Kinh nghiệm

Tổng Quan Về Bộ Lập Trình PLC Các Loại

Tổng quan về hệ thống điều khiển

Một hệ thống sản xuất có khả năng tự khởi động, kiểm soát, xử lý và dừng một quá trình theo yêu cầu hoặc đo đếm các giá trị đã đạt được xác định nhằm đạt kết quả tốt nhất ở sản phẩm đầu ra thì được gọi là Hệ thống điều khiển.

Trong kỹ thuật tự động, các bộ điều khiển chia làm 2 loại:

Điều khiển nối cứng.
Điều khiển logic khả trình.

Một hệ thống điều khiển bất kỳ được tạo thành từ các thành phần sau:

Khối vào.
Khối xử lý-điều khiển.
Khối ra.

Khối vào:

Khối có nhiệm vụ chuyển đổi các đại lượng vật lý thành các tín hiệu điện, các bộ chuyển đổi có thể là: nút nhấn, cảm biến …và tùy theo bộ chuyển đổi mà tín hiệu ra khỏi khối vào có thể ON/OFF hoặc dạng liên tục(analog).

Khối xử lý:

Khối có nhiệm vụ xử lý thông tin từ khối vào để tạo những tín hiệu ra đáp ứng yêu cầu điều khiển.

Khối ra:

Tín hiệu ra là kết quả của quá trình xử lý của hệ thống điều khiển. Các tín hiệu này được sử dụng tạo ra những hoạt động đáp ứng cho các thiết bị ở ngõ ra. Các ngõ ra là: động cơ điện, xy lanh, solenoid, van, role…

Sơ lược về lịch sử của PLC

Ngày nay tự động hóa ngày càng đóng vai trò quan trọng đời sống và công nghiệp, tự động hóa đã phát triển đến trình độ cao nhờ những tiến bộ của lý thuyết điều khiển tự động, tiến bộ của ngành điện tử, tin học…Chính vì vậy mà nhiều hệ thống điều khiển ra đời, nhưng phát triển mạnh và có khả năng ứng dụng rộng là Bộ điều khiển lập trình PLC.

Bộ điều khiển lập trình đầu tiên (Programmable controller) đã được những nhà thiết kế cho ra đời năm 1968(Công ty General Motor-Mỹ), với các chỉ tiêu kỹ thuật nhằm đáp ứng các yêu cầu điều khiển :

Dễ lập trình và thay đổi chương trình.
Cấu trúc dạng Module mở rộng, dễ bảo trì và sữa chữa.
Đảm bảo độ tin cậy trong môi trường sản xuất.

Tuy nhiên hệ thống còn khá đơn giản và cồng kềnh, người sử dụng gặp nhiều khó khăn trong việc vận hành và lập trình hệ thống. Vì vậy các nhà thiết kế từng bước cải tiến hệ thống đơn giản, gọn nhẹ, dễ vận hành. Để đơn giản hóa việc lập trình, hệ thống điều khiển lập trình cầm tay (Programmable controller Handle) đầu tiên được ra đời vào năm 1969. Điều này đã tạo ra sự phát triển thật sự cho kỹ thuật lập trình. Trong giai đoạn này các hệ thống điều khiển lập trình (PLC) chỉ đơn giản nhằm thay thế hệ thống Relay và dây nối trong hệ thống điều khiển cổ. Qua quá trình vận hành, các nhà thiết kế đã từng bước tạo ra được một tiêu chuẩn mới cho hệ thống, đó là tiêu chuẩn: Dạng lập trình dùng giản đồ hình thang.

Sự phát triển của hệ thống phần cứng từ năm 1975 cho đến nay đã làm cho hệ thống PLC phát triển mạnh mẽ hơn với các chức năng mở rộng :

Số lượng ngõ vào, ngõ ra nhiều hơn và có khả năng điều khiển các ngõ vào, ngõ ra từ xa bằng kỹ thuật truyền thông.
Bộ nhớ lớn hơn.
Nhiều loại Module chuyên dùng hơn.

Trong những đầu thập niên 1970, với sự phát triển của phần mềm, bộ lập trình PLC không chỉ thực hiện các lệnh Logic đơn giản mà còn có thêm các lệnh về định thì, đếm sự kiện, các lệnh về xử lý toán học, xử lý dữ liệu, xử lý xung, xử lý thời gian thực..

Ngoài ra các nhà thiết kế còn tạo ra kỹ thuật kết nối các hệ thống PLC riêng lẻ thành một hệ thống PLC chung, tăng khả năng của từng hệ thống riêng lẻ. Tốc độ của hệ thống được cải thiện, chu kỳ quét nhanh hơn. Bên cạnh đó, PLC được chế tạo có thể giao tiếp với các thiết bị ngoại nhờ vậy mà khả năng ứng dụng của PLC được mở rộng hơn.

Phân loại PLC

Theo hãng sản xuất

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

Theo version

PLC Siemens có các họ như S7-200, S7-300, S7-400,…

PLC S7-200 của hãng Siemens

PLC S7-300 của Siemens

PLC S7-400 của Siemens

Misubishi có các họ như Alpha, Fx, Fx0, Fx0N,Fx1N,Fx2N

PLC loại ALPHA

Đây là loại PLC có kích thước thật nhỏ gọn, phù hợp với các ứng dụng với số lượng I/O nhỏ hơn 30 cổng. Dòng ALPHA 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 (role trung gian), cho phép xử lý tốt một số ứng dụng phức tạp…

PLC loại FX0S

Đây là loại PLC có kích thước siêu nhỏ, phù hợp với các ứng dụng với số lượng I/O nhỏ hơn 30, giảm chi phí lao động và kích cỡ panel điều khiển. Với việc 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 xuất, giảm thiểu thời gian bảo hành sản phẩm. Dòng FX0 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 nối mạng, thời gian thực hiện chương trình lâu.

PLC loại FX0N

FX0N PLC sử dụng cho các máy điều khiển độc lập hay các hệ thống nhỏ với số lượng I/O có thể quản lý nằm trong miền 10-128 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 loại FX1

PLC FX1N thích hợp với các bài toán điều khiển với số lượng đầu vào ra trong khoảng 14-60 I/O. Tuy nhiên khi sử dụng các module vào ra mở rộng lên tới 128 I/O

Bộ nhớ chương rình 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

Nhìn chung, dòng FX1N PLC 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

Đây là loại PLC có tính năng tương đối mạnh, FX2N trang bị 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.

Trong trường hợp cần thiết có thể mở rộng lên tới 256 I/O.

Bộ nhớ 8kstep, trong trường hợp cần điều khiển các quà trình phức tạp, có thể mở rộng bộ nhớ lên tới 16kstep.

Những tính năng vượt trội cùng với 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 thái, 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….

PLC Q series của hãng Mitsubishi

Theo số lượng các đầu vào/ra

Ta có thể phân PLC thành bốn 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

Các micro-PLC

Thường có ít hơn 32 đầu vào/ra. Ở hình vẽ bên là ví dụ về PLC họ T100MD-1616 do hãng Triangle Research International sản xuất. Cấu tạo tương đối đơn giản và toàn bộ các bộ phận được tích hợp trên một bảng mạch có kích thước nhỏ gọn. Micro-PLC có cấu tạo gồm tất cả các bộ phận như bộ xử lý tín hiệu, bộ nguồn, các kênh vào/ra trong một khối. Các micro – PLC có ưu điểm hơn các PLC nhỏ là giá thành rẻ, dễ lắp đặt.

Một loại micro PLC khác là DL05 của hãng Koyo, loại này có 32 kênh vào/ra

Micro PLC họ DL05 của hãng Koyo

PLC loại nhỏ

Có thể có đến 256 đầu vào/ra. Hình dưới là PLC của hãng OMRON loại ZEN-10C. Loại PLC này có 34 kênh vào/ra gồm: 6 kênh vào và 4 kênh ra trên mô đun CPU, còn lại 3 mô đun vào/ra, với 4 kênh vào và 4 kênh ra cho mỗi mô đun

PLC loại ZEN-10C của Omron.

Hãng Siemens có các loại PLC nhỏ như S5-90U,S5-100U,S7-200, có số lượng kênh vào/ra nhỏ hơn 256.

PLC S5-100U của Siemens

Các PLC trung bình

Có thể có đến 1024 đầu vào/ra. Loại CJ1M của Omron hình bên dưới có 320 kênh vào/ra.

PLC loại CJ1M của Ormon

Các PLC loại lớn

Hãng Siemens là các loại series S7-300, S7-400. Các loại này có số lượng kênh vào/ra rất lớn. Các kênh này không thể đấu trực tiếp lên PLC mà phải thông qua các bộ dồn kênh và tách kênh (demultiplexeur và multiplexeur). PLC S7-400 của Siemens là PLC mạnh nhất hiện nay.

Cấu trúc của PLC

PLC là một thiết bị cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn nhữ lập trình. Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu nhớ trong bộ nhớ của PLC. Điều này có thể nói PLC giống như một máy tính, nghĩa là có bộ vi xử lý, một bộ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiền, dữ liệu và các cổng ra vào để giao tiếp với các đối tượng điều khiển…Như vậy có thể thấy cấu trúc cơ bản của một PLC bao giờ cũng gồm các thành phần cơ bản sau :

Mô đun nguồn
Mô đun xử lý tín hiệu
Mô đun vào
Mô đun ra
Mô đun nhớ
Thiết bị lập trình

Sơ đồ của một bộ PLC cơ bản được biểu diễn ở hình bên dưới. Ngoài các mô đun chính này, các PLC còn có các mô đun phụ trợ như mô đun kết nối mạng, mô đun truyền thông, mô đun ghép nối các mô đun chức năng để xử lý tín hiệu như mô đun kết nối với các can nhiệt, mô đun điều khiển động cơ bước, mô đun kết nối với encoder, mô đun đếm xung vào…

Các thành phần cơ bản của một PLC

Trạng thái ngõ vào của PLC được phát hiện và lưu vào bộ nhớ đệm,(bộ nhớ trong PLC gồm các loại sau: ROM, EPROM, EEOROM PLC ) thực hiện các lệnh logic trên các trạng thái của chúng và thông qua chương trình trạng thái, ngõ ra được cập nhật và lưu vào bộ nhớ đệm. Sau đó, trạng thái ngõ ra trong bộ nhớ đệm được dùng để đóng/mở các tiếp điểm kích hoạt các thiết bị tương ứng. Như vậy, sự hoạt động của các thiết bị được điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình trong bộ nhớ. Chương trình được nạp vào PLC thông qua thiết bị lập trình chuyên dụng.

Hoạt động của một PLC

Bộ vi xử lý sẽ lần lượt quét các trạng thái của đầu vào và các thiết bị phụ trợ, thực hiện logic điều khiển được đặt ra bởi chương trình ứng dụng, thực hiện các tính toán và điều khiển các đầu ra tương ứng của PLC. Các PLC thế hệ cuối cho phép thực hiện các phép tính số học và các phép tính logic, bộ nhớ lớn hơn, tốc độ xử lý cao hơn và có trang bị giao diện với máy tính, với mạng nội bộ.v.v.

Bộ vi xử lý điều khiển chu kỳ làm việc của chương trình. Chu kỳ này được gọi là chu kỳ quét của PLC, tức là khoảng thời gian thực hiện xong một vòng các lệnh của chương trình điều khiển. Chu kỳ quét được minh họa ở hìnhsau :

Chu kỳ quét của PLC

Khi thực hiện quét các đầu vào, PLC kiểm tra tín hiệu từ các thiết bị vào như công tấc, cảm biến,…Trạng thái của tín hiệu vào được lưu tạm thời váo một mảng nhớ. Trong thời gian quét chương trình, bộ xử lý quét lần lượt các lệnh của chương trình điều khiển, sử dụng các trạng thái của tín hiệu vào trong mảng nhớ để xác định các đầu ra đáp ứng hay không. Kết quả là các trạng thái của đầu ra được ghi vào mảng nhớ, PLC sẽ cấp hoặc ngắt điện cho các mạch ra để điều khiển các thiết bị ngoại vi. Chu kỳ quét của PLC có thể kéo dài từ 1 đến 25 mili giây. Thời gian quét đầu vào và đầu ra thường ngắn so với chu kỳ quét của PLC.

Cáp Displayport Cáp HDMI to VGA Cáp Lập Trình PLC Cáp Cổng Com RS232 Cáp MHL - Micro usb hdmi Đầu nối HDMI các loại