Trang chủ » PLC – nền tảng kết nối các hệ thống sản xuất hiện đại 4.0

PLC – nền tảng kết nối các hệ thống sản xuất hiện đại 4.0

hệ thống plc

Khi nhắc đến tự động hóa trong công nghiệp, có lẽ bạn đã nghe đến PLC – một hệ thống máy tính công nghiệp thường được sử dụng trong các nhà máy sản xuất hiện đại vì tính đơn giản, dễ tiếp cận và đóng vai trò là điểm kết nối với các hệ thống doanh nghiệp sản xuất khác. Và để hiểu rõ hơn về PLC và vai trò của nó trong sản xuất 4.0, hãy cũng VTI Solutions tìm hiểu qua bài viết sau đây.

PLC là gì?

PLC (Programmable Logic Controller) – bộ điều khiển có thể lập trình – là một hệ thống được lập trình để sử dụng cho việc giám sát và tự động hóa quy trình sản xuất công nghiệp. Các bộ điều khiển này có thể tự động hóa một quy trình cụ thể, chức năng máy móc, hoặc thậm chí toàn bộ dây chuyền sản xuất.

PLC cũng sẽ thực hiện các can thiệp cơ bản, kích hoạt đầu ra khi đáp ứng các giới hạn được lập trình trước. PLC có các phần cứng linh hoạt; có thể hoạt động trong các điều kiện khó khăn cần phải có các tùy chọn nâng cao và sử dụng thời gian thực. Ví dụ, PLC có thể điều khiển một số quy trình phức tạp hơn trong các hoạt động công nghiệp, chẳng hạn như giám sát động cơ và máy móc đang chạy.

Các thiết bị này rất linh hoạt và dễ lập trình cũng như có thể hoạt động kết hợp với nhiều giải pháp quản lý sản xuất. Các PLC hiện đại được sản xuất để nâng cấp các rơ le và bộ định thời trước đây được sử dụng trong máy móc công nghiệp.

PLC thường được liên kết với các hệ thống SCADA để kiểm soát các quy trình công nghiệp bằng cách hỗ trợ các chức năng thu thập và lưu trữ dữ liệu, giao diện người-máy, quản lý giám sát và cảnh báo.

Kim tự tháp tự động hóa CIM Pyramid
PLC trong Kim tự tháp tự động hóa CIM Pyramid

Trong thời đại công nghiệp 4.0, PLC đóng một vai trò quan trọng khi là trung tâm điều khiển, kết nối và là giao diện chính của tương tác giữa người và máy (HMI). Những tiến bộ công nghệ như robot tự động, trí tuệ nhân tạo, cảm biến công nghệ cao, điện toán đám mây và Big Data được thiết lập để thay đổi hoàn toàn bộ mặt của ngành sản xuất. 

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PLC

Sơ đồ tổng quan cấu trúc của PLC
Sơ đồ tổng quan cấu trúc của PLC

Phần cứng

Các thành phần chính của PLC bao gồm khối xử lý trung tâm (CPU), bộ nguồn, thiết bị lập trình và các mô-đun đầu vào và đầu ra (I / O).

CPU

CPU là bộ não của PLC và thực hiện các hoạt động được lập trình. Các hoạt động hoặc đầu ra (output) này được thực hiện dựa trên các tín hiệu và dữ liệu được cung cấp từ các đầu vào (input) được kết nối.

Mô-đun I / O

Mô-đun đầu vào kết nối các thiết bị bên ngoài khác nhau, chẳng hạn như cảm biến, công tắc và nút nhấn với PLC để đọc các thông số kỹ thuật và các dữ liệu tương tự khác, chẳng hạn như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, tốc độ, v.v. Mô-đun đầu ra chuyển đổi tín hiệu từ CPU thành các định dạng kỹ thuật số để điều khiển các thiết bị đầu ra.

Nguồn cấp

Bộ nguồn cung cấp năng lượng cho PLC bằng cách chuyển đổi nguồn AC đầu vào có sẵn thành nguồn DC theo yêu cầu của CPU và các mô-đun I / O để hoạt động bình thường.

Cấu trúc điều chỉnh của I/O PLCCấu hình các module I/O

Phần mềm

Hệ thống PLC thường được lập trình với các nền tảng phần mềm riêng của từng nhà cung cấp. Khi nền tảng được xác định, lập trình thực tế của logic PLC có thể được thực hiện theo một số phương pháp khác nhau. Các phương pháp lập trình PLC phổ biến nhất bao gồm: .

Logic bậc thang (Ladder Logic)

Đây là một ngôn ngữ lập trình PLC đồ họa và là phương pháp lập trình phổ biến nhất. Ladder Logic có thể được sử dụng để thực thi các tác vụ như sắp xếp thứ tự, cân đo đếm, định thời gian, thao tác dữ liệu,…. Logic bậc thang được cấu trúc tương tự như logic rơle; tuy nhiên, các công tắc và cuộn dây vật lý được sử dụng trong logic rơle được thay thế bằng vị trí bộ nhớ và I / O của PLC.

Văn bản có cấu trúc (Structured Text)

Structured Text là một ngôn ngữ lập trình PLC dựa trên văn bản và tương tự như các ngôn ngữ lập trình Python, Visual Basic hoặc C++. Lập trình với văn bản có cấu trúc có nhiều ưu điểm, chẳng hạn như chương trình yêu cầu ít không gian hơn do dựa trên văn bản thay vì dựa trên đồ họa. Ngoài ra, văn bản có cấu trúc có thể được kết hợp với các ngôn ngữ lập trình khác, chẳng hạn như tạo các khối chức năng chứa các hàm được viết trong văn bản có cấu trúc.

Khối chức năng (Function Block)

Function Block của PLC được biểu diễn dưới dạng các khối đồ họa. Tín hiệu hoặc luồng dữ liệu đi vào khối chức năng từ các đầu vào kết nối với PLC. Khi các tín hiệu hoặc dữ liệu đến kích hoạt chức năng được lập trình trước của khối chức năng, PLC sẽ thực hiện một hoặc nhiều đầu ra. Các Function Block có thể có các chức năng tiêu chuẩn như bộ định thời, bộ đếm, tính toán các giá trị tối thiểu và tối đa, lấy giá trị trung bình,…

Nguyên lý làm việc

Chủ yếu có ba bước để điều khiển quá trình hoạt động PLC

  • Giám sát trạng thái của đầu vào (input)
  • Thực thi chương trình điều khiển
  • Cập nhật trạng thái của kết quả đầu ra (output)
Nguyên lý làm việc của PLC

Vì PLC là bộ điều khiển chuyên dụng, nên nó thực hiện các quá trình hoạt động nhiều lần, tạo thành một chu trình hoàn chỉnh. Mỗi PLC có thời gian quét và chu kỳ quét, cho phép xem xét tốc độ PLC hoạt động nhanh như thế nào.

Chu trình quét PLC (Scan Cycle) là một quá trình tuần tự và lặp đi lặp lại có 3 nhiệm vụ cơ bản. Đánh giá đầu vào, xử lý chương trình ứng dụng và thực thi đầu ra. Các tác vụ trong chu trình quét PLC được thực hiện nghiêm ngặt theo một trình tự nhất định và theo một cách thức tuần hoàn vô tận.

Các PLC quét là một phần của nhiệm vụ thứ hai (chương trình xử lý) trong chu kỳ quét và đề cập đến cách thức mà CPU xử lý chương trình ứng dụng. Trong quá trình quét PLC, các nấc của chương trình ứng dụng được xử lý từ trái sang phải và từ trên xuống dưới. CPU liên tục cập nhật trạng thái của từng đầu vào, đầu ra và các biến bên trong trong bộ nhớ dữ liệu nhưng chỉ thực hiện các đầu ra khi kết thúc quá trình quét PLC.

Hệ thống PLC hoạt động theo nguyên lý bậc thang Ladder Logic
Hệ thống PLC hoạt động theo nguyên lý bậc thang Ladder Logic

Thời gian quét là tổng thời gian cần để PLC hoàn thành một chu kỳ quét đầy đủ. Thời gian quét được biểu thị chung bằng mili giây (ms). Nó là một số liệu cần thiết để đo lường và xem xét vì nó có thể có tác động xấu đến khả năng điều khiển ứng dụng của PLC, đặc biệt nếu tốc độ ứng dụng nhanh hơn thời gian quét PLC. 

Tất cả trạng thái input và output sẽ được lưu trữ trong phần bộ nhớ của PLC. Phần bộ nhớ cũng lưu trữ thông tin phức tạp như các công thức tính toán, tỷ lệ tương tự của đầu vào và đầu ra,…

Tóm lại, nguyên tắc hoạt động cơ bản của PLC là nó giám sát trạng thái của máy móc và quá trình, sau đó đưa ra quyết định dựa trên các chức năng logic được lập trình bởi các phần mềm được lưu trong bộ nhớ của PLC. Sau đó, PLC sẽ bắt đầu các tín hiệu đầu ra để điều khiển quá trình hoạt động sản xuất.

Ưu điểm và nhược điểm của PLC

Ưu điểm

Trước khi PLC được giới thiệu, Rơ le (Relay) thường được sử dụng để điều khiển quá trình trong công nghiệp. Tuy vậy, bảng điều khiển rơ le này cần được bảo trì thường xuyên, tiêu tốn nhiều điện năng hơn, thậm chí khi gặp sự cố, cần rất nhiều công sức và thời gian để tìm ra nguyên nhân vì có rất nhiều dây điện và điểm kết nối. Do đó, PLC có một số ưu điểm của so với hệ thống điều khiển Rơle:

  • Hệ thống PLC dễ lắp đặt và bảo trì hơn (có ít dây hơn so với hệ thống điều khiển Rơle).
  • Dễ dàng lập trình và sửa đổi logic ngoại tuyến cũng như trực tuyến (không cần thay đổi dây hay đầu cắm của hệ thống PLC trong quá trình sửa đổi).
  • Hệ thống PLC không yêu cầu bảo trì nhiều (Chỉ cần sử dụng một máy tính để tải lên/tải xuống chương trình,…).
  • Khắc phục sự cố dễ dàng và tiết kiệm nhiều thời gian (Rất dễ dàng khắc phục sự cố trong hệ thống này chỉ bằng cách theo dõi trạng thái chương trình thông qua phần mềm lập trình).
  • PLC có thời gian hoạt động nhanh (thường tính bằng ms)

Khuyết điểm

  • Khi đặt PLC ở nơi thường bị va chạm, rung lắc hay nhiệt độ quá cao, PLC có thể hoạt động kém hiệu quả và dễ hỏng hóc.
  • Chi phí ban đầu cao (PLC được coi là không cần thiết khi áp dụng cho các hệ thống công nghiệp không cần thay đổi hệ thống dây điện).

Vai trò của PLC trong sản xuất

Mặc dù có vài khuyết điểm, hệ thống PLC vẫn đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp sản xuất, đặc biệt là trong thời điểm nhiều nhà máy đang tìm một giải pháp mang tính chất “cầu nối” giữa phần cứng và phần mềm.

Kiểm soát quy trình và tự động hóa

Vai trò cơ bản của PLC là tự động hóa các quy trình bằng cách gửi các chức năng điều khiển được lập trình đến các thiết bị đầu ra dựa trên các tín hiệu nhận được từ các thiết bị đầu vào được kết nối. 

Thiết bị đầu vào đo và truyền dữ liệu từ hệ thống sản xuất, chẳng hạn như cảm biến, công tắc, nhiệt kế hoặc rơ le. Ngược lại, các thiết bị đầu ra nhận dữ liệu hoặc lệnh từ PLC để thực hiện một chức năng cụ thể. Ví dụ, một thiết bị đầu vào có thể báo hiệu cho PLC rằng áp suất trong đường dây quá cao. Sau đó, PLC sẽ tự động gửi một lệnh được lập trình đến thiết bị đầu ra, trong trường hợp này là một van, để mở, làm giảm áp suất một cách hiệu quả.

Các hành động khác được điều khiển bởi PLC có thể bao gồm bật hoặc tắt động cơ chạy băng tải, tăng hoặc giảm nhiệt độ thông qua bộ trao đổi nhiệt, hiển thị cảnh báo hoặc trạng thái trên màn hình HMI khi các thông số hệ thống bất thường xảy ra.

Kết hợp với SCADA để thu thập dữ liệu và giám sát máy móc

Như đã đề cập ở trên, PLC giám sát và thu thập dữ liệu từ các đầu vào và kết nối với máy móc. Do đó, các chương trình phần mềm, chẳng hạn như hệ thống SCADAhệ thống MMS, có thể kết nối với PLC để xử lý dữ liệu máy đã thu thập và hiển thị thông tin hữu ích, chẳng hạn như báo cáo sản xuất, xu hướng trực tiếp, thông báo cảnh báo, dữ liệu OEE, trạng thái chu kỳ,…

Với thông tin được trực quan hóa, các nhà quản lý và điều hành có thể phân tích tốt hơn hiệu năng sản xuất của nhà máy và đưa ra các quyết định dựa trên dữ liệu để cải thiện hiệu quả và sản lượng. Ngoài ra, khả năng đưa ra cảnh báo ngay lập tức cho phép người vận hành kịp thời xử lý và khắc phục sự cố, giúp giảm thời gian và chi phí sản xuất.

IIoT và Machine Learning

Các ứng dụng IIoT và Machine Learning trong công nghiệp là những công nghệ mới và có thể trở thành xu thế sản xuất mới. Tuy vậy, ngay cả khi có sự xuất hiện của các công nghệ mới này, PLC vẫn sẽ tiếp tục đóng vai trò thiết yếu như một bộ xử lý dữ liệu sản xuất theo thời gian thực.

Machine Learning công nghiệp hoạt động bằng cách tự rút ra và tự cải thiện thông qua kinh nghiệm của các quá trình sản xuất trước đó. Để có được kinh nghiệm cần thiết, các loại “máy học” này cần dữ liệu sản xuất được thu thập bởi PLC để tìm ra các mẫu, cho phép các thuật toán đưa ra dự đoán và quyết định mà không cần lập trình trước. 

Kết quả là một hệ thống có thể cung cấp thông tin dự đoán bảo trì và thời gian sử dụng hữu ích cần thiết để ngăn chặn thời gian chết trong sản xuất cũng như đề xuất các hành động cho các vấn đề có thể phát sinh và cải thiện kiểm soát chất lượng hoạt động trong nhà máy.

Ứng dụng của PLC trong thực tế

PLC được sử dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp vì tính chất đơn giản, hoạt nhưng vẫn đáng tin cậy. Dưới đây là một số ví dụ về ứng dụng của PLC Ứng dụng trong đời sống

  • Kiểm soát mực nước trong bể
  • Hệ thống rửa xe tự động
  • Hệ thống kiểm soát giao thông
  • Xây dựng hệ thống
  • Hệ thống thang máy
  • Cửa tự động
  • Tàu lượn siêu tốc

Ứng dụng trong công nghiệp

  • Vận hành và điều khiển tự động hệ thống máy nén khí
  • Kiểm soát nhiệt độ tự động
  • Hệ thống băng tải
  • Hệ thống giám sát năng lượng
  • Kiểm soát dây chuyền sản xuất
  • Xử lý nguyên liệu thô

Một số lĩnh vực công nghiệp mà PLC có thể được sử dụng rộng rãi,

  • Hóa dầu
  • Dầu khí
  • Thép
  • Nhà máy điện
  • Sản xuất thực phẩm
  • Tự động hóa
  • Công nghiệp xi măng
  • Công nghiệp giấy
  • Sản xuất kính
  • Công nghiệp xử lý nguyên liệu thô

Tương lai của PLC trong bối cảnh công nghiệp 4.0

Ngày nay, hệ thống điều khiển PLC có các tùy chọn giao tiếp như Ethernet / IP (Allen Bradley), Profinet (Siemens)Modbus TCP / IP (Modicon), cùng các tùy chọn khác,…. bao gồm tùy chọn giao tiếp của hệ thống PLC cho phép kết nối mạng với PLC khác, mô-đun đầu vào / đầu ra từ xa, thiết bị đo, động cơ, bộ truyền động và Giao diện người máy (HMI) như màn hình cảm ứng và hệ thống SCADA.

Trong tương lai, PLC có thể lập trình và cấu hình để hoạt động bền bỉ và đáng tin cậy hơn, cũng như khắc phục những điểm yếu đã nêu ở trên. Rất có thể, chúng sẽ được làm bằng các vật liệu khác nhau, như sợi quang, bền hơn nhiều so với tín hiệu điện tử, đặc biệt là trong môi trường khắc nghiệt như sàn nhà máy. 

Bên cạnh đó, với việc sử dụng công nghệ IIoT, PLC cũng có thể hoạt động điều khiển từ xa từ một vị trí được bố trí phù hợp, tránh xa các điều kiện khắc nghiệt để bảo đảm hoạt động hiệu quả hơn. Điều này thực sự quan trọng, bởi vì các cảm biến và các quá trình,máy móc trong PLC nếu được bảo quản hợp lý sẽ hoạt động tối ưu hơn.

Một điều đáng nói, PLC sẽ vẫn là bộ xử lý trung tâm của các quy trình sản xuất thời gian thực và giao tiếp tốt hơn với các cảm biến đầu vào thông qua (IIoT). Với việc tích hợp với các hệ thống như SCADA hay MMS, PLC sẽ nâng cao khả năng thu thập dữ liệu và hỗ trợ tốt hơn các chương trình Machine Learning trong tương lai.

Ví dụ: dữ liệu từ PLC, kết hợp với dữ liệu từ cảm biến và SCADA để hiển thị một bức tranh toàn cảnh về các dữ liệu từ hoạt động sản xuất trong nhà máy. Các công cụ phân tích sau đó có thể cho phép người quản lý và nhiều nhân viên khác sử dụng tốt hơn các nguồn lực, lập lịch công việc theo nhiệm vụ cũng như lập lịch cho nhà cung cấp và các chức năng quan trọng khác để tạo ra dữ liệu hiệu quả hơn. 

Nói tóm lại, mặc dù có tuổi đời hơn 50 năm hình thành và phát triển, hệ thống PLC hứa hẹn vẫn đóng vai trò quan trọng trong bối cảnh công nghiệp 4.0 sắp tới. Với tính đơn giản, dễ điều chỉnh và đáng tin cậy, PLC rất phù hợp với những doanh nghiệp đang bắt đầu quá trình chuyển đổi số nhà máy, tiến tới xây dựng mô hình Smart Factory