Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, phân loại, ưu nhược điểm PLC

Cấu tạo của PLC

PLC được cấu thành bởi phần cứng và phần mềm, chúng tương tác với nhau để tạo thành hệ thống PLC hoàn chỉnh. Cấu tạo của PLC dựa trên các nguyên tắc được sử dụng tương tự trong cấu tạo máy tính tiêu chuẩn. Tuy nhiên, cấu tạo PLC có sự khác biệt vì thiết kế của nó dựa trên việc cung cấp độ tin cậy cao, khả năng miễn nhiễm với môi trường công nghiệp khắc nghiệt, dễ bảo trì và có khả năng kết nối với số lượng lớn đầu vào và đầu ra ngoại vi.

Nếu một hệ thống PLC được mô tả là có kiến ​​trúc khép kín, tức là nó đề cập đến một hệ thống độc quyền của các thành phần phần cứng và phần mềm không thể (hoặc khó) kết nối với các thành phần và phần mềm của nhà sản xuất khác. Tuy nhiên, nếu một hệ thống PLC được mô tả là có kiến ​​trúc mở, nó đề cập đến hệ thống PLC có các thành phần không có giá trị tuân theo một tiêu chuẩn chung và dễ dàng kết nối với các thành phần phần cứng và phần mềm của nhà sản xuất khác.

Các thành phần PLC hoạt động như thế nào?

Trái tim của hệ thống PLC là CPU (Central Processing Unit “Bộ xử lý trung tâm”). Nó được tạo thành từ một thành phần điều khiển và bộ xử lý. Bộ điều khiển CPU quản lý sự tương tác giữa các thành phần phần cứng PLC khác nhau trong khi bộ xử lý CPU xử lý tất cả việc xử lý số và thực thi chương trình (ví dụ: ladder logic).

Luồng dữ liệu là từ các thiết bị đầu vào (input devices), qua bộ xử lý CPU (CPU processor) và sau đó đến các thiết bị đầu ra (output devices). Bộ xử lý CPU cũng trao đổi dữ liệu với chương trình và bộ nhớ dữ liệu (program & data memory). Khi tất cả dữ liệu được thu thập, chương trình được xử lý theo kiểu tuần hoàn. Dữ liệu kết quả xuất đến giao diện đầu ra để điều chỉnh và thực thi điều khiển các thiết bị đầu ra.

CPU cũng kiểm soát và trao đổi dữ liệu với giao diện truyền thông (communication interface) và các thiết bị khác.

Một hệ thống giải quyết (addressing system) được sử dụng để tổ chức dữ liệu được chia sẻ giữa các thành phần phần cứng khác nhau.

Một thiết bị đầu cuối lập trình (programming terminal) được sử dụng để viết chương trình PLC, tải chương trình vào bộ điều khiển và giám sát/điều khiển PLC và chương trình của nó.

Bộ nguồn (power supply) chịu trách nhiệm cung cấp và quản lý các yêu cầu năng lượng cho các thành phần phần cứng PLC khác nhau.

Bảng phân loại PLC

PLC được ra đời kể từ những năm 1960, đến ngày nay đã xuất hiện rất nhiều tùy chọn và biến thể của PLC. Tuy nhiên, tựa chung trong tự động hóa công nghiệp PLC được phân thành 3 loại: cố định, mô-đun và phân tán. Ngoài ra, chúng ta rất dễ gặp các loại PLC không có sự phân định rõ ràng giữa 3 cách phân loại trên mà sẽ có sự giao thoa giữa các loại đó.

Khi xem xét các loại PLC, chúng ta có thể nhận định được rằng: loại cố định được sử dụng cho các ứng dụng có quy mô nhỏ, đơn giản; loại mô-đun thường được sử dụng cho các ứng dụng có quy mô trung bình và phức tạp hơn; loại phân tán được sử dụng cho các ứng dụng quy mô lớn, phân bố trên nhiều địa điểm.

Bảng so sánh các loại PLC

Loại PLC cố định (fixed)

PLC cố định được thiết kế theo hình thức all-in-one, tức là tất cả các thành phần phần cứng được tích hợp (nhúng) vào trong một thiết bị duy nhất. Các thành phần phần cứng như: nguồn, CPU, bộ nhớ, I/O và các giao diện truyền thông đều được tích hợp sẵn trong PLC cố định. Các tên phổ biến nhất được các nhà sản xuất khác nhau đặt tên cho PLC loại cố định như: fixed, integrated, nano, micro, compact, small, mini, basic, unitary, standard và brick.

Ví dụ: Allen Bradley PLC – Micro 820, Omron PLC – CP1E Compact, Siemens PLC – LOGO! Basic, Delta PLC – ES2 Standard Series, Koyo DirectLOGIC DL105 Brick PLC.

Đặc điểm chung của PLC cố định

Bất kể các thuật ngữ mà các nhà sản xuất PLC sử dụng để xác định loại, kích thước và mức hiệu suất của PLC của họ là khác nhau, PLC cố định có đặc điểm chung là:

• Quy ước đặt tên PLC: fixed, integrated, nano, micro, compact, small, mini, basic, unitary, standard và brick.
• Bộ xử lý CPU: hiệu suất thấp.
• Kích thước bộ nhớ chương trình và dữ liệu: nhỏ.
• Nguồn cung cấp: nhúng.
• I/O: nhúng.
• Cổng truyền thông: nhúng.
• Lắp đặt: dạng khối.
• Kích thước vật lý: nhỏ.
• Tính linh hoạt: I/O và truyền thông giao tiếp là cố định.
• Có thể mở rộng/tùy chỉnh: không
• Ứng dụng: các ứng dụng cơ bản với số lượng đầu vào và đầu ra nhỏ.
• Chi phí: thấp.

Ưu điểm của PLC cố định

PLC cố định có một số lợi thế lớn so với các loại PLC khác. Chúng đã được thiết kế đặc biệt để phục vụ cho các dự án tự động hóa cấp thấp, nhỏ hơn. Ưu điểm của PLC cố định là:

• Kích thước nhỏ nên chúng không chiếm nhiều diện tích.
• Gắn kết một cách nhanh chóng và dễ dàng.
• Chi phí thấp nên chúng là một giải pháp kinh tế cho các ứng dụng đơn giản.

Nhược điểm của PLC cố định

Nếu bạn đang cân nhắc lựa chọn một PLC cố định để sử dụng cho các ứng dụng tự động hóa tiếp theo của mình, bạn cần thận trọng xem xét một số nhược điểm để đảm bảo rằng bạn đang chọn loại PLC phù hợp với ứng dụng của mình. Nhược điểm của PLC cố định là:

• Hiệu suất xử lý của CPU thấp và bộ nhớ nhỏ nên khó thực hiện các tác vụ phức tạp.
• Không linh hoạt vì số lượng đầu vào, đầu ra và giao diện truyền thông là cố định.
• Thích hợp cho các ứng dụng cơ bản với số lượng đầu vào và đầu ra nhỏ.

Loại PLC mô-đun (modular)

PLC Module là loại PLC có từng một mô-đun riêng biệt cho từng thành phần phần cứng của nó. Mỗi mô-đun PLC được kết nối với nhau bằng một hệ thống gắn kết chung. Hệ thống lắp đặt có một giới hạn số lượng mô-đun nhất định mà nó có thể chứa được. Điều này có nghĩa là một PLC mô-đun có thể được cấu hình để dành riêng cho từng ứng dụng.

Mô-đun PLC là một thành phần phần cứng thực hiện một chức năng cụ thể phù hợp với kiến ​​trúc của hệ thống PLC. Các mô-đun chính được sử dụng trong PLC loại mô-đun là mô-đun bộ xử lý, mô-đun cấp nguồn, mô-đun đầu vào, mô-đun đầu ra và mô-đun truyền thông. Việc sử dụng các mô-đun này sẽ khác nhau đối với các nhà sản xuất khác nhau và thường không thể thay thế cho nhau giữa các nhà sản xuất PLC.

PLC mô-đun được sử dụng cho các ứng dụng tự động hóa công nghiệp đòi hỏi bộ xử lý công suất cao hơn và số lượng lớn các thiết bị đầu vào và đầu ra. Những loại ứng dụng sử dụng PLC mô-đun này thường có mức độ phức tạp cao hơn liên quan đến hoạt động, điều khiển quá trình và giám sát. Một số các ngành thường sử dụng PLC mô-đun như là sản xuất, thực phẩm và đồ uống, khai thác mỏ,..

Ví dụ: dòng PLC dạng Mô-đun của một số hãng như: Allen Bradley CompactLogix – 5370 L3 Series, Omron Modular PLC – CJ Series, Siemens PLC S7-300 Series, Delta Compact Modular Mid-Range-AS Series, Koyo Micro Modular PLC – DL205 Series.

Đặc điểm chung của PLC mô-đun

PLC loại Mô-đun có những đặc trưng sau:

• Quy ước đặt tên PLC: modular.
• Bộ xử lý CPU: hiệu suất từ trung bình đến cao.
• Kích thước bộ nhớ chương trình và dữ liệu: trung bình đến lớn.
• Nguồn cung cấp: module nguồn.
• I/O: module I/O.
• Cổng truyền thông: module truyền thông.
• Lắp đặt: Rack, backplane, rail hoặc chassis.
• Kích thước vật lý: trung bình đến lớn.
• Tính linh hoạt: cao
• Có thể mở rộng/tùy chỉnh: có
• Ứng dụng: các ứng dụng có quy mô từ trung bình đến cao với số lượng đầu vào và đầu ra lớn.
• Chi phí: trung bình đến cao.

Ưu điểm của PLC dạng mô-đun so với dạng cố định

PLC mô-đun có một số lợi thế lớn so với các PLC cố định khác. Chúng đã được thiết kế đặc biệt để phục vụ cho các dự án tự động hóa từ trung bình đến cao cấp.

Ưu điểm của việc sử dụng PLC mô-đun thay vì PLC cố định là PLC mô-đun có bộ nhớ lớn, bộ xử lý hiệu suất cao hơn, số lượng đầu vào và đầu ra lớn hơn, tùy chọn truyền thông giao tiếp, hoàn toàn có thể tùy chỉnh và dễ dàng mở rộng. Điều này cho phép PLC mô-đun xử lý các ứng dụng quy mô lớn hơn và độ phức tạp cao hơn so với PLC cố định.

Các PLC mô-đun cũng có các mô-đun đầu vào và đầu ra được kết nối từ xa (distributed I/O hay remote I/O) được kết nối với nhau bằng giao thức truyền thông. Điều này cho phép tăng số lượng đầu vào và đầu ra, giảm yêu cầu về cáp và tăng tính linh hoạt khi lắp đặt.

PLC mô-đun cũng có lợi thế trong việc bảo trì hơn PLC cố định. Mỗi thành phần phần cứng được đặt riêng biệt trong một mô-đun có thể được thay thế nếu nó bị lỗi. Trong khi một PLC cố định tích hợp tất cả các thành phần của nó được nhúng vào một thiết bị duy nhất. Vì vậy, khi có lỗi, toàn bộ thiết bị phải được thay thế toàn bộ và thiết bị bị lỗi sẽ phải bỏ đi.

Nhược điểm của PLC dạng mô-đun

Nếu bạn đang cân nhắc lựa chọn một PLC mô-đun để sử dụng cho ứng dụng tự động hóa tiếp theo của mình, bạn cũng nên xem xét một số nhược điểm để đảm bảo rằng bạn đang chọn PLC phù hợp nhất cho ứng dụng của mình. Nhược điểm của PLC mô-đun là:

• Kích thước lớn nên chúng chiếm nhiều không gian hơn so với PLC cố định.
• Lắp đặt phức tạp hơn PLC cố định.
• Chi phí cao hơn PLC cố định nên có thể không hiệu quả về chi phí cho các ứng dụng nhỏ.

Loại PLC phân tán (distributed)

PLC dạng phân tán là hệ thống PLC cao cấp với kiến ​​trúc mô-đun và khả năng kết nối các thành phần phần cứng giữa các vị trí khác nhau thông qua các giao thức truyền thông tốc độ cao. Mỗi vị trí trong hệ thống PLC phân tán chứa nhiều mô-đun phần cứng được đặt trong một hệ thống gắn kết và thường được gọi là nút hoặc điểm.

Mỗi nút hoặc điểm trong hệ thống PLC phân tán phải có mô-đun truyền thông giao tiếp và có thể chứa mô-đun bộ xử lý PLC với mô-đun đầu vào và đầu ra (I/O) hoặc chỉ mô-đun I/O. Khi có một mô-đun truyền thông không có mô-đun bộ xử lý PLC và chỉ có các mô-đun I/O thì nút đó được gọi là distributed I/O hay remote I/O.

PLC phân tán được sử dụng cho các nhà máy lớn và cơ sở chế biến lớn vì chúng không bị giới hạn về vị trí vật lý. Chúng cho phép các thành phần phần cứng được đặt ở các vị trí khác nhau bằng cách sử dụng các liên kết truyền thông tốc độ cao để kết nối các bộ xử lý và I/O phân tán. Loại PLC phân tán được coi là một giải pháp điều khiển quá trình trên diện rộng.

Sự khác biệt lớn nhất giữa PLC phân tán và các loại PLC khác là chúng chứa bộ xử lý hiệu suất cao, bộ nhớ lớn và có thể xử lý khối lượng lớn I/O, sử dụng ngôn ngữ lập trình cấp cao hơn và có thể xử lý khối lượng lớn các tác vụ điều khiển quy trình phức tạp.

Trước đây, hệ thống điều khiển phân tán (DCS) đã được sử dụng cho các nhà máy quy trình lớn. Nhưng các PLC điều khiển bằng công nghệ ngày nay được gia tăng hiệu suất và có thể xử lý các yêu cầu nặng nề của một hệ thống điều khiển phân tán.

Ví dụ: dòng PLC loại phân tán của một số hãng như: Allen Bradley ControlLogix – 1756 Series, Omron Rack PLC – CS1 Series, Siemens SIMATIC PLC – ET 200SP, Delta PLC – AH Series, Koyo Specialized PLC – DL405 Series.

Đặc điểm chung của PLC phân tán

Trong thế giới PLC ngày này, hầu hết các PLC mô-đun đều có các tính năng của PLC phân tán. Bất kể thuật ngữ được sử dụng là gì, PLC phân tán có đặc điểm chung là:

• Quy ước đặt tên PLC: Distributed hoặc Modular với Remote I/O.
• Bộ xử lý CPU: hiệu suất cao.
• Kích thước bộ nhớ chương trình và dữ liệu: lớn.
• Nguồn cung cấp: module nguồn.
• I/O: module I/O.
• Cổng truyền thông: module truyền thông.
• Lắp đặt: Rack, backplane, rail hoặc chassis.
• Kích thước vật lý: trung bình đến lớn.
• Tính linh hoạt: cao
• Có thể mở rộng/tùy chỉnh: có
• Ứng dụng: các ứng dụng có quy mô từ trung bình đến cao với số lượng đầu vào và đầu ra rất lớn.
• Chi phí: cao.

Ưu điểm của PLC phân tán

PLC phân tán đã được thiết kế để xử lý một lượng lớn dữ liệu và điều khiển quá trình phức tạp. Vì vậy, chúng có những ưu điểm sau so với các loại PLC khác:

Xây dựng mạng lưới điều khiển rộng với nhiều bộ xử lý và I/O từ xa.

• Bộ xử lý hiệu suất cao.
• Bộ nhớ chương trình và dữ liệu lớn.
• Có khả năng xử lý khối lượng I/O rất lớn.
• Có thể xử lý số lượng lớn các nhiệm vụ điều khiển quy trình phức tạp.
• Dễ bảo trì.
• Tiết kiệm thời gian và chi phí lắp đặt.

Nhược điểm của PLC phân tán

Vì các tính năng cao cấp mà một PLC phân tán có nên chúng đi kèm với một số nhược điểm mà bạn phải cân nhắc khi lựa chọn loại PLC cần thiết cho hệ thống tự động hóa của bạn như:

• Kích thước, không gian lắp đặt lớn.
• Lắp đặt phức tạp hơn PLC cố định.
• Chi phí cao hơn các loại PLC khác nên chúng có thể không hiệu quả về chi phí cho các ứng dụng nhỏ hơn, ít phức tạp hơn.
• Kỹ năng lập trình cấp cao hơn có thể được yêu cầu.

Trên đây, MC&TT đã chia sẻ cho các bạn về cấu tạo, nguyên lý hoạt động của từng thành phần của PLC; cũng như phân loại, ưu điểm và nhược điểm của từng loại PLC. Và hy vọng rằng, những kiến thức chúng tôi chia sẻ trên đây sẽ giúp cho bạn trong quá trình tìm hiểu, nghiên cứu và làm việc với PLC. Xin cảm ơn!