PLC là gì và vai trò quan trọng trong tự động hóa công nghiệp 4.0

Trong bối cảnh tự động hóa công nghiệp hiện đại, PLC (Programmable Logic Controller) đóng vai trò then chốt. PLC là gì? Đây là một hệ thống máy tính công nghiệp được sử dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất, nhờ tính đơn giản, dễ tiếp cận và khả năng kết nối linh hoạt với các hệ thống doanh nghiệp sản xuất khác. Để hiểu rõ hơn về PLC và tầm quan trọng của nó trong sản xuất 4.0, hãy cùng DACO khám phá chi tiết qua bài viết này.

PLC là gì?

PLC viết tắt của từ gì? PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller (Bộ điều khiển logic khả trình), là một loại máy tính công nghiệp chuyên dụng được thiết kế để tự động hóa các quy trình sản xuất và điều khiển máy móc, thiết bị trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. 

Khác với máy tính thông thường, PLC được thiết kế đặc biệt để hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, có khả năng chống chịu nhiệt độ cao, bụi bẩn, độ ẩm và rung động.

PLC hoạt động dựa trên các chương trình được lập trình sẵn, thực hiện các tác vụ điều khiển logic, xử lý tín hiệu đầu vào/ra (I/O), và thực hiện các can thiệp cần thiết khi các điều kiện được đáp ứng. 

Ví dụ, PLC có thể giám sát trạng thái của động cơ, điều khiển tốc độ băng tải, hoặc kích hoạt cảnh báo khi có sự cố. Phần cứng linh hoạt của PLC cho phép nó hoạt động trong nhiều điều kiện khác nhau và xử lý các tác vụ phức tạp trong thời gian thực.

PLC hiện đại đã thay thế các rơle, bộ định thời (timer) và các thiết bị điều khiển cơ điện truyền thống nhờ tính linh hoạt, dễ lập trình, độ tin cậy cao và khả năng kết nối mạnh mẽ. 

PLC thường được tích hợp với các hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) để cung cấp khả năng giám sát, thu thập dữ liệu, quản lý cảnh báo và giao diện người-máy (HMI), tạo thành một giải pháp tự động hóa toàn diện cho các nhà máy thông minh.

Cấu tạo của PLC gồm những gì?

Một bộ điều khiển logic lập trình (PLC) bao gồm nhiều thành phần khác nhau, phối hợp hoạt động để thực hiện các chức năng điều khiển và tự động hóa. Về cơ bản, cấu tạo của PLC có thể được chia thành hai phần chính: Phần cứng và Phần mềm.

Phần cứng PLC

Phần cứng của PLC bao gồm các thành phần vật lý, đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu, xử lý và điều khiển các thiết bị bên ngoài. Các thành phần chính của phần cứng PLC bao gồm:

– Khối Xử Lý Trung Tâm (CPU – Central Processing Unit): CPU được coi là “bộ não” của PLC, chịu trách nhiệm thực hiện các lệnh và chương trình đã được lập trình. CPU xử lý các tín hiệu đầu vào, thực hiện các phép tính logic và đưa ra các tín hiệu điều khiển đến các đầu ra. Tốc độ và khả năng xử lý của CPU ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của toàn bộ hệ thống PLC.

– Bộ Nguồn (Power Supply): Bộ nguồn cung cấp năng lượng cần thiết cho hoạt động của PLC. Nó chuyển đổi nguồn điện xoay chiều (AC) đầu vào thành nguồn điện một chiều (DC) ổn định, phù hợp với yêu cầu của CPU và các mô-đun I/O.

– Mô-đun Đầu Vào/Đầu Ra (I/O Modules – Input/Output Modules)

• Mô-đun đầu vào (Input Module): Kết nối PLC với các thiết bị ngoại vi như cảm biến (sensor), công tắc, nút nhấn,… Mô-đun này tiếp nhận các tín hiệu từ các thiết bị này (ví dụ: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, tốc độ) và chuyển đổi chúng thành tín hiệu số để CPU xử lý.
• Mô-đun đầu ra (Output Module): Chuyển đổi các tín hiệu số từ CPU thành các tín hiệu điều khiển các thiết bị đầu ra như van, động cơ, đèn báo,…

– Thiết Bị Lập Trình (Programming Device): Đây có thể là máy tính hoặc thiết bị chuyên dụng, được sử dụng để nạp chương trình, cấu hình và chẩn đoán lỗi cho PLC.

Phần mềm PLC 

Phần mềm PLC là các chương trình được sử dụng để lập trình và điều khiển hoạt động của PLC. Hệ thống PLC thường được lập trình bằng các nền tảng phần mềm chuyên dụng, cung cấp bởi các nhà sản xuất PLC. Có nhiều phương pháp lập trình PLC khác nhau, nhưng phổ biến nhất là:

– Logic Bậc Thang (Ladder Logic – LD): Đây là ngôn ngữ lập trình đồ họa, được mô phỏng theo sơ đồ mạch rơle (relay logic). Ladder Logic rất trực quan và dễ học, thích hợp cho các ứng dụng điều khiển logic cơ bản như sắp xếp thứ tự, cân, đo, đếm, định thời,…

– Văn Bản Có Cấu Trúc (Structured Text – ST): Structured Text là ngôn ngữ lập trình dạng văn bản, tương tự như các ngôn ngữ lập trình cấp cao như Pascal, C++, hoặc Python. ST phù hợp cho các ứng dụng phức tạp, đòi hỏi khả năng tính toán và xử lý dữ liệu mạnh mẽ.

– Sơ đồ khối chức năng (Function Block Diagram): Sơ đồ khối chức năng (Function Block Diagram – FBD) là một ngôn ngữ lập trình đồ họa. Trong FBD, các chức năng được biểu diễn bằng các khối (block), các khối này được kết nối với nhau để thể hiện luồng dữ liệu và tín hiệu. FBD thường được sử dụng để biểu diễn các chức năng điều khiển liên tục, các thuật toán xử lý tín hiệu.

Phân loại bộ lập trình PLC

Bộ lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được phân loại dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau. Tuy nhiên, cách phân loại phổ biến nhất là dựa trên quy mô và khả năng ứng dụng của chúng. Theo tiêu chí này, PLC thường được chia thành ba loại chính:

1. PLC dạng cố định 

PLC dạng cố định, hay còn gọi là PLC tích hợp (compact PLC nhưng không phải loại siêu nhỏ), là loại PLC mà tất cả các thành phần (CPU, bộ nguồn, các mô-đun I/O) được tích hợp cố định trong một khối duy nhất. 

Loại PLC này thường được thiết kế để lắp đặt cố định trên giá đỡ, trong tủ điện hoặc trên bàn điều khiển. Do không thể thay đổi hoặc mở rộng các mô-đun I/O, PLC dạng cố định thích hợp cho các ứng dụng có yêu cầu điều khiển phức tạp và khối lượng công việc lớn, ít có nhu cầu thay đổi cấu hình trong tương lai. Chúng thường được sử dụng trong các nhà máy tự động hóa quy mô lớn.

2. PLC dạng mô-đun  

PLC dạng mô-đun, đúng như tên gọi, bao gồm các mô-đun riêng biệt (CPU, bộ nguồn, mô-đun I/O) có thể được lắp ráp và kết nối với nhau trên một hệ thống khung (rack) hoặc thanh ray (rail). Điểm mạnh của PLC dạng mô-đun là tính linh hoạt và khả năng mở rộng. 

Người dùng có thể dễ dàng thêm, bớt hoặc thay thế các mô-đun I/O để đáp ứng nhu cầu thay đổi của hệ thống. PLC dạng mô-đun là lựa chọn lý tưởng cho các ứng dụng tự động hóa có quy mô trung bình và yêu cầu tính linh hoạt cao.

3. PLC dạng nhỏ gọn  

PLC dạng nhỏ gọn (hay còn gọi là Micro PLC) là loại PLC có kích thước rất nhỏ, thường được thiết kế để tất cả các thành phần (CPU, bộ nguồn, các mô-đun I/O) được tích hợp trong một vỏ bọc duy nhất. 

Mặc dù có kích thước nhỏ gọn, Micro PLC vẫn có đầy đủ các chức năng cơ bản của một PLC. Loại PLC này thích hợp cho các ứng dụng tự động hóa có quy mô nhỏ, không gian lắp đặt hạn chế và yêu cầu điều khiển không quá phức tạp.

Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PLC là gì?

Nguyên lý hoạt động của bộ lập trình PLC dựa trên một chu trình quét lặp đi lặp lại, đảm bảo quá trình điều khiển diễn ra liên tục và chính xác. Chu trình này bao gồm ba bước chính:

1. Thu thập dữ liệu đầu vào: PLC liên tục theo dõi trạng thái của các tín hiệu đầu vào (input) từ các thiết bị ngoại vi như cảm biến, công tắc…
2. Xử lý chương trình: Dựa trên chương trình điều khiển đã được lập trình sẵn và nạp vào bộ nhớ, PLC tiến hành xử lý các logic, tính toán để đưa ra quyết định.
3. Cập nhật đầu ra: Sau khi xử lý, PLC sẽ cập nhật trạng thái của các đầu ra (output), điều khiển các thiết bị chấp hành như động cơ, van, đèn báo…

Do tính chất chuyên dụng, PLC thực hiện các bước trên lặp đi lặp lại thành một chu trình khép kín, gọi là chu trình quét. Chu trình này diễn ra tuần tự và liên tục, bao gồm ba nhiệm vụ chính:

• Đọc Đầu Vào: Kiểm tra trạng thái của tất cả các đầu vào.
• Thực Thi Chương Trình: Xử lý logic, tính toán dựa trên chương trình ứng dụng.
• Ghi Đầu Ra: Cập nhật trạng thái của các đầu ra.

Các tác vụ trong chu trình quét được thực hiện một cách nghiêm ngặt, theo một thứ tự cố định và lặp lại không ngừng.

Thời gian quét là tổng thời gian mà PLC cần để hoàn thành một chu trình quét đầy đủ. Thời gian quét thường được tính bằng mili giây (ms). Đây là một thông số quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ phản hồi của PLC. Nếu thời gian quét quá dài so với tốc độ thay đổi của quá trình, PLC có thể không phản ứng kịp thời, dẫn đến sai sót trong điều khiển. 

Tất cả trạng thái của đầu vào và đầu ra, cũng như các giá trị trung gian, các biến, và các thông tin phức tạp khác (ví dụ: công thức tính toán, tỷ lệ tương tự) đều được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC.

Tóm lại, nguyên tắc hoạt động cốt lõi của PLC là: liên tục giám sát trạng thái của hệ thống (máy móc, quy trình), sau đó đưa ra các quyết định điều khiển dựa trên chương trình logic đã được lập trình và lưu trong bộ nhớ. Cuối cùng, PLC kích hoạt các tín hiệu đầu ra để thực hiện các hành động điều khiển quá trình sản xuất.

Ưu điểm và nhược điểm của PLC

Bộ điều khiển logic lập trình (PLC) đã mang lại một cuộc cách mạng trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp. Tuy nhiên, giống như bất kỳ công nghệ nào, PLC cũng có những ưu điểm và nhược điểm riêng cần được xem xét.

Ưu điểm của PLC

Trước khi PLC ra đời, rơle (relay) là thành phần chủ đạo trong các hệ thống điều khiển công nghiệp. Tuy nhiên, các bảng điều khiển rơle cồng kềnh, tiêu tốn nhiều điện năng, khó bảo trì và tốn thời gian khi khắc phục sự cố. PLC đã giải quyết được hầu hết các nhược điểm này, mang lại nhiều lợi ích vượt trội:

• Dễ dàng lắp đặt và bảo trì: Hệ thống PLC có ít dây kết nối hơn so với hệ thống rơle, giúp việc lắp đặt trở nên đơn giản và nhanh chóng hơn. Việc bảo trì cũng dễ dàng hơn, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động.
• Lập trình linh hoạt: PLC cho phép người dùng dễ dàng lập trình và thay đổi logic điều khiển cả trực tuyến (online) và ngoại tuyến (offline) mà không cần phải thay đổi phần cứng hoặc đấu nối dây.
• Ít yêu cầu bảo trì: PLC có độ bền cao và ít yêu cầu bảo trì định kỳ. Việc cập nhật hoặc thay đổi chương trình có thể được thực hiện dễ dàng thông qua phần mềm lập trình trên máy tính.
• Khắc phục sự cố nhanh chóng: Khi có sự cố xảy ra, việc chẩn đoán và khắc phục lỗi trên PLC trở nên dễ dàng hơn nhiều so với hệ thống rơle. Phần mềm lập trình cho phép người dùng theo dõi trạng thái của chương trình và nhanh chóng xác định nguyên nhân gây lỗi.
• Thời gian hoạt động nhanh: PLC có thời gian quét (scan time) rất nhanh, thường chỉ tính bằng mili giây (ms), cho phép nó phản ứng gần như tức thời với các thay đổi trong hệ thống.

Nhược điểm của PLC

Mặc dù có nhiều ưu điểm, PLC cũng có một số hạn chế cần lưu ý:

• Độ nhạy với môi trường: PLC có thể hoạt động kém hiệu quả hoặc thậm chí bị hỏng hóc nếu được đặt trong môi trường có nhiều rung động, va đập mạnh, hoặc nhiệt độ quá cao.
• Chi phí đầu tư ban đầu cao: So với các giải pháp điều khiển truyền thống (ví dụ: rơle), chi phí đầu tư ban đầu cho hệ thống PLC (bao gồm cả phần cứng và phần mềm) thường cao hơn. Điều này có thể là một rào cản đối với các ứng dụng nhỏ hoặc không yêu cầu thay đổi thường xuyên.
• Chi phí phần mềm lập trình: Một số hãng sản xuất PLC yêu cầu người dùng phải mua bản quyền (license) phần mềm lập trình, điều này có thể làm tăng thêm chi phí đầu tư. Tuy nhiên, cũng có những hãng cung cấp phần mềm lập trình miễn phí.
• Yêu cầu kiến thức lập trình: Để tận dụng tối đa tiềm năng của PLC, người dùng cần trang bị kiến thức lập trình PLC vững chắc. Điều này đồng nghĩa với việc đầu tư thời gian và kinh phí vào đào tạo.

Trong sản xuất, vai trò của bộ lập trình PLC là gì?

Dù vẫn tồn tại một số hạn chế, hệ thống PLC vẫn giữ vai trò then chốt trong ngành sản xuất, đặc biệt khi các nhà máy tìm kiếm giải pháp kết nối giữa phần cứng và phần mềm. Vậy vai trò của bộ điều khiển PLC là gì?

1. Tự động hóa quy trình sản xuất

PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) đóng vai trò trung tâm trong tự động hóa sản xuất. 

Nó hoạt động bằng cách thu thập thông tin từ các thiết bị đầu vào như cảm biến và công tắc, những thiết bị này đo lường các điều kiện sản xuất như nhiệt độ, áp suất hoặc tốc độ.

Sau đó, PLC sử dụng một chương trình được lập trình sẵn để phân tích thông tin đầu vào. Dựa trên phân tích này, nó gửi tín hiệu điều khiển đến các thiết bị đầu ra như van, động cơ và đèn báo. 

Ví dụ, nếu cảm biến phát hiện áp suất quá cao, PLC có thể tự động mở van để giảm áp suất. PLC cũng có thể điều khiển các chức năng khác như bật/tắt động cơ, điều chỉnh nhiệt độ và hiển thị cảnh báo trên màn hình HMI khi có vấn đề xảy ra.

>>>Xem thêm: Tự động hóa là gì? Tất tần tật những điều bạn cần biết

2. Liên kết với SCADA để giám sát và thu thập dữ liệu

PLC không chỉ điều khiển trực tiếp các thiết bị, mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc thu thập dữ liệu từ các đầu vào và máy móc. Các hệ thống phần mềm như SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) và MMS (Maintenance Management System) có thể kết nối với PLC để truy cập dữ liệu này. 

Thông tin thu thập được (ví dụ: báo cáo sản xuất, xu hướng hoạt động, thông báo cảnh báo, dữ liệu OEE, trạng thái chu kỳ) được trực quan hóa, giúp người quản lý và vận hành phân tích hiệu suất sản xuất, đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu, và cải thiện hiệu quả. Khả năng cảnh báo tức thời của PLC cũng giúp giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và chi phí sản xuất.

>>>Có thể bạn muốn biết: OEE là gì? Cách tính và phương pháp tối ưu OEE trong sản xuất

3. Nền tảng cho IIoT và Machine Learning

Trong kỷ nguyên của IIoT (Industrial Internet of Things) và Machine Learning (Học Máy), PLC vẫn giữ vai trò thiết yếu như một bộ xử lý dữ liệu sản xuất theo thời gian thực. Machine Learning công nghiệp hoạt động dựa trên việc tự học hỏi từ dữ liệu quá khứ. PLC cung cấp dữ liệu sản xuất cần thiết để các thuật toán Machine Learning tìm ra các mẫu, đưa ra dự đoán và quyết định mà không cần lập trình trước. 

Kết quả là một hệ thống có khả năng cung cấp thông tin dự đoán về bảo trì, tối ưu hóa thời gian hoạt động, ngăn chặn thời gian chết, đề xuất các hành động khắc phục sự cố, và cải thiện kiểm soát chất lượng.

Ứng dụng của bộ lập trình PLC là gì?

PLC dùng để làm gì? Bộ lập trình PLC (Programmable Logic Controller), với khả năng điều khiển linh hoạt, độ tin cậy cao và khả năng thích ứng với nhiều môi trường khác nhau, đã trở thành một thành phần không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực công nghiệp. PLC được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa, từ những ứng dụng đơn giản đến những hệ thống phức tạp, đa dạng:

• Điều khiển hệ thống điện: PLC giúp tự động hóa và điều khiển các hệ thống tủ bảng điện, giám sát năng lượng và điện.
• Quản lý tài nguyên nước: PLC được dùng trong các hệ thống cấp nước và xử lý nước thải.
• Sản xuất và chế biến: PLC điều khiển các máy móc trong ngành bao bì, đóng gói, dệt may, chế biến thực phẩm và máy cắt tốc độ cao.
• Hệ thống phân tán: PLC là thành phần quan trọng trong các hệ thống giám sát và điều khiển phân tán (DCS).

So sánh PLC và các hệ thống điều khiển khác

PLC khác biệt so với các hệ thống điều khiển khác nhờ vào tính linh hoạt, độ bền và khả năng tích hợp trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Dưới đây là sự khác biệt chính giữa PLC và một số hệ thống điều khiển thông dụng:

Bí quyết lựa chọn bộ điều khiển logic lập trình PLC tốt nhất

Việc lựa chọn bộ điều khiển logic lập trình (PLC) phù hợp đòi hỏi sự cân nhắc kỹ lưỡng nhiều yếu tố khác nhau. Để đảm bảo PLC đáp ứng tốt nhất yêu cầu ứng dụng và hòa nhập vào hệ thống sẵn có, hãy xem xét các yếu tố quan trọng sau đây:

– Công suất điện: PLC có các yêu cầu điện áp khác nhau cho nguồn cấp. Hãy đảm bảo rằng PLC bạn chọn tương thích với hệ thống điện hiện có của bạn (ví dụ: 24VDC, 120VAC, 230VAC).

– Tốc độ xử lý: Tốc độ CPU của PLC (thường được đo bằng thời gian quét – scan time) quyết định khả năng phản hồi của nó. Hãy chọn PLC có tốc độ xử lý đủ nhanh để đáp ứng yêu cầu của ứng dụng, đặc biệt là đối với các ứng dụng thời gian thực.

– Khả năng tương thích: Đảm bảo rằng PLC bạn chọn tương thích với các thiết bị phần cứng khác trong hệ thống, cả hiện có và mới (ví dụ: nguồn điện, các loại cảm biến, cơ cấu chấp hành, đường ray DIN, v.v.).

– Khả năng chịu nhiệt độ: Hầu hết các PLC được thiết kế để hoạt động trong phạm vi nhiệt độ từ 0°C đến 60°C. Tuy nhiên, nếu ứng dụng của bạn yêu cầu hoạt động trong môi trường khắc nghiệt hơn (quá nóng hoặc quá lạnh), hãy tìm kiếm các dòng PLC chuyên dụng có khả năng chịu nhiệt độ rộng hơn.

– Dung lượng bộ nhớ: PLC cần có đủ bộ nhớ ROM (Read-Only Memory) để lưu trữ hệ điều hành và chương trình, và bộ nhớ RAM (Random Access Memory) để thực thi các lệnh và lưu trữ dữ liệu tạm thời. Hãy đảm bảo rằng PLC bạn chọn có đủ dung lượng bộ nhớ cho ứng dụng của bạn.

– Khả năng kết nối (Số lượng và loại cổng I/O): Xác định số lượng và loại tín hiệu đầu vào/đầu ra (I/O) mà ứng dụng của bạn cần. PLC cần có đủ cổng I/O (digital input, digital output, analog input, analog output) để kết nối với tất cả các thiết bị ngoại vi.

– I/O Analog: Nếu ứng dụng của bạn liên quan đến các biến liên tục (ví dụ: nhiệt độ, áp suất, lưu lượng), hãy chọn PLC có hỗ trợ các mô-đun I/O analog.

Với những thông tin chi tiết về PLC là gì, cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng trong bài viết trên, DACO hy vọng đã mang đến cho bạn đọc cái nhìn tổng quan và hữu ích về thiết bị quan trọng này trong ngành tự động hóa công nghiệp. 

DACO là nhà cung cấp hàng đầu về thiết bị, giải pháp và dịch vụ kỹ thuật tự động hóa cho các ngành công nghiệp, môi trường và năng lượng. DACO là nhà phân phối chính hãng của các thương hiệu PLC nổi tiếng như Mitsubishi, Siemens, Delta, Schneider, v.v. Hãy liên hệ với DACO ngay hôm nay qua Hotline 0904.675.995 để được tư vấn miễn phí và lựa chọn loại PLC phù hợp nhất với nhu cầu của bạn!