LC cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình. Do đó, phương pháp điều khiển biến tằng bằng PLC sẽ giúp kiểm soát việc vận hành với độ chính xác cao, góp phần làm tăng tuổi thọ của máy móc.
1. Tổng quan về PLC
PLC là từ viết tắt của Programmable Logic Controller nghĩa là bộ điều khiển Logic có thể lập trình được. Khác với các bộ điều khiển thông thường, PLC có khả năng thay đổi thuật toán điều khiển dựa vào người lập trình vì vậy cho phép thực hiện linh hoạt tất cả các bài toán điều khiển.
Hiện nay có rất nhiều hãng sản xuất PLC như Siemens, Rockwell, Omron, Mitsubishi, INVT, Delta… Ngôn ngữ lập trình là LAD (Ladder logic – Dạng hình thang), FBD (Function Block Diagram Khối chức năng), STL (Statement List – Liệt kê lệnh) trong đó Ladder logic là ngôn ngữ lập trình PLC được sử dụng phổ biến hiện nay.
2. Cấu trúc và nguyên lý làm việc của PLC
2.1. Bộ phận chính của PLC
- Nguồn cấp: điện áp sử dụng thường 24VDC, và 120-240VAC
- Bộ nhớ chương trình: RAM, ROM
- Bộ vi xử lý trung tâm CPU đóng vai trò là bộ não của PLC, dùng để xử lí các phép toán logic và điều khiển các thông tin giữa các module.
- Module đầu vào: nhận các tín hiệu trong quá trình điều khiển đưa vào bộ xử lí trung tâm, đầu vào có thể là các nút nhấn, switch, cảm biến áp suất,…
- Module đầu ra: là thiết bị để PLC gửi những thay đổi ra cơ cấu chấp hành như các tính hiệu điều chỉnh quá trình, động cơ, relay,…
- Thiết bị lập trình: được sử dụng để nhập chương trình mong muốn vào bộ nhớ của CPU. Nó có thể là: máy tính hoặc laptop, và nó chỉ cần kết nối với PLC những khi nào cần chỉnh sửa và thay đổi chương trình
2.2. Nguyên lý làm việc của PLC
- Thông qua module tín hiệu, PLC sẽ nhận tất cả các tín hiệu từ thiết bị ngoại vi gồm cảm biến, công tắc hành trình, tín hiệu relay…
- Dựa vào chương trình lập trình, PLC sẽ xử lí các tín hiệu nhận được theo thuật toán được lập trình sẵn sau đó sẽ xuất các tín hiệu điều khiển cơ cấu chấp hành như contactor, đèn báo, tải, các tín hiệu analog, HSC…..
- Chu kì quét của PLC gồm nhận tín hiệu ngõ vào, thực thi chương trình, kiểm tra lỗi và xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra.
- Thời gian thực hiện vòng quét phụ thuộc vào các yếu tố sau: tốc độ xử lý của PLC, dung lượng chương trình lập trình và độ trễ tín hiệu ngõ vào từ thiết bị ngoại vi.
2.3. Ưu điểm và nhược điểm PLC
Ưu điểm:
- Cấu trúc dạng lắp ghép các module gọn gàng, dễ thay thế và lắp đặt.
- Phần cứng dễ dàng bảo quản và sửa chữa.
- Khả năng chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp.
- Chương trình lập trình thay đổi linh hoạt, tốc độ điều khiển nhanh, độ chính xác cao.
- Cho phép giao tiếp kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi khác.
Nhược điểm:
- Giá thành cao, đặc biệt đối với một số dòng sản phẩm từ châu Âu.
- Yêu cầu người sử dụng phải có kiến thức chuyên môn.
3. Sử dụng PLC điều khiển biến tần
3.1. Lợi ích sử dụng PLC điều khiển biến tần
Trong hệ thống điều khiển và giám sát tự động hóa, PLC đóng vai trò bộ điều khiển trung tâm và biến tần đóng vai trò cơ cấu chấp hành. Việc kết hợp PLC và biến tần giúp biến tần hoạt động dựa theo giải thuật điều khiển của PLC ngoài ra PLC chủ động kiểm tra trạng thái hoạt động và kiểm soát lỗi trực tiếp trên biến tần từ đó đưa ra các tín hiệu điều khiển kịp thời, đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác, ổn định đồng thời bảo vệ biến tần và các thiết bị chấp hành khác.
3.2. Cách thức PLC điều khiển biến tần
PLC kết nối với biến tần bằng đấu nối dây điều khiển
Phần cứng I / O kết nối dây điều khiển cho phép các hệ thống bên ngoài ra lệnh và giám sát VFD bằng các tín hiệu digital hoặc analog. Ví dụ như sơ đồ mô phỏng sau
- Các PLC xuất các tín hiệu Digital để điều khiển các trạng thái như stop, quay thuận quay nghịch, hoặc chức năng điều khiển đa cấp tốc độ. Đồng thời biến tấn sẽ phản hồi những tín hiệu digital để báo trạng thái của động cơ (running), báo lỗi (fault),… cho PLC.
- Đối với tín hiệu Analog thì PLC có khả năng xuất ra các tín hiệu như 0…10V, 1…5V, 4…20mA, 0…20mA để điều khiển tốc độ của biến tần. Đồng thời biến tần có thể xuất tín hiệu analog để phản hồi tốc độ lại cho PLC.
- PLC có thể đọc được tín hiệu HSC từ encoder để tính vận tốc của động cơ hoặc xuất tín hiệu HSC để điều khiển biến tần.
PLC điều khiển biến tần thông qua mạng truyền thông
Điều đầu tiên chúng ta cần lưu ý là PLC của mỗi hãng sẽ không nhất thiết sẽ hỗ trợ chung 1 giao thức truyền thông. Ví dụ, hầu hết PLC của hãng Siemens sẽ hỗ trợ PROFINET, đối với PLC hãng Rockwell thì hỗ trợ giao EtherNet / IP và PLC của Schneider hỗ trợ Modbus TCP. Ngoài ra còn rất nhiều giao thức khác tùy theo ứng dụng và tính năng của từng loại mạng chúng ta có thể lựa chọn mạng truyền thông phù hợp với yêu cầu mỗi hệ thống.
Đối với mỗi giao thức truyền thông thì sẽ sử dụng các loại cáp cũng như các cổng truyền vật lí thích hợp khác nhau (RS232, RS485, RJ45,..). Hệ thống dây mạng truyền thông phải tách biệt ra khỏi bất kỳ đường dây điện cao áp nào để chống trường hợp nhiễu làm ảnh hưởng tới chất lượng truyền, và cấu tạo của dây thường có một lớp shield chống nhiễu.
Những lợi thế của việc sử dụng mạng truyền thông là dễ cài đặt và độ tin cậy cao. Người dùng sẽ tiết kiệm được số dây dẫn trong hệ thống điện.
Nhược điểm của việc sử dụng mạng truyền thông PLC là chi phí cao và tính linh hoạt hạn chế.
Trong thực tế thì giao thức Modbus RTU là giao thức được sử dụng phổ biến bởi hầu hết các nhà cung cấp. Bằng cách sử dụng giao thức modbus Rtu ta có thể điều khiển biến tần các lệnh tương tự với việc đấu dây điều khiển như: stop, quay thuận, quay nghịch, điều khiển tốc độ,… nhưng với số lượng dây ít hơn (2 dây RS485). Ngoài ra PLC còn có thể đọc được các dữ liệu của biến tần mà trước đây với hệ thống nối dây thông thường không làm được như: biến tần sẽ cung cấp các vùng nhớ để lưu mã lỗi như lỗi quá dòng, thiếu áp,…
Ngoài ra 1 ưu điểm khác của chuẩn modbus nó có thể hỗ trợ PLC kết nối và điều khiển 247 thiết bị slave cụ thể ở đây là biến tần chỉ cần thông qua 2 đường dây dẫn (RS485), có thể xem hình minh họa sau đây:
Nhược điểm của việc sử dụng mạng modbus so với việc đấu dây điện thông thường là :
- Tốc độ phản hồi của mạng modbus sẽ chậm hơn vì PLC không thể đồng thời phát nhiều lệnh khác nhau trên đường truyền mạng. Ví dụ khi muốn điều khiển biến tần quay thuận với tốc độ 1000v/p thì cần phát 2 tín hiệu riêng biệt.
- Trong đường truyền modbus nếu một dây bị vô hiệu hóa ( lỏng vít, đứt dây) thì sẽ gây vô hiệu hóa toàn hệ thống mạng.