Ngôn Ngữ Function Block Diagram (FBD): Trực Quan Hóa Logic Điều Khiển PLC Bằng Các Khối Chức Năng

Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, PLC (Bộ điều khiển logic khả trình) là thiết bị chủ chốt, điều khiển các quy trình sản xuất phức tạp. Để lập trình PLC, các kỹ sư có nhiều lựa chọn ngôn ngữ, mỗi loại phù hợp với những kiểu logic và ứng dụng khác nhau. Trong số đó, ngôn ngữ Function Block Diagram (FBD) nổi bật như một ngôn ngữ lập trình đồ họa mạnh mẽ, cho phép người dùng xây dựng logic điều khiển bằng cách kết nối các “khối chức năng” có sẵn, tương tự như việc nối ghép các mạch tích hợp trong điện tử. Phương pháp này không chỉ mang lại tính trực quan cao mà còn thúc đẩy khả năng tái sử dụng code, đặc biệt hiệu quả cho các bài toán điều khiển liên tục và phức tạp. Bài viết này sẽ đi sâu vào định nghĩa và nguồn gốc của Function Block Diagram, phân tích cấu trúc và các thành phần cơ bản, làm rõ nguyên lý hoạt động và quy tắc lập trình, đánh giá ưu và nhược điểm của ngôn ngữ FBD, và cuối cùng là khám phá ứng dụng phổ biến của FBD trong sản xuất công nghiệp.

1. Định nghĩa và Nguồn gốc của Function Block Diagram (FBD)

Function Block Diagram (FBD) là một ngôn ngữ lập trình đồ họa cho PLC, sử dụng các “khối chức năng” (Function Blocks) để biểu diễn logic điều khiển, cho phép người lập trình tập trung vào luồng dữ liệu và mối quan hệ giữa các hàm.

Mỗi khối chức năng trong FBD là một chương trình con hoặc một hàm độc lập, được đóng gói sẵn với các đầu vào (Inputs) và đầu ra (Outputs) đã được định nghĩa rõ ràng. Cách tiếp cận này giúp FBD trông giống như một sơ đồ mạch tích hợp số hoặc một hệ thống điều khiển điện tử được xây dựng từ các khối tiêu chuẩn, nơi các tín hiệu chảy qua từ khối này sang khối khác.

Nguồn gốc của FBD có mối liên hệ chặt chẽ với sự phát triển của các sơ đồ mạch logic số và nhu cầu về một cách tiếp cận trực quan hơn cho điều khiển phản hồi. Trước khi có PLC, các kỹ sư sử dụng các cổng logic vật lý (AND, OR, NOT) và các bộ điều khiển analog để xây dựng hệ thống. Khi PLC ra đời, nhu cầu về một ngôn ngữ có thể mô phỏng các hệ thống này một cách mềm dẻo đã dẫn đến sự phát triển của FBD.

Lý do ra đời của FBD là để cung cấp một phương pháp lập trình trực quan, dễ tái sử dụng cho các hàm logic phức tạp và đặc biệt là các ứng dụng điều khiển liên tục, nơi các thuật toán như PID thường được áp dụng. Nó cho phép các kỹ sư tập trung vào chức năng của từng bộ phận mà không cần quan tâm quá nhiều đến chi tiết lập trình bên trong mỗi khối.

FBD được công nhận rộng rãi trong tiêu chuẩn IEC 61131-3, khẳng định vị thế của nó là một trong những ngôn ngữ lập trình PLC quan trọng nhất trên toàn cầu. Tiêu chuẩn này không chỉ định nghĩa FBD mà còn cùng với Ladder Diagram (LD) và Sequential Function Chart (SFC) tạo thành nhóm ngôn ngữ đồ họa, bổ sung cho các ngôn ngữ văn bản như Structured Text (ST) và Instruction List (IL), cung cấp một bộ công cụ đa dạng cho các nhà phát triển hệ thống tự động hóa.

2. Cấu trúc và Các thành phần cơ bản của một chương trình Function Block Diagram

Một chương trình FBD được cấu thành từ việc kết nối các khối chức năng (Function Blocks) thông qua các đường kết nối, biểu diễn luồng dữ liệu và logic điều khiển. Việc nắm vững các thành phần này là điều cần thiết để xây dựng và hiểu các chương trình FBD.

Các khối chức năng (Function Blocks – FBs) là đơn vị cơ bản và quan trọng nhất trong FBD.

Định nghĩa: Mỗi Function Block là một chương trình con hoặc một hàm có sẵn (hoặc do người dùng định nghĩa), được thiết kế để thực hiện một tác vụ cụ thể. Chúng có các đầu vào (Inputs) và đầu ra (Outputs) được xác định rõ ràng, cho phép dữ liệu đi vào khối, được xử lý, và kết quả được xuất ra.

Các loại Function Blocks phổ biến:

• Logic Gates (Cổng Logic): Các khối cơ bản như AND, OR, NOT, XOR để thực hiện các phép toán logic Boolean.
• Timers (Bộ định thời): Tương tự như trong Ladder Diagram, các khối TON (On-Delay), TOFF (Off-Delay), RTO (Retentive On-Delay) được sử dụng để tạo độ trễ thời gian.
• Counters (Bộ đếm): Các khối CTU (Up-Counter), CTD (Down-Counter), CTUD (Up/Down-Counter) để đếm các sự kiện.
• Mathematical Functions (Hàm toán học): Các khối thực hiện các phép toán số học như ADD (cộng), SUB (trừ), MUL (nhân), DIV (chia), SQRT (căn bậc hai), v.v.
• Comparison Functions (Hàm so sánh): Các khối so sánh giá trị như EQU (bằng), NEQ (không bằng), GRT (lớn hơn), LES (nhỏ hơn), v.v.
• PID Controllers (Bộ điều khiển PID): Một khối chức năng phức tạp và cực kỳ quan trọng cho điều khiển phản hồi liên tục, giúp duy trì ổn định các biến quá trình như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng.
• Custom/User-Defined Function Blocks (Khối chức năng do người dùng định nghĩa): Đây là một tính năng mạnh mẽ, cho phép lập trình viên đóng gói các đoạn code phức tạp (viết bằng LD, ST, hoặc chính FBD) thành một khối duy nhất. Điều này tăng cường khả năng tái sử dụng và giảm sự phức tạp của chương trình tổng thể.

Đường kết nối (Connection Lines) là các đường thẳng nối giữa các đầu ra của một khối chức năng với các đầu vào của khối chức năng khác, biểu diễn luồng dữ liệu hoặc tín hiệu. Hướng của đường kết nối luôn đi từ đầu ra của một khối (bên phải khối đó) sang đầu vào của khối khác (bên trái khối đó), chỉ ra thứ tự mà dữ liệu được truyền và xử lý.

Các thành phần I/O (Input/Output elements) đóng vai trò là giao diện giữa chương trình FBD và các tín hiệu vật lý hoặc biến nội bộ của PLC.

• Biến đầu vào (Input Variables): Đại diện cho các tín hiệu từ cảm biến hoặc các giá trị cần được đưa vào chương trình, chúng được gắn vào đầu vào của các khối chức năng.
• Biến đầu ra (Output Variables): Nhận giá trị từ đầu ra của các khối chức năng và đại diện cho các lệnh điều khiển gửi tới cơ cấu chấp hành hoặc các biến nội bộ khác.

3. Nguyên lý hoạt động và Quy tắc lập trình Function Block Diagram

Nguyên lý thực thi của FBD dựa trên luồng dữ liệu (Data Flow Execution), trong đó mỗi khối chức năng được thực thi khi tất cả các đầu vào của nó đã sẵn sàng, và kết quả đầu ra được truyền đến các khối tiếp theo. Điều này khác biệt so với Ladder Diagram vốn thực thi theo từng rung từ trên xuống dưới.

Trong FBD, PLC sẽ quét và thực thi các khối chức năng theo một thứ tự được xác định bởi sự phụ thuộc dữ liệu: khối A phải hoàn thành trước khi khối B có thể thực thi nếu đầu ra của A là đầu vào của B. Thông thường, luồng thực thi diễn ra từ trái sang phải và từ trên xuống dưới trên sơ đồ, nhưng thứ tự chính xác có thể được tối ưu hóa bởi phần mềm lập trình.

Các quy tắc kết nối trong FBD rất quan trọng để đảm bảo logic chương trình là hợp lệ và hoạt động đúng.

• Đầu ra của một khối có thể là đầu vào cho nhiều khối khác: Điều này cho phép một kết quả tính toán hoặc trạng thái logic duy nhất được sử dụng để điều khiển nhiều phần khác nhau của chương trình.
• Cấm tạo vòng lặp ngược trực tiếp: Một quy tắc quan trọng là không được có một đường kết nối tạo thành một vòng lặp trực tiếp từ đầu ra của một khối trở lại đầu vào của chính khối đó hoặc một khối trước đó trong cùng một chu kỳ thực thi. Điều này có thể dẫn đến lỗi lập trình hoặc hành vi không xác định. Tuy nhiên, các khối chức năng có khả năng phản hồi như bộ điều khiển PID được thiết kế đặc biệt để xử lý các vòng lặp phản hồi gián tiếp qua các chu kỳ quét của PLC.

Để minh họa nguyên lý hoạt động, hãy xem xét một số ví dụ cơ bản trong FBD:

• Mạch điều khiển đèn sử dụng cổng AND:

  +-----+ +-----+
  | | | |
  | IN1 |-----| AND |-----| OUT |
  | | | | +-----+
  +-----+ +-----+
  | |
  | IN2 |-----
  +-----+
  

  Giải thích: Đèn (OUT) sẽ sáng (TRUE) chỉ khi cả hai nút nhấn (IN1) và (IN2) đều được nhấn (TRUE), vì cổng AND chỉ xuất ra TRUE khi tất cả các đầu vào của nó là TRUE.

• Hệ thống điều khiển nhiệt độ sử dụng khối PID:

  +-------------------+ +--------------+ +-----------------+
  | Temperature | | | | |
  | Sensor (PV) |----| PID_Control |----| Heater_Output |
  | | | | | (Control Valve) |
  | Setpoint (SP) |----| | | |
  +-------------------+ +--------------+ +-----------------+
  

  Giải thích: Giá trị nhiệt độ đo được (Process Variable – PV) từ cảm biến và giá trị nhiệt độ mong muốn (Setpoint – SP) được đưa vào khối PID. Khối PID sẽ tính toán tín hiệu điều khiển (Heater_Output) để điều chỉnh van cấp nhiệt hoặc công suất của bộ gia nhiệt, nhằm duy trì nhiệt độ ở mức mong muốn. Đây là ví dụ điển hình về điều khiển liên tục và khả năng của FBD trong việc xử lý các thuật toán phức tạp.

• Kết hợp Timer và Counter với FBD:

  +-------+ +-----------------+ +---------+ +----------+
  | Start |-----| TON (T1, 10s) |-----| T1.Q |-----| CTU (C1, 5)|-----| C1.Q |-----| Output |
  +-------+ +-----------------+ +---------+ +----------+ +------+ +--------+
  | Stop |-----| R T1 |
  +-------+
  

  Giải thích: Khi “Start” được kích hoạt, Timer T1 bắt đầu đếm. Sau 10 giây (T1.Q = TRUE), nó sẽ kích hoạt đầu vào đếm lên của Counter C1. Mỗi khi T1.Q BẬT và TẮT (nghĩa là sau mỗi 10 giây), C1 sẽ đếm thêm 1. Khi C1 đạt đến 5, đầu ra của nó (C1.Q) sẽ BẬT và kích hoạt “Output”. “Stop” dùng để reset Timer T1.

4. Ưu và Nhược điểm của ngôn ngữ Function Block Diagram

Function Block Diagram mang lại nhiều ưu điểm về tính trực quan và khả năng tái sử dụng, đặc biệt phù hợp cho các hệ thống phức tạp, nhưng cũng có một số nhược điểm cần lưu ý.

Ưu điểm của ngôn ngữ FBD

• Tính trực quan và cấu trúc mô-đun: FBD cho phép biểu diễn logic điều khiển dưới dạng các khối có chức năng rõ ràng, tạo ra một cái nhìn tổng quan trực quan về luồng xử lý dữ liệu. Thiết kế mô-đun này giúp dễ dàng chia nhỏ các bài toán phức tạp thành các phần nhỏ hơn, độc lập.
• Dễ tái sử dụng (Reusability): Một trong những ưu điểm lớn nhất của FBD là khả năng tái sử dụng code. Các khối chức năng đã được tạo và kiểm thử có thể được sử dụng lại nhiều lần trong cùng một dự án hoặc trong các dự án khác, tiết kiệm đáng kể thời gian lập trình và kiểm thử.
• Phù hợp cho điều khiển liên tục: FBD đặc biệt mạnh mẽ và hiệu quả cho các ứng dụng điều khiển liên tục, như điều khiển nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, nhờ vào sự sẵn có của các khối chức năng PID và các khối toán học phức tạp.
• Giảm lỗi lập trình: Việc sử dụng các khối chức năng đã được kiểm thử và xác minh giúp giảm lỗi lập trình đáng kể, vì người lập trình ít phải viết code từ đầu cho các chức năng phổ biến.
• Dễ dàng gỡ lỗi và bảo trì: Với cấu trúc đồ họa, người lập trình có thể dễ dàng theo dõi luồng dữ liệu giữa các khối và tập trung vào từng khối chức năng riêng biệt khi gỡ lỗi. Điều này giúp bảo trì hệ thống trở nên hiệu quả hơn.
• Tốt cho các ứng dụng tính toán và thuật toán: Nhờ thư viện phong phú của các khối toán học và so sánh, FBD là lựa chọn hiệu quả cho các ứng dụng đòi hỏi nhiều phép tính toán, xử lý dữ liệu từ cảm biến và triển khai các thuật toán phức tạp.

Nhược điểm của ngôn ngữ FBD

• Không phải là lựa chọn tốt nhất cho điều khiển tuần tự đơn giản: Đối với các chuỗi điều khiển tuần tự BẬT/TẮT đơn giản, Ladder Diagram thường trực quan và dễ lập trình hơn FBD. FBD có thể trở nên cồng kềnh nếu chỉ để mô tả các logic tuần tự cơ bản.
• Khó đọc hơn nếu có quá nhiều khối và đường kết nối chồng chéo: Trong các chương trình rất lớn và phức tạp với nhiều khối được kết nối, sơ đồ FBD có thể trở nên rối rắm và khó theo dõi nếu không được tổ chức hợp lý.
• Yêu cầu hiểu biết về chức năng của từng khối: Người lập trình cần phải hiểu rõ chức năng, đầu vào và đầu ra của từng khối chức năng để sử dụng chúng một cách chính xác.

5. Ứng dụng phổ biến của Function Block Diagram trong sản xuất công nghiệp

Function Block Diagram được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực sản xuất công nghiệp, đặc biệt là những nơi yêu cầu điều khiển liên tục, tính toán phức tạp và khả năng tái sử dụng code cao.

• Hệ thống điều khiển quy trình (Process Control): Đây là lĩnh vực mà FBD thực sự tỏa sáng. Nó được sử dụng rộng rãi để điều khiển và giám sát các thông số quan trọng như nhiệt độ, áp suất, lưu lượng, và mức chất lỏng trong các nhà máy hóa chất, thực phẩm, đồ uống, và dầu khí. Các khối PID là xương sống của các ứng dụng này.
• Điều khiển chuyển động phức tạp: Mặc dù Ladder Diagram có thể điều khiển chuyển động đơn giản, FBD phù hợp hơn cho việc điều khiển chuyển động phức tạp liên quan đến nhiều trục, yêu cầu điều khiển đồng bộ và nội suy quỹ đạo trong các ứng dụng robot, máy CNC, hoặc các hệ thống định vị chính xác.
• Quản lý năng lượng và tối ưu hóa hệ thống: FBD được sử dụng để xây dựng các thuật toán phức tạp nhằm quản lý năng lượng tiêu thụ, tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của các thiết bị, và thực hiện các chiến lược điều khiển tiên tiến để giảm chi phí sản xuất.
• Hệ thống xử lý tín hiệu và tính toán: Trong các ứng dụng cần xử lý dữ liệu từ cảm biến (ví dụ: chuyển đổi đơn vị, lọc tín hiệu, tính toán trung bình) và thực hiện các phép tính toán phức tạp, FBD với thư viện các khối toán học và logic mạnh mẽ là lựa chọn lý tưởng. Ví dụ, tính toán hiệu suất thiết bị (OEE) hoặc phân tích dữ liệu quy trình.
• Các ứng dụng cần tính mô-đun và tái sử dụng code cao: Trong các nhà máy sản xuất hàng loạt với nhiều dây chuyền hoặc module máy móc giống nhau, FBD cho phép các kỹ sư phát triển một khối chức năng chuẩn cho một tác vụ cụ thể (ví dụ: điều khiển một động cơ có phản hồi, một trạm trộn) và sau đó tái sử dụng khối đó nhiều lần. Điều này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn đảm bảo tính nhất quán và dễ bảo trì.

Bảng: So sánh FBD với Ladder Diagram