12.    An toàn trong  PLC

12.1    Khái niệm và mục đích

An toàn của một thiết bị điện không chỉ chú ý đối với PLC mà còn chú ý đến tổng thể các hoạt động bên ngoài máy móc và thiết bị. Sự an toàn của một trang bị điện phải được thực hiện không phụ thuộc vào loại điều khiển, ví dụ điều khiển bằng contactor hay PLC.

Khái niệm an toàn được hiểu theo nghĩa khả năng của một hệ thống có tác dụng trong một giới hạn cho trước trong một khoảng thời gian xác định mà không có nguy hiểm xảy ra. An toàn chỉ có thể đạt được trong khoảng giới hạn cho trước. Các giới hạn này thuộc về các điều kiện môi trường như:

• Nhiệt độ
• Độ ẩm
• Sự tác động cơ khí
• Bảo dưỡng đúng
• Sử dụng đúng
• Thời gian hoạt động Mục đích của an toàn là:
• Không gây nguy hiểm đến tính mạng và sức khỏe con người
• Bảo đảm cho máy móc, thiết bị trước các sự cố đáng tiếc
• Bình thường trong các trường hợp lỗi

12.2    Hư hỏng ở PLC

Trong thực tế chỉ ra rằng 95% tất cả các hư hỏng là do thiết bị ngoại

6. Các hư hỏng có thể là:
   • Đứt dây dẫn đến thiết bị hay khâu điều chỉnh
   • Các hư hỏng ở cơ cấu chấp hành như nút nhấn, công tắc, công tắc hành trình.
   • Hư hỏng ở khâu điều chỉnh.

Còn đối với hư hỏng do PLC gây ra thì vào khoảng 5%. Hầu hết là do các khối vào/ra, bộ xử lý trung tâm hay nguồn cung cấp.

Hư hỏng ở các thiết bị điều khiển được phân bố như sau:

Các lỗi ngoại vi có thể nhận biết, nếu:Từ sơ đồ trên, ta có thể phán đoán được các lỗi xuất hiện ở đâu để tìm lỗi ở thiết bị ngoại vi hay ở PLC.

• • Tất cả các ngõ vào/ra của PLC có LED hiển thị
  • Với sự giúp đỡ của thiết bị lập trình (đặt ở chế độ Online)
  • Nếu các thông báo lỗi có thể được thực hiện với phần mềm
• Các lỗi ở PLC có thể được nhận biết nếu các trạng thái bên trong hệ thống được chỉ thị với các LED báo trạng thái, ví dụ như:
• Giám sát chương trình điều khiển, điều khiển chu kỳ
• Kiểm tra nguồn cung cấp
• Giám sát nhiệt độ

–    . . . .

Bên cạnh đó các lỗi cũng có thể được in ra ở dạng văn bản để dễ tìm lỗi.

12.3  Các quan điểm về kỹ thuật an toàn ở PLC

12.3.1   Các lỗi nguy hiểm và không nguy hiểm

Các lỗi có thể xuất hiện trong điều khiển ở một vị trí bất kỳ. Khi một lỗi xuất hiện, nó có thể là lỗi nguy hiểm hay không nguy hiểm tùy thuộc vào ảnh hưởng nào mà nó gây ra đối với trạng thái tín hiệu thực hiện

• Các lỗi nguy hiểm được xem là nguy hiểm, nếu:
  • Gây hại đến sự an toàn cho con người và máy móc, thiết bị
  • Các lỗi này cần phải được ngăn ngừa
  • Tác dụng của nó phải được ngăn ngừa đối với hoạt động an toàn của thiết bị.
• Các lỗi không nguy hiểm, nếu:

• Không tác hại đến sự an toàn
• Nó có thể được xử lý, ví dụ với các ngắt báo lỗi
• Cắt truyền động.

Các lỗi nguy hiểm và không nguy hiểm có thể xuất hiện là lỗi tích cực (tín hiệu “1” ở ngõ ra, đáng lẽ ra nó phải là “0”) hoặc lỗi không tích cực (tín hiệu  “0” ở ngõ ra, đáng lẽ ra nó phải là “1”).

12.3.2   Cách giải quyết cho hoạt động an toàn của thiết bị điều khiển PLC

Không có một giải pháp kỹ thuật an toàn nào có giá trị chung cho tất cả các vấn đề điều khiển, vì mỗi sự điều khiển có đặc điểm riêng, điều kiện công nghệ, trình tự hoạt động, qui luật và điều kiện môi trường. Từ đó, đối với mỗi thiết bị phải được quyết định lấy phương pháp kỹ thuật an toàn nào để tránh được các sự cố đáng tiếc cho người và máy móc. Hiện tại vẫn chưa có giải đáp thõa mãn về phần cứng và phần mềm cho vấn đề an toàn.

Các nhà chế tạo PLC đã đưa vào các chức năng an toàn của thiết bị điều khiển PLC. Chúng giúp cho người dùng tránh được tình trạng đứng máy của thiết bị tự động để thực hiện có chất lượng và hiệu quả cao.

Có thể tóm tắt các cách giải quyết cho hoạt động an toàn như sau:

• Cấu trúc PLC an toàn
• Thiết bị giám sát bên trong hệ thống của PLC (giám sát hoạt động chương trình (watch-dog), phương pháp đánh dấu kiểm tra).
• Thiết kế đúng (sự đóng mạch lại, dừng khẩn cấp, thời gian giám sát, dự phòng …)
• Lập trình an toàn khi đứt dây
• Các mạch an toàn cao
• Lắp mạch bảo vệ các ngõ ra

• Các mạch an toàn cao

Các mạch an toàn cao là các thiết bị điều khiển phụ được thực hiện ở ngõ ra của PLC cho chức năng an toàn. Các thiết bị điều khiển này đảm nhận chức năng an toàn riêng cho thiết bị điều khiển

–      Các “khóa”

Các khóa cần thiết để tránh các trạng thái đóng mạch không mong muốn. Có các loại “khóa” cứng khác nhau sau:

* Khóa 2 ngõ vào (hình 12.10)

Trường hợp này chỉ sử dụng đối với các mạch điều khiển động cơ quay phải, trái dùng contactor. Còn trong PLC không bắt buộc.

Khóa ngõ ra (hình 12.11)

Ở đây các ngõ ra được khóa chéo lẫn nhau sử dụng tiếp điểm thường đóng. Điều này tránh cho các contactor điều khiển động cơ quay phải và quay trái đóng cùng lúc.

Loại khoá này ở PLC là loại khóa được chỉ định bắt buộc, vì hiện tượng dính tiếp điểm của contactor và lỗi lập trình gây ra.

– Công tắc bảo vệ động cơ

Công tắc bảo vệ động cơ là một công tắc 3 cực bảo vệ quá tải cho động cơ. Chúng được lắp đặt trực tiếp vào mạch điện chính của động cơ được điều khiển. Tín hiệu hồi tiếp về của công tắc bảo vệ động cơ được nối vào ngõ vào của PLC.

– Công tắc dừng khẩn cấp

Công tắc dừng cấp phải được tách ra khỏi khâu truyền động và thiết bị điều chỉnh. Thông qua tác dụng của nó có thể tránh được sự nguy hiểm cho người và thiết bị.

Tất cả các thiết bị cảnh báo không được phép tắt khi có sự tác động bởi nút dừng khẩn cấp. Chúng giúp cho biết trạng thái sự cố xảy ra.

Hình vẽ dưới đây ví dụ một mạch “DỪNG KHẨN CẤP”.

Các contactor K1, K2 là các khâu không nguy hiểm vì vậy không cần thiết phải cắt mạch bằng nút dừng khẩn cấp S9. Các đèn H1, H2 là các thiết bị cảnh báo. Các contactor K3, K4 dùng để điều khiển các động cơ, đây là khâu nguy hiểm nên nhất thiết phải bị cắt điện nếu nút dừng khẩn cấp S9 được ấn. Khi nút dừng khẩn cấp S9 được tác động thì các contactor K5, K6 mất điện, các tiếp điểm K5, K6 được nối với ngõ vào I0.4 (dùng cho dừng khẩn cấp) sẽ trở về trạng thái bình thường (thường hở), thông qua chương trình K3 và K4 sẽ bị mất điện.

• Lập trình an toàn khi đứt dây

Lập trình an toàn khi đứt dây có nghĩa là khi đứt dây ở một tín hiệu ngõ vào thì cũng không có nguy hiểm xảy ra. Ví dụ trong hình 3.15 là trường hợp đứt dây sẽ không xảy ra sự cố nguy hiểm.

Sự đứt dây có thể gây ra tác dụng nguy hiểm, nếu tín hiệu “0” ngăn cản sự cắt truyền động, đóng mạch truyền động hoặc ngăn cản các cảnh báo nguy hiểm. Ngược lại sự đứt dây có thể không gây nguy hiểm, tín hiệu “0” cắt truyền động, ngăn cản sự đóng mạch truyền động và đóng các cảnh báo nguy hiểm, mặc dù không có nguy hiểm tồn tại.

Từ sự suy đoán này có thể đưa ra các yêu cầu sau cho các tín hiệu ngõ vào:

• Bộ phát tín hiệu để truyền động phải có tín hiệu “1” khi tác động nó (vd: tiếp điểm thường hở).
• Bộ phát tín hiệu để cắt truyền động khi tác động phải có tín hiệu “0” (vd: tiếp điểm thường đóng).

12.4   Bảo vệ các ngõ ra PLC

Trường hợp các ngõ ra của PLC nối với các cuộn kháng thì cần phải bảo vệ cho chúng để tránh hiện tượng quá áp khi ngõ ra mất điện. Tùy theo ngõ ra được thiết kế cho ứng dụng mà có thể sử dụng các linh kiện thích hợp để bảo vệ.

12.4.1   Bảo vệ ngõ ra dùng Transistor

Ngõ ra S7-200 DCTransistor có diode zenner để bảo vệ cho nó. Việc lắp thêm một diode bên ngoài cũng giúp cho việc bảo vệ ngõ ra khi tải mắc với cuộn cảm để tránh quá áp trên các diode nội. Có hai cách lắp các mạch bảo vệ như hình 12.20 và 12.21 (trích từ sổ tay S7-200). Trong trường hợp này cũng có thể sử dụng mạch bảo vệ dùng diode hoặc diode kết hợp với zenner nhưng điện áp UZ của Zenner phải lấy đến 36V.

12.4.2     Bảo vệ ngõ ra Rơle có nguồn điều khiển DC

Bảo vệ ngõ ra Rơle và ngõ ra AC có nguồn điều khiểnACTrong trường hợp này người ta thường sử dụng mạng điện trở/tụ điện và điện áp điều khiển có thể đến 30VDC.

12.4.3   Bảo vệ ngõ ra Rơle và ngõ ra AC có nguồn điều khiển AC

Khi sử dụng rơle hoặc ngõ ra AC để đóng cắt tải 115V/220 VAC, thì có thể bảo vệ bằng điện trở/tụ điện hoặc cũng có thể sử dụng Varistor để giới hạn điện áp đỉnh nhưng chú ý rằng điện áp làm việc của Varistor ít nhất phải lớn hơn 20% điện áp làm việc bình thường.

12.5    Câu hỏi và bài tập

BT 12.1: Hãy giải thích tại sao nút nhấn dừng phải là thường đóng và nút nhấn khởi động phải là thường hở?

BT 12.2:  Hãy cho biết điều gì xảy ra nếu một nút nhấn thường đóng được   sử dụng để mở máy trong một hệ thống khi dây nối với nút nhấn bị đứt? Và điều gì xảy ra cho một hệ thống có nút nhấn thường hở được sử dụng làm nút nhấn dừng khi dây nối với nút nhấn bị đứt?

BT 12.3: Hãy vẽ sơ đồ nối dây cho PLC có các ngõ vào được nối với một  cảm biến PNP và một cảm biến NPN. Các ngõ ra được nối với hai đèn báo công suất nhỏ 24VDC, hai relay 24VDC để điều khiển hai contactor tương ứng. Trong mạch có gắn hệ thống dừng khẩn cấp.

BT 12.4: Hãy vẽ sơ đồ điện và sơ đồ khí nén cho một hệ thống điều khiển bằng PLC. Hệ thống bao gồm các linh kiện được liệt kê dưới đây. Trong mạch có gắn hệ thống dừng khẩn cấp.

• Một động cơ 3 pha/50 HP
• Một cảm biến NPN
• Một nút nhấn thường hở (NO)
• Một công tắc hành trình thường đóng (NC)
• Hai đèn báo công suất thấp 24VDC
• Một van có 2 cuộn dây 24VDC.