Tủ điện PLC: Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng 

Chu Văn An

Trong bối cảnh Cách mạng công nghiệp 4.0, tự động hóa nổi lên như một động lực mạnh mẽ tạo nên sự thay đổi trong cách thức kiểm soát, tối ưu hóa quy trình sản xuất. Trong đó, tủ điện PLC được coi là trung tâm của sự chuyển đổi, cho phép doanh nghiệp tự động hóa quy trình vận hành, tăng năng suất lao động và tiến gần hơn đến mô hình nhà máy thông minh. Để tìm hiểu về cấu tạo, chức năng và ứng dụng của tủ điện PLC mời bạn đọc bài viết sau.

Khái niệm tủ điện PLC

Tủ điện PLC là tủ điều khiển điện chứa bộ điều khiển logic khả trình (Programmable Logic Controller – PLC) phục vụ cho việc quản lý, điều chỉnh, giám sát các quy trình công nghiệp khác nhau. Bằng việc kết hợp các ưu điểm của PLC, module I/O, giao diện người-máy HMI, cảm biến và các linh kiện khác, tủ điện PLC mang lại khả năng tự động hóa quy trình sản xuất – vận hành toàn bộ máy móc, thiết bị trong hệ thống với độ chính xác cao, trong thời gian ngắn.

So với các hệ thống điều khiển truyền thống sử dụng rơle và công tắc, tủ điện PLC có ưu điểm rất lớn về khả năng lập trình linh hoạt và khả năng mở rộng vượt trội. Thông qua bộ lập trình PLC, người vận hành có thể điều chỉnh toàn bộ hoạt động của hệ thống mà không cần can thiệp vào phần cứng. Tủ điện PLC còn có thể điều khiển từ xa hoặc mở rộng tùy theo nhu cầu. Điều này giúp dây chuyền sản xuất thích ứng nhanh với những thay đổi của cung cầu thị trường. Đặc biệt đối với các doanh nghiệp đang hướng tới tự động hóa toàn bộ quy trình sản xuất, tủ điện PLC chính là “chìa khóa” giúp giảm bớt lao động thủ công, tăng năng suất làm việc, hạn chế rủi ro và rút ngắn thời gian làm việc.

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tủ điện PLC

Cấu tạo của tủ PLC ảnh hưởng trực tiếp đến nguyên lý hoạt động của tủ.

Cấu tạo tủ điện PLC

• Vỏ tủ: Được làm từ thép tấm sơn tĩnh điện hoặc thép không gỉ cao cấp, có nhiệm vụ bảo vệ các bộ phận bên trong khỏi các tác động cơ học và các yếu tố môi trường (bụi, nhiệt độ, độ ẩm). Tùy theo môi trường lắp đặt mà tủ PLC sẽ được sản xuất theo cấp độ bảo vệ (IP) khác nhau.
• Bộ điều khiển trung tâm (PLC): Bộ phận xử lý tất cả các tín hiệu logic và truyền các lệnh điều khiển đến các thiết bị ngoại vi. Một PLC cơ bản sẽ bao gồm: CPU – bộ xử lý trung tâm; Mô-đun I/O – Cổng kết nối tín hiệu đầu vào từ các công tắc, cảm biến và gửi tín hiệu đầu ra đến thiết bị; Mô-đun nguồn – Cung cấp nguồn cho toàn bộ PLC; Module Truyền Thông – Hỗ trợ kết nối PLC với HMI, máy tính, SCADA hoặc các PLC khác.
• Thiết bị chuyển mạch: Bao gồm tất cả các loại cầu dao, cầu chì, rơle, thiết bị chống sét… giúp bảo vệ các thiết bị, hệ thống khỏi sự cố về điện.
• Thiết bị điều khiển và hiển thị: Bao gồm các nút ấn và công tắc để điều khiển bằng tay; Đèn báo hiển thị trạng thái vận hành và màn hình HMI để người vận hành vận hành cài đặt, theo dõi thông số và cảnh báo.
• Thiết bị phụ trợ: Bộ cấp nguồn – bộ chuyển đổi điện áp cho thiết bị; Hệ thống dây dẫn, đầu nối, máng cáp giúp dẫn điện và kết nối các thiết bị; Hệ thống làm mát có nhiệm vụ duy trì nhiệt độ ổn định cho tủ.

Nguyên lý hoạt động của tủ điện PLC

Chu trình quét là nguyên lý hoạt động cơ bản của tủ PLC. Chu kỳ này bao gồm 3 giai đoạn:

• Quét đầu vào – Đọc tín hiệu đầu vào: PLC nhận tất cả tín hiệu đầu vào từ cảm biến, nút bấm và công tắc.
• Thực thi chương trình – Thực hiện chương trình: Tín hiệu đầu vào từ các thiết bị ngoại vi sẽ được chuyển đến CPU để xử lý theo chương trình đã được lập trình sẵn.
• Quét đầu ra – Gửi tín hiệu đầu ra: Sau khi CPU xử lý xong chương trình, nó sẽ xuất tín hiệu ra tới các thiết bị điều hành như động cơ, máy bơm, quạt, băng tải, đèn báo,…

Quá trình này diễn ra liên tục, chỉ trong vài mili giây nên tủ PLC có khả năng đáp ứng ngay lập tức mọi thay đổi trong quy trình mà vẫn đảm bảo kết quả chính xác, gần như không có sai sót.

Chức năng và ứng dụng của tủ điện PLC

Chức năng chính của tủ điện PLC là điều khiển, giám sát quá trình sản xuất, vận hành của máy móc công nghiệp một cách tự động. Ngoài ra, loại tủ điện này còn đảm nhận một số chức năng như:

• Điều khiển logic: PLC cho phép thực hiện các chuỗi lệnh phức tạp theo thuật toán, giúp tăng độ chính xác và rút ngắn thời gian làm việc, hiệu quả hơn các hệ thống điều khiển cơ điện truyền thống.
• Kiểm soát đóng cửa: Dùng để tự động bật/tắt máy bơm, động cơ, mô tơ theo chương trình đã cài đặt.
• Kiểm soát đếm: Trong dây chuyền sản xuất, PLC cho phép khả năng đếm số lượng sản phẩm và đếm chính xác.
• Kiểm soát thời gian: Tủ PLC có thể điều khiển đóng mở theo thời gian thực, ví dụ như chạy tuần tự.
• Điều khiển PID: Khả năng điều khiển công suất cao bằng chuyển đổi tần số, chủ yếu được sử dụng trong xử lý nước và điều khiển động cơ. Tính năng này rất hữu ích cho các ngành công nghiệp hóa chất hoặc môi trường làm việc tiềm ẩn nguy hiểm như khu vực khai thác mỏ, hầm mỏ.
• Giám sát và thu thập dữ liệu: Thông qua màn hình cảm ứng và hệ thống SCADA, người vận hành có thể dễ dàng theo dõi các thông số hệ thống để phát hiện sớm những bất thường.

Với những chức năng như vậy, tủ điện PLC được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau của đời sống, đặc biệt là hệ thống điện thông minh, điển hình:

• Ngành thực phẩm và đồ uống: Kiểm soát dây chuyền chiết rót, đóng gói, bảo quản, làm sạch tự động và kiểm tra thành phẩm.
• Ngành dệt may: Điều khiển các hoạt động của máy dệt, in, nhuộm, cắt.
• Hoá học: Kiểm soát máy bơm, van, nhiệt độ, áp suất hoặc các quá trình sản xuất, trộn, đóng gói và làm sạch.
• Robot công nghiệp: Điều khiển chuyển động của robot và máy xử lý tự động.
• Hệ thống bơm nước: Luân phiên điều khiển máy bơm, điều chỉnh áp suất và nhiệt độ.
• Ngành năng lượng: Kiểm soát lưới điện, trạm biến áp và hệ thống năng lượng tái tạo.
• Ngành giao thông vận tải: Điều khiển đèn giao thông, chiếu sáng công cộng, hệ thống cầu trục, tời,…
• Hệ thống HVAC: Điều khiển hệ thống sưởi ấm, làm mát, thông gió, điều hòa không khí.
• Ngành nông nghiệp: Điều khiển hệ thống tưới tự động, hệ thống bón phân, chiếu sáng.

Lợi ích khi sử dụng tủ điện PLC

So với tủ điện rơle truyền thống, tủ điện PLC là sự lựa chọn ưu tiên cho các hệ thống điện đòi hỏi tính tự động hóa và độ chính xác cao nhờ sở hữu nhiều tính năng ưu việt sau:

• Độ tin cậy cao: Tủ điện PLC có khả năng hoạt động ổn định và duy trì độ chính xác trong nhiều điều kiện khác nhau, hạn chế tối đa sai sót so với thao tác thủ công.
• Cải thiện hiệu suất và năng suất làm việc: Tự động hóa là yếu tố then chốt giúp giảm thời gian lao động mà vẫn đáp ứng được yêu cầu công việc. Ngoài ra, tự động hóa còn đảm bảo tính đồng nhất trong tất cả các quy trình lặp lại.
• Tiết kiệm chi phí vận hành: Tự động hóa giúp giảm đáng kể chi phí nhân công trực tiếp, chi phí năng lượng, chi phí bảo trì và giám sát.
• Dễ dàng mở rộng: So với hệ thống rơle phức tạp, việc mở rộng hệ thống tủ điện PLC đơn giản hơn rất nhiều.
• Kiểm soát linh hoạt: Tủ PLC có thể được điều khiển thông qua màn hình cảm ứng hoặc từ xa nhờ tính năng kết nối với máy tính, HMI hoặc các PLC khác.
• Được đảm bảo an toàn: Tủ điện PLC có khả năng tự động dừng khẩn cấp, cảnh báo sự cố và nhiều tính năng bảo vệ an toàn điện khác. Ngoài ra, đây là giải pháp kiểm soát, giám sát tối ưu trong môi trường có hóa chất độc hại hoặc tiềm ẩn nguy hiểm, giúp giảm thiểu tai nạn lao động.
• Giám sát và thu thập dữ liệu hiệu quả: Ngoài chức năng giám sát, tủ PLC còn được sử dụng để thu thập dữ liệu phục vụ phân tích hiệu suất hệ thống và lên kế hoạch cải tạo, nâng cấp.

Một số câu hỏi thường gặp về tủ điện PLC

Câu hỏi 1: Tủ điện PLC sử dụng nguồn AC hay DC?

Hồi đáp: Trên thực tế, hầu hết các tủ PLC đều được thiết kế để hoạt động bằng nguồn DC. Tuy nhiên, PLC có khả năng giao tiếp với cả hệ thống AC và DC trong các ứng dụng tự động hóa. Loại tủ này có các module O/I có thể xử lý cả tín hiệu AC và DC, cho phép khả năng điều khiển các thiết bị hoạt động ở các mức điện áp khác nhau. Vì vậy, tủ điện PLC có thể hoạt động ở điện áp 220VAC/24VDC, sau đó xử lý và tạo ra các tín hiệu điện áp đầu ra phù hợp cho các bộ truyền động và các thiết bị trong hệ thống.

Câu 2: Bộ phận nào quan trọng nhất trong tủ điện PLC?

Hồi đáp: Bộ điều khiển trung tâm được coi là “bộ não” của tủ điện PLC, chịu trách nhiệm xử lý tín hiệu đầu vào và truyền tín hiệu đầu ra đến máy móc, thiết bị.

Câu 3: Tủ điện PLC khác với hệ thống rơle truyền thống như thế nào?

Hồi đáp: Sự khác biệt lớn nhất giữa hai loại tủ này nằm ở khả năng lập trình.

• Tủ điện PLC được lập trình bằng phần mềm và thuật toán nên có thể dễ dàng thay đổi chương trình cũng như có khả năng mở rộng linh hoạt.
• Hệ thống rơle sử dụng rơle, công tắc tơ và hệ thống dây điện phức tạp và cồng kềnh, gây khó khăn cho việc thay đổi chương trình sau khi cài đặt.

Câu 4: HMI trong tủ điện PLC là gì?

Hồi đáp: HMI (Human Machine Interface) là giao diện người-máy, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi các thông số cũng như điều khiển tủ điện thông qua màn hình/phần mềm cảm ứng.

Trên đây là những thông tin quan trọng liên quan đến tủ điện PLC. Nếu bạn muốn tìm hiểu thêm những kiến ​​thức khác về tủ điện vui lòng truy cập: https://etinco.vn/tin-tuc/kien-thuc/kien-thuc-tu-dien/