Mọi chương trình PLC đều dựa trên một khái niệm đơn giản: đưa ra quyết định dựa trên các điều kiện đúng hoặc sai. Dù là khởi động băng tải, dừng động cơ hay kích hoạt cảnh báo, bộ điều khiển đều đánh giá một tập hợp các quy tắc logic trước khi hành động. Những quy tắc này dựa trên logic Boolean, cùng các nguyên lý được sử dụng trong điện tử số và hệ thống máy tính.

Lập trình Sơ đồ khối hàm (FBD) cung cấp một phương thức trực quan để triển khai logic Boolean bên trong PLC. Thay vì dựa vào các ký hiệu điện, FBD sử dụng các khối liên kết với nhau để biểu diễn các phép toán logic. Cách tiếp cận này giúp dễ hình dung luồng tín hiệu và hiểu cách các đầu vào tác động đến đầu ra hơn.

Tìm hiểu về Sơ đồ khối hàm

Các kỹ sư thường so sánh Sơ đồ khối hàm với các mạch điện tử. Mỗi khối thực hiện một thao tác cụ thể, còn các đường nối truyền tín hiệu giữa các hàm. Đầu vào đi vào một phía của khối, logic được đánh giá, rồi đầu ra tạo thành được gửi đến hàm tiếp theo.

Hình 1. Mô hình đào tạo PLC nhỏ gọn dùng để học lập trình sơ đồ khối hàm.

Hình 1 minh họa một mô hình đào tạo PLC đơn giản. Mặc dù phần cứng nhỏ gọn, các khái niệm lập trình tương tự vẫn được áp dụng cho những hệ thống tự động hóa công nghiệp quy mô lớn dùng trong sản xuất, điều khiển quy trình và các ứng dụng vận chuyển vật liệu.

Trước khi tìm hiểu các cổng logic, sẽ hữu ích nếu nắm được chương trình FBD cơ bản nhất: kết nối trực tiếp một đầu vào với một đầu ra.

Hình 2. Sơ đồ khối hàm cơ bản kết nối trực tiếp các đầu vào PLC với các đầu ra.

Trong ví dụ này, PLC chỉ chuyển trạng thái của một thiết bị đầu vào sang đầu ra. Loại chương trình này thường được sử dụng trong quá trình chạy thử và khắc phục sự cố để xác minh rằng hệ thống dây dẫn hiện trường và các mô-đun I/O đang hoạt động chính xác.

Logic AND: Yêu cầu nhiều điều kiện

Cổng AND là một trong những hàm logic được sử dụng thường xuyên nhất trong tự động hóa công nghiệp. Hàm AND yêu cầu tất cả đầu vào phải ở trạng thái hoạt động trước khi đầu ra có thể được kích hoạt. Nếu bất kỳ đầu vào nào chuyển sang trạng thái không hoạt động, đầu ra sẽ tắt ngay lập tức.

Hình 3. Logic AND được thể hiện bằng sơ đồ thang, văn bản có cấu trúc và sơ đồ khối hàm.

Logic AND thường được sử dụng cho các liên động máy. Một động cơ băng tải có thể yêu cầu lệnh khởi động, mạch an toàn hoạt động tốt và xác nhận rằng thiết bị phía sau đã sẵn sàng. Cả ba điều kiện phải đúng trước khi PLC cho phép động cơ chạy.

Logic này giúp ngăn ngừa hư hỏng thiết bị và đảm bảo máy móc chỉ hoạt động khi các điều kiện an toàn được đáp ứng.

Logic OR: Chấp nhận các đầu vào thay thế

Không giống cổng AND, cổng OR chỉ yêu cầu một đầu vào hoạt động để đầu ra được kích hoạt. Các đầu vào hoạt động bổ sung không làm thay đổi kết quả vì đầu ra đã ở trạng thái đúng.

Hình 4. Logic OR được hiển thị bằng logic bậc thang và sơ đồ khối chức năng.

Logic OR xuất hiện thường xuyên trong các hệ thống cảnh báo. Cảnh báo máy có thể được kích hoạt khi xảy ra lỗi an toàn, bộ bảo vệ quá tải động cơ tác động hoặc phát hiện lỗi giao tiếp. Vì bất kỳ sự kiện nào trong số này cũng cần người vận hành chú ý, logic OR cung cấp một cách hiệu quả để kết hợp nhiều tình trạng lỗi.

Một ứng dụng phổ biến khác là khởi động máy. Người vận hành có thể khởi động thiết bị bằng nút nhấn cục bộ hoặc màn hình HMI. Cả hai lệnh đều được chấp nhận, nên logic OR là lựa chọn lý tưởng.

Logic NOT: Đảo một tín hiệu

Cổng NOT thực hiện một chức năng đơn giản nhưng quan trọng. Nó đảo trạng thái của tín hiệu. Nếu đầu vào là đúng, đầu ra sẽ trở thành sai. Nếu đầu vào là sai, đầu ra sẽ trở thành đúng.

Hình 5. Ví dụ minh họa logic OR cho một đầu ra và logic NOT cho một đầu ra khác.

Logic NOT được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng an toàn và giám sát lỗi. Các kỹ sư thường giám sát những tín hiệu cần duy trì ở trạng thái hoạt động trong quá trình vận hành bình thường. Nếu tín hiệu đột ngột biến mất, bộ điều khiển sẽ diễn giải thay đổi đó là một tình trạng lỗi.

Ví dụ, một rơ-le an toàn hoạt động bình thường có thể liên tục cung cấp tín hiệu trạng thái. Bằng cách sử dụng logic NOT, PLC có thể ngay lập tức nhận biết khi tín hiệu đó bị mất và dừng máy nếu cần.

Logic NAND: Đảo hàm AND

Logic NAND được tạo bằng cách đặt một bộ đảo ở đầu ra của cổng AND. Thay vì yêu cầu tất cả đầu vào bật đầu ra, logic NAND yêu cầu tất cả đầu vào tắt đầu ra.

Hình 6. Triển khai logic NAND bằng logic bậc thang và lập trình khối chức năng.

Logic NAND có thể khó hình dung đối với lập trình viên mới vì phép đảo xảy ra ở đầu ra thay vì các đầu vào. Hiểu được sự khác biệt này giúp tránh những lỗi thiết kế phổ biến khi chuyển đổi logic giữa sơ đồ bậc thang và sơ đồ khối chức năng.

Trong thực tế, logic NAND hữu ích bất cứ khi nào thiết bị cần duy trì hoạt động cho đến khi một tổ hợp điều kiện cụ thể xảy ra.

Logic NOR và các mạch an toàn

Logic NOR kết hợp hàm OR với đầu ra đảo. Đầu ra chỉ duy trì ở trạng thái hoạt động khi mọi đầu vào đều không hoạt động.

Hình 7. Logic NOR thường được sử dụng trong các mạch dừng khẩn cấp và mạch an toàn.

Hệ thống dừng khẩn cấp là một ví dụ thực tế. Trong điều kiện bình thường, tất cả các nút dừng khẩn cấp đều ở trạng thái nhả và mạch an toàn vẫn được cấp điện. Việc nhấn bất kỳ nút dừng khẩn cấp nào sẽ ngay lập tức ngắt mạch an toàn và cắt nguồn điện khỏi thiết bị nguy hiểm.

Triết lý thiết kế an toàn khi có sự cố này là nền tảng của các hệ thống an toàn máy móc hiện đại.

Logic XOR: Khi các đầu vào phải khác nhau

Cổng OR loại trừ, hay cổng XOR, hoạt động khác với logic OR tiêu chuẩn. Đầu ra chỉ được kích hoạt khi một đầu vào hoạt động và đầu vào còn lại không hoạt động.

Hình 8. Logic XOR minh họa các điều kiện đầu vào loại trừ trong một ứng dụng PLC.

Nếu cả hai đầu vào đều tắt, đầu ra vẫn tắt. Nếu cả hai đầu vào đều bật, đầu ra cũng vẫn tắt. Đầu ra chỉ được kích hoạt khi hai đầu vào khác nhau.

Logic XOR thường được sử dụng với công tắc chọn, mạch chọn chế độ và các cảm biến dự phòng. Ví dụ, một máy có thể được thiết kế để vận hành ở chế độ tự động hoặc chế độ thủ công, nhưng không bao giờ ở cả hai chế độ cùng lúc. Logic XOR có thể xác minh rằng chỉ một chế độ vận hành được chọn.

Tại sao logic Boolean quan trọng trong lập trình PLC

Mặc dù các hệ thống tự động hóa hiện đại ngày càng trở nên tinh vi, logic Boolean vẫn là nền tảng của mọi ứng dụng PLC. Các cổng logic cho phép bộ điều khiển đánh giá điều kiện vận hành, thực thi các yêu cầu an toàn, xử lý tín hiệu đầu vào từ cảm biến và điều khiển các đầu ra theo cách có thể dự đoán.

Lập trình bằng sơ đồ khối chức năng cung cấp hình ảnh trực quan rõ ràng về các mối quan hệ logic này. Bằng cách hiểu cách các hàm AND, OR, NOT, NAND, NOR và XOR hoạt động, các kỹ sư có thể tạo ra những hệ thống điều khiển đáng tin cậy hơn và khắc phục sự cố các chương trình hiện có hiệu quả hơn.

Cho dù bạn đang làm việc trên một máy độc lập nhỏ hay một dự án tự động hóa công nghiệp quy mô lớn, việc thành thạo logic Boolean là một trong những kỹ năng giá trị nhất khi lập trình PLC.