Lệnh Timer (TON, TOFF, TP) trong PLC – Điều khiển thời gian chính xác trong sản xuất công nghiệp

Trong sản xuất công nghiệp, việc điều khiển thời gian các quy trình một cách chính xác là cực kỳ quan trọng để đảm bảo hiệu suất, an toàn và chất lượng sản phẩm; để đạt được điều này, bộ điều khiển logic khả trình (PLC) sử dụng các lệnh Timer, những khối chức năng cho phép PLC thực hiện các hành động dựa trên khoảng thời gian được xác định trước.

Bài viết này sẽ đi sâu vào ba loại Timer phổ biến nhất: Timer ON Delay (TON), Timer OFF Delay (TOFF) và Timer Pulse (TP), khám phá nguyên lý hoạt động, cấu trúc, cú pháp lập trình và các ứng dụng thực tế của chúng trong môi trường công nghiệp, từ đó cung cấp kiến thức toàn diện giúp người đọc tối ưu hóa việc sử dụng các lệnh Timer trong PLC để nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống tự động hóa.

1. Tầm quan trọng của Timer trong PLC và sản xuất công nghiệp

Timer là những khối chức năng không thể thiếu trong PLC, chúng cho phép lập trình viên tạo ra các trình tự điều khiển dựa trên thời gian, từ việc khởi động máy móc theo một chu trình định sẵn đến việc đảm bảo các quá trình diễn ra với độ trễ hoặc độ dài xung chính xác.Trong tự động hóa công nghiệp, Timer đảm bảo rằng các sự kiện xảy ra đúng lúc, giúp phối hợp các hoạt động phức tạp và duy trì tính toàn vẹn của quy trình.

Việc điều khiển thời gian chính xác trong các quy trình công nghiệp đóng vai trò then chốt vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm, an toàn vận hành và hiệu quả sản xuất.Ví dụ, trong một dây chuyền đóng gói, mỗi chai cần được đổ đầy trong một khoảng thời gian nhất định; nếu thời gian này không chính xác, sản phẩm có thể bị thiếu hoặc tràn. Tương tự, trong các hệ thống an toàn, một thiết bị có thể cần phải ngừng hoạt động trong một khoảng thời gian nhất định sau khi kích hoạt dừng khẩn cấp.

Timer cung cấp khả năng điều khiển chặt chẽ các khía cạnh này.Các loại Timer chính trong PLC bao gồm TON (Timer ON Delay), TOFF (Timer OFF Delay) và TP (Timer Pulse), mỗi loại phục vụ một mục đích cụ thể trong việc quản lý thời gian.

• TON tạo ra độ trễ trước khi kích hoạt đầu ra.
• TOFF tạo ra độ trễ trước khi hủy kích hoạt đầu ra.
• TP tạo ra một xung đầu ra có thời gian cố định. Hiểu rõ sự khác biệt và ứng dụng của từng loại là cơ sở để thiết kế các giải pháp điều khiển tự động hiệu quả.

2. Lệnh Timer ON Delay (TON)

Timer ON Delay (TON) hoạt động bằng cách đếm thời gian khi điều kiện đầu vào của nó là đúng và chỉ kích hoạt đầu ra sau khi khoảng thời gian đặt trước đã trôi qua, sau đó duy trì trạng thái đầu ra miễn là điều kiện đầu vào còn đúng. Điều này hữu ích khi bạn muốn có một khoảng thời gian chờ nhất định trước khi một hành động được thực hiện, ví dụ như để cho một hệ thống ổn định hoặc để tránh các khởi động đột ngột.

Cấu trúc và thông số của một Timer TON điển hình bao gồm bốn thành phần chính:

• IN (Input): Đây là bit đầu vào kích hoạt Timer. Khi IN chuyển từ 0 sang 1, Timer bắt đầu đếm.
• PT (Preset Time): Đây là giá trị thời gian đặt trước mà Timer cần đếm. Nó thường được chỉ định bằng các đơn vị như mili giây (ms), giây (s) hoặc phút (min) tùy thuộc vào PLC và phần mềm lập trình.
• ET (Elapsed Time): Đây là giá trị thời gian đã trôi qua kể từ khi Timer bắt đầu đếm. ET tăng dần từ 0 cho đến khi đạt PT.
• Q (Output): Đây là bit đầu ra của Timer. Q sẽ chuyển từ 0 sang 1 khi ET đạt đến PT và IN vẫn đang ở trạng thái 1. Nếu IN chuyển về 0 trước khi ET đạt PT, Timer sẽ reset về 0.

Cú pháp lập trình cho Timer TON có thể khác nhau giữa các nền tảng PLC.

• Trong Siemens TIA Portal, bạn kéo thả khối TON vào chương trình Ladder Logic hoặc SCL. Bạn sẽ gán một địa chỉ Timer (ví dụ: “TON_0”), đặt giá trị PT (ví dụ: T#5s cho 5 giây), và kết nối đầu vào IN với điều kiện kích hoạt và đầu ra Q với hành động cần điều khiển.
• Với Rockwell Studio 5000 (Logix Designer), bạn sử dụng lệnh “TON” trong Ladder Logic. Bạn định nghĩa một tag cho Timer (ví dụ: “MotorStartDelay”), đặt giá trị “Preset” (ví dụ: 5000 cho 5000 mili giây), và “Accumulated” sẽ hiển thị thời gian đếm. Bit “DN” (Done) của Timer sẽ là đầu ra Q.
• Trong Schneider Unity Pro, bạn sử dụng khối “TON” hoặc “TON_TIME” và cấu hình các chân tương ứng.

Ví dụ ứng dụng thực tế của Timer TON rất đa dạng trong công nghiệp:

• Khởi động động cơ sau một khoảng thời gian trễ: Để tránh quá tải điện lưới hoặc cho phép các thiết bị khác khởi động trước, một động cơ lớn có thể được lập trình để khởi động sau 10 giây kể từ khi nút khởi động được nhấn.
• Kích hoạt còi báo động sau khi phát hiện lỗi: Một cảm biến phát hiện lỗi có thể kích hoạt Timer TON 5 giây. Nếu lỗi vẫn còn sau 5 giây, còi báo động sẽ kêu, tránh báo động giả khi lỗi chỉ thoáng qua.
• Điều khiển trình tự khởi động các thiết bị: Trong một hệ thống băng tải phức tạp, các phân đoạn băng tải có thể cần khởi động lần lượt, mỗi phân đoạn cách nhau 3 giây, để đảm bảo dòng chảy vật liệu ổn định và tránh tắc nghẽn.

3. Lệnh Timer OFF Delay (TOFF)

Timer OFF Delay (TOFF) hoạt động ngược lại với TON, nó đếm thời gian khi điều kiện đầu vào của nó chuyển từ đúng sang sai, và duy trì trạng thái đầu ra đúng trong suốt khoảng thời gian đặt trước đó trước khi hủy kích hoạt đầu ra. Lệnh này hữu ích khi bạn muốn một thiết bị tiếp tục hoạt động trong một thời gian ngắn sau khi tín hiệu kích hoạt ban đầu đã biến mất, thường là để hoàn thành một chu trình hoặc làm mát. Cấu trúc và thông số của một Timer TOFF tương tự như TON:

• IN (Input): Bit đầu vào kích hoạt Timer. Khi IN chuyển từ 1 sang 0, Timer bắt đầu đếm.
• PT (Preset Time): Giá trị thời gian đặt trước mà Timer cần đếm sau khi IN mất.
• ET (Elapsed Time): Giá trị thời gian đã trôi qua kể từ khi IN chuyển về 0.
• Q (Output): Bit đầu ra của Timer. Q sẽ chuyển từ 1 về 0 khi ET đạt đến PT và IN vẫn đang ở trạng thái 0. Nếu IN chuyển về 1 trước khi ET đạt PT, Timer sẽ reset và Q vẫn duy trì trạng thái 1.

Cú pháp lập trình cho Timer TOFF cũng tương tự TON về mặt cấu trúc trong các phần mềm PLC:

• Trong Siemens TIA Portal, bạn sử dụng khối TOFF. Bạn sẽ gán một địa chỉ Timer, đặt giá trị PT, và kết nối đầu vào IN với điều kiện kích hoạt và đầu ra Q với hành động cần điều khiển.
• Với Rockwell Studio 5000, bạn sử dụng lệnh “TOF”. Bạn định nghĩa một tag cho Timer, đặt giá trị “Preset”, và bit “DN” của Timer sẽ là đầu ra Q.
• Trong Schneider Unity Pro, bạn sử dụng khối “TOF” hoặc “TOF_TIME” và cấu hình các chân tương ứng.

Ví dụ ứng dụng thực tế của Timer TOFF rất phổ biến trong các quy trình công nghiệp:

• Duy trì hoạt động của quạt làm mát sau khi động cơ dừng: Sau khi động cơ chính tắt, một Timer TOFF có thể giữ cho quạt làm mát hoạt động thêm 30 giây để tản nhiệt, bảo vệ động cơ khỏi quá nhiệt.
• Giữ van mở trong một khoảng thời gian nhất định sau khi tín hiệu đóng van biến mất: Trong hệ thống cấp liệu, van có thể cần duy trì mở thêm 5 giây sau khi cảm biến báo đầy để đảm bảo lượng vật liệu được cấp đủ, tránh tình trạng “hụt” vật liệu.
• Tắt đèn chiếu sáng sau một khoảng thời gian: Trong một khu vực làm việc, đèn có thể được lập trình để tắt sau 1 phút khi không còn phát hiện chuyển động, giúp tiết kiệm năng lượng.

4. Lệnh Timer Pulse (TP)

Timer Pulse (TP) có chức năng tạo ra một xung đầu ra có thời gian cố định sau khi được kích hoạt, bất kể trạng thái của tín hiệu đầu vào sau đó. Khi tín hiệu đầu vào IN chuyển từ 0 sang 1, Timer TP sẽ kích hoạt đầu ra Q và duy trì trạng thái này trong suốt khoảng thời gian PT đã đặt, sau đó tự động hủy kích hoạt đầu ra, ngay cả khi tín hiệu IN vẫn đang ở trạng thái 1. Nếu tín hiệu IN chuyển về 0 trước khi Timer hoàn thành việc đếm, Timer sẽ tiếp tục đếm cho đến khi hết PT. Lệnh này đặc biệt hữu ích khi bạn cần một hành động nhanh chóng, chỉ xảy ra một lần với độ dài chính xác. Cấu trúc và thông số của một Timer TP cũng tương tự như các loại Timer khác:

• IN (Input): Bit đầu vào kích hoạt Timer. Khi IN chuyển từ 0 sang 1, Timer bắt đầu đếm và kích hoạt đầu ra Q.
• PT (Preset Time): Giá trị thời gian đặt trước cho độ rộng xung của đầu ra Q.
• ET (Elapsed Time): Giá trị thời gian đã trôi qua kể từ khi Timer bắt đầu đếm.
• Q (Output): Bit đầu ra của Timer. Q sẽ chuyển từ 0 sang 1 ngay lập tức khi IN chuyển từ 0 sang 1 và duy trì trạng thái 1 cho đến khi ET đạt PT. Sau đó, Q tự động chuyển về 0, bất kể trạng thái của IN.

Cú pháp lập trình cho Timer TP cũng có những đặc trưng riêng biệt trong các môi trường PLC khác nhau:

• Trong Siemens TIA Portal, bạn sử dụng khối TP. Bạn gán một địa chỉ Timer, đặt giá trị PT, và kết nối đầu vào IN với tín hiệu kích hoạt. Đầu ra Q sẽ tạo ra xung theo thời gian PT.
• Với Rockwell Studio 5000, bạn sử dụng lệnh “RTO” (Retentive Timer On) kết hợp với các lệnh logic khác hoặc sử dụng các bit cờ đặc biệt để mô phỏng xung, hoặc đôi khi có thể có các hàm xung chuyên dụng.
• Trong Schneider Unity Pro, bạn sử dụng khối “TP” hoặc “TP_TIME” để tạo xung.

Ví dụ ứng dụng thực tế của Timer TP bao gồm:

• Tạo xung kích hoạt một hành động duy nhất: Trong hệ thống cấp liệu, khi cảm biến phát hiện một sản phẩm, Timer TP có thể tạo một xung 0.5 giây để kích hoạt van cấp một lượng nhỏ nguyên liệu vào sản phẩm.
• Điều khiển các cơ cấu chấp hành yêu cầu xung ngắn: Một xy lanh khí nén có thể cần một xung ngắn để kích hoạt van điện từ, đẩy vật liệu đi một quãng nhất định.
• Tín hiệu báo động chớp tắt trong một khoảng thời gian nhất định: Một đèn báo lỗi có thể được lập trình để chớp tắt trong 15 giây (sử dụng Timer TP để tạo xung và kết hợp với logic đảo trạng thái) khi một lỗi nghiêm trọng xảy ra, sau đó duy trì trạng thái sáng liên tục.

5. Lời khuyên và lưu ý khi sử dụng lệnh Timer

Việc sử dụng các lệnh Timer một cách hiệu quả đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về nguyên lý hoạt động của chúng và các cân nhắc thực tế trong môi trường công nghiệp. Lựa chọn loại Timer phù hợp là bước đầu tiên và quan trọng nhất khi thiết kế logic điều khiển thời gian. Dưới đây là hướng dẫn nhanh:

• Khi nào nên dùng TON? Khi bạn muốn một sự kiện xảy ra sau một khoảng thời gian trễ kể từ khi điều kiện kích hoạt xuất hiện. Ví dụ: Khởi động bơm sau khi van mở 5 giây.
• Khi nào nên dùng TOFF? Khi bạn muốn một sự kiện tiếp tục xảy ra trong một khoảng thời gian sau khi điều kiện kích hoạt biến mất. Ví dụ: Giữ quạt chạy 10 giây sau khi máy tắt.
• Khi nào nên dùng TP? Khi bạn cần tạo ra một xung đầu ra có độ dài cố định ngay lập tức khi điều kiện kích hoạt xuất hiện, bất kể trạng thái của điều kiện đó sau này. Ví dụ: Kích hoạt một lần cấp liệu 2 giây.

Xử lý thời gian và độ phân giải là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ chính xác của Timer. Hầu hết các PLC cho phép đặt thời gian với độ phân giải mili giây (ms) hoặc giây (s). Điều quan trọng là phải nhận thức được chu kỳ quét PLC: PLC hoạt động theo chu kỳ, quét các đầu vào, thực hiện chương trình và cập nhật các đầu ra. Nếu thời gian đặt trước của Timer quá ngắn so với chu kỳ quét của PLC, độ chính xác có thể bị ảnh hưởng. Luôn kiểm tra tài liệu của PLC để biết độ phân giải và giới hạn thời gian tối thiểu/tối đa. Thực hành lập trình và kiểm tra là không thể thiếu để nắm vững các lệnh Timer. Sau khi viết chương trình, hãy sử dụng tính năng mô phỏng PLC trong phần mềm lập trình để kiểm tra hoạt động của Timer trong các điều kiện khác nhau.

• Kiểm tra các trường hợp biên (ví dụ: đầu vào chỉ bật trong thời gian ngắn hơn PT).
• Xác minh rằng đầu ra của Timer chuyển trạng thái đúng lúc và duy trì trong khoảng thời gian mong muốn.
• Nếu có thể, hãy kiểm tra trên phần cứng PLC thực tế để đảm bảo không có sự sai lệch nào.

Khắc phục sự cố (Troubleshooting) khi Timer không hoạt động như mong đợi đòi hỏi phương pháp tiếp cận có hệ thống.

• Kiểm tra trạng thái đầu vào (IN): Đảm bảo tín hiệu kích hoạt Timer đang hoạt động đúng như mong đợi.
• Kiểm tra giá trị PT: Xác nhận rằng thời gian đặt trước là chính xác và phù hợp với đơn vị thời gian của PLC.
• Giám sát ET: Xem giá trị thời gian đã trôi qua (ET) để biết Timer có đang đếm hay không và đếm đến giá trị nào.
• Kiểm tra đầu ra (Q): Đảm bảo đầu ra được liên kết đúng cách với hành động cần thực hiện.
• Xem xét các điều kiện reset: Một số Timer có thể bị reset bởi các điều kiện khác trong chương trình mà bạn không mong muốn.

Tối ưu hóa việc sử dụng Timer giúp cải thiện hiệu suất và độ dễ đọc của chương trình.

• Giảm thiểu số lượng Timer không cần thiết: Nếu một nhiệm vụ có thể được thực hiện bằng cách kết hợp logic Bit hoặc sử dụng một Timer hiện có, hãy tránh tạo Timer mới.
• Tái sử dụng các Timer khi có thể: Trong một số trường hợp, cùng một Timer có thể được tái sử dụng cho các mục đích khác nhau trong các phân đoạn chương trình riêng biệt, nhưng hãy cẩn thận để tránh xung đột logic.
• Sử dụng các thanh ghi thời gian: Thay vì mã hóa cứng giá trị PT, hãy sử dụng các thanh ghi dữ liệu có thể thay đổi trong quá trình vận hành, cho phép điều chỉnh thời gian mà không cần tải lại chương trình.

6. Kết luận

Các lệnh Timer (TON, TOFF, TP) là những công cụ không thể thiếu trong kho vũ khí của một kỹ sư PLC, cung cấp khả năng điều khiển thời gian chính xác cho các quy trình công nghiệp.Chúng cho phép các nhà lập trình PLC tạo ra các chuỗi hoạt động phức tạp, đảm bảo các sự kiện xảy ra theo đúng trình tự và thời gian, từ đó nâng cao hiệu quả, độ tin cậy và an toàn của toàn bộ hệ thống tự động hóa.

Sự hiểu biết sâu sắc về nguyên lý hoạt động của từng loại Timer, cùng với khả năng áp dụng linh hoạt chúng vào các tình huống thực tế, là yếu tố then chốt giúp bạn thiết kế và triển khai các giải pháp tự động hóa hiệu quả.Việc sử dụng Timer một cách chính xác không chỉ giảm thiểu sai sót trong sản xuất mà còn tối ưu hóa việc sử dụng năng lượng và tài nguyên, đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành công nghiệp.