Relay PLC Là Gì? Kiến Thức Và Cách Đấu Nối Chuẩn

Tìm hiểu chi tiết về relay PLC trong hệ thống tự động hóa. Nguyên lý hoạt động, cách đấu nối và phân biệt ngõ ra relay với transistor chuẩn kỹ thuật.

Giới thiệu

Trong mọi hệ thống điều khiển hiện đại, bộ điều khiển lập trình đóng vai trò như bộ não trung tâm để vận hành toàn bộ dây chuyền sản xuất. Tuy nhiên, để bộ não này có thể trực tiếp ra lệnh cho các cơ cấu chấp hành bên ngoài như động cơ, van điện từ, hay đèn báo hoạt động, chúng ta bắt buộc phải thông qua các module giao tiếp ngõ ra. Trong số các tiêu chuẩn phần cứng phổ biến nhất hiện nay, relay PLC luôn được các kỹ sư tự động hóa ưu tiên lựa chọn nhờ vào tính linh hoạt, khả năng chịu tải vượt trội và sự cách ly an toàn.

Dù bạn là một kỹ sư lập trình dày dặn kinh nghiệm, một chuyên viên bảo trì nhà máy, hay một sinh viên mới bước chân vào ngành cơ điện tử, việc nắm vững bản chất của thiết bị này là điều kiện tiên quyết. Bài viết kỹ thuật chuyên sâu dưới đây sẽ phân tích chi tiết về cấu tạo, nguyên lý hoạt động, cũng như các tiêu chuẩn khắt khe trong việc thiết kế và thi công tủ điện công nghiệp.

Bản chất và nguyên lý hoạt động của relay PLC

Để làm chủ được bất kỳ thiết bị điện nào, việc đầu tiên là phải hiểu rõ những gì diễn ra bên dưới lớp vỏ của chúng. Cơ cấu ngõ ra dạng rơ-le(relay) trong bộ điều khiển lập trình thực chất là sự thu nhỏ của các rơ-le trung gian truyền thống, được tích hợp trực tiếp lên bo mạch điện tử.

Cấu tạo cơ bản của ngõ ra relay trong PLC

Bên trong mỗi điểm ngõ ra của bộ điều khiển, nhà sản xuất sẽ bố trí một rơ-le điện từ siêu nhỏ. Cấu trúc của linh kiện này bao gồm hai phần tách biệt hoàn toàn về mặt điện học. Phần thứ nhất là cuộn dây điện từ, được điều khiển trực tiếp bởi vi xử lý trung tâm thông qua mức điện áp thấp, thường là 5V DC hoặc 24V DC. Phần thứ hai là các tiếp điểm cơ khí, bao gồm tiếp điểm thường mở và tiếp điểm thường đóng, được chế tạo từ các hợp kim đặc biệt có khả năng chống mài mòn và chịu được hồ quang điện.

Điểm đắt giá nhất trong cấu tạo này chính là sự cách ly điện hoàn toàn giữa mạch điều khiển bên trong và mạch động lực bên ngoài. Khi có sự cố ngắn mạch hay quá áp từ phía tải, hư hỏng thường chỉ dừng lại ở các tiếp điểm cơ khí mà không phá hủy bo mạch vi xử lý đắt tiền bên trong. Sự cách ly này mang lại một rào chắn bảo vệ cực kỳ vững chắc cho toàn bộ hệ thống điều khiển trung tâm.

Cơ chế đóng cắt cơ điện và thời gian đáp ứng

Khi chương trình lập trình xuất tín hiệu logic mức cao cho một ngõ ra cụ thể, dòng điện sẽ chạy qua cuộn dây bên trong rơ-le. Lực từ trường sinh ra sẽ hút phần lõi thép từ động, kéo theo sự dịch chuyển của các tiếp điểm cơ khí, làm thay đổi trạng thái từ mở sang đóng hoặc ngược lại. Đây là một quá trình biến đổi năng lượng từ điện sang từ, và cuối cùng là cơ năng.

Chính vì phải trải qua chuyển động cơ khí thực sự, thời gian đáp ứng của ngõ ra dạng này không thể đạt tốc độ tức thời. Theo thông số kỹ thuật chuẩn từ các hãng lớn như Siemens, Mitsubishi hay Xinje, thời gian trễ cho việc đóng hoặc ngắt tiếp điểm thường dao động trong khoảng từ 10 mili-giây đến 15 mili-giây.

Trong môi trường tự động hóa công nghiệp thông thường, mức thời gian này là hoàn toàn có thể chấp nhận được đối với các thao tác bật tắt máy bơm, khởi động băng tải hay mở van khí nén. Tuy nhiên, nó cũng đặt ra giới hạn về tần số đóng cắt, khiến rơ-le không thể làm việc ở tốc độ cao.

So sánh chi tiết ngõ ra relay PLC và ngõ ra transistor

Một trong những câu hỏi phổ biến nhất của người thiết kế hệ thống là làm sao để lựa chọn đúng loại phần cứng ngõ ra cho bộ điều khiển. Để trả lời câu hỏi này, chúng ta cần đặt ngõ ra relay và ngõ ra transistor lên bàn cân kỹ thuật.

Ưu nhược điểm của ngõ ra relay

Ưu điểm lớn nhất và cũng là lý do khiến ngõ ra relay trở nên thông dụng chính là tính linh hoạt về điện áp. Các tiếp điểm cơ khí hoạt động giống như một công tắc thuần túy, do đó chúng có thể đóng cắt cho cả dòng điện xoay chiều AC lên đến 220V hoặc 380V tùy cấu hình, lẫn dòng điện một chiều DC.

Khả năng chịu dòng tải của mỗi điểm ngõ ra cũng rất ấn tượng, thường đạt mức 2 Ampe, đủ sức điều khiển trực tiếp các khởi động từ nhỏ hoặc các cuộn hút van điện từ mà không cần linh kiện trung gian. Hơn nữa, ở trạng thái ngắt, dòng rò qua tiếp điểm gần như bằng không, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho tải.

Tuy nhiên, nhược điểm cốt lõi của công nghệ này nằm ở tuổi thọ cơ khí và tốc độ. Mỗi rơ-le chỉ có một số lần đóng cắt giới hạn, thường là vài trăm nghìn đến vài triệu lần thao tác cơ khí, và sẽ giảm xuống đáng kể khi có tải điện dòng cao. Mỗi lần đóng cắt đều tạo ra tiếng kêu lách cách đặc trưng và có nguy cơ phát sinh tia lửa điện gây mòn tiếp điểm. Do thời gian đáp ứng chậm, loại ngõ ra này hoàn toàn vô dụng trước các yêu cầu phát xung tốc độ cao.

Khi nào nên dùng relay và khi nào dùng transistor

Sự phân định ứng dụng giữa hai loại ngõ ra này rất rõ ràng. Bạn nên chọn thiết bị có ngõ ra dạng rơ-le khi hệ thống yêu cầu điều khiển các tải công suất có điện áp đa dạng. Ví dụ, trong một tủ điện xử lý nước thải, bộ điều khiển cần kích hoạt đồng thời một van điện từ chạy điện 220V AC và một còi báo động chạy điện 24V DC. Rơ-le cho phép bạn sử dụng các nguồn cấp khác nhau cho từng nhóm chân ngõ ra một cách dễ dàng.

Ngược lại, ngõ ra transistor là lựa chọn duy nhất và bắt buộc khi bạn làm việc với lĩnh vực điều khiển vị trí và chuyển động chính xác. Nếu bạn cần điều khiển một động cơ servo, thông qua hộp số giảm tốc dùng cho servo để quay một góc chính xác, hoặc chạy một động cơ bước, bạn phải xuất chuỗi xung tốc độ cao lên tới hàng trăm kilo-Hertz.

Transistor hoạt động dựa trên sự dịch chuyển của các hạt mang điện bán dẫn, không có chi tiết chuyển động cơ học, do đó nó có thể đóng ngắt hàng triệu lần mỗi giây với tuổi thọ gần như vô hạn. Bù lại, transistor chỉ đóng cắt được điện áp một chiều DC và dòng điện chịu đựng khá nhỏ, thường dưới 0.5 Ampe.

Hướng dẫn kỹ thuật đấu nối relay PLC an toàn và hiệu quả

Để một hệ thống hoạt động ổn định trong nhiều năm mà không gặp sự cố, kỹ năng thi công mạch điện đóng vai trò quyết định. Quá trình đấu nối relay PLC đòi hỏi sự cẩn trọng và tuân thủ tuyệt đối các nguyên tắc an toàn điện.

Sơ đồ đấu nối cơ bản với tải xoay chiều và một chiều

Trên các khối terminal của bộ điều khiển, nhà sản xuất thường chia các chân ngõ ra thành từng nhóm, mỗi nhóm có một chân chung ký hiệu là COM. Để cấp nguồn cho tải, bạn sẽ nối một cực của nguồn điện vào chân COM. Khi có lệnh xuất ra, tiếp điểm bên trong sẽ đóng lại, nối chân COM với chân ngõ ra tương ứng như Y0, Y1, từ đó đưa dòng điện đi qua tải và trở về cực còn lại của nguồn.

Nếu tải của bạn là bóng đèn hoặc khởi động từ chạy điện xoay chiều 220V AC, bạn đưa dây Lửa vào chân COM, chân Y nối với một đầu cuộn dây khởi động từ, đầu còn lại của cuộn dây nối về dây Nguội. Tương tự đối với mạch một chiều, bạn có thể sử dụng các thiết bị cấp nguồn công nghiệp chuyên dụng như nguồn tổ ong hoặc nguồn gắn thanh ray để cấp điện áp 24V DC ổn định. Việc phân nhóm chân COM cho phép bạn đấu nối Y0, Y1 điều khiển tải AC, trong khi cụm Y2, Y3 ở một chân COM khác lại điều khiển tải DC mà không gây chập cháy.

Sử dụng relay trung gian để bảo vệ ngõ ra PLC

Dù thông số kỹ thuật cho phép ngõ ra của bộ điều khiển chịu được dòng điện 2 Ampe, các kỹ sư hệ thống dày dặn kinh nghiệm luôn khuyến cáo không nên đấu nối trực tiếp các tải cảm kháng lớn vào thẳng chân Y. Các tải cảm như cuộn hút của khởi động từ lớn hoặc phanh điện từ của động cơ thường sinh ra dòng khởi động rất lớn, cùng với điện áp cảm ứng ngược khi ngắt mạch.

Giải pháp kỹ thuật tiêu chuẩn là sử dụng một rơ-le trung gian loại nhỏ, thường dùng nguồn 24V DC. Ngõ ra của bộ điều khiển sẽ chỉ làm nhiệm vụ cấp điện cho cuộn hút của rơ-le trung gian này. Sau đó, tiếp điểm chịu dòng cao của rơ-le trung gian mới làm nhiệm vụ đóng cắt cho tải thực tế. Nếu có hiện tượng hồ quang làm cháy tiếp điểm, bạn chỉ việc rút rơ-le trung gian ra và thay thế bằng một linh kiện mới với chi phí vài chục nghìn đồng, thay vì phải tháo dỡ và đem bộ điều khiển trung tâm đắt đỏ đi sửa chữa bo mạch.

Các lỗi thường gặp khi đấu nối và cách khắc phục

Trong quá trình bảo trì tự động hóa, hiện tượng “dính tiếp điểm” là lỗi phổ biến nhất đối với ngõ ra dạng này. Điều này xảy ra khi dòng điện khởi động của tải quá lớn, sinh ra nhiệt lượng làm các tiếp điểm kim loại nóng chảy và hàn dính lại với nhau. Hậu quả là đèn báo ngõ ra trên bộ điều khiển đã tắt nhưng thiết bị chấp hành bên ngoài vẫn tiếp tục hoạt động, gây mất kiểm soát toàn hệ thống.

Một lỗi khác là sự phá hủy tiếp điểm do hồ quang điện từ tải cảm sinh ra. Để khắc phục triệt để vấn đề này, đối với các tải mạch một chiều, kỹ thuật viên bắt buộc phải đấu song song một diode xả ngược chiều vào hai đầu cuộn cảm của tải. Đối với mạch xoay chiều, việc lắp đặt thêm các mạch dập hồ quang RC, hay còn gọi là mạch snubber, ngay trên hai đầu tải sẽ giúp triệt tiêu các xung điện áp cao, kéo dài tuổi thọ cho các tiếp điểm cơ khí bên trong bộ điều khiển lên gấp nhiều lần.

Ứng dụng thực tế của relay PLC trong công nghiệp

Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, việc thiết kế hệ thống đòi hỏi tính khoa học và sự phân bổ thiết bị cực kỳ hợp lý. Các ứng dụng relay không được sử dụng một cách ngẫu nhiên mà được chia thành những nhóm chuyên biệt, dựa trên đặc tính tải và yêu cầu vận hành thực tế của từng cụm máy móc, cụ thể như sau:

Điều khiển cơ cấu chấp hành hạng nặng

Tại các dây chuyền sản xuất lớn hoặc trạm trộn bê tông, ngõ ra cơ khí chịu trách nhiệm kích hoạt trực tiếp các cuộn hút khởi động từ công suất lớn hoặc cụm van khí nén định lượng. Lợi thế chịu dòng tải cao giúp bộ điều khiển lập trình đóng cắt dễ dàng các thiết bị điện xoay chiều mà không cần thiết kế quá nhiều mạch trung gian phức tạp.

Để tối ưu hóa độ ổn định, các kỹ sư thường kết hợp ngõ ra này với các thiết bị cấp nguồn chuẩn công nghiệp như nguồn tổ ong hay nguồn gắn thanh ray. Việc phân bổ nguồn điện logic giúp điện áp tại cuộn hút luôn đạt mức lý tưởng, ngăn ngừa triệt để hiện tượng sụt áp trên đường dây khi hàng loạt van điện từ cùng mở đồng thời.

Giao tiếp tín hiệu an toàn với hệ thống truyền động

Khi tích hợp bộ điều khiển trung tâm với các thiết bị động lực như biến tần, relay PLC đóng vai trò như một bức tường cách ly nhiễu tuyệt vời. Trong hệ thống trạm bơm nước áp lực không đổi, ngõ ra cơ khí sẽ xuất tín hiệu chạy hoặc dừng lệnh chạy đến cụm chân tín hiệu kỹ thuật số của biến tần.

Nhờ sự cách ly vật lý hoàn toàn của bộ tiếp điểm kim loại, các dòng nhiễu tần số cao sinh ra từ việc đóng cắt IGBT bên trong biến tần không thể xâm nhập ngược trở lại bo mạch chủ. Điều này bảo vệ an toàn tuyệt đối cho vi xử lý trung tâm, giúp toàn bộ dây chuyền tránh khỏi tình trạng treo hệ thống đột ngột.

Vận hành hệ thống phụ trợ và cơ cấu giữ vị trí

Trong các hệ thống phân loại sản phẩm tự động hoặc robot gắp thả, ngõ ra cơ khí thường được phân công điều khiển hệ thống chiếu sáng phụ trợ và các cơ cấu an toàn. Chẳng hạn, chúng trực tiếp cấp điện cho các bộ nguồn đèn LED chống nước dùng trong camera công nghiệp thị giác máy tính, đảm bảo đèn chỉ sáng khi có sản phẩm đi qua nhằm tăng tuổi thọ thiết bị.

Đặc biệt, ở các module máy yêu cầu độ chính xác định vị cao, mặc dù việc điều khiển động cơ servo kết hợp hộp số giảm tốc dùng cho servo bắt buộc phải dùng ngõ ra transistor để phát xung tốc độ cao, nhưng ngõ ra rơ-le vẫn được tận dụng tối đa để đóng ngắt phanh điện từ của động cơ. Chức năng này đảm bảo trục cơ khí được giữ chặt ngay lập tức khi hệ thống mất điện, ngăn chặn tình trạng trôi tải gây nguy hiểm cho người vận hành.

Kết luận

Tóm lại, việc thấu hiểu tường tận về bản chất vật lý, ưu nhược điểm và nắm vững kỹ thuật đấu nối relay PLC là nền tảng vững chắc để các kỹ sư tự động hóa thiết kế nên những tủ điện công nghiệp an toàn, hoạt động bền bỉ qua nhiều năm tháng.

Mặc dù không thể đáp ứng yêu cầu phát xung định vị siêu tốc độ như ngõ ra transistor, nhưng với khả năng chịu dòng điện lớn, điện áp hoạt động đa dạng, tính cách ly nhiễu điện từ hoàn hảo và chi phí bảo trì cực thấp, các tiếp điểm cơ khí vẫn luôn giữ vững vị thế cốt lõi, không thể thay thế trong mọi kiến trúc điều khiển tự động hóa hiện đại.

Giải pháp PLC Xinje – Tối ưu hóa chi phí và hiệu suất vận hành

Nếu bạn đang trong quá trình thiết kế chế tạo máy và tìm kiếm một bộ điều khiển lập trình sở hữu hệ thống ngõ ra cơ khí siêu bền bỉ, đáp ứng tốt các môi trường công nghiệp khắc nghiệt, thì các dòng thiết bị PLC Xinje chính là sự lựa chọn tối ưu nhất hiện nay.

Với ưu điểm thiết kế bo mạch chắc chắn, linh kiện rơ-le ngõ ra có tuổi thọ đóng cắt cực cao và khả năng chống nhiễu công nghiệp vượt trội, PLC Xinje không chỉ giúp hệ thống của bạn vận hành trơn tru, chính xác mà còn tối ưu hóa bài toán chi phí đầu tư ban đầu một cách cực kỳ hiệu quả.

Tại Tự Động Hóa Toàn Cầu, chúng tôi phân phối chính hãng các dòng PLC Xinje đa dạng cấu hình, đi kèm hệ sinh thái thiết bị phụ trợ đồng bộ như biến tần, màn hình HMI, động cơ bước và bộ nguồn chuyên dụng. Đội ngũ kỹ sư dày dặn kinh nghiệm thực chiến của chúng tôi luôn sẵn sàng hỗ trợ bạn bóc tách khối lượng vật tư, lựa chọn mã sản phẩm và thiết kế sơ đồ đấu nối chuẩn kỹ thuật hoàn toàn miễn phí.

Liên hệ ngay để nhận tư vấn và báo giá PLC Xinje tốt nhất: