Bộ Điều khiển Lập trình (Programmable Logic Controller – PLC)

Về cơ bản, PLC nhận tín hiệu đầu vào (input) từ các cảm biến và thiết bị hiện trường, sau đó thực hiện các thuật toán điều khiển đã được lập trình sẵn để đưa ra tín hiệu đầu ra (output) điều khiển các cơ cấu chấp hành như động cơ, van, xi lanh. Các thuật toán này bao gồm nhiều phép toán phức tạp như logic, điều khiển tuần tự, định thời, đếm và các phép tính số học, cho phép điều khiển máy móc và quy trình một cách chính xác và linh hoạt.

Lịch sử

Trước khi PLC ra đời, các hệ thống tự động hóa công nghiệp chủ yếu dựa vào các hệ thống điều khiển bằng rơ le (relay), công tắc tơ và các bộ định thời cơ học. Các hệ thống này được nối dây cứng, chiếm nhiều không gian, tiêu thụ lượng lớn điện năng, khó bảo trì và đặc biệt là không linh hoạt. Mỗi khi cần thay đổi logic điều khiển, các kỹ sư phải thực hiện việc đi lại dây rất phức tạp và tốn thời gian.

Vào năm 1968, bộ phận Hydra-Matic (hộp số tự động) của tập đoàn General Motors (GM) đã đưa ra yêu cầu tìm kiếm một giải pháp thay thế điện tử cho các hệ thống rơ le phức tạp này. Công ty Bedford Associates (sau này trở thành thương hiệu Modicon) đã đáp ứng yêu cầu đó và phát triển thành công bộ điều khiển lập trình đầu tiên trên thế giới, với tên gọi Modicon 084. Sự ra đời của PLC đã đánh dấu một cuộc cách mạng trong lĩnh vực tự động hóa, mang đến một phương thức điều khiển linh hoạt, dễ dàng lập trình lại, đáng tin cậy và nhỏ gọn hơn rất nhiều so với hệ thống rơ le truyền thống.

Cấu trúc phần cứng

Một PLC điển hình được cấu thành từ các thành phần chính, có thể được tích hợp trong một khối duy nhất (PLC dạng Compact/Brick) hoặc được lắp ghép từ các mô-đun riêng biệt (PLC dạng Modular).

• Bộ xử lý trung tâm (CPU): Được xem là “bộ não” của PLC. CPU thực thi chương trình điều khiển do người dùng lập trình, xử lý các tín hiệu vào/ra, thực hiện các phép toán logic, số học, quản lý bộ nhớ và điều phối toàn bộ hoạt động của hệ thống. CPU trong PLC được thiết kế để có tốc độ xử lý nhanh và độ tin cậy cao.
• Bộ nhớ (Memory): Gồm nhiều loại khác nhau với chức năng riêng biệt:
  • ROM (Read-Only Memory): Chứa hệ điều hành (firmware) của PLC, được nhà sản xuất nạp sẵn. Dữ liệu trong ROM không thể thay đổi và không bị mất khi mất điện.
  • RAM (Random Access Memory): Là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, được dùng để lưu trữ chương trình ứng dụng của người dùng, các giá trị của biến, bộ đếm (counter), bộ định thời (timer) và vùng nhớ đệm cho các đầu vào/ra. Dữ liệu trong RAM sẽ bị mất khi PLC mất nguồn, do đó PLC thường có một pin dự phòng (backup battery) để duy trì dữ liệu này.
  • EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) hoặc Flash Memory: Là bộ nhớ không bay hơi (non-volatile), dùng để lưu trữ chương trình ứng dụng của người dùng một cách lâu dài. Chương trình có thể được nạp từ máy tính vào bộ nhớ này và sẽ không bị mất khi mất điện, giúp PLC tự động chạy lại chương trình khi có điện trở lại.
• Mô-đun đầu vào (Input Module): Là cổng giao tiếp giữa PLC và thế giới bên ngoài. Nó chuyển đổi tín hiệu từ các thiết bị trường (field devices) như cảm biến, nút nhấn, công tắc hành trình thành tín hiệu logic mà CPU có thể hiểu được. Các mô-đun đầu vào được chia làm hai loại chính:
  • Đầu vào số (Digital Input – DI): Nhận tín hiệu có hai trạng thái là ON (có điện) hoặc OFF (không có điện), ví dụ 24VDC hoặc 0VDC.
  • Đầu vào tương tự (Analog Input – AI): Nhận tín hiệu liên tục có thể thay đổi trong một dải giá trị, ví dụ như tín hiệu dòng điện $4-20mA$ từ cảm biến áp suất hoặc tín hiệu điện áp $0-10V$ từ cảm biến nhiệt độ.
• Mô-đun đầu ra (Output Module): Gửi tín hiệu điều khiển từ CPU đến các thiết bị chấp hành (actuators) như rơ le, contactor, van điện từ (solenoid valve), động cơ, đèn báo. Tương tự mô-đun đầu vào, mô-đun đầu ra cũng có hai loại:
  • Đầu ra số (Digital Output – DO): Xuất tín hiệu ON/OFF để đóng/cắt các thiết bị.
  • Đầu ra tương tự (Analog Output – AO): Xuất tín hiệu liên tục ($0-10V$, $4-20mA$) để điều khiển các thiết bị yêu cầu sự thay đổi trơn tru, chẳng hạn như điều khiển tốc độ biến tần hoặc điều khiển độ mở của van tuyến tính.
• Nguồn cung cấp (Power Supply): Chuyển đổi nguồn điện xoay chiều (ví dụ 110/220 VAC) thành nguồn điện một chiều (thường là 24 VDC) để cung cấp năng lượng cho CPU và các mô-đun khác hoạt động.
• Mô-đun truyền thông (Communication Module): Cho phép PLC giao tiếp với các thiết bị khác như màn hình giao diện người-máy (HMI), máy tính (để lập trình và giám sát), các PLC khác, hoặc các hệ thống điều khiển cấp cao hơn (SCADA). Các chuẩn truyền thông công nghiệp phổ biến bao gồm Modbus, PROFIBUS, PROFINET, Ethernet/IP, CANopen.

Nguyên lý hoạt động (Chu kỳ quét)

PLC hoạt động theo một chu trình lặp đi lặp lại gọi là chu kỳ quét (scan cycle). Tốc độ thực hiện chu kỳ này, hay còn gọi là thời gian quét (scan time), thường rất nhanh, chỉ vài mili giây ($ms$), đảm bảo hệ thống có thể phản ứng kịp thời với các thay đổi từ quy trình. Một chu kỳ quét cơ bản bao gồm các bước sau:

1. Đọc trạng thái đầu vào (Input Scan): Ở đầu mỗi chu kỳ, CPU sẽ đọc trạng thái của tất cả các đầu vào vật lý (cả số và tương tự) và lưu trữ chúng vào một vùng nhớ đệm bên trong gọi là Bảng ảnh đầu vào (Process Image Input – PII).
2. Thực thi chương trình (Program Scan): CPU thực hiện chương trình của người dùng từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng. Trong suốt quá trình này, CPU sẽ đọc trạng thái đầu vào từ PII (chứ không phải từ đầu vào vật lý trực tiếp) và tính toán kết quả logic cho các đầu ra. Kết quả này được lưu vào một vùng nhớ đệm khác gọi là Bảng ảnh đầu ra (Process Image Output – PIO). Việc sử dụng bảng ảnh đảm bảo rằng trạng thái đầu vào là nhất quán trong suốt một vòng quét, ngay cả khi chúng thay đổi ngoài thực tế.
3. Cập nhật trạng thái đầu ra (Output Scan): Sau khi thực thi xong toàn bộ chương trình, CPU sẽ sao chép đồng loạt toàn bộ dữ liệu từ Bảng ảnh đầu ra (PIO) ra các đầu ra vật lý, kích hoạt hoặc ngắt kích hoạt các thiết bị chấp hành tương ứng.
4. Truyền thông và tự chẩn đoán (Housekeeping): Cuối cùng, PLC dành một khoảng thời gian nhỏ để thực hiện các tác vụ nội bộ như xử lý các yêu cầu truyền thông (từ HMI, máy tính lập trình), kiểm tra lỗi phần cứng, phần mềm, và cập nhật các giá trị của bộ đếm, bộ định thời.

Sau khi hoàn thành bước 4, chu kỳ quét sẽ ngay lập tức bắt đầu lại từ bước 1. Quá trình này lặp lại liên tục miễn là PLC còn ở chế độ hoạt động (RUN mode).

Ngôn ngữ lập trình

Các ngôn ngữ lập trình cho PLC được tiêu chuẩn hóa bởi tổ chức IEC (International Electrotechnical Commission) trong bộ tiêu chuẩn IEC 61131-3. Điều này giúp các lập trình viên có thể dễ dàng làm việc với nhiều dòng PLC của các hãng khác nhau. Năm ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất bao gồm:

• Ladder Diagram (LD) – Sơ đồ thang: Đây là ngôn ngữ lập trình đồ họa phổ biến nhất, mô phỏng lại sơ đồ mạch của các rơ le điện. Nó rất trực quan và dễ hiểu đối với các kỹ sư điện và nhân viên bảo trì vốn đã quen thuộc với logic rơ le.
• Function Block Diagram (FBD) – Sơ đồ khối chức năng: Một ngôn ngữ đồ họa khác, trong đó chương trình được xây dựng bằng cách kết nối các “khối” chức năng (như bộ định thời, bộ đếm, các khối logic AND/OR). FBD rất phù hợp cho các ứng dụng điều khiển quá trình, nơi dòng tín hiệu và mối quan hệ giữa các biến số là quan trọng.
• Structured Text (ST) – Văn bản có cấu trúc: Là một ngôn ngữ lập trình dạng văn bản bậc cao, có cú pháp tương tự như Pascal hoặc C. ST rất mạnh mẽ cho việc thực hiện các thuật toán phức tạp, các phép toán số học, xử lý chuỗi và các vòng lặp mà khó có thể biểu diễn bằng các ngôn ngữ đồ họa.
• Instruction List (IL) – Danh sách lệnh: Là một ngôn ngữ dạng văn bản cấp thấp, tương tự như hợp ngữ (Assembly). Mỗi lệnh thực hiện một thao tác rất cơ bản. IL cho tốc độ thực thi nhanh nhưng khó đọc và gỡ lỗi hơn, ngày nay ít được sử dụng.
• Sequential Function Chart (SFC) – Lưu đồ chức năng tuần tự: Là một ngôn ngữ đồ họa dùng để cấu trúc hóa chương trình. Nó chia nhỏ một quy trình điều khiển thành các bước (Steps) và các điều kiện chuyển tiếp (Transitions). SFC rất lý tưởng để lập trình cho các quy trình hoạt động theo tuần tự, giúp chương trình trở nên rõ ràng và dễ quản lý.

Ưu điểm và Nhược điểm của PLC

Việc sử dụng PLC trong tự động hóa công nghiệp mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các hệ thống điều khiển truyền thống (như rơ le) hoặc các giải pháp khác.

Ưu điểm

• Độ tin cậy và độ bền cao: PLC được thiết kế chuyên dụng để hoạt động ổn định và bền bỉ trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, có khả năng chống rung, chống sốc, chống nhiễu điện từ và hoạt động trong dải nhiệt độ rộng.
• Tính linh hoạt và khả năng mở rộng cao: Logic điều khiển có thể được thay đổi dễ dàng bằng cách chỉnh sửa chương trình trên máy tính mà không cần thay đổi phần cứng hay đi lại dây. Các hệ thống PLC dạng module cho phép dễ dàng mở rộng số lượng đầu vào/ra (I/O) hoặc thêm các chức năng mới (truyền thông, điều khiển vị trí…) khi cần.
• Lập trình dễ dàng và đa dạng: Với các ngôn ngữ lập trình tiêu chuẩn hóa theo IEC 61131-3, đặc biệt là ngôn ngữ Ladder Diagram (LD) trực quan, các kỹ sư điện và nhân viên bảo trì có thể nhanh chóng học và sử dụng PLC mà không cần kiến thức sâu về khoa học máy tính.
• Kích thước nhỏ gọn: So với các tủ điện điều khiển bằng rơ le cồng kềnh, một PLC có thể thực hiện công việc tương đương với kích thước nhỏ hơn rất nhiều, giúp tiết kiệm không gian lắp đặt.
• Khả năng truyền thông mạnh mẽ: PLC hiện đại hỗ trợ nhiều chuẩn truyền thông công nghiệp (Modbus, Profinet, Ethernet/IP…), cho phép kết nối dễ dàng với các thiết bị khác như màn hình HMI, biến tần, hệ thống SCADA, robot và các hệ thống quản lý sản xuất (MES).
• Chi phí hợp lý cho các hệ thống trung bình và lớn: Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu có thể cao hơn hệ thống rơ le cho các tác vụ rất đơn giản, nhưng với các hệ thống phức tạp, PLC giúp giảm đáng kể chi phí thiết kế, lắp đặt, bảo trì và nâng cấp, mang lại hiệu quả kinh tế lâu dài.

Nhược điểm

• Yêu cầu kiến thức lập trình: Mặc dù dễ học hơn so với lập trình vi điều khiển, việc vận hành và xử lý sự cố PLC vẫn đòi hỏi nhân viên phải được đào tạo về lập trình và cấu trúc hệ thống.
• Hoạt động cố định theo chu kỳ quét: PLC hoạt động dựa trên chu kỳ quét, điều này có thể tạo ra một độ trễ nhỏ (vài mili giây) trong việc phản ứng với tín hiệu. Trong hầu hết các ứng dụng, điều này không phải là vấn đề, nhưng với các ứng dụng yêu cầu phản ứng tức thời ở tốc độ cực cao, cần phải xem xét các giải pháp chuyên dụng khác.
• Chi phí ban đầu cao cho các ứng dụng nhỏ: Đối với các nhiệm vụ rất đơn giản chỉ cần vài rơ le, chi phí đầu tư cho một PLC có thể cao hơn.

Phân loại PLC

PLC có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, giúp người dùng lựa chọn được thiết bị phù hợp nhất với yêu cầu ứng dụng.

• Theo kích thước và số lượng I/O:
  • Nano/Micro PLC: Là dòng PLC nhỏ gọn nhất, thường có dạng khối (compact), tích hợp sẵn CPU, nguồn và một số lượng I/O hạn chế (thường dưới 32 I/O). Chúng phù hợp cho các máy móc đơn giản hoặc thay thế các bộ rơ le thông minh.
  • PLC cỡ vừa (Compact/Medium PLC): Dòng PLC này cũng có dạng khối nhưng mạnh mẽ hơn, hỗ trợ số lượng I/O lớn hơn và có khả năng kết nối thêm các mô-đun mở rộng để tăng cường chức năng. Đây là lựa chọn phổ biến cho các máy tự động và dây chuyền sản xuất cỡ vừa.
  • PLC cỡ lớn (Modular/Large PLC): Được xây dựng từ các mô-đun riêng biệt (nguồn, CPU, I/O, truyền thông…) cắm trên một thanh gá (rack). Cấu trúc này mang lại sự linh hoạt tối đa, cho phép xây dựng các hệ thống điều khiển phức tạp, hiệu năng cao với hàng nghìn I/O, thường dùng để điều khiển toàn bộ nhà máy.
• Theo hãng sản xuất: Thị trường PLC có sự cạnh tranh của nhiều thương hiệu lớn, mỗi hãng có những dòng sản phẩm và phần mềm lập trình riêng. Một số hãng nổi bật bao gồm:
  • Siemens: Rất phổ biến tại châu Âu và Việt Nam với các dòng như LOGO!, S7-200 (cũ), S7-1200, S7-1500, S7-300, S7-400.
  • Rockwell Automation (Allen-Bradley): Thống trị thị trường Bắc Mỹ với các dòng MicroLogix, CompactLogix, ControlLogix.
  • Mitsubishi Electric: Mạnh ở thị trường châu Á với các dòng FX series, Q series, L series.
  • Omron: Một thương hiệu lớn khác từ Nhật Bản với các dòng CP, CJ, CS.
  • Schneider Electric: Nổi tiếng với thương hiệu Modicon (cha đẻ của PLC) với các dòng M221, M340, M580.
  • Các hãng khác: Delta (Đài Loan), ABB (Thụy Sĩ), Keyence (Nhật Bản), Panasonic (Nhật Bản),…
• Theo tính năng đặc biệt:
  • Safety PLC (PLC An toàn): Là loại PLC chuyên dụng được thiết kế với phần cứng dự phòng và phần mềm tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn nghiêm ngặt (ví dụ: SIL 2/3 theo IEC 61508, PL d/e theo ISO 13849-1). Chúng được sử dụng trong các ứng dụng có nguy cơ gây hại cao cho con người và thiết bị, như điều khiển nút dừng khẩn cấp, hàng rào an toàn, hệ thống dập.

Ứng dụng của PLC

PLC là trái tim của hầu hết các hệ thống tự động hóa công nghiệp hiện đại, từ những tác vụ đơn giản đến các quy trình phức tạp.

• Công nghiệp sản xuất và chế tạo: Điều khiển dây chuyền lắp ráp ô tô, xe máy; vận hành robot công nghiệp (hàn, sơn, gắp sản phẩm); điều khiển máy công cụ CNC, máy đóng gói, máy chiết rót, máy dán nhãn.
• Công nghiệp xử lý: Giám sát và điều khiển các quy trình trong nhà máy xử lý nước sạch và nước thải (điều khiển bơm, van, hệ thống lọc); quản lý quy trình trong ngành hóa chất, thực phẩm và đồ uống (trộn, gia nhiệt, làm mát theo công thức).
• Năng lượng: Giám sát và điều khiển trong các trạm biến áp, nhà máy thủy điện, nhiệt điện; quản lý các hệ thống năng lượng tái tạo như điện mặt trời, điện gió.
• Quản lý tòa nhà (BMS – Building Management System): Điều khiển hệ thống điều hòa không khí, thông gió (HVAC); hệ thống chiếu sáng thông minh; hệ thống phòng cháy chữa cháy; hệ thống an ninh.
• Giao thông vận tải: Điều khiển hệ thống đèn tín hiệu giao thông, hệ thống quản lý bãi đỗ xe, hệ thống băng chuyền hành lý ở sân bay, điều khiển thang máy và thang cuốn.
• Các ứng dụng khác: Tự động hóa trong nông nghiệp (hệ thống tưới tiêu, điều khiển khí hậu nhà kính), ngành dệt may, khai khoáng, luyện kim…

Về bản chất, PLC có thể xử lý cả các quy trình điều khiển logic rời rạc (ví dụ: đếm sản phẩm trên băng tải, điều khiển piston) và các quy trình điều khiển liên tục/tương tự (ví dụ: duy trì nhiệt độ lò nung ổn định bằng thuật toán PID, điều khiển tốc độ động cơ qua biến tần).

So sánh PLC và Vi điều khiển (Microcontroller)

Mặc dù cả hai đều là thiết bị lập trình được dùng để điều khiển, PLC và vi điều khiển (MCU) được thiết kế cho các mục đích và môi trường rất khác nhau.

Tóm lại, PLC là một giải pháp công nghiệp hoàn chỉnh, bền bỉ và dễ triển khai, trong khi vi điều khiển là một linh kiện điện tử cần được tích hợp vào một thiết kế phần cứng lớn hơn.