3.2.1. Cấu hình phần cứng
Hình 2.1 trình bày những thành phần cơ bản của bộ điều khiển PLC * Bộ vi xử lý
Bộ xử lý (còn gọi là bộ xử lý trung tâm CPU là hạt nhân của PLC) thực hiện các phép toán logic, số học và điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống.
Bộ xử lý làm việc theo tuần tự từng bước, đầu tiên các thông tin lưu trữ trong bộ nhớ chương trình được gọi lên tuần tự và được kiểm soát bởi bộ đếm chương trình và chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng. Bộ xử lý liên kết các tín hiệu lạ và thực hiện các phép tính toán rồi đưa kết quả tới đầu ra.
Sự thao tác tuần tự của chương trình dẫn đến một thời gian trễ, chu kỳ thời gian này gọi là thời gian quét (scan), thời gian quét phụ thuộc vào dung lương
bộ nhớ, phụ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, phụ thuộc vào tốc độ của CPU.
Chu kỳ một vòng quét trong PLC được trình bày như hình 2.2. Hình 2.2. Chu kỳ làm việc của PLC
* Bộ nguồn
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC 220V hoặc 110V (50-60Hz) thành điện áp thấp cho vi xử lý (5V hoặc 24V) và cho các module còn lại.
* Thiết bị lập trình
Thiết bị lập trình được sử dụng để lập các chương trình điều khiển cần thiết sau đó được nạp vào PLC. Thiết bị lập trình có thể là thiết bị lập trình chuyên dụng hoặc có thể là thiết bị lập trình bằng tay, có thể là máy tính cá nhân có phần mềm được cài đặt trên đó.
Thiết bị lập trình cầm tay chỉ có thể dùng cho những bài toán đơn giản ngắn gọn, còn với những bài toán phức tạp và số lệnh là nhiều thì phải sử dụng những máy lập trình chuyên dụng hoặc có thể sử dụng phần mềm trên máy tính cá nhân để lập trình, chương trình sau khi viết được nạp xuống PLC qua thiết bị ghép nối.
* Bộ nhớ
Bộ nhớ PLC thường có các bộ nhớ như: RAM và ROM... có dung lượng tùy thuộc vào thiết kế riêng của từng loại PLC, có thể phân chia bộ nhớ của PLC ít nhất thành các vùng sau:
- Bộ nhớ điều hành:
Hệ điều hành thường nằm trong vùng nhớ của ROM, do được phát triển bởi nhà sản xuất nên ít khi cần thay đổi, hệ điều hành là một chương trình ngôn ngữ máy đặc biệt để chạy PLC, nó chỉ dẫn cho vi xử lý đọc và hiểu các lệnh, các biểu tượng do người sử dụng lập trình, theo dõi mọi trạng thái vào/ra và duy trì giám sát các trạng thái hiện tại của hệ thống.
- Bộ nhớ hệ thống
Khi hệ điều hành thực hiện nhiệm vụ của mình thường cần một số vùng để lưu giữ kết quả và thông tin trung gian, do đó một phần của bộ nhớ RAM được dùng cho mục đích này.
- Bộ nhớ đệm vào/ra
CPU không lấy dữ liệu trực tiếp từ đầu vào thiết bị đầu vào cũng như không đưa kết quả đến trực tiếp thiết bị đầu ra ngoại vi, mà nó sẽ đưa các tín hiệu đó đến bộ đệm vào/ra.
- Bộ nhớ chương trình
Vùng nhớ này dùng để chứa chương trình ứng dụng, đây là vùng nhớ mà hệ điều hành sẽ chỉ cho CPU đọc và thực hiện các lệnh của chương trình, vùng bộ nhớ chương trình nằm trong RAM, lưu ý rằng bộ nhớ RAM có đặc điểm là nội dung bộ nhớ thay đổi nhanh, nội dung bộ nhớ sẽ bị xóa khi có lỗi của nguồn cung cấp và không có nguồn dự phòng, để lưu giữ một cách an toàn thì chương trình điều khiển phải được ghi vào bộ nhớ ERPOM hay EEPROM.
* Giao diện vào/ra
Giao diện này thực hiện công việc ghép nối giữa các thiết bị công nghiệp công suất lớn với điện tử công suất nhỏ, phần lớn các PLC thực hiện với các điện áp từ 5-15V DC (điện áp TTL và CMOS). Trong khi tín hiệu từ thiết bị vào có thể lớn hơn rất nhiều từ 24V DC đến 240V AC với dòng một vài ampe. Như vậy giao diện này là bộ ghép nối giữa mạch điện tử PLC với thế giới thực bên ngoài do đó phải đảm bảo được trạng thái tín hiệu cần thiết với tính chất cách ly, điều này cho phép PLC có thể được nối trực tiếp với các cơ cấu chấp hành, các thiết bị vào/ra.
Hình 2.3. Các phương pháp ghép nối giữa PLC với thế giới bên ngoài - Tín hiệu vào được cách ly nhờ linh kiện quang (hình 2.3.a).
- Tín hiệu ra được cách ly kiểu rơle và cách ly quang (hình 2.3.b,c). Tín hiệu vào/ra có thể là tín hiệu rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic, ví dụ như tín hiệu vào có thể là từ các công tắc, các bộ cảm biến nhiệt độ, các tế bào quang điện, thiết bị ra có thể cung cấp cho các cuộn dây công tắc tơ, các rơle, các van điện từ, động cơ nhỏ.
3.2.2. Cấu tạo chung của PLC
Kết cấu của PLC thường có 2 kiểu cơ bản là: kiểu modul hóa và kiểu hộp đơn.
- Thông thường để tăng tính mềm dẻo trong ứng dụng thực tế mà ở đó phần lớn các đối tượng điều khiển có số tín hiệu đầu vào, đầu ra cũng như chủng loại tín hiệu vào/ra khác nhau mà các bộ điều khiển PLC được thiết kế không bị cứng hóa về cấu hình, chúng được chia nhỏ thành các modul (hình 2.4), tối thiểu phải có modul CPU, các modul còn lại là các modul nhận truyền tín hiệu với đối tượng điều khiển, các modul có chức năng chuyên dụng như modul mờ, modul PID... chúng được gọi là các modul mở rộng, việc sử dụng các modul nào là tùy thuộc vào công việc cụ thể.
Hình 2.4. Cấu trúc PLC kiểu modul
- Kiểu hộp đơn thường dùng cho các PLC cỡ nhỏ và được cung cấp dưới dạng nguyên chiếc hoàn chỉnh gồm bộ nguồn ( hình 2.5), bộ xử lý, bộ nhớ và các giao diện vào/ra onboard được tích hợp trong một modul, kiểu hộp đơn vẫn có khả năng ghép nối được với các modul ngoài để mở rộng khả năng của PLC.
3.3. Các họ PLC thông dụng
3.3.1. Họ SIMATIC của SIEMENS (CHLB Đức)
Hãng SIEMENS đưa ra nhiều họ PLC khác nhau. Tuy nhiên, PLC họ SIMATIC được sử dụng phổ biến và có hai thế hệ S5 (cũ) và S7 (mới).
Các loại PLC họ S5 sử dụng phần mềm STEP5, bao gồm: - Loại nhỏ có S5 90U, S5 95U;
- Loại vừa có S5 100U với các CPU 100, 101, 102, 103, 104; - Loại lớn có S5 115, S5 135, S5 155 với các CPU 941, 942… Các loại PLC họ S7 sử dụng phần mềm STEP7, bao gồm: - Loại nhỏ có S7 200 với các CPU 212, 222, 226;
- Loại vừa có S7 300, S7 400 với các CPU 312, 315, 412, 415…; - Loại lớn có S7 1200, S7 1500…
3.3.2. Họ SYSMAC của OMRON (Nhật Bản)
Hãng OMRON chế tạo các PLC gồm nhiều chủng loại, ví dụ, PLC series C, CV, CJ,… Phần mềm lập trình có thể dùng Syswin hoặc CX-Programmer. Ở đây giới thiệu series C gồm các loại sau:
- Loại nhỏ có CPM1, CPM1A, CPM2A; - Loại vừa có CQM1, CQM1H;
- Loại lớn có C200H, C1000H, C2000H, C2000HS…
3.3.3. PLC của ALLEN BRADLEY (Mỹ)
- Loại nhỏ có MicroLogix 500, MicroLogix 1000; - Loại vừa có SLC 500 với CPU 01, 02, 03, 04;
PLC loại nhỏ và loại vừa dùng phần mềm lập trình RSLOGIX 500.
- Loại lớn có PLC5 với CPU 25, 41, 45, 55,… và dùng phần mềm lập trình RSLOGIX 5.
Trong thực tế, các loại PLC thế hệ mới đã và đang được đưa ra thị trường và ngày càng được sử dụng rộng rãi và nhanh chóng. Tài liệu của PLC thế hệ mới nhất có thể được cập nhật thông qua các Website của hãng sản xuất.
Bên cạnh các họ PLC được giới thiệu ở trên, còn có rất nhiều họ PLC của các nhà sản xuất khác, như họ 9300 của GE- FUNUC, Họ FX. MELSEC của MITSUBISHI, họ T1, T2, T3 của TOSHIBA, họ Master-K của LG…
3.4. Lựa chọn PLC
Việc lựa chọn PLC xuất phát từ yêu cầu thực tế của người sử dụng. Các căn cứ cơ bản của sự lựa chọn như sau:
- Thứ nhất là yêu cầu công nghệ và yêu cầu điều khiển. Điều này liên quan đến tính năng kỹ thuật của PLC có đáp ứng được yêu cầu công nghệ và điều khiển đặt ra hay không, như tốc độ xử lý, dung lượng bộ nhớ, quản lý vào/ra và khả năng mở rộng hệ thống…
- Thứ hai là tính kinh tế và khả năng đáp ứng về thời gian cung cấp thiết bị của nhà sản xuất.
- Thứ ba là sự hỗ trợ và giúp đỡ của nhà cung cấp về các vấn đề giải pháp kỹ thuật, phần mềm, công cụ và đào tạo.
3.5. Lập trình cho PLC
3.5.1. Các phương pháp lập trình
Từ các cách mô tả hệ tự động kể trên các nhà chế tạo PLC đã soạn thảo ra các phương pháp lập trình khác nhau, các phương pháp lập trình đều được thiết kế sao cho đơn giản, gần với cách mô tả đã được biết đến.
Có 3 phương pháp lập trình cơ bản là:
- STL (Statement List) ngôn ngữ liệt kê lệnh. - LAD (Ladder Logic) ngôn ngữ hình thang.
- CSF (Control System Flowchart) ngôn ngữ hình khối. * Phương pháp STL
Đây là phương pháp lập trình thông thường của máy tính, một chương trình được ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, các lệnh được liệt kê thứ tự, để phân biệt các đoạn chương trình người ta dùng mã nhớ, khởi đầu mỗi đoạn người ta dùng lệnh khởi đầu như: LD, L, A, O.
Kết thúc mỗi đoạn thường là lệnh gán cho đầu ra, đầu ra có thể là cho các thiết bị ngoại vi hay hoặc là các rơle nội.
* Phương pháp hình thang LAD
Đây là ngôn ngữ đồ họa thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển logic (hình 2.6).
Mạng Lad là đường nối các phần tử thành một mạch hoàn chỉnh, theo thứ tự từ trái sang phải, từ trên xuống dưới.
Một sơ đồ LAD có nhiều nấc thang, trên mỗi phần tử của biểu đồ hình thang LAD có các tham số xác định tùy thuộc ký hiệu của từng hãng sản xuất PLC.
* Phương pháp CSF (Control System Flow)
Phương pháp lưu đồ điều khiển CSF trình bày các phép toán logic với các ký hiệu đồ họa đã được tiêu chuẩn hóa ( hình 2.7). Phương pháp lưu đồ điều khiển thích hợp với người đã quen với điều khiển bằng đại số Booole.
Hình 2.7. Ngôn ngữ lập trình dạng CSF * So sánh các phương pháp biểu diễn:
Nhìn chung, mỗi phương pháp biểu diễn kể trên đều có khả năng riêng của nó, tuy nhiên phương pháp STL là vạn năng hơn cả bởi vì nó có thể biểu diễn mọi lệnh trong mọi khối của các phương pháp điều khiển. Trong khi 2 phương pháp CFS và LAD bị hạn chế trong một số lệnh thuộc một số khối nhất định. Chương trình được viết dưới dạng CFS hoặc LAD thì bao giờ cũng có thể chuyển sang dạng dạng STL sang dạng CFS và LAD được, ví dụ:
- Nhóm lệnh cơ bản dùng trong tất cả các loại khối và có thể được biểu diễn trong cả 3 phương pháp là STL, CFS, và LAD.
- Một số nhóm lệnh hệ thống và nhóm lệnh bổ trợ chỉ được dùng trong các khối chức năng và chỉ có thể biểu diễn bằng phương pháp STL.
3.5.2. Thiết bị lập trình
Để lập trình cho PLC, ta có thể lập trình trên máy lập trình chuyên dụng (được dùng cho các bài toán phức tạp, cỡ lớn), thiết bị lập trình cầm tay (dùng cho các bài toán cỡ nhỏ và trung bình) hoặc trên máy tính PC (dùng cho các bài toán cỡ trung bình, phức tạp)
Mỗi thiết bị PLC đều có một phần mềm chuyên dụng riêng biệt có thể chạy trên hệ điều hành Windown: chẳng hạn với OMRON là phần mềm syswins, s7-200 là phần mềm Microwin, s7-300, 400 là phần mềm Step 7.
3.6. Đánh giá ưu nhược điểm của PLC 3.6.1. Ưu điểm
Hiện nay với sự phát triển của công nghệ điện tử đã cho phép chế tạo các hệ xử lý tiên tiến, dựa trên cơ sở của bộ vi xử lý, các bộ điều khiển logic lập trình đã cho phép khắc phục được rất nhiều nhược điểm của các hệ điều khiển liên kết cứng trước đây. Có thể liệt ra một số ưu điểm chính của việc sử dụng PLC gồm:
- Giảm bớt được việc nối dây khi kiến tạo hệ thống, giá trị logic của nhiệm vụ điều khiển được thực hiện trong chương trình thay cho việc đấu nối dây.
- Tính mềm dẻo cao, trong hệ thống dùng PLC các phần tử điều khiển đã được mô tả sẵn, mối liên kết giữa các phần tử được mô tả bằng chương trình, do vậy khi cần sự thay đổi trong cấu trúc điều khiển thì chỉ cần thay đổi chương trình trong hệ thống.
- Không gian lắp đặt nhỏ hơn, PLC đòi hỏi ít không gian hơn so với hệ điều khiển rơle tương đương.
- Dải chức năng rộng. - Tốc độ làm việc cao. - Công suất tiêu thụ giảm. - Lắp đặt đơn giản.
- Hệ thống được mở rộng theo khối.
- Về giá trị kinh tế: khi xét về giá trị kinh tế của PLC ta phải đề cập đến số lượng đầu ra và đầu vào, số lượng đầu vào/ra mà quá ít thì hệ rơle tỏ ra kinh tế hơn, những khi số lượng đầu vào/ra tăng lên thì hệ PLC sẽ kinh tế hơn hệ rơle.
3.6.2. Nhược điểm
Giá của các bộ điều khiển PLC hiện nay vẫn còn đắt, việc sử dụng và chọn lựa PLC phải phù hợp với từng bài toán, nếu không sẽ dẫn đến việc gây lãng phí khi đầu tư không cần thiết.
3.7. Kết luận
PLC là thiết bị được sử dụng rộng rãi trong các hệ tự động hóa quy trình sản xuất. Về chức năng, PLC có thể thực hiện các bài toán điều khiển một công đoạn hoặc toàn bộ một dây chuyền sản xuất. PLC có thể thực hiện điều khiển các đại lượng logic, điều khiển quá trình và quản lý điều khiển.
Vì vậy, việc nghiên cứu và sử dụng PLC đôi khi là đòi hỏi và là yêu cầu cần thiết đối với kỹ sư, cán bộ kỹ thuật các ngành điện, điện tử, tự động hóa, thủy khí… Những kiến thức cơ bản cần thiết khi nghiên cứu PLC là: kỹ thuật vi xử lý, kỹ thuật số, điều khiển logic, kỹ thuật lập trình và tự động hóa quá trình công nghệ.