PLC: Giới thiệu và Ứng dụng

Phần này cung cấp một cái nhìn tổng quan về lịch sử và sự phát triển của kỹ thuật điều khiển. Từ việc điều khiển thủ công đến việc sử dụng relay đóng ngắt tiếp điểm, sự ra đời của máy tính điện tử đã tạo ra một bước ngoặt lớn, dẫn đến sự xuất hiện của PLC vào những năm 1970. PLC nhanh chóng trở thành giải pháp ưu việt cho điều khiển trong sản xuất công nghiệp. Tài liệu nhấn mạnh sự chuyển đổi từ hệ thống điều khiển cơ khí đơn giản sang hệ thống điều khiển tự động phức tạp hơn, cho phép thực hiện các thao tác logic phức tạp hơn nhiều so với chỉ sử dụng relay. Hình ảnh minh họa sơ đồ logic của PLC, cùng với ngõ vào/ra, cho thấy sự tương tác giữa phần cứng và phần mềm điều khiển. Ví dụ về việc sử dụng 2 ngõ vào nút nhấn tác động lên relay bên trong PLC để điều khiển đèn sáng 115VAC minh họa rõ ràng cách PLC hoạt động. Các PLC đời đầu được lập trình dựa trên sơ đồ nối dây relay, một phương pháp thân thuộc với các kỹ sư điện, vẫn còn được ứng dụng phổ biến hiện nay.

Mặc dù có nhiều phương pháp lập trình PLC khác nhau, tài liệu tập trung vào kỹ thuật sử dụng lệnh gợi nhớ, bắt nguồn trực tiếp từ sơ đồ logic bậc thang. Các lệnh này được nhập vào PLC thông qua một thiết bị lập trình chuyên dụng. Việc đọc lệnh được thực hiện tuần tự từ trên xuống dưới, theo đúng trình tự logic trong sơ đồ. Một ví dụ minh họa cách thức hoạt động của các lệnh gợi nhớ này. Ngõ vào PLC có thể kết nối với các cảm biến hay công tắc, trong khi ngõ ra điều khiển các thiết bị như đèn, động cơ. Mô tả hoạt động của công tắc A (thường hở) và B (thường đóng) làm bật/tắt ngõ ra X minh họa cách lập trình đơn giản dựa trên trạng thái ngõ vào. Tài liệu nhấn mạnh tính chất thực tiễn của quá trình điều khiển, liên tục thay đổi theo thời gian và phụ thuộc vào tín hiệu từ các cảm biến đầu vào. Một ngõ vào không hoạt động sẽ làm gián đoạn toàn bộ quá trình điều khiển.

Tài liệu nhấn mạnh vào khái niệm chu kỳ quét của PLC – một vòng lặp liên tục gồm 4 giai đoạn chính: đọc dữ liệu đầu vào (ngõ vào), thực hiện logic bậc thang dựa trên chương trình đã lập trình, chẩn đoán lỗi và kiểm tra truyền thông, và cuối cùng là xuất kết quả ra ngõ ra để điều khiển thiết bị. Đây là cốt lõi của hoạt động PLC, đảm bảo sự vận hành liên tục và chính xác của hệ thống. Tốc độ và hiệu quả của chu kỳ quét ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất điều khiển tổng thể. Một ví dụ đơn giản về việc vẽ sơ đồ điều khiển relay với 3 công tắc và 1 bóng đèn được đưa ra để minh họa cho hoạt động cơ bản của PLC. Việc hiểu rõ chu kỳ quét giúp người lập trình tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác của chương trình điều khiển.

Phần này tập trung vào phần ngõ ra của PLC. Các thiết bị chấp hành như bóng đèn, cuộn dây, van, biến tần… được điều khiển thông qua module Output. Tùy thuộc vào tín hiệu cần thiết (số hay tương tự), PLC sử dụng hai loại module ngõ ra chính: module số và module tương tự. Module ngõ ra số được dùng để điều khiển các đối tượng hoạt động theo kiểu ON-OFF, trong khi module ngõ ra tương tự dùng cho các đối tượng cần tín hiệu analog. Các kiểu module ngõ ra số phổ biến bao gồm: ngõ ra Transistor, ngõ ra Triac, và ngõ ra Relay. Việc lựa chọn loại module ngõ ra phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm điện áp cấp, tần số đóng cắt và dòng điện làm việc. Người dùng nên tham khảo thông số kỹ thuật từ nhà sản xuất để đảm bảo sự tương thích.

Module ngõ ra tương tự có hai kiểu chính: ngõ ra điện áp và ngõ ra dòng điện, được sử dụng để điều khiển các thiết bị cần tín hiệu analog như biến tần, van tuyến tính, van thủy lực… Ưu điểm của module analog là kết nối đơn giản và dễ sử dụng. Hình ảnh minh họa một module analog ngõ ra điển hình của PLC Siemens. Về hoạt động của PLC, tất cả PLC đều hoạt động theo chu trình lặp, mỗi chu trình gồm 4 giai đoạn: đọc ngõ vào, thực thi chương trình, chẩn đoán lỗi và kiểm tra truyền thông, và xuất kết quả ra ngõ ra. 4 giai đoạn này tạo nên một chu kỳ quét của PLC. Thời gian chu kỳ quét ảnh hưởng đến tốc độ phản hồi của hệ thống. PLC thường có các đèn báo trạng thái để giúp người lập trình theo dõi hoạt động của PLC một cách dễ dàng.

Phần này tập trung vào module ngõ ra số, được sử dụng để điều khiển các thiết bị hoạt động theo kiểu bật/tắt (ON/OFF). Ba loại module ngõ ra số tiêu biểu được đề cập là: ngõ ra Transistor, ngõ ra Triac, và ngõ ra Relay. Sự lựa chọn giữa các loại module này phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật cụ thể của thiết bị cần điều khiển, bao gồm điện áp cấp, tần số đóng cắt và dòng điện làm việc. Tài liệu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tham khảo hướng dẫn sử dụng (manual) từ nhà sản xuất để xác định các thông số kỹ thuật chính xác của từng module và đảm bảo tính tương thích với thiết bị cần điều khiển. Việc hiểu rõ các thông số này là rất cần thiết để đảm bảo hoạt động ổn định và an toàn của hệ thống. Sai sót trong việc lựa chọn module có thể dẫn đến hư hỏng thiết bị hoặc sự cố hoạt động.

Khác với module ngõ ra số, module ngõ ra tương tự được sử dụng để điều khiển các thiết bị cần tín hiệu điều khiển dạng analog. Hai kiểu module ngõ ra tương tự chính là ngõ ra điện áp và ngõ ra dòng điện. Các thiết bị điển hình sử dụng module này bao gồm biến tần, van tuyến tính, và van thủy lực. Ưu điểm của module analog là kết nối đơn giản và dễ sử dụng, không cần thêm thiết bị bên ngoài. Hình 2.10 minh họa một module analog ngõ ra điển hình của PLC Siemens. Việc lựa chọn giữa ngõ ra điện áp và dòng điện phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của thiết bị được điều khiển. Hiểu rõ đặc tính của tín hiệu analog là rất quan trọng để đảm bảo sự hoạt động chính xác của hệ thống. Cần lưu ý các sai số có thể xảy ra trong quá trình chuyển đổi tín hiệu và cần hiệu chỉnh để đảm bảo độ chính xác.

Phần này định nghĩa cảm biến là một thiết bị dùng để nhận biết sự tồn tại hoặc thay đổi đặc tính của một đối tượng. Loại cảm biến được sử dụng phụ thuộc vào thuộc tính của đối tượng cần theo dõi và phương pháp nhận biết. Cảm biến có khả năng nhận biết nhiều hiện tượng vật lý khác nhau. Tài liệu nhấn mạnh vào vai trò quan trọng của cảm biến trong việc cung cấp thông tin phản hồi cho hệ thống điều khiển tự động, đặc biệt là khi tích hợp với PLC. Sự đa dạng về loại cảm biến đòi hỏi người thiết kế hệ thống cần hiểu rõ đặc điểm kỹ thuật của từng loại cảm biến để lựa chọn cảm biến phù hợp nhất với ứng dụng cụ thể. Việc chọn sai cảm biến có thể dẫn đến sai số trong dữ liệu thu thập và ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống điều khiển.

Phần này tập trung vào cảm biến có ngõ ra dạng số, loại cảm biến phổ biến dùng để báo cho bộ xử lý (PLC) biết về sự thay đổi trạng thái logic bằng cách đóng/ngắt điện áp hoặc dòng điện. Trong một số trường hợp, ngõ ra của cảm biến có thể trực tiếp đóng/ngắt tải. Cảm biến quang, một ví dụ cụ thể, được mô tả chi tiết. Cảm biến quang bao gồm một nguồn phát quang (LED hoặc LASER) và một bộ thu quang (diode hoặc transistor quang). Vật thể cần nhận biết sẽ che chắn hoặc phản xạ ánh sáng, điều này được bộ thu quang phát hiện. Hai dạng cảm biến quang phổ biến là cảm biến quang thu phát chung và cảm biến quang thu phát độc lập. Sơ đồ minh họa cách sử dụng cảm biến quang được trình bày. Cảm biến quang hoạt động dựa trên nguyên lý phát hiện sự thay đổi cường độ ánh sáng, do đó, các yếu tố môi trường như ánh sáng xung quanh có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến. Vì vậy, cần có biện pháp khắc phục, như sử dụng sóng dao động để loại bỏ ảnh hưởng của ánh sáng môi trường.

Tài liệu cung cấp một số ví dụ về cảm biến, đặc biệt là cảm biến quang, mô tả hoạt động của chúng và cách chúng tương tác với hệ thống PLC. Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang được giải thích một cách rõ ràng, bao gồm việc sử dụng thấu kính để hội tụ ánh sáng và tác động lên transistor thu quang. Sự hiện diện hoặc vắng mặt của vật thể được xác định dựa trên sự thay đổi cường độ ánh sáng nhận được bởi bộ thu. Ứng dụng của cảm biến quang trong việc phát hiện vật thể kim loại cũng được đề cập. Cuối cùng, một bài tập được đưa ra yêu cầu sinh viên tìm tài liệu, khảo sát đặc tính kỹ thuật, và vẽ sơ đồ kết nối các loại cảm biến khác nhau với PLC. Bài tập này nhằm mục đích giúp sinh viên củng cố kiến thức và kỹ năng thực hành về việc tích hợp cảm biến với hệ thống PLC.

Solenoid được giới thiệu như một thiết bị chấp hành phổ biến, hoạt động dựa trên nguyên lý từ trường sinh ra bởi dòng điện chạy qua cuộn dây để hút piston. Piston thường được giữ ở vị trí ban đầu bởi lò xo. Khi có dòng điện, từ trường hút piston vào trong cuộn dây, tạo ra lực tuyến tính. Hình vẽ 4.1 minh họa cấu tạo của một solenoid. Ứng dụng của solenoid rất đa dạng trong các hệ thống điều khiển tự động, từ việc đóng mở van đến điều khiển các cơ cấu khác nhau. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động và đặc tính của solenoid là rất quan trọng để lựa chọn và sử dụng hiệu quả trong các hệ thống điều khiển.

Hai phương pháp điều khiển tốc độ động cơ DC được đề cập: thay đổi điện áp cuộn kích từ (từ trường của stato) và thay đổi dòng điện chạy qua cuộn dây phần ứng. Phương pháp phổ biến nhất là PWM (Pulse Width Modulation). Tuy nhiên, việc lựa chọn phương pháp phù hợp phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau, không được đề cập cụ thể trong tài liệu. Điện áp không đổi đặt lên hai đầu dây động cơ sẽ giữ động cơ ở một vị trí nhất định. Hiểu rõ nguyên lý hoạt động của động cơ DC và phương pháp điều khiển PWM giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ chính xác của hệ thống điều khiển.

Động cơ bước được mô tả là không cần bộ phận hồi tiếp trong nhiều ứng dụng, trừ khi yêu cầu độ tin cậy rất cao. Tuy nhiên, động cơ bước có thể bị lệch khi moment giữ bị vượt quá hoặc khi tăng tốc quá nhanh. Khi bị lệch, động cơ sẽ quay một góc không xác định. Để xác định chính xác vị trí, cần có hệ thống hồi tiếp vị trí. Tài liệu minh họa cách điều khiển động cơ bước bằng cách thay đổi tuần tự điện áp trên các cuộn dây. Thay đổi trình tự điện áp sẽ thay đổi chiều quay của động cơ. Động năng của động cơ và tải sẽ giới hạn tốc độ quay cực đại, thường khoảng vài ngàn bước mỗi giây. Việc hiểu rõ nguyên lý hoạt động và các hạn chế của động cơ bước giúp người lập trình thiết kế hệ thống điều khiển chính xác và hiệu quả.

Tài liệu đề xuất sử dụng lưu đồ để thiết kế chương trình PLC, đặc biệt phù hợp với các quá trình có các bước xử lý tuần tự. Lưu đồ minh họa các bước thực hiện theo một trình tự đơn giản, với các khối được nối với nhau bằng mũi tên. Chương trình PLC thường bắt đầu bằng khối Start và kết thúc bằng khối Stop, cho phép dừng chương trình khi cần thiết. Mỗi khối thực thi trong lưu đồ cần được đặt tên cụ thể. Các khối Decision được sử dụng để tạo ra các nhánh rẽ, tùy thuộc vào điều kiện. Việc giải thích hoạt động của lưu đồ trước khi viết chương trình giúp sửa chữa, bổ sung và hoàn thiện thiết kế chương trình. Sử dụng lưu đồ giúp người lập trình dễ dàng hình dung và kiểm tra tính khả thi của chương trình, từ đó đưa ra các giải thuật tối ưu.

CPU S7-200 hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau, tùy thuộc vào kinh nghiệm, khả năng và sở thích của người lập trình. Tài liệu đề cập đến ngôn ngữ FBD (Function Block Diagram), cho phép xem các lệnh như các hộp logic, tương tự sơ đồ cổng logic. Chương trình được tạo bằng cách kết nối các hộp, ngõ ra của lệnh này tác động đến ngõ vào của lệnh khác. FBD giúp giải quyết nhiều bài toán logic khác nhau. Tài liệu cũng đề cập đến ngôn ngữ STL (Statement List), phù hợp cho người có kinh nghiệm lập trình PLC và quen thuộc với cách lập trình logic. STL cho phép viết chương trình bằng các lệnh gợi nhớ. Lệnh RESET (R) trong STL, được sử dụng để ngắt các điểm liên tục, được giải thích chi tiết, nhấn mạnh sự khác biệt giữa LAD và STL trong cách thức xử lý lệnh này.

Các lệnh tiếp điểm đặc biệt trong LAD được sử dụng để phát hiện sự chuyển tiếp trạng thái của xung (sườn xung) và đảo trạng thái của dòng cung cấp. Các tiếp điểm này không có toán hạng riêng và phải đặt trước cuộn dây hoặc hộp đầu ra. Tiếp điểm chuyển tiếp dương/âm có yêu cầu về bộ nhớ, giới hạn số lượng lệnh sử dụng. Một ví dụ về lưu đồ điều khiển việc bơm nước vào bồn được trình bày. Lưu đồ bao gồm các khối Start, Decision, và Stop, minh họa cách thức điều khiển van vào/ra dựa trên trạng thái nút nhấn và mức nước trong bồn. Ví dụ này cho thấy cách sử dụng các khối Decision để tạo ra các nhánh rẽ và kiểm soát luồng thực hiện của chương trình. Việc thiết kế lưu đồ hợp lý là nền tảng quan trọng cho việc lập trình hiệu quả và dễ bảo trì.

Phần này giới thiệu về Timer trong PLC, tập trung vào ba loại Timer của S7-200, phân biệt nhau ở phản ứng với trạng thái logic đầu vào. Timer TON và TONR đều bắt đầu đếm khi tín hiệu đầu vào chuyển từ 0 lên 1 (sườn lên). Tiếp điểm của Timer đóng lại khi giá trị đếm đạt đến giá trị đặt trước, và tiếp tục đếm đến giá trị tối đa. Khi sử dụng Timer TONR, giá trị đếm tức thời được lưu lại và không thay đổi khi tín hiệu đầu vào là 0. Giá trị T-bit phụ thuộc vào kết quả so sánh giữa giá trị đếm tức thời và giá trị đặt trước. Hiểu rõ sự khác biệt giữa các loại Timer giúp người lập trình lựa chọn loại Timer phù hợp với từng ứng dụng cụ thể, đảm bảo độ chính xác và hiệu quả của chương trình.

Khác với Timer, Counter CTU và CTUD có chân nối tín hiệu điều khiển xóa (reset), ký hiệu là R trong LAD hoặc trạng thái logic của bit đầu tiên trong ngăn xếp trong STL. Counter được reset khi tín hiệu xóa có mức logic 1 hoặc khi lệnh R được thực hiện với C-bit. Sau khi reset, cả C-word và C-bit đều có giá trị 0. Counter CTU đếm lên, CTD đếm xuống và CTUD đếm lên xuống. Bộ đếm thông thường chỉ đếm được các sự kiện với tần số thấp (chu kỳ xuất hiện của sự kiện nhỏ hơn chu kỳ quét của PLC). Tài liệu nhấn mạnh sự khác biệt giữa bộ đếm thông thường và HSC (High-Speed Counter) về khả năng đếm các sự kiện có tần số cao.

Khi lập trình, lệnh so sánh được sử dụng để thực hiện các quyết định điều khiển dựa trên kết quả so sánh. PLC S7-200 hỗ trợ các lệnh so sánh theo Byte, Word, DWord và Real. Các phép so sánh bao gồm: bằng, lớn hơn hoặc bằng, nhỏ hơn hoặc bằng, lớn hơn, nhỏ hơn. Việc sử dụng lệnh so sánh giúp tạo ra các chương trình điều khiển có tính linh hoạt cao, đáp ứng được nhiều yêu cầu khác nhau của hệ thống. Hiểu rõ cách sử dụng các lệnh so sánh là rất cần thiết để viết các chương trình điều khiển phức tạp và chính xác. Tài liệu cũng đề cập đến các lệnh thao tác số học, ví dụ như lệnh cộng và trừ 1 đơn vị cho byte, và lệnh chuyển đổi số thập lục phân sang nhị phân, cho thấy sự đa dạng của các lệnh trong PLC.

Phần này định nghĩa ngắt là quá trình PLC tạm dừng chương trình chính để xử lý các sự kiện ngắt. Sự kiện ngắt có thể đến từ bên ngoài (ngắt ngoài) hoặc từ bên trong PLC (ngắt trong). Khi có sự kiện ngắt, chương trình chính tạm dừng và PLC thực thi chương trình ngắt (trình phục vụ ngắt). Sau khi hoàn thành chương trình ngắt, PLC quay trở lại chương trình chính và tiếp tục thực hiện từ vị trí bị gián đoạn. Khái niệm ngắt giúp PLC xử lý các sự kiện quan trọng một cách nhanh chóng và hiệu quả, đảm bảo tính thời gian thực của hệ thống điều khiển. Việc thiết kế và lập trình chương trình ngắt đòi hỏi sự cẩn thận để tránh xung đột và đảm bảo sự ổn định của toàn bộ hệ thống.

Tài liệu giới thiệu HSC (High-Speed Counter), một bộ đếm tốc độ cao có khả năng đếm các sự kiện xảy ra với tần số lớn, vượt quá khả năng của bộ đếm thông thường trong PLC. Bộ đếm thông thường, như CTU (đếm lên), CTD (đếm xuống), CTUD (đếm lên xuống), chỉ đếm được các sự kiện có tần số thấp (chu kỳ xuất hiện sự kiện nhỏ hơn chu kỳ quét của PLC). Tần số đếm của HSC phụ thuộc vào loại HSC và loại CPU. Chỉ một số ngõ vào đặc biệt mới nhận được xung tần số cao. Nhiều hãng PLC tích hợp HSC sẵn trong CPU hoặc thiết kế riêng từng module. Mỗi HSC có 10 byte để khai báo thông số, nhưng các byte tương ứng của các HSC có chức năng cơ bản giống nhau. Người lập trình chỉ cần hiểu kỹ cách sử dụng một HSC là có thể sử dụng các bộ đếm khác. Một bộ đếm có thể có nhiều chế độ đếm, tùy thuộc vào yêu cầu ứng dụng. Lệnh HDEF dùng để gán bộ đếm với chế độ đếm tương ứng.

Ví dụ về lập trình với HSC1 ở chế độ 1X, xuất kết quả đếm ra vùng nhớ QW2 được trình bày. Việc tạo xung CK với tần số 1Hz tại Q0.0 và quan sát trạng thái ngõ ra tại QW2 giúp kiểm tra hoạt động của HSC1. Chân Reset được dùng để kiểm tra việc xóa bộ đếm. Ngoài HSC, tài liệu cũng giới thiệu PTO (Pulse Train Output), được ứng dụng khi cần tín hiệu điều khiển dạng xung tần số cao cho các đối tượng như động cơ bước, động cơ servo. PTO có khả năng phát nhiều đoạn xung liên tiếp với tần số khác nhau, rất hữu ích khi cần tạo chuỗi xung có tần số thay đổi. S7-200 hỗ trợ 2 ngõ ra Q0.0 và Q0.1 để phát xung PLS/PWM với tần số lên đến 100kHz, vượt quá khả năng của ngõ ra thông thường. PLS điều khiển phát xung vuông với chu kỳ thay đổi từ 50µs đến 65535µs hoặc 2ms đến 65535ms, số lượng xung từ 1 đến 4,294,967,295.