PLC là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và vai trò của PLC

PLC là một thiết bị điều khiển lập trình được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. PLC với khả năng lập trình linh hoạt và tích hợp nhiều tính năng ưu việt nên đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc điều khiển và quản lý quy trình sản xuất. Vậy PLC là gì? Cấu tạo PLC như thế nào? Nguyên lý hoạt động của PLC ra sao? PLC có những ưu điểm và hạn chế nào? Mời bạn tham khảo bài viết dưới đây của Bảo An Automation.

- PLC là gì? PLC là tên viết tắt tiếng Anh của từ Programmable Logic Controller. Đây là một thiết bị rất quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. PLC cho phép người dùng có thể lập trình và điều khiển các hoạt động logic dựa trên các tín hiệu đầu vào và đầu ra. PLC hoạt động dựa trên việc quét liên tục trạng thái đầu vào và thay đổi trạng thái đầu ra dựa trên các thuật toán logic được lập trình trước.

- Bộ điều khiển khả trình PLC có vai trò rất quan trọng trong việc tăng cường tự động hóa trong công nghiệp, giúp cải thiện được hiệu suất, độ tin cậy và tiết kiệm thời gian cũng như công sức trong quá trình sản xuất. Với khả năng lập trình linh hoạt cũng như tích hợp nhiều tính năng ưu việt, PLC là công cụ không thể thiếu trong các hệ thống điều khiển và quản lý trong ngành công nghiệp hiện đại. 

Cấu tạo của PLC bao gồm các bộ phận chính như: bộ nhớ chương trình, bộ xử lý trung tâm (CPU), module đầu vào ra (I/O),... Cụ thể như sau:

- Bộ nhớ chương trình: Bộ phận này bao gồm RAM (Random Access Memory), ROM (Read-Only Memory) và có thể có thêm bộ nhớ vùng ngoài như EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory).

- Bộ xử lý trung tâm (CPU): Đây là bộ phận rất quan trọng trong cấu tạo của PLC, được coi như là "trái tim" của PLC, bộ xử lý trung tâm là nơi thực hiện các phép tính và xử lý các câu lệnh điều khiển từ chương trình.

- Module đầu vào/ đầu ra (I/O): Bộ phận này thường được tích hợp sẵn trên PLC, module I/O nhận tín hiệu đầu vào từ các thiết bị ngoại vi và điều khiển các thiết bị ra thông qua tín hiệu đầu ra. Khi cần mở rộng module I/O thì ta có thể lắp thêm các module I/O bổ sung.

Ngoài ra, PLC còn có các thành phần khác như sau:

- Cổng kết nối PLC và máy tính: Cổng kết nối này thường là các giao diện như RS232, RS422, RS485,... và có chức năng để tải chương trình và giám sát hoạt động của PLC từ máy tính.

- Cổng truyền thông: Thông thường, các loại PLC thường được tích hợp các cổng truyền thông như Modbus RTU và cũng có thể tích hợp các cổng truyền thông khác như: Profibus, Profinet, CANOpen, EtherCat,...

Với cấu tạo của PLC như trên, cho phép PLC nhận tín hiệu đầu vào cũng như xử lý thông qua chương trình lập trình và điều khiển các tín hiệu đầu ra để thực hiện các hoạt động điều khiển và tự động hóa trong các ứng dụng công nghiệp,...

Nguyên lý hoạt động PLC bao gồm các quá trình như sau:

- Bộ điều khiển trung tâm (CPU) có vai trò điều khiển toàn bộ hoạt động của PLC. Tốc độ xử lý của CPU quyết định đến tốc độ điều khiển của PLC. Chương trình của PLC được lưu trữ trên bộ nhớ RAM của PLC. Đồng thời, PLC cũng tích hợp thêm một pin dự phòng có chức năng giúp bảo vệ chương trình khỏi bị mất điện khi có sự cố xảy ra.

- CPU thực hiện nhiệm vụ quét chương trình, có nghĩa là sẽ kiểm tra và thực hiện các lệnh theo thức tự được xác định trong chương trình. CPU quét qua từng lệnh một, kiểm tra trạng thái của các tín hiệu đầu vào, và dựa vào logic của chương trình, CPU sẽ thực hiện các tác động tương ứng lên các hệ thống tín hiệu đầu ra. Quá trình quét này của CPU diễn ra lặp đi lặp lại với tốc độ cao, đảm bảo sự liên tục và chính xác trong việc điều khiển các thiết bị trong hệ thống.

- Với nguyên lý hoạt động PLC nêu trên thì sẽ đảm bảo rằng PLC có khả năng thực hiện các nhiệm vụ điều khiển logic theo chương trình đã được lập trình và đáp ứng các yêu cầu của quy trình công nghiệp một cách hiệu quả.

PLC có các ưu điểm nổi bật có thể kể đến như sau:

- Tính linh hoạt và dễ lập trình: Chương trình của PLC có thể dễ dàng sửa đổi mà không cần thay đổi phần cứng
- Độ tin cậy cao: PLC có khả năng hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt.
- Bảo trì dễ dàng: PLC có các chức năng chẩn đoán và báo lỗi, giúp dễ dàng xác định và khắc phục lỗi
- Tiết kiệm không gian và chi phí: So với các hệ thống điều khiển relay truyền thống, PLC gọn nhẹ hơn nhiều và có thể thay thế nhiều relay, công tắc, từ đó giúp tiết kiệm không gian và chi phí.
- Khả năng mở rộng: PLC có thể kết nối với nhiều module I/O khác nhau để điều khiển nhiều loại thiết bị và thu thập dữ liệu từ nhiều cảm biến, giúp mở rộng phạm vi ứng dụng.
- Tốc độ xử lý nhanh: PLC có khả năng xử lý tín hiệu với tốc độ cao.

Bên cạnh những ưu điểm nổi bật của PLC nêu trên thì PLC còn có một số hạn chế có thể kể đến như sau:
- Giới hạn số lượng I/O: PLC có giới hạn về số lượng I/O. Đối với các ứng dụng cần với số lượng I/O lớn PLC thường không đáp ứng được.
- Yêu cầu có kiến thức về lập trình PLC: Người dùng cần có kiến thức về lập trình và bảo trì PLC mới có thể sử dụng được công nghệ.
- Phụ thuộc vào nhà sản xuất: Mỗi dòng PLC có phần mềm lập trình riêng, đồng thời cũng có cách vận hành, thiết lập khác nhau giữa các dòng PLC.

Trong thời đại Cách mạng Công nghiệp 4.0 hiện nay, PLC không chỉ dừng lại ở chức năng điều khiển dựa trên logic và tốc độ trong quá trình sản xuất mà PLC còn có vai trò quan trọng trong việc truyền thông và trao đổi dữ liệu giữa các thiết bị điều khiển khác, tạo thành một mạng lưới hoàn chỉnh. Các vai trò của PLC có thể kể đến như sau: 
- Điều khiển các quy trình sản xuất tự động: Bộ điều khiển khả trình PLC thực hiện điều khiển các quy trình sản xuất như bật/tắt thiết bị và điều chỉnh các thông số, đảm bảo sản xuất chính xác, hiệu quả.
- Giám sát và thu thập dữ liệu: PLC có vai trò theo dõi, ghi nhận các thông tin từ cảm biến và thiết bị, giúp phát hiện lỗi và tối ưu hóa hoạt động.
- Tăng tính linh hoạt và tự động hóa cao: Các loại PLC có thể dễ dàng lập trình lại khi cần thay đổi quy trình sản xuất, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí.
- Đảm bảo an toàn cho người vận hành và thiết bị: PLC giúp giám sát các điều kiện nguy hiểm, kích hoạt thiết bị bảo vệ khi cần thiết giúp bảo vệ người và máy móc.
- Giao tiếp và tích hợp hệ thống: PLC kết nối với các hệ thống điều khiển và giám sát khác, tạo thành mạng lưới tự động hóa thống nhất.

- Lập trình lại chương trình điều khiển: Thay đổi logic hoặc các thông số trong chương trình dể PLC hoạt động thường được thao tác qua các phần mềm hãng.
- Điều chỉnh thống số (Parameter Tuning): Trong quá trình vận hành, có thể điều chỉnh các tham số như thời gian trễ, giá trị đặt (setpoint), tốc độ để PLC đáp ứng theo yêu cầu cụ thể.
- Sử dụng HMI/SCADA: Các màn hình HMI (Human-Machine Interface) hoặc hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) kết nối với PLC cho phép người vận hành điều chỉnh các tham số trực tiếp mà không cần thay đổi mã chương trình, ví dụ như điều chỉnh tốc độ băng tải hoặc nhiệt độ lò.
- Sử dụng các nút nhấn hoặc công tắc trên bảng điều khiển: Một số hệ thống dùng các công tắc, nút nhấn hoặc biến trở để điều chỉnh trực tiếp các thông số của PLC, thường thấy trong các ứng dụng đơn giản.
- Thay đổi cấu hình I/O: Thay đổi cấu hình của các module đầu vào/đầu ra cũng là một cách điều chỉnh PLC. Việc này có thể là thêm bớt các module hoặc thay đổi địa chỉ để phù hợp với yêu cầu mới của hệ thống.
- Điều chỉnh qua mạng truyền thông: PLC có thể được điều chỉnh từ xa qua mạng truyền thông như Ethernet, Profibus, hoặc Modbus. Điều này giúp cập nhật các thông số điều khiển từ hệ thống giám sát trung tâm mà không cần trực tiếp đến hiện trường.

PLC có rất nhiều ứng dụng trên thực tế. Các ứng dụng phổ biến của PLC có thể kể đến như sau:
- Ứng dụng trong dây chuyền sản xuất và lắp ráp tự động: PLC điều khiển các bước sản xuất liên tục trong dây chuyền như lắp ráp, hàn, đóng gói và phân loại sản phẩm, đảm bảo sản xuất tự động, chính xác và nhất quán.
- Ứng dụng trong hệ thống băng tải và vận chuyển: Trong các nhà máy, PLC điều khiển băng tải để di chuyển sản phẩm giữa các khu vực, đảm bảo điều chỉnh tốc độ, định vị và phân loại sản phẩm theo yêu cầu.
- Ứng dụng trong quản lý hệ thống chiếu sáng và HVAC: PLC điều khiển các hệ thống chiếu sáng, quạt thông gió, máy điều hòa nhiệt độ trong các tòa nhà hoặc nhà xưởng, giúp tiết kiệm năng lượng và duy trì điều kiện làm việc phù hợp.
- Ứng dụng trong kiểm soát quá trình sản xuất: PLC giám sát và điều khiển các quá trình như pha trộn, đo lường, đun nóng, làm lạnh và các quy trình khác trong ngành thực phẩm, dược phẩm và hóa chất.
- Ứng dụng trong điều khiển máy công cụ CNC: Trong ngành cơ khí chế tạo, PLC điều khiển các máy công cụ CNC để gia công chính xác các chi tiết máy theo lập trình.
- Ứng dụng trong hệ thống xử lý nước và nước thải: PLC điều khiển và giám sát quá trình lọc, xử lý, và bơm nước, cũng như điều khiển các van và máy bơm trong hệ thống cấp thoát nước và xử lý nước thải.
- Ứng dụng trong ngành năng lượng: PLC quản lý các hoạt động trong hệ thống điện năng như đóng ngắt máy biến áp, giám sát máy phát điện, điều khiển trạm biến áp, giúp đảm bảo cung cấp điện ổn định.
- Ứng dụng trong robot công nghiệp: PLC tích hợp với robot trong các dây chuyền sản xuất tự động để điều khiển và giám sát hoạt động của robot như hàn, gắp, lắp ráp, đóng gói.
- Ứng dụng trong ngành đóng gói và in ấn: PLC kiểm soát các máy đóng gói, kiểm tra chất lượng và in nhãn, giúp quy trình đóng gói và in ấn diễn ra nhanh chóng và chính xác.
- Ứng dụng trong các hệ thống an ninh và giám sát: PLC điều khiển các hệ thống an ninh như báo động, camera giám sát, và các thiết bị bảo vệ trong nhà máy và tòa nhà.

Các dòng PLC Siemens phổ biến có thể kể đến như sau:
- S7-200: Dòng PLC nhỏ gọn, phù hợp với các ứng dụng đơn giản, quy mô nhỏ.
- S7-300: Được dùng trong các hệ thống tự động hóa vừa và phức tạp, độ tin cậy cao.
- S7-400: Dòng cao cấp, phù hợp cho các ứng dụng lớn, yêu cầu xử lý nhanh và có khả năng mở rộng nhiều I/O.
- S7-1200: Thiết kế nhỏ gọn, tích hợp các tính năng mạng và truyền thông, dùng cho các ứng dụng nhỏ và trung bình.
- S7-1500: Dòng PLC cao cấp nhất của Siemens, đáp ứng tốc độ xử lý cao, tích hợp nhiều tính năng bảo mật và truyền thông tiên tiến.

==> Tham khảo ngay thông số kỹ thuật và hình ảnh của sản phẩm Khối CPU nhỏ gọn SIMATIC S7-1200 SIEMENS 6ES7211-1AE40-0XB0 được phân phối ở Bảo An tại đây.

- FX Series (FX3U, FX5U): Dòng PLC phổ thông cho các ứng dụng tự động hóa cơ bản đến trung bình, nhỏ gọn và dễ lập trình.
- Q Series: Đáp ứng các ứng dụng phức tạp và yêu cầu hiệu suất cao, hỗ trợ nhiều module mở rộng.
- iQ-R Series: Dòng PLC cao cấp với hiệu suất cao, tốc độ xử lý nhanh, đáp ứng các ứng dụng công nghiệp hiện đại và quy mô lớn.

- CP Series (CP1E, CP1H): Dòng PLC nhỏ gọn, dễ sử dụng, phù hợp với các ứng dụng cơ bản.
- CJ Series: Được thiết kế cho các ứng dụng từ trung bình đến phức tạp, dễ mở rộng và linh hoạt.
- NX/NJ Series: Dòng PLC mới, hỗ trợ kết nối IoT và đáp ứng các ứng dụng công nghiệp 4.0, tích hợp khả năng điều khiển chuyển động và an toàn.

 

Kết luận: Trên đây là những kiến thức hữu ích về bộ điều khiển khả trình PLC mà Bảo An đã đưa đến cho các bạn. Hy vọng các kiến thức về PLC qua bài viết trên sẽ giúp ích cho công việc của bạn.