Một sự thành công Hệ thống điều khiển plc thiết kế bắt đầu với các mục tiêu tự động hóa được xác định rõ ràng, phù hợp với các chỉ tiêu sản xuất. Phân tích ngành cho thấy 62% sự cố tự động hóa bắt nguồn từ việc không lập tài liệu mục tiêu một cách rõ ràng. Để ngăn chặn điều này, các nhóm nên:
Các mục tiêu đo lường được này đảm bảo hệ thống điều khiển hỗ trợ hiệu quả hoạt động và khả năng mở rộng lâu dài.
Việc lập bản đồ I/O hiệu quả đòi hỏi phải phân biệt giữa tín hiệu số (bật/tắt) và tín hiệu tương tự (biến đổi). Các thiết bị trường phổ biến bao gồm:
Việc chọn loại I/O chính xác đảm bảo diễn giải tín hiệu chính xác và phản hồi bộ chấp hành đáng tin cậy trong các điều kiện vận hành thay đổi.
Các hệ thống PLC nói chung phụ thuộc vào ba bộ phận chính hoạt động cùng nhau. Nằm ở trung tâm của toàn bộ hệ thống là Bộ xử lý Trung tâm, hay còn gọi tắt là CPU. Thành phần này thực hiện chạy các chương trình điều khiển và xử lý tất cả các nhiệm vụ mạng trong hệ thống. Tiếp theo là các mô-đun Nhập/Xuất. Những bộ phận làm việc chăm chỉ này nhận tín hiệu từ các cảm biến nhiệt độ, đồng hồ đo áp suất và các thiết bị trường khác, sau đó chuyển chúng thành dạng mà máy tính có thể hiểu được. Chúng cũng thực hiện công việc ngược lại, gửi các xung điện để khởi động động cơ, mở van hoặc kích hoạt báo động dựa trên chỉ thị từ CPU. Cuối cùng nhưng không kém phần quan trọng là khối nguồn. Hầu hết các hệ thống công nghiệp cần nguồn điện một chiều ổn định 24 volt để duy trì hoạt động trơn tru. Các khối nguồn chất lượng tốt thường được trang bị mạch dự phòng để tránh ngưng hoạt động khi xảy ra sụt áp bất ngờ trong các nhà máy nơi các thiết bị lớn liên tục bật tắt gần đó.
| Cấu hình | Tốt nhất cho | Lợi thế chính |
|---|---|---|
| PLC cố định | Quá trình đơn giản, tĩnh | Được cấu hình sẵn, hiệu quả về chi phí |
| PLC dạng mô-đun | Hoạt động có thể mở rộng | Cổng vào/ra tùy chỉnh thông qua thẻ bổ sung |
| PLC lắp trên giá đỡ | Tự động hóa quy mô lớn | Kiến trúc điều khiển tập trung |
Việc lựa chọn cấu hình phù hợp phụ thuộc vào độ phức tạp của quá trình, kế hoạch mở rộng và các giới hạn về mặt vật lý.
Khi nói đến PLC dạng mô-đun, những thiết bị này có thể xử lý tới 64 bộ mở rộng I/O trong các cấu hình cao cấp nhất, điều này khiến chúng gần như lý tưởng cho các hệ thống phát triển theo thời gian. Ngược lại, PLC cố định giúp giảm chi phí ban đầu khoảng 30 đến thậm chí 45 phần trăm đối với các hệ thống nhỏ hơn, nhưng một khi đã lắp đặt thì sẽ không còn khả năng mở rộng khi cần thiết. Không gian cũng rất quan trọng. Theo đa số thợ lắp đặt mà chúng tôi đã trao đổi, các hệ thống gắn trên giá đỡ chiếm diện tích gấp khoảng hai lần so với các lựa chọn nhỏ gọn trong tủ điều khiển. Nhưng điểm mấu chốt là: mặc dù tốn nhiều chỗ hơn, các bộ phận gắn trên giá lại giúp việc bảo trì dễ dàng hơn rất nhiều vì mọi thứ được bố trí tập trung, và kỹ thuật viên có thể tiếp cận các thành phần mà không cần phải tháo dỡ tường hay tủ chỉ để sửa một chi tiết nhỏ.
Một nhà sản xuất phụ tùng ô tô lớn đã bắt đầu sử dụng các hệ thống PLC mô-đun trên dây chuyền sản xuất pin xe điện của họ vào năm ngoái. Cách bố trí này cho phép họ từng bước tích hợp robot hàn laser và các cảm biến kiểm tra chất lượng thông minh trong khoảng ba năm, đồng thời vẫn duy trì hoạt động bình thường của nhà máy. Thay vì tháo dỡ toàn bộ các hệ thống cũ, cách tiếp cận này đã giúp giảm chi phí tái trang bị gần một nửa theo báo cáo nội bộ. Chỉ riêng khoản tiết kiệm này đã cho thấy rõ lý do tại sao các giải pháp phần cứng linh hoạt đang ngày càng trở nên quan trọng trong môi trường sản xuất công nghệ cao hiện nay.
Lập trình Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) về cơ bản là chuyển đổi những gì máy móc cần làm thành các chỉ thị cụ thể mà chúng có thể thực hiện được. Hệ thống thu thập thông tin từ các cảm biến theo thời gian thực, ví dụ như nhiệt độ của một vật đang tăng lên hoặc một công tắc cụ thể đã được bật hay chưa, sau đó đưa ra quyết định về hành động tiếp theo cần thực hiện. Ví dụ như động cơ được bật khi cần thiết hoặc van đóng lại đúng thời điểm. Các kỹ sư sử dụng các phần mềm chuyên dụng để xây dựng các hệ thống điều khiển này theo yêu cầu của nhà máy. Một số hệ thống tập trung vào việc đảm bảo sản phẩm di chuyển qua dây chuyền đóng gói nhanh nhất có thể, trong khi những hệ thống khác đòi hỏi độ chính xác cao cho các nhiệm vụ như lắp ráp các bộ phận ô tô, nơi mà ngay cả những sai sót nhỏ cũng rất quan trọng.
Việc lựa chọn ngôn ngữ lập trình ảnh hưởng đến tốc độ phát triển, tính linh hoạt và mức độ dễ dàng khi bảo trì:
Việc lựa chọn ngôn ngữ cần phù hợp với chuyên môn của nhóm và mức độ phức tạp của ứng dụng.
Tất cả các PLC đều hoạt động thông qua một chu kỳ quét liên tục:
Tối ưu hóa thời gian quét—thường được giảm xuống mức miligiây trong các hệ thống tốc độ cao—đảm bảo điều khiển phản hồi nhanh và mang tính xác định, giảm thiểu độ trễ trong các môi trường sản xuất diễn ra nhanh.
Việc triển khai tích hợp I/O hiệu quả thực sự phụ thuộc vào cách bố trí dây dẫn ngay từ đầu. Các module analog xử lý các tín hiệu biến đổi đầu vào từ những thiết bị như cặp nhiệt điện, trong khi các module kỹ thuật số kết nối với nhiều loại cảm biến bật/tắt, bao gồm cả những công tắc giới hạn mà chúng ta thấy ở khắp mọi nơi. Khi nói đến việc chống lại nhiễu điện từ, cáp xoắn đôi có chắn sẽ phát huy hiệu quả tốt nhất khi được sử dụng kèm với giải pháp cách ly galvanic. Theo báo cáo phân tích ngành công nghiệp năm ngoái, khoảng 17 phần trăm các sự cố tín hiệu trong nhà máy bắt nguồn từ vấn đề EMI. Đừng quên cả bộ bảo vệ quá áp – chúng rất cần thiết để bảo vệ các thành phần PLC quý giá khỏi các xung điện bất ngờ và những sự cố ngắn mạch nghiêm trọng có thể làm tê liệt hoạt động sản xuất.
Các thiết bị tại hiện trường như cảm biến quang điện, van solenoid và các bộ biến tần (VFD) được kết nối với PLC thông qua các module I/O. Các nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng khoảng 74 phần trăm sự cố trong các hệ thống tự động hóa bắt nguồn từ việc phối hợp sai giữa cảm biến và cơ cấu chấp hành, điều này có nghĩa là việc kiểm tra tính tương thích giữa các thành phần rất quan trọng. Ví dụ, các bộ chuyển đổi áp suất thường cần được nối vào module đầu vào analog được cấu hình cho vòng dòng khi xử lý tín hiệu từ 4 đến 20 mA. Trong khi đó, hầu hết các cảm biến tiệm cận cảm ứng chỉ cần cắm vào các đầu vào số tiêu chuẩn 24V DC. Việc kết nối chính xác các tín hiệu này tạo nên sự khác biệt lớn về độ tin cậy của hệ thống.
Khi tín hiệu bắt đầu hoạt động, việc không được nối đất thường là đầu tiên trong danh sách những gì không ổn. Phương pháp điểm sao làm việc kỳ diệu ở đây vì tất cả những cáp được bảo vệ đó chỉ kết nối với một điểm trên khung thay vì chạy qua nhiều điểm như trong các thiết lập xích chuỗi hoa ngọc. Theo tạp chí Tự động hóa công nghiệp năm ngoái, cách tiếp cận này cắt giảm các vấn đề vòng tròn đất khoảng hai phần ba! Đối với những nơi có rất nhiều tiếng ồn điện nổi xung quanh, chuyển sang kết nối sợi quang giữa các đơn vị đầu vào / đầu ra xa đó và đơn vị xử lý chính thực sự giúp giữ cho mọi thứ sạch sẽ. Và đừng quên thêm những vòng từ nhỏ gọi là lõi ferrite vào dây Ethernet. Thêm vào đó, tách các đường dây điện từ dây dẫn điện vào các đường dẫn khác nhau tạo ra sự khác biệt lớn khi cố gắng duy trì giao tiếp đáng tin cậy trong các hệ thống phức tạp.
Theo Automation World từ năm ngoái, việc kiểm tra kỹ lưỡng có thể giảm khoảng hai phần ba các vấn đề triển khai trong môi trường công nghiệp. Khi nói đến việc triển khai thực tế, mô phỏng vòng lặp phần cứng rất hiệu quả trong việc kiểm tra hiệu suất của các hệ thống điều khiển khi đối mặt với các điều kiện thực tế. Trong khi đó, các phương pháp chẩn đoán khác nhau như ép trạng thái đầu vào/đầu ra hoặc thiết lập điểm ngắt có thể phát hiện những sự cố về thời gian khó chịu thường bị bỏ qua. Lấy ví dụ các dây chuyền sản xuất ô tô: nhiều công ty xe hơi thực sự sẽ kiểm tra hàng trăm tình huống lỗi khác nhau trước khi cân nhắc đưa các trạm hàn robot vào hoạt động sản xuất chính thức. Cách tiếp cận này giúp phát hiện gần như mọi sự cố có thể xảy ra từ trước.
Các cơ sở hoạt động ở khu vực có nguy cơ cao như các nhà máy xử lý hóa chất cần đáp ứng tiêu chuẩn SIL 3 về độ toàn vẹn an toàn. Điều này thường bao gồm việc thiết lập các hệ thống với bộ xử lý dự phòng cùng với cấu hình đầu vào/đầu ra hai kênh. Lấy ví dụ một cơ sở sản xuất thép từng gặp sự cố nghiêm trọng do hệ thống băng tải bị kẹt. Hệ thống dừng khẩn cấp đã được kích hoạt gần như tức thì, làm dừng mọi bộ phận chuyển động trong vòng chỉ 12 mili giây. Phản ứng nhanh chóng này đã giúp họ tránh được thiệt hại thiết bị trị giá khoảng 2,1 triệu đô la Mỹ. Khi nói đến các giao thức an toàn, việc tuân thủ cả hướng dẫn ISO 13849 và IEC 62061 là điều thiết yếu. Quan trọng nhất, các quy trình tắt khẩn cấp then chốt phải hoạt động đủ nhanh để phản ứng với các tình huống nguy hiểm trong thời gian tối đa dưới 100 mili giây.
| Giao thức | Tốc độ | Topology | Ứng dụng Công nghiệp |
|---|---|---|---|
| Modbus RTU | 19,2 kbps | Chủ-Thợ | HVAC, mạng cảm biến cũ |
| PROFIBUS DP | 12 Mbps | Đường thẳng | Điều khiển động cơ, van quy trình |
| EtherNet/IP | 100 Mbps | Sao | Hệ thống thị giác, tích hợp MES |
Mỗi giao thức đưa ra các điểm đánh đổi về tốc độ, cấu trúc mạng và khả năng tương thích, ảnh hưởng đến mức độ phù hợp với các ứng dụng cụ thể.
Khi công nghệ vận hành được kết nối với các hệ thống CNTT, điều này mở ra những khả năng mới cho việc bảo trì dự đoán thông qua luồng dữ liệu PLC liên tục được truyền vào các nền tảng phân tích đám mây. Một đánh giá gần đây về hoạt động nhà máy đã chỉ ra một điều khá ấn tượng – các nhà máy có mạng lưới tích hợp đã phát hiện lỗi nhanh hơn 89 phần trăm khi áp dụng trí tuệ nhân tạo vào các quy trình chẩn đoán theo thời gian thực, theo nghiên cứu từ năm ngoái. Tuy nhiên, việc thiết lập đúng cách không hề đơn giản. Bảo mật vẫn là mối quan tâm lớn, do đó hầu hết các triển khai cần các đường hầm mạng riêng ảo được mã hóa, kiểm soát truy cập dựa trên vai trò người dùng, cùng với các cổng OPC UA cho phép kỹ sư giám sát từ xa mà không làm ảnh hưởng đến độ ổn định của toàn bộ mạng. Những biện pháp bảo mật này có thể dường như là công việc thêm, nhưng lại rất cần thiết để bảo vệ dữ liệu công nghiệp nhạy cảm.
Các thành phần chính của hệ thống điều khiển PLC bao gồm Đơn vị xử lý trung tâm (CPU), các mô-đun Nhập/Xuất (I/O) và một đơn vị nguồn điện.
Có ba loại chính của PLC: PLC cố định, PLC mô-đun và PLC gắn trên giá đỡ, mỗi loại phù hợp với các quy mô và mức độ phức tạp khác nhau của hoạt động.
Ladder Logic thường được sử dụng vì nó giống với các mạch rơ-le truyền thống, làm cho nó trở nên trực quan đối với kỹ thuật viên điện và bảo trì.
Chu kỳ quét PLC bao gồm ba giai đoạn: Quét đầu vào, Thực thi logic và Cập nhật đầu ra, tất cả nhằm đảm bảo xử lý và điều khiển hiệu quả.
Bảo vệ EMI rất quan trọng trong tích hợp I/O vì nó ngăn chặn nhiễu điện từ có thể gây ra các vấn đề tín hiệu nghiêm trọng trong các hệ thống tự động hóa.
Bản quyền © 2024 thuộc về Shenzhen QIDA electronic CO.,ltd
EN