Trong các hệ thống cơng nghiệp, các q trình làm việc của các thiết bị đang tiến tới tự động hố. Trớc đây, để thực hiện một cơng đoạn sản xuất hoặc một qui trình tự động hố nào đó chúng ta cần thu thập các điều kiện đầu vào và các điều kiện đầu ra cùng với quan hệ giữa chúng để thiết lập một hệ thống tự động dựa trên cơ sở các phần tử logic nh các phần tử logic điện tử, các bộ cảm biến, các rơ le, các công tắc, các cuộn dây v.v.. và các mối tơng quan giữa chúng với nhau để tạo nên một chơng trình hoạt động mơ tả đúng đắn quá trình tự động mà chúng ta muốn thực hiện.
Trớc đây chúng ta vẫn thờng sử dụng các phần tử logic sẵn có nh các rơ le, các linh kiện điện tử v.v.. thơng qua việc bố trí và liên kết các phần tử này với nhau ta có thể mơ phỏng một chơng trình làm việc nào đó.
Ngày nay các bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Contrroller) đã trở nên hết sức phổ biến trong các thiết bị, các hệ thống tự động ở khắp các ứng dụng công nghiệp hoặc phi công nghiệp trên khắp thế giới. Kết hợp với kĩ thuật vi xử lí tiên tiến, kĩ thuật phần mềm hồn hảo, PLC có nhiều tính năng u việt cho phép giải quyết mọi nhiệm vụ từ đơn giản đến phức tạp nhng lại dễ sử dụng.
Sự khác biệt giữa hệ thống điều khiển liên kết cứng và hệ thống điều khiển khả trình (PLC) ở chỗ các cơng tắc và/hoặc các rơ le trong điều khiển liên kết cứng đợc thay thế bằng chơng trình trong hệ thống điều khiển khả trình PLC.
Hệ thống điều khiển liên kết cứng:
Trong hệ thống này, các bộ cảm biến, các cuộn dây, các đèn v.v.. đợc liên kết với nhau bằng dây dẫn vĩnh viễn. Không thể thiết lập hệ thống và kết dây giữa các phần tử cấu thành đợc nếu cha biết rõ nhiệm vụ của chúng trong hệ thống, nói cách khác cần có "chơng trình làm việc" cụ thể mơ tả nhiệm vụ của hệ thống, của từng phần tử trong hệ thống. Khi có bất kì sự thay đổi nào của "ch- ơng trình làm việc" bắt buộc phải bố trí và liên kết lại các phần tử của hệ thống.
Hệ thống điều khiển khả trình:
Trong hệ thống điều khiển khả trình các phần tử điều khiển cơ bản đã đợc mô tả sẵn trong hệ thống, mối liên kết giữa các phần tử điều khiển đợc mơ tả bằng chơng trình, các bộ cảm biến, các cuộn dây v.v.. hoạt động trong các máy móc sẽ đợc nối trực tiếp với hệ thống điều khiển.
Chơng trình định nghĩa các phơng thức hoạt động đợc viết trực tiếp vào bộ nhớ của bộ điều khiển (program memory) thơng qua ngời lập chơng trình. Chơng trình này đọc và kiểm tra trạng thái các bộ cảm biến, các cuộn dây v.v.. đợc gán cho các đầu vào thực hiện các chức năng logic đợc gán cho các đầu vào này và gửi kết qủa tới các đầu ra đã đợc xác lập. Khi có sự thay đổi nào đó trong cấu trúc điều khiển chỉ cần thay đổi chơng trình trong bộ nhớ của hệ thống.
Nh vậy sự thay đổi hay mở rộng các chức năng của hệ thống điều khiển có thể dễ dàng thực hiện mà khơng cần bất kì sự can thiệp mang tính chất vật lí nào.
I.2. Giới thiệu về PLC
I.2.1. PLC là gì
PLC là từ viết tắt của cụm từ tiến Anh "Progrrammable Logic Controller": bộ điều khiển logic có thể lập trình (khả trình).
Thực tế trong sản xuất PLC là một máy tính cơng nghiệp đợc gắn tại chỗ với dây chuyền cơng nghệ. Q trình thay thế của PLC cho các hệ thống điều khiển dùng các phần tử logic kết dây đã đợc trình bày ở trên.
I.2.2. Cấu tạo
PLC thực chất cũng là một hệ vi xử lí, tuy nhiên nó các những u điểm nổi bật mà các hệ vi xử lí khác khơng có. Những u điểm này ta sẽ xét đến sau, trớc tiên ta đi vào xem xét cấu trúc của nó. PLC gồm các bộ phận sau:
a) Hệ điều hành
Chứa các chơng trình hệ thống dùng để xác định cách thức thực hiện chơng trình của ngời sử dụng, quản lí các đầu vào ra, phân chia bộ nhớ RAM trong và quản lí dữ liệu.
b) Bộ nhớ chơng trình
Lu giữ chơng trình điều khiển PLC, khi PLC hoạt động, nó sẽ đọc và thực hiện chơng trình đợc ghi trong bộ nhớ này. Bộ nhớ chơng trình là một vùng trong RAM của CPU.
c) Bảng các đầu vào, đầu ra (PII và PIQ):Vùng đệm cho các đầu vào và ra, các
bảng này là một vùng trên RAM trong.
SENSOR ACTUATOR PROGRAMMER CPU ROM RAM I N P U T O U T P U T
Cấu trúc tổng quát của PLC d) Cổng giao tiếp
Cổng giao tiếp của PLC dùng phơng pháp truyền thông nối tiếp, qua cổng này PLC có thể nối với máy lập trình PG, các bảng điều khiển OB và nối với các PLC khác.
e) Bộ đếm thời gian, bộ đếm và cờ
Trong CPU có những bộ đếm thời gian (Timers), các bộ đếm (Counters) và các cờ (Flags) mà chơng trình có thể sử dụng. Chơng trình có thể đặt, xố, khởi phát cũng nh dừng các bộ đếm, bộ đếm thời gian. Các giá trị đếm, giá trị thời gian đợc lu giữ trên một vùng dành riêng của RAM trong.
Cờ là các ô nhớ đặc biệt trên RAM trong, nơi lu giữ các kết quả trung gian trong q trình xử lí chơng trình.
Nếu có pin ni, một số cờ, bộ đếm trong bộ nhớ RAM vẫn đợc lu giữ khi PLC mất nguồn cung cấp, những cờ và bộ đếm này đợc gọi là các cờ và bộ đếm duy trì.
Khối số học chứa hai thanh ghi tích luỹ ACCU1 và ACCU2. Các thanh ghi này có thể xử lí các phép tốn theo byte hoặc từ.
-Hoạt động của khối số học:
Thanh ghi tích luỹ là thanh ghi 16 bit (1 từ) đợc chia thành byte thấp và byte cao.
g) Bộ vi xử lí
Bộ vi xử lí gọi các lệnh trong bộ nhớ chơng trình trên RAM ra để thực hiện một cách tuần tự. Theo chơng trình nó xử lí các thơng tin đợc lấy ra từ bảng PII và chuyển kết quả xử lí sang bảng PIQ.
h) Bus vào ra
Trong PLC các số liệu đợc trao đổi giữa bộ vi xử lí và các modul vào ra thơng qua bus vào ra ngồi. Một bus gồm nhiều đờng tín hiệu song song và đợc nối với nhiều bộ phận khác nhau. Hệ thống bus đợc chia thành 3 loại: bus địa chỉ, bus số liệu và bus điều khiển.
I.3. Nguyên lý hoạt động
PLC hoạt động theo chu kì gồm 3 bớc sau:
- Bớc 1: PLC nhận các trạng thái đầu vào từ các sensors và đa vào bảng trạng thái tín hiệu vào PII
- Bớc 2: Thực hiện chơng trình điều khiển xử lí các số liệu lấy từ PII và gửi kết quả vào bảng trạng thái đầu ra PIQ.
- Bớc 3: Gửi các kết quả ở bảng trạng thái đầu ra PIQ ra các đầu ra chấp hành tơng tự.
I.4. u điểm của PLCƯ
Trong điều khiển có hai loại mạch điều khiển: 1. Mạch liên kết cứng:
Các linh kiện đợc nối cứng với nhau, khi cha xác định đợc nhiệm vụ của từng linh kiện hoặc yêu cầu điều khiển cụ thể thì khơng thiết lập đợc mạch điều khiển. Ngoài ra, khi muốn thay đổi, mở rộng chức năng, nhiệm vụ điều khiển hoặc xác định sai sót cũng nh sửa chữa rất khó khăn, nhất là khi hệ thống đang làm việc.
2. PLC - Bộ điều khiển khả trình:
Trong PLC các phần tử logic cơ bản đã đợc định nghĩa sẵn, mối liên kết giữa các phần tử điều khiển đợc mơ tả bằng chơng trình. Các bộ cảm biến, các đầu ra thiết bị chấp hành đều đợc nối trực tiếp với PLC. Chơng trình là bộ phận giao tiếp giữa ngời lập trình và PLC, chơng trình định nghĩa các phơng thức hoạt động của PLC theo yêu cầu của ngời lập trình. Khi muốn thay đổi, mở rộng chức năng điều khiển hay khắc phục sự cố v.v.. thì chỉ cần thay đổi
Nạp thơng tin
từ PII vào Xử lí thơng tin trong ACCU1 và ACCU2
TACCU2 thơng tin tới PIQ
chơng trình mà khơng cần một sự can thiệp mang tính chất vật lí nào. nh vậy bộ điều khiển khả trình PLC có tính năng mềm dẻo trong điều khiển.
I.5. ứng dụng của PLC
Ngày nay bộ điều khiển khả trình PLC đợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều nghành công nghiệp cũng nh phi cơng nghiệp trên tồn thế giới nhờ u điểm mềm dẻo, linh hoạt trong điều khiển. Nói riêng về bộ điều khiển PLC của hãng SIEMENS (CHLB Đức), ngồi u điểm nh đã trình bày ở trên thì PLC của hãng cịn rất đa dạng về chủng loại: từ những loại nhỏ, phù hợp với những yêu cầu điều khiển không phức tạp cho đến những bộ điều khiển cỡ lớn có tác dụng nh một máy vi tính, đáp ứng đợc mọi yêu cầu điều khiển phức tạp nhất.
Các bộ điều khiển khả trình họ SIMANTIC S5 của SIEMENS đợc ứng dụng trong nhiều ngành cơng nghiệp, ví dụ nh ngành dệt, cơng nghiệp chất dẻo, xi măng... và nó đã chiếm đợc cảm tình của các nhà sản xuất.
Tại Việt Nam, PLC họ SIMANTIC của SIEMENS đã đợc đa vào điều khiển các dây chuyền sản xuất. Cụ thể trong hệ điều khiển của nhà máy thuỷ điện Hồ Bình đã đa PLC vào để điều hồ cơng suất các tổ m điện, trong hệ điều khiển của Vietxo Petro, nhà máy thuốc lá Thăng Long, nhà máy xi măng Hoàng Mai v.v..