Khả năng kết nối nội bộ đã trở thành một thành phần ngày càng quan trọng của cơ sở sản xuất hiện đại. Khi các nhà sản xuất tiếp tục đầu tư vào các thiết bị thông minh như IoT công nghiệp, máy móc kết nối mạng và các công cụ kỹ thuật số tương tự, họ phải thiết lập cách giao tiếp với thiết bị của mình và tự động hóa các quy trình với sự can thiệp tối thiểu của con người.
Trong môi trường sản xuất truyền thống, các máy móc và hệ thống điều khiển riêng lẻ được thiết lập trực tiếp với nhau có thể phức tạp và khó quản lý hơn. Vì vậy, các nhà sản xuất hiện đại vượt qua rào cản này bằng cách cài đặt và sử dụng PLC. Thay vì nối trực tiếp từng máy hoặc từng bộ phận thiết bị với các hệ thống điều khiển liên quan, các nhà sản xuất kết nối thiết bị với PLC, giúp điều khiển quy trình sản xuất tích hợp hơn. Vậy PLC là gì?
PLC là gì?
PLC (Programmable Logic Controller) – thiết bị điều khiển lập trình được sử dụng để điều khiển các quy trình sản xuất. Chúng được sử dụng trong các quy trình như phát hiện lỗi, độ tin cậy cao và kiểm soát sản xuất theo chương trình. PLC hoạt động theo thời gian thực vì đầu vào của chúng phải được xử lý trong khoảng thời gian rất ngắn. Động lực chính đằng sau sự ra đời của PLC cách đây vài thập kỷ là thay thế các hệ thống rơle mã hóa cứng bằng bộ điều khiển khả trình linh hoạt hơn. PLC lần đầu tiên được triển khai trong dây chuyền sản xuất ô tô để tăng tính tự động hóa và độ tin cậy trong việc kiểm soát các quy trình công nghiệp.
Cấu tạo của PLC
Phần cứng
- CPU: Mô-đun này bao gồm bộ xử lý trung tâm và thành phần bộ nhớ của nó. Bộ xử lý này thực hiện tất cả các tính toán và xử lý dữ liệu cần thiết bằng cách nhận đầu vào và tạo ra đầu ra tương ứng.
- Nguồn cấp: Mạch máy tính của PLC chạy trên đầu ra 5V DC và được cung cấp bởi mô-đun nguồn điện. Đây thực chất là mô-đun chịu trách nhiệm cấp nguồn cho hệ thống. Nó nhận nguồn AC và chuyển đổi nó thành nguồn DC mà hai mô-đun khác (CPU và mô-đun đầu vào/đầu ra) sử dụng.
- Mô-đun I/O: Các mô-đun đầu vào/đầu ra chịu trách nhiệm kết nối các cảm biến và bộ truyền động với hệ thống PLC để cảm nhận các thông số khác nhau như áp suất, nhiệt độ và lưu lượng.
Phần mềm
Có rất nhiều loại phần mềm PLC trên thị trường, mỗi loại có khả năng và ứng dụng riêng. Dưới đây là các loại phần mềm PLC phổ biến nhất và ứng dụng của chúng:
- Phần mềm logic bậc thang: Đây là dạng phần mềm PLC phổ biến nhất cho phép các kỹ sư phát triển các chương trình sử dụng logic bậc thang, một ngôn ngữ lập trình đồ họa giống như một bậc thang. Phần mềm này rất đơn giản để hiểu và sử dụng, phù hợp cho những nhà sản xuất mới sử dụng.
- Phần mềm sơ đồ khối chức năng: Phần mềm này tạo ra các chương trình sử dụng sơ đồ khối chức năng. Các sơ đồ bao gồm các khối mô tả chức năng và hoạt động và được kết nối với nhau. Nó có lợi cho việc phát triển các chương trình phức tạp với mức độ chức năng cao.
- Phần mềm văn bản có cấu trúc: Dạng phần mềm này tạo ra các chương trình sử dụng ngôn ngữ lập trình cấp cao tương tự như C hoặc Pascal. Nó có lợi cho việc tạo các chương trình yêu cầu các phép toán và thuật toán phức tạp.
- Phần mềm biểu đồ hàm tuần tự: Phần mềm này sử dụng ngôn ngữ lập trình đồ họa thể hiện chương trình dưới dạng sơ đồ. Nó có lợi cho việc tạo các chương trình yêu cầu một thứ tự hoạt động cụ thể.
- Phần mềm danh sách hướng dẫn: Phần mềm này sử dụng ngôn ngữ lập trình văn bản trong đó chương trình được thể hiện dưới dạng danh sách hướng dẫn, phù hợp cho việc tạo ra các chương trình đòi hỏi mức độ chính xác và kiểm soát cao.
- Phần mềm lập trình đồ họa: Phần mềm này tạo các chương trình bằng giao diện kéo và thả hỗ trợ tạo chương trình một cách nhanh chóng và dễ dàng mà không cần kỹ năng lập trình.
Ưu điểm và nhược điểm của PLC
Ưu điểm
PLC vượt trội hơn các hệ thống điều khiển truyền thống theo nhiều cách, khiến chúng trở thành một lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng điều khiển và tự động hóa công nghiệp.
- PLC được lập trình giúp dễ dàng để điều chỉnh theo yêu cầu quy trình đang thay đổi hoặc để thêm các chức năng điều khiển mới. Điều này làm tăng tính linh hoạt của sản xuất và các hoạt động công nghiệp khác.
- PLC đáng tin cậy hơn các hệ thống điều khiển truyền thống vì chúng được thiết kế để hoạt động trong môi trường khắc nghiệt và đòi hỏi khắt khe. Chúng cũng có thể dễ dàng tích hợp với các hệ thống tự động hóa khác như robot và SCADA để tăng độ tin cậy tổng thể của hệ thống.
- Khả năng mở rộng: việc mở rộng hoặc cập nhật để đáp ứng các yêu cầu thay đổi về quy trình khiến PLC trở thành giải pháp điều khiển và tự động hóa công nghiệp hiệu quả về mặt chi phí.
- PLC xử lý dữ liệu và thực hiện các hướng dẫn chương trình một cách nhanh chóng, cho phép chúng kiểm soát các quy trình công nghiệp trong thời gian thực.
- An toàn: PLC hỗ trợ giám sát và kiểm soát các chức năng an toàn như dừng khẩn cấp và khóa liên động để đảm bảo an toàn cho người lao động và tránh hư hỏng thiết bị.
- Truy cập từ xa: hệ thống này có thể được truy cập từ xa, cho phép người vận hành theo dõi và điều khiển các quy trình từ xa. Điều này có thể tăng hiệu quả đồng thời giảm nhu cầu về nhân viên.
- Ghi nhật ký dữ liệu: PLC có thể ghi lại dữ liệu về các yếu tố quy trình như nhiệt độ và áp suất, có thể được sử dụng để tối ưu hóa quy trình và khắc phục sự cố.
Nhược điểm
- Tốn thời gian và phức tạp, đòi hỏi kiến thức và năng lực chuyên môn. Điều này có thể làm giảm khả năng tiếp cận PLC đối với các doanh nghiệp nhỏ và những doanh nghiệp có nguồn lực kỹ thuật hạn chế.
- Tốn kém hơn các hệ thống điều khiển thông thường, đặc biệt đối với các ứng dụng quy mô nhỏ. Chi phí phần cứng, phần mềm và lập trình có thể tăng lên nhanh chóng, khiến PLC kém hiệu quả hơn về mặt chi phí đối với một số ứng dụng nhất định.
- Bộ nhớ và sức mạnh xử lý hạn chế: Giới hạn sức mạnh xử lý bộ nhớ: So với các công nghệ điện toán khác, PLC có bộ nhớ và sức mạnh xử lý hạn chế. Điều này có thể cản trở khả năng thực hiện các nhiệm vụ kiểm soát phức tạp của họ.
- Bảo mật: PLC dễ bị tấn công mạng, đặc biệt nếu chúng được kết nối với mạng hoặc internet. Cần có các biện pháp và nguồn lực bổ sung, như tường lửa và giao thức bảo mật, để đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Vai trò của PLC trong sản xuất
Trong ngành công nghiệp và ứng dụng, các nhà sản xuất sử dụng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) để giám sát và tự động hóa quy trình sản xuất của họ. PLC là máy tính công nghiệp được thiết kế chắc chắn, có thể chịu được các điều kiện của môi trường công nghiệp. Với việc ngày càng có nhiều công ty tìm cách tự động hóa quy trình sản xuất, sự gia tăng của việc ra quyết định dựa trên dữ liệu cũng như phát triển các ứng dụng IIoT và Machine learning thì vai trò của PLC trong sản xuất ngày càng trở nên nổi bật hơn.
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 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 của doanh nghiệp, chẳng hạn như cảm biến, công tắc, nhiệt kế hoặc rơle. Ngược lại, 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. PLC sau đó sẽ tự động gửi lệnh được lập trình đến thiết bị đầu ra, trong trường hợp này là một van, để mở, giúp giảm áp suất một cách hiệu quả.
Các hành động khác do PLC điều khiển có thể bao gồm bật hoặc tắt động cơ để chạy băng tải, tăng hoặc giảm nhiệt độ thông qua bộ trao đổi nhiệt hoặc hiển thị cảnh báo hoặc trạng thái trên màn hình HMI khi xảy ra các thông số hệ thống bất thường.
Thu thập dữ liệu, SCADA và giám sát máy
PLC giám sát và thu thập dữ liệu từ các đầu vào và máy móc được kết nối. Do đó, các chương trình phần mềm, chẳng hạn như hệ thống SCADA và Giám sát máy, có thể kết nối với PLC để xử lý dữ liệu máy được thu thập và hiển thị thông tin hữu ích, chẳng hạn như báo cáo sản xuất, xu hướng trực tiếp, thông báo cảnh báo, số liệu OEE, trạng thái chu kỳ hoặc lô và hơn.
Với thông tin được trực quan hóa, nhà quản lý và vận hành có thể phân tích hiệu suất sản xuất tốt hơn và đưa ra quyết định dựa trên dữ liệu để cải thiện hiệu quả và sản lượng. Ngoài ra, khả năng nhận thông báo cảnh báo ngay lập tức cho phép người vận hành phản hồi nhanh hơn để chẩn đoán và khắc phục sự cố, điều này có thể giảm chi phí và downtime trong sản xuất.
Hỗ trợ IIoT và Machine learning công nghiệp
Các ứng dụng IIoT và thuật toán machine learning là những công nghệ mới và đang phát triển đang được áp dụng vào các cơ sở sản xuất. Ngay cả với sự xuất hiện của những công nghệ mới này, PLC sẽ tiếp tục đóng vai trò thiết yếu như một bộ xử lý dữ liệu sản xuất theo thời gian thực.
Các thuật toán Machine learning công nghiệp hoạt động bằng cách tự cải thiện bản thân thông qua trải nghiệm. Để có được trải nghiệm cần thiết, các thuật toán học máy nghiên cứu dữ liệu sản xuất do PLC thu thập để tìm ra các mẫu, cho phép thuật toán đưa ra dự đoán và quyết định mà không cần phải lập trình trước. Kết quả là một hệ thống có thể cung cấp thông tin bảo trì dự đoán và thông tin hữu ích còn lại trong vòng đời để ngăn chặn thời gian ngừng hoạt động, đề xuất giải pháp cho các vấn đề có thể phát sinh và cải thiện kiểm soát chất lượng với những hiểu biết sâu sắc về sản xuất có thể hành động.
