12-09-2025
Bộ lập trình PLC: Cấu tạo, ứng dụng và hướng dẫn chọn
PLC ra đời đánh dấu cột mốc lớn trong nền công nghiệp hiện đại, thay đổi hoàn toàn hệ thống điều khiển theo hướng tăng cường tính tự động hóa. Trong bài viết sau đây, hãy cùng BTB Electric tìm hiểu về cấu tạo, tính năng, cách PLC hoạt động và vai trò của bộ lập trình này trong các ngành công nghiệp hiện đại.
PLC là gì?
PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển được lập trình sẵn, cho phép người vận hành linh hoạt sử dụng các thuật toán điều khiển logic qua ngôn ngữ lập trình.
PLC có thể thực hiện được hàng loạt các sự kiện được lập trình – có thể được kích hoạt bởi tác nhân kích thích tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động trễ. PLC tiến hành quét các tín hiệu Input/Output, sau đó chuyển đổi các tín hiệu đã nhận thành những dòng lệnh điều khiển đến cho hệ thống máy móc phía sau. Ngoài ra PLC có thể thay thế được các mạch relay.
Các thương hiệu sản xuất PLC nổi tiếng hiện nay gồm ABB, INVT, Siemens, Mitsubishi,… Mỗi hãng lại có các ngôn ngữ lập trình PLC riêng như Ladder, Step Ladder, State Logic,… Mỗi dòng PLC ngoài các đặc điểm cơ bản sẽ có ưu và nhược điểm khác nhau, tương thích với từng ứng dụng và yêu cầu kỹ thuật từ phía vận hành.
Sự phát triển vượt bậc của công nghệ phần cứng và phần mềm đã giúp PLC được tối ưu hóa cả về kích thước lẫn hiệu năng, cho phép ứng dụng sâu trong các bài toán điều khiển phức tạp. Ngày nay PLC được ví như “trái tim” của hệ thống tự động hóa, là thiết bị quan trọng nhất trong tủ điện PLC với khả năng điều khiển, tự động hóa hoạt động dây chuyền sản xuất.
Cấu tạo bộ lập trình PLC
Thành phần cấu tạo chính của bộ lập trình PLC gồm: RAM trong (có thể mở rộng thêm bộ nhớ ngoài EPROM); các module Input/Output; bộ vi xử lý trung tâm CPU có cổng giao tiếp ghép nối với PLC. Bên cạnh đó, bộ PLC hoàn chỉnh kết hợp thêm đơn vị lập trình bằng tay hoặc máy tính.
Nếu lập trình bằng tay thì RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng, bộ nhớ PLC chỉ được sử dụng khi nào chương trình đã được kiểm tra và sẵn sàng sử dụng. Ngoài ra, PLC còn chứa một số bộ phận khác:
- Cổng kết nối với máy tính qua chuẩn giao tiếp RS232, RS422 hay RS485,…
- Cổng truyền thông (đa phần là Modbus RTU), có thể tích hợp thêm các chuẩn truyền thông khác như Profibus, Profinet, CANopen, EtherCAT,… tùy hãng sản xuất.
Nguyên lý hoạt động của PLC
Bên trong PLC, bộ điều khiển trung tâm CPU đảm nhận việc điều khiển toàn bộ hoạt động. Đồng nghĩa khả năng xử lý thông tin của CPU quyết định phần lớn khả năng của PLC. Các chương trình điều khiển được lưu trữ trên bộ nhớ RAM và EPROM. CPU quét các chương trình trên bộ nhớ và thực hiện tuần tự. Bên cạnh đó, PLC sử dụng pin dự phòng để bảo vệ chương trình đang chạy nếu có sự cố về điện.
Hệ thống truyền tín hiệu (bus) bao gồm nhiều đường tín hiệu song song:
- Address Bus: Dùng để truyền địa chỉ đến các Module khác nhau, gồm 8 đường.
- Data Bus: Dùng để truyền dữ liệu, gồm 8 đường.
- Control Bus: Dùng để truyền các tín hiệu định thì và điều khiển đồng bộ các hoạt động của PLC.
Nếu một module đầu vào nhận được địa chỉ trên Address Bus, module sẽ chuyển tất cả trạng thái đầu vào sang Data Bus. Nếu một địa chỉ byte của 8 đầu ra xuất hiện trên Address Bus, Data Bus sẽ cấp dữ liệu cho module đầu ra tương ứng. Tiếp đó, Control Bus sẽ chuyển các tín hiệu điều khiển theo dõi chu trình hoạt động của PLC.
Chức năng của PLC trong sản xuất
PLC đóng vai trò then chốt trong tự động hóa ngành công nghiệp sản xuất, đặc biệt khi các nhà máy cần giải pháp tích hợp giữa phần cứng và phần mềm.
- Tự động hóa quy trình: PLC thực hiện điều khiển tự động bằng cách xử lý tín hiệu từ thiết bị đầu vào (cảm biến, công tắc, nhiệt kế, rơ le) và gửi lệnh tới thiết bị đầu ra (van, động cơ, màn hình HMI). Ví dụ, khi cảm biến phát hiện áp suất cao, PLC sẽ điều khiển van mở để giảm áp suất hoặc điều chỉnh băng tải, nhiệt độ theo yêu cầu.
- Kết hợp SCADA giám sát và thu thập dữ liệu: PLC kết hợp với hệ thống SCADA hoặc MMS để thu thập dữ liệu sản xuất và cung cấp thông tin trực quan như báo cáo sản xuất, xu hướng hoạt động, cảnh báo sự cố hay chỉ số OEE. Thông tin được trực qua hóa giúp nhà quản lý phân tích hiệu suất nhà máy và tối ưu hóa quy trình dựa trên dữ liệu thời gian thực, kiểm soát và xử lý các sự cố.
- Ứng dụng IIoT và Machine Learning: Trong kỷ nguyên IIoT và trí tuệ nhân tạo, PLC sẽ vẫn là bộ xử lý dữ liệu sản xuất cốt lõi. Dữ liệu từ PLC được sử dụng để huấn luyện các thuật toán Machine Learning qua việc tự học và dự đoán các tình huống sản xuất mà không cần lập trình trước. PLC là cơ sở để Machine Learning phát triển và dần thay thế chính phương thức điều khiển này.
So sánh điều khiển bằng PLC và rơ le
Trước khi bộ điều khiển PLC được phát minh, rơ le bảo vệ thường được sử dụng để điều khiển thiết bị. Tuy vậy, bảng điều khiển rơ le cần được bảo trì thường xuyên, tiêu tốn nhiều điện năng. Thậm chí khi gặp sự cố trên rơ le, cần rất nhiều công sức và thời gian để tìm ra nguyên nhân vì rơ le có rất nhiều dây điện và điểm nối.
Những ưu điểm
PLC có một số ưu điểm của so với hệ thống điều khiển Rơle:
- Dễ lắp đặt và bảo trì hơn (có ít dây hơn so với hệ thống điều khiển bằng rơ le và các chương trình đều là phần mềm dễ dàng tải lên/tải xuống.).
- Kết cấu gọn nhẹ, ít dây và điểm kết nối.
- Dễ dàng lập trình và sửa đổi logic ngoại tuyến/trực tuyến (không cần thay đổi dây hay đầu cắm PLC tương ứng khi sửa đổi).
- Khắc phục sự cố dễ dàng và nhanh bằng cách theo dõi trạng thái chương trình thông qua phần mềm lập trình.
- Tốc độ hoạt động nhanh (tính bằng ms).
- Hỗ trợ các chuẩn truyền thông công nghiệp, tăng tính kết nối với hệ thống điều khiển thông minh, tự động hóa.
Những nhược điểm
Do có đặc trưng là tính hiện đại và thông minh, PLC đồng thời mang nhiều nhược điểm khác để bù đắp lại:
- Chi phí lắp đặt ban đầu cao hơn đáng kể.
- Chi phí mua phần mềm lập trình riêng tùy thuộc hãng sản xuất.
- Hoạt động kém hiệu quả hơn và bị rung lắc khi đặt trong môi trường chất lượng kém, dễ bị tác động vật lý hoặc nhiệt độ, độ ẩm không đảm bảo.
- Người vận hành cần có kiến thức vững chắc về PLC và lập trình PLC.
Ứng dụng của bộ lập trình PLC
Trong bối cảnh cách mạng công nghiệp 4.0 tiệm cận 5.0 và xu hướng hiện đại hóa, PLC đã trở thành một thành phần không thể thiếu trong các hệ thống điều khiển tự động hóa. Thiết bị này không chỉ đảm nhiệm vai trò điều khiển logic tốc độ cao mà còn tích hợp khả năng truyền thông dữ liệu giữa các thiết bị điều khiển trong mạng lưới khép kín, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của nhiều ngành công nghiệp.
PLC thực hiện thu thập và xử lý tín hiệu từ các cảm biến trên dây chuyền sản xuất, đưa ra lệnh điều khiển chính xác tới các cơ cấu chấp hành như robot, băng chuyền. Ngoài ra, PLC giám sát trạng thái hoạt động của toàn bộ thiết bị phía sau, dự đoán lỗi kỹ thuật và cung cấp dữ liệu phân tích để tối ưu hóa quy trình bảo trì và vận hành.
PLC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, từ máy in, máy cắt tốc độ cao, máy đóng gói đến hệ thống bơm nước, hệ thống đóng gói, hệ thống điện,… Đặc biệt, trong các bài toán yêu cầu độ chính xác và tốc độ cao, PLC chứng minh vai trò quan trọng thông qua khả năng kiểm soát chặt chẽ quy trình sản xuất, giám sát chất lượng sản phẩm và tự động hóa các công đoạn phức tạp. Không khó để bắt gặp PLC được tích hợp trong hệ thống điều khiển của các nhà máy công nghiệp nặng, thực phẩm, dược hóa phẩm, hóa chất, sản xuất điện tử, may mặc và các ngành công nghiệp nhẹ khác.
Những lưu ý khi chọn bộ PLC
Việc lựa chọn PLC sao cho phù hợp được doanh nghiệp chú tâm khi thay thế hoặc lắp đặt mới hệ thống điều khiển. Dưới đây là các tiêu chí cần xem xét:
- Mục đích sử dụng: Nếu thay thế hoặc dự phòng, dùng đúng bản PLC cũ hoặc bản nâng cấp. Đối với trường hợp dự phòng, phải sao chép chương trình từ thiết bị cũ và tích hợp vào hệ thống trước khi vận hành.
- Hệ thống: Khi lắp mới, cần xác định số lượng ngõ vào/ra để lựa chọn module mở rộng và CPU phù hợp. Với hệ thống kết nối HMI, doanh nghiệp nên chọn PLC hỗ trợ giao tiếp truyền thông và đảm bảo dung lượng bộ nhớ đáp ứng yêu cầu.
- Yêu cầu về điện: Công suất cấp cho hệ thống điều khiển, điện áp đầu vào và điện áp/dòng điện đầu ra.
- Tốc độ hoạt động: Dựa theo khả năng hoạt động, chu trình hoạt động của máy móc và hệ thống có cần đếm xung encoder/lưu lượng kế và phản hồi nhanh không?
- Giao diện điều hành: Giao diện truyền thống (gồm nút bấm, đèn báo, màn hình LED,..) hoặc giao diện điện tử (cảnh báo bằng văn bản, theo dõi số liệu và hỗ trợ nhập liệu).
Tìm hiểu thêm về các phương thức điều khiển hệ thống khác tại: https://btb-electric.com/vi/tin-tuc/kien-thuc-nganh/kien-thuc-tu-dien/
