vào / ra,...

Về phạm vi ứng dụng, PLC là thiết bị đặt tại dây chuyền sản xuất, tích hợp với các thành phần của hệ thống điều khiển để thực hiện điều khiển trực tiếp công nghệ một quá trình kỹ thuật. PLC thường làm việc trong môi trườn rất khắc nghiệt (nhiệt độ cao, độ ẩm lớn, thời gian hoạt động liên tục) và gắn liền với người vận hành trực tiếp thiết bị. Vì vậy, PLC được thiết kế và chế tạo với các tiêu chuẩn đặc biệt về độ bền, tính module hóa cao, ngôn ngữ lập trình phù hợp và thân thiện với trình độ người sử dụng.

Về cơ bản, PLC là thiết bị điều khiển ở hiện trường sản xuất, sát các thiết bị và cơ cấu chấp hành. Tuy nhiệ hiện nay các họ PLC hiện đại được tích hợp các tính năng xử lý thông minh, quản lý dữ liệu và mở rộng các chức năng xử lý ngắt. Ngoài chức năng điều khiển, PLC còn đóng vai trò là khâu thu nhập và xử lý dữ liệu trong các hệ SCADA và là một nút trong các hệ điều khiển phân tán (DCS). Vì vậy, với quan điểm hệ thống, PLC là thành phần cơ bản cấu thành hệ điều khiển.

 

 

Như mọi thiết bị tính, PLC gồm phần cứng và phần mềm. Phần cứng là các thiết bị vật lý cấu thành hệ gồm: nguồn cung cấp, CPU, module vào/ra và các thiết bị phụ trợ... Các thiết bị vật lý được lắp ghép với nhau tạo thành một cấu hình vật lý của hệ thống. Phền mềm bao gồm hệ điều hành và chương trình ứng dụng. Hệ điều hành do nhà sản xuất cung cấp được cài sẵn trong bộ nhớ cảu PLC. Chương trình ứng dụng do người sử dụng lập bằng ngôn ngữ lập trình của PLC để thực hiện một thuật toán (algorithm) điều khiển xác định. Giữa phần cứng và phần mềm có mối liên hệ chặt chẽ với nhau. Một chương trình ứng dụng chỉ được thiết lập trên cơ sở một cấu hình vật lý cụ thể. Ngược lại, một hệ thống chỉ có thể thực hiện được đúng thuật toán điều khiển nếu chương trình đó được thiết kế phù hợp với cấu hình của nó.

Tính ưu việt của PLC

Việc sử dụng PLC thay thế các bộ điều khiển logic nối dây đem lại các lợi ích căn bản.

Các bộ điều khiển logic nối dây có đặc điểm chung là các phần tử logic là các phần tử vật lý. Bộ điều khiển logic nối dây thực hiện hàm điều khiển bằng sơ đồ nối các phần tử logic bằng dây dẫn vật lý (dây dẫn điện, mạch in) đã được nối cứng. Vì vậy hệ này chỉ thực hiện một hàm điều khiển nhất định. Muốn thay đổi hàm điều khiển cần phải thay đổi cấu trúc của hệ. Đó là tính không mềm dẻo của bộ điều khiển logic nối dây. Đối với các hệ phức tạp, nhiều phần tử thì tính không mềm dẻo là một nhược điểm lớn. Tuy nhiên, ưu điểm của bộ điều khiển logic nối dây phù hợp với các hệ đơn giản, ít phần tử và công suất lớn.

Đặc điểm của PLC là các phần tử logic được định nghĩa bằng chương trình và thực hiện hàm điều khiển bằng chương trình (hình dưới)

 

Trong sơ đồ này các module vào và module ra là các thiết bị kết nối với các phần tử logic bên ngoài. Chương trình điều khiển được lưu giữ trong bộ nhớ. PLC thực hiện tuần tự các lệnh của chương trình để điều khiển các thiết bị tương tự như sơ đồ điều khiển kiểu nối dây.

PLC đã thực hiện thay thế các mạch logic nối dây bằng các “mạch logic lập trình được”. Trong các mạch logic này có thể cắt bỏ, chèn, thêm vào các phần tử một cách dễ dàng và đơn giản. Trong thực tế, việc thay đổi tham số điều khiển của chương trình, thậm chí thay đổi chương trình điều khiển thường xuyên xảy ra khi thay đổi sản phẩm, thay đổi công nghệ. Đối với hệ điều khiển logic dùng PLC, cùng một cấu trúc vật lý có thể thực hiện các hàm điều khiển khác nhau, tùy thuộc vào chương trình. Nghĩa là, có thể thay đổi hàm điều khiển mà không cần thay đổi cấu trúc của hệ. Đó là tính mềm dẻo của PLC. Tính mềm dẻo này đảm bảo PLC được sử dụng có hiệu quả cao trong các hệ phức tạp, có nhiều phần tử. Ngoài ra, ưu điểm của PLC là hoạt động tin cậy, tiêu thụ năng lượng ít, dễ dàng mở rộng hệ thống, việc chuyển giao công nghệ được nhanh và hiệu quả hơn so với các hệ logic nối dây. Hạn chế của PLC là tính tác động nhanh không cao và chỉ sử dụng tạo ra các tín hiệu điều khiển công suất nhỏ. Một ưu điểm cần nhấn mạnh khi mở rộng phạm vi ứng dụng của PLC là có thể tiến hành mô phỏng khi khảo sát và thiết kế hệ thống. PLC với các chức năng truyền thông có thể kết nối mạng với các bộ điều khiển khác, với các hệ thống máy tính và điều khiển để thực hiện các chức năng điều khiển quá trình, điều khiển phân tán, thu nhạp dữ liệu và giao diện máy- người.

Cấu trúc PLC

Thành phần cơ bản của PLC gồm có: khối xử lý trung tâm (CPU – Central Procesing Unit), các module vào/ra, nguồn cung cấp (Power Supply Unit) và thiết bị lập trình (Programming Device).

Chương trình được soạn thảo trong thiết bị lập trình và được nạp vào bộ nhớ của PLC. Các module vào/ra là các cổng phép nối PLC với thiết bị bên ngoài(gọi là thiết bị trường- Field Device). Các cổng vào/ ra có nhiệm vụ chuyển đổi thích ứng giữa các nguồn tín hiệu và PLC. Các module vào là các thiết bị nhận tín hiệu từ thiết bị vào, chuyển đổi thành dữ liệu, ví dụ: phím bấm, công tắc hành trình, cảm biến, chuyển mạch... Các module ra là thiết bị ghép nối PLC với các thiết bị ra, chuyển đổi dữ liệu thành tín hiệu điều khiển các cơ cấu chấp hành, ví CNT Thiết bị lập trình Các thiết bị đầu vào PLC Các thiết bị đầu ra Nguồn cấp Module đầu vào S1 S2 S3 SW1 SW2 Khối xử lý trung tâm (CPU) Bộ nhớ chương trình Module đầu ra K V B Đ Chương 1. Tổng quan về PLC và Fx5U của Mishubishi 3 dụ: rơ le, van. Đèn... Sơ đồ nối các thiết bị vào/ra (I/O) với các module vào/ra được trình bày trên hình dưới.

 

Trong thực tế, các cổng vào/ra có hai loại: loại cố định (Fixed) và loại dạng module hóa (Modular). Loại cố định được sử dụng cho các PLC cỡ nhỏ, các cổng vào/ra gắn cố định vào khối CPU, không thay đổi được vị trí. Ưu điểm của loại này là giá thành thấp. Tuy nhiên nếu muốn mở rộng cổng vào/ra cần phải trang bị thêm khối mở rộng tương ứng. Loại module hóa được sử dụng trong đa số các trường hợp và là cấu trúc tiêu chuẩn của PLC. Các module vào/ra có thể tháo lắp, thay đổi vị trí dễ dàng trên các khe cắm (Slot) và các rãnh (Rack). Cấu trúc kiểu này (bao gồm cả các đầu nối) tạo thành bảng mạch Bus (Backplane), trên đó coe thể lắp các khối nguồn, CPU, module vào/ra, module mở rộng... và thực hiện trao đổi thông tin với nhau.

 

 

Khối nguồn cung cấp nguồn một chiều cho các khối được lắp đặt vào bảng mạch Bus. Công suất của khối nguồn được chọn tùy thuộc vào cấu hình của hệ. Trong đa số các trường hợp, Nguồn Module vào Module ra (a) (b) Tiếp điểm Rơ le Phím bấm Chuyển mạch Cảm biến S1 S2 CNT K V Đ Cuộn hút Rơ le Cuộn hút van Đèn Nguồn CHƯƠNG TRÌNH BỘ NHỚ ĐẦU VÀO/ ĐẦU RA THẾ GIỚI THỰC (Thiết bị bên ngoài - trường) KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM Chương 1. Tổng quan về PLC và Fx5U của Mishubishi 4 nguồn cung cấp này không phù hợp với các thiết bị trường. Vì vậy, các thiết bị trường thường được cung cấp bằng nguồn ngoài riêng.

Khối CPU là bộ não của PLC, hạt nhân là bộ vi xử lý quyết định tính chất và khả năng của PLC: tốc độ xử lý, khả năng quá trình vào/ra... CPU thực hiện chương trình trong bộ nhớ chương trình, đưa ra các quyết định và trao đổi thông tin với bên ngoài thông qua các cổng vào/ra.

Nguyên tắc hoạt động cơ bản của PLC: vòng quét chương trình

PLC hoạt động theo nguyên tắc quét vòng (Scan). Mỗi vòng quét (Scan Cycle) bao gồm ba giai đoạn cơ bản được trình bày trên hình dưới.

 

Ở giai đoạn thứ nhất, PLC đọc trạng thái tín hiệu ở các module vào, gửi vào vùng đầu vào để làm dữ liệu thực hiện chương trình.

Giai đoạn thứ hai là thực hiện chương trình trong bộ nhớ. Kết quả thực hiện chương trình là dữ liệu và các quyết định được lưu giữ trong bộ nhớ dùng cho vòng quét sau hay đưa module ra.

Giai đoạn thứ ba, PLC gửi dữ liệu đến vùng đầu ra và biến đổi thành tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành nối với module ra. khi đó, một vòng quét được hoàn thành, vòng quét tiếp theo bắt đầu và quá trình được thực hiện liên tục không ngừng.

Quá trình đọc tín hiệu vào và gửi tín hiệu ra gọi là quá trình quét vào/ra. Quá trình thực hiện chương trình gọi là quét chương trình.

Thời gian để thực hiện một vòng quét gọi là chu kỳ quét. Chu kì quét có ảnh hưởng đến tốc độ xử lý của PLC và ảnh hưởng đến khả năng xử lý thời gian thực của PLC. Nói cách khác, việc sử dụng PLC trong các bài toán điều khiển chỉ được chấp nhận khi chu kì quét của PLC đủ nhỏ so với hằng số thời gian của hệ điều khiển. Khi đó, có thể chấp nhận xử lý đồng thời (thời gian thực) được thay thế bằng xử lý tuần tự.

Chu kỳ quét phụ thuộc vào các nhân tố sau: tốc độ của bộ vi xử lý của CPU, độ dài chương trình, số lượng các đầu vào/ra. Ngoài ra, chu kỳ quét còn phụ thuộc một số các chu kỳ quét phụ như: thời gian chuyển đổi song song – nối tiếp của hệ thống vào ra phân tán (Remote I/O), thời gian xử lý truyền thông nối tiếp, thời gian xử lý ngắt, thời gian đọc/ ghi đầu vào / ra tương tự, thời gian thưch hiện các chương trình kiểm tra, cảnh báo hệ thống... Tuy nhiên, đối với một hệ cụ thể thì các nhân tố, trừ tốc độ của bộ vi xử lý, đều lầ cố định. Vì vậy để giảm chu kỳ quét thì phải chọn CPU có tốc độ xử lý cao.

Nguyên tắc hoạt động quét vòng của CPU hạn chế khản năng xử lý tức thời của PLC. Vì vậy, PLC chủ yếu được sử dụng trong các hệ điều khiển quá trình biến thiên chậm. Tuy nhiên, (a) Vòng quét cơ bản (b) Vòng quét với các vòng quét phụ Start Đọc tín hiệu vào Gửi tín hiệu ra Thực hiện chương trình Start Đọc tín hiệu vào Gửi tín hiệu ra Thực hiện chương trình Chương 1. Tổng quan về PLC và Fx5U của Mishubishi 5 các PLC hiện đại đã được trang bị và tăng cường các tính năng xử lý ngắt ngày càng hoàn thiện để xử lý nhanh và kịp thời.

Vấn đề xử lý vòng quét đầu tiên cần phải được quan tâm khi ứng dụng PLC. Điều này là do ở vòng quét đầu tiên, các dữ liệu đều chưa sẵn sàng, hệ đang ở quá trình khởi tạo. Đối với các hệ mà quá trình khởi tạo không ảnh hưởng đến quá trình điều khiển thì có thể bỏ qua. Ngược lại, các hệ thống khác cần lưu ý vòng quét này. Vì vậy, PLC đều cung cấp cờ trạng thái có giá trị bằng 1 ở vòng quét đầu tiên và bằng 0 ở các vòng quét khác, gọi là First Scan Flag. Người sử dụng có thể dùng cờ trạng thái này để tiến hành khởi tạo và thiết lập các điều kiện ban đầu cho hệ thống.

Các chủng loại PLC và ứng dụng

PLC có rất nhiều chủng loại và do rất nhiều nhà sản xuất cung cấp. Một số nhà sản xuất và tích hợp hệ thống sử dụng PLC do chính họ chế tạo.Nó là một thành phần cấu thành hệ thống và được sử dụng trong phạm vi hẹp. Một số nhà sản xuất cung cấp PLC như là sản phẩm đa dụng cho người thiết kế và tích hợp hệ thống. Nhà sản xuất cung cấp thiết bị, phần mềm, hỗ trợ kỹ thuật và đào tạo để người sử dụng có điều kiện ứng dụng các sản phẩm này vào các hệ thống của mình. Có một số hãng sản xuất điển hình là: SIEMENS(Đức), ALLEN-BRADLEY, GEFUNUC(Mỹ), MITSUBISHI, TOSHIBA( Nhật bản)....

Do PLC được sử dụng rất rộng rãi từ các bài toán đơn giản đến các bài toán phức tạp, nên PLC được chế tạo dưới nhiều loại khác nhau phù hợp với yêu cầu của thực tế. Việc phân loại PLC dựa trên cơ sở khả năng (tốc độ xử lý, dung lượng bộ nhớ, số lượng đầu vào/ ra) được chia thành các loại chính sau: loại nhỏ, loại vừa và loại lớn.

PLC loại nhỏ có nhiều tên gọi khác nhau tùy thuộc các hãng chế tạo (small, micro), có dung lượng bố nhớ dưới 2KB, quản lý số điểm vào/ra dưới 128 và được sử dụng trong các ứng dụng đơn giản, yêu cầu ít điểm ra/vào.

PLC cỡ vừa (Medium) có bộ nhớ đến 32KB, và quản lý số điểm vào/ra đến 2048. cấu hình của hệ có thể sử dụng các module vào/ra đặc biệt để thực hiện các chức năng điều khiển quá trình và xử lý thông tin

PLC cỡ lớn (Large) là thiết bị phức tạp nhất có thể quản lý đến 2MB bộ nhớ và 16.000 điểm vào ra. PLC loại này có ứng dụng không hạn chế từ điều khiển một quá trình công nghệ đến điều khiển một phân xưởng, một nhà máy.

Phương pháp phân loại PLC ở trên kết hợp với kiểu dáng chế tạo sẽ đưa ra các chủng loại PLC sau đây.

Các PLC cỡ nhỏ thường được chế tạo ở dạng cố định (Compact, Fixed). Với loại này, nguồn cung cấp,CPU và một số điểm vào/ra được chế tạo trên cùng một (Onboard). Ưu điểm cơ bản của PLC loại này là giá thành thấp, nhỏ, gọn và thích hợp các ứng dụng nhỏ. Số các điểm vào/ra trên PLC theo tỷ lệ 3:2, ví dụ, loại 10 điểm (6 vào, 4 ra), loại 20 điểm (12 vào, 8 ra), loại 30 điểm (12 vào, 18 ra) và loại 48 điểm, 60 điểm.... Khi cần thiết có thể sử dụng các module vào/ra mở rộng. Tuy nhiên với PLC loại này ít khi sử dụng cách mở rộng như vậy. Nhược điểm chính là tính mềm dẻo không cao, tốc độ xử lý chậm, bộ nhớ nhỏ, hạn chế số điểm vào/ra. Sơ đồ tổ chức PLC loại nhỏ, dạng cố định được trình bày trên hình dưới.

Các PLC loại vừa và loại lớn được chế tạo ở dạng các module riêng biệt, có thể tháo, lắp dễ dàng (Modular). Các module cơ bản là: nguồn, CPU, vào/ra... Đây là cấu trúc tiêu chuẩn của PLC, đảm bảo cho PLC được sử dụng một cách mềm dẻo và người sử dụng có nhiều lựa chọn cho cấu hình của mình. Các module được lắp vào các khe cắm (Slot) trên bảng mạch Bus (Bus Module, Backplane).

Ứng dụng của PLC được chia làm 3 nhóm chính là: Đơn nhiệm (Single), đa nhiệm (Multitask) và quản lý điều khiển (Control Manegment).

Ứng dụng đơn nhiệm là chỉ sử dụng một PLC duy nhất để điều khiển một quá trình kĩ thuật. Đó là một khối điều khiển độc lập, không có trao đổi thông tin với máy tính hoặc các PLC khác. Cấu hình của hệ có thể dùng PLC các loại nhỏ, vừa hoặc lớn.

Ứng dụng đa nhiệm thường sử dụng PLC cỡ vừa để điều khiển một công đoạn của dây truyền sản xuất hoặc để điều khiển một vài quá trình kỹ thuật với số lượng điểm vào/ra thích hợp. Mỗi PLC có thể thành một nút trong hệ điều khiển phức tạp (ví dụ: hệ điều khiển DCS). Khi đó, yêu cầu có sự trao đổi dữ liệu, thông tin giữa các PLC với nhau, hoặc giữa PLC và các thiết bị khác (như máy tính, trạm kĩ thuật...). Việc trao đổi dữ liệu, thông tin nhờ truyền thông mạng theo chuẩn công nghiệp.

Ứng dụng quản lý điều khiển thường sử dụng các PLC cỡ lớn, với cấu hình của hệ là một mạng LAN điều khiển thống nhất, có sự trao đổi dữ liệu và thông tin giữa các thành phần của hệ. Trong đó PLC đóng vai trò là bộ điều khiển, đồng thời quản lý hoạt động toàn bộ hệ là trạm chủ (Master). Các PLC khác là các bộ điều khiển và đồng thời là thiết bị thu nhập dữ liệu phục vụ cho công tác quản lý và theo dõi hệ thống gọi trạm tớ (Slave).

Sự khác biệt giữa PLC và PC

Về cấu trúc, PLC tương tự như máy tính số. Tuy nhiên, giữa PLC và máy tính số có sự khác nhau về căn bản.

Thứ nhất, PLC được thiết kế để hoạt động trong môi trường công nghiệp rất khắc nghiệt với sự thay đổi lớn về độ ẩm, nhiệt độ và nhiễu mạnh.

Thứ hai, phần cứng và phần mềm của PLC được thiết kế dễ sử dụng và phù hợp với trình độ của người vận hành trực tiếp tại dây chuyền sản xuất. Phần cứng được chế tạo ở dạng các module tiêu chuẩn dễ lắp ráp, bảo dưỡng. Chương trình của PLC được biểu diễn một cách tiêu chuẩn không chính thức ở dạng giản đồ thang (LAD) rất trực quan và dễ sử dụng. Mỗi họ PLC có hệ điều hành riêng và chỉ sử dụng một ngôn ngữ lập trình do nhà sản xuất cung cấp. Vì vậy, không thể chạy chương trình của PLC hãng này trên PLC của hang khác. Trong khi đó, máy tính có thể cài đặt nhiều hệ điều hành, có thể sử dụng nhièu ngôn ngữ lập trình. Có thể sử dụng máy tính vai trò như PLC, thậm chí có thể chạy chương trình mô phỏng PLC trên máy tính. máy tính được cài đặt phần mềm lập trình trở thành thiết bị lập trình cho PLC và điều khiển PLC. Máy tính có thể sử dụng như thiết bị giao diện người máy trong các hệ điều hành mà PLC vừa là các bộ điều khiển, vừa là thiết bị thu nhập dữ liệu.

Thứ ba, máy tính là thiết bị tính toán phức tạp, có chức năng đa nhiệm (Multitask). Bộ nhớ của máy tính có thể chứa đồng thời nhiều chương trình. Trong khi đó, PLC chỉ thực hiện một chương trình được lưu trữ trong bộ nhớ RAM.

Thứ tư, PLC hoạt động theo nguyên tắc quét vòng, máy tính hoạt động theo nguyên tắc xử lý ngắt.

Các PLC hiện đại được hoàn thiện về tốc độ tính toán, mở rộng bộ nhớ, tăng cường trang bị các chức năng tính toán và xử lý ngắt để thu hẹp khoảng cách so với máy tính. Vì vậy, các PLC hiện đại ngoài chức năng cơ bản là điều khiển logic, nó còn là một trạm tính toán đóng vai trò như các bộ điều khiển quá trình, điều khiển vị trí và xử lý thông tin.

---------------------------------------------------------

Download tài liệu PLC tại đây: PLC và Fx5U của Mishubishi