Tổng quan về giáo trình

Giáo trình mô đun PLC (Mã mô đun: AUTM55115 / AUTM65115) là tài liệu đào tạo chuyên môn do Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam) biên soạn và ban hành theo Quyết định số 216/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022. Tài liệu do ThS. Nguyễn Thái Bảo chủ biên cùng tác giả Ngô Trí Tùng thuộc bộ môn Tự Động Hóa thực hiện, phục vụ giảng dạy cho sinh viên hệ cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH).

Trong chương trình khung đào tạo 102 tín chỉ của ngành, mô đun PLC có thời lượng 120 giờ (tương đương 5 tín chỉ), bao gồm 28–30 giờ lý thuyết, 87–90 giờ thực hành/thực tập/thí nghiệm và 5 giờ kiểm tra. Mô đun được xếp vào nhóm môn học chuyên môn cơ sở ngành, được bố trí giảng dạy sau khi sinh viên đã hoàn thành các học phần nền tảng: Mạch logic số (AUTM53104), Điện tử cơ bản (AUTM53102), Điện kỹ thuật 1 (ELEI53154), Khí cụ điện (ELEI53011), Đo lường điện (ELEI53110) và Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén (AUTM54113).

Mục tiêu đào tạo của giáo trình được xác định rõ theo 3 nhóm chuẩn đầu ra:

  • Về kiến thức (A1–A3): Trình bày nguyên lý hoạt động, cấu tạo phần cứng PLC, sơ đồ hệ thống điều khiển tự động hóa công nghiệp và phương pháp lựa chọn, phân bổ thiết bị ngoại vi kết nối với PLC.
  • Về kỹ năng (B1–B4): Thực hiện kết nối cơ cấu ngoại vi, thiết lập cấu hình phần cứng trên máy tính, lập trình chương trình điều khiển và vận hành thành thạo phần mềm chuyên dụng (SIMATIC Step 7 V5.5).
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1–C3): Rèn luyện tính trung thực, tác phong kỷ luật, kỹ năng làm việc độc lập và làm việc nhóm, bảo đảm an toàn điện (nguồn 5V, 12V–24V) và bảo quản trang thiết bị xưởng thực hành.

Cấu trúc giáo trình gồm 04 bài học chính, đi từ cơ sở lý thuyết đến cấu trúc phần cứng, cú pháp tập lệnh và ứng dụng vào các hệ thống tự động hóa công nghiệp thực tế. Điểm đặc trưng của giáo trình là việc phân bổ tỷ trọng thời lượng thực hành chiếm xấp xỉ 75% tổng khối lượng môn học, kết hợp trực tiếp giữa cấu hình phần cứng PLC S7-300, mạng truyền thông công nghiệp và các cơ cấu chấp hành khí nén.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được thiết kế theo tiến trình tuyến tính nâng cao dần từ tổng quan lý thuyết đến kỹ năng lập trình và triển khai ứng dụng hệ thống qua 04 bài học cụ thể:

  • Bài 1: Giới thiệu chung về PLC (Thời lượng: 05 giờ lý thuyết)
    Trình bày lịch sử hình thành của thiết bị điều khiển logic khả trình ra đời từ năm 1968–1969 theo yêu cầu của ngành sản xuất ô tô nhằm thay thế hệ thống rơ-le cồng kềnh; nêu định nghĩa thiết bị PLC; phân tích các ưu điểm về kích thước, tính linh hoạt và khả năng giao tiếp mạng; giới thiệu các dòng sản phẩm của hãng Siemens (Logo, S7-200, S7-1200, S7-300, S7-400); khảo sát 18 lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu trong công nghiệp (hệ thống nâng vận chuyển, dây chuyền đóng gói, chế biến thực phẩm, điều khiển robot, xử lý hóa học).

  • Bài 2: Cấu trúc của PLC (Thời lượng: 40 giờ gồm 9 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành, 2 giờ kiểm tra)
    Cung cấp sơ đồ khối và chức năng từng thành phần trong họ PLC SIMATIC S7-300: mô-đun nguồn (PS307: 24VDC, 2A/5A/10A), các dòng CPU (312IFM đến 318-2), mô-đun ghép nối Interface Module (IM360, IM361, IM365), mô-đun tín hiệu Signal Module (SM321-DI, SM322-DO, SM323-DI/DO, SM331-AI, SM332-AO, SM334-AI/AO), mô-đun chức năng Function Module (FM350, FM351, FM352, FM353, FM354, FM355, FM357-2) và mô-đun truyền thông (CP). Giáo trình hướng dẫn chi tiết quy tắc cắm mô-đun trên thanh ray (rack tối đa 8 mô-đun SM/FM/CP bên phải CPU), nguyên tắc định địa chỉ ngõ vào/ra số (Ix.y, Qx.y), ngõ vào/ra tương tự (PIW, PQW), vùng nhớ cờ (Mx.y) và cấu hình mạng truyền thông MPI, Profibus-DP, Ethernet LAN.

  • Bài 3: Lập trình PLC (Thời lượng: 40 giờ gồm 10 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành, 1 giờ kiểm tra)
    Hướng dẫn quy trình khởi tạo project và khai báo cấu hình phần cứng (Hardware Config) trên phần mềm SIMATIC Step 7 V5.5 cho hệ thống nhiều trạm (Trạm 1 đến Trạm 4) kết nối màn hình HMI (HMI 1, HMI 2). Trình bày các kiểu dữ liệu cơ bản (Boolean 1 bit, Byte 8 bit, Word 16 bit, Integer 16 bit từ -32767 đến +32767, Double Word 32 bit); cấu trúc bộ nhớ CPU (vùng chương trình OB/FB/FC, vùng nhớ dữ liệu DB/L, các vùng nhớ tham số I, Q, M, T, C, PI, PQ); cơ chế vòng quét chương trình (scan time); phương pháp lập trình tuyến tính (khối OB1) và lập trình có cấu trúc (gọi hàm FC, FB). Hệ thống tập lệnh bao gồm:

    • Tập lệnh Bit Logic: Tiếp điểm thường mở/thường đóng, ngõ ra Output, lệnh đảo NOT, lệnh Set/Reset, khối RS, lệnh phát hiện sườn xung vi phân cạnh lên (POS / P) và cạnh xuống (NEG / N).
    • Tập lệnh Timer (Bộ định thời): S_PULSE (xung đơn), S_PEXT (xung kéo dài có nhớ), S_ODT (trễ bật không nhớ), S_ODTS (trễ bật có nhớ), S_OFFDT (trễ tắt) kèm định dạng thời gian S5T#aH_bM_cS_dMS.
    • Tập lệnh Counter (Bộ đếm): Đếm lên (UP), đếm xuống (DOWN), đếm lên/xuống (UP_DOWN).
    • Tập lệnh so sánh và số học: So sánh số nguyên (CMP ==I, <>I, >I, <I, >=I, <=I) và các phép toán cộng, trừ, nhân, chia số nguyên (ADD_I, SUB_I, MUL_I, DIV_I).

  • Bài 4: Ứng dụng PLC điều khiển hệ thống (Thời lượng: 35 giờ gồm 4 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành, 2 giờ kiểm tra)
    Triển khai lập trình điều khiển hệ thống đèn giao thông ngã tư kết hợp mô phỏng đồ họa; lập trình điều khiển hệ thống khí nén công nghiệp sử dụng xy lanh tác động kép, cơ cấu chấp hành tịnh tiến/quay, các loại van điện từ 3/2 và 5/2 (loại duy trì và không duy trì); phân tích và thiết kế mạch điều khiển cho dây chuyền in nhãn bán tự động và hệ thống khoan lỗ chi tiết bán tự động dựa trên biểu đồ hành trình bước.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình hình thành nền tảng kiến thức tự động hóa công nghiệp theo các nguyên lý cốt lõi:

  1. Nguyên lý cấu trúc máy tính công nghiệp: Mô hình phân tách mô-đun chức năng, xử lý tín hiệu analog/digital và ghép nối mở rộng qua rack bằng mô-đun IM360/IM361.
  2. Cơ chế quét vòng tuần hoàn (Scan Cycle): Quá trình đọc dữ liệu ngõ vào (Process Image Input - I), thực thi logic khối lệnh trong OB1 và cập nhật dữ liệu ngõ ra (Process Image Output - Q).
  3. Mô hình tổ chức bộ nhớ dữ liệu và phân cấp chương trình: Khái niệm phân vùng nhớ toàn cục (Global Data Block - DB) và vùng nhớ địa phương (Local Data Block - L), phương pháp tổ chức chương trình có cấu trúc (OB, FB, FC).
  4. Mạng truyền thông công nghiệp và giao diện người - máy: Nguyên lý truyền thông dữ liệu nối tiếp qua chuẩn MPI (tốc độ tối đa 12 Mbps), mạng Profibus-DP và kết nối trạm màn hình điều khiển giám sát HMI qua mạng LAN.

Kỹ năng phát triển

Nội dung các bài học rèn luyện hệ thống kỹ năng thực hành nghề nghiệp cụ thể:

  • Kỹ năng kỹ thuật: Đọc bản vẽ sơ đồ nguyên lý; đấu nối vật lý các thiết bị ngoại vi (nút nhấn, cảm biến, công tắc hành trình, van điện từ 24VDC, rơ-le) với các mô-đun SM321/SM322; sử dụng đồng hồ VOM để kiểm tra tín hiệu mạch điện.
  • Kỹ năng phân tích: Lập bảng phân bổ địa chỉ ngõ vào/ra (I/O mapping) và đặt tên biến tượng trưng (Symbols); phân tích chu trình hoạt động của hệ cơ điện - khí nén bằng sơ đồ hành trình bước.
  • Kỹ năng lập trình và vận hành phần mềm: Thao tác thành thạo phần mềm SIMATIC Step 7 V5.5 để cấu hình phần cứng trạm, viết chương trình điều khiển dạng LAD/FBD, tải chương trình (download) xuống CPU 315-2DP, giám sát trạng thái biến (online monitoring) và xử lý lỗi hệ thống vòng điều khiển.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng mô hình sư phạm tích hợp lý thuyết và thực hành, lấy người học làm trung tâm thông qua các phương pháp giảng dạy tích cực: diễn giảng kết hợp vấn đáp, dạy học dựa trên vấn đề (Problem-based learning) và thực hành theo tình huống kỹ thuật.

Thời lượng học tập được bố trí trực tiếp tại phòng học tích hợp PLC và phòng thực hành điện - điện tử với đầy đủ trang thiết bị: bộ thực hành PLC S7-300, máy tính cài đặt SIMATIC Step 7 V5.5, phần mềm mô phỏng khí nén thủy lực, mô hình mạng LAN đa trạm, màn hình HMI, bộ nguồn PS307, các thiết bị cơ cấu chấp hành khí nén và dụng cụ cầm tay (kìm tuốt dây, đồng hồ VOM).

Quá trình học tập được tổ chức theo hình thức kết hợp giữa cá nhân và nhóm làm việc (8–10 sinh viên/nhóm). Giảng viên cung cấp chủ đề thảo luận và phiếu học tập trước giờ học. Mỗi thành viên trong nhóm chịu trách nhiệm chuẩn bị một phần nội dung chuyên biệt để hoàn thiện bài tập thực hành.

Hệ thống đánh giá kết quả học tập gồm 3 cấu phần chặt chẽ:

  1. Kiểm tra thường xuyên (02 bài): Giảng viên thực hiện đột xuất thông qua vấn đáp trong giờ học, kiểm tra viết dưới 30 phút hoặc chấm điểm thao tác thực hành trực tiếp.
  2. Kiểm tra định kỳ (05 bài): Gồm 02 bài lý thuyết (viết hoặc trắc nghiệm 45–60 phút) và 03 bài thực hành (45–60 phút) với các bài toán điển hình như: viết chương trình điều khiển động cơ khởi động sao - tam giác (Bài 2), điều khiển băng tải đếm 10 sản phẩm theo chu kỳ (Bài 3), điều khiển hệ thống khí nén và đèn giao thông (Bài 4).
  3. Thi kết thúc mô đun: Bắt buộc thực hiện cả 2 phần gồm thi trắc nghiệm lý thuyết (thời gian 45–60 phút) và thi kỹ năng thực hành tay nghề (thời gian 60–120 phút).

Về phía người học, quy chế yêu cầu sinh viên phải nghiên cứu giáo trình trước khi đến lớp và tham dự tối thiểu 70% tổng số tiết học lý thuyết. Trường hợp nghỉ quá 30% thời lượng lý thuyết, sinh viên không đủ điều kiện dự thi và phải đăng ký học lại mô đun.

Điểm nổi bật và cập nhật

Giáo trình mô đun PLC thể hiện các đặc trưng kỹ thuật và tính cập nhật chuyên ngành tự động hóa thông qua các yếu tố:

  • Chuẩn hóa cấu hình phần cứng công nghiệp: Tài liệu tập trung xây dựng toàn bộ bài giảng thực hành trên nền tảng phần cứng họ SIMATIC S7-300 của Siemens (đặc biệt là dòng CPU 315-2DP, CPU 318-2), cung cấp thông số kỹ thuật chi tiết của từng dòng mô-đun SM (vào/ra số và tương tự với độ phân giải 12 bit, 16 bit) cùng các mô-đun chức năng đếm xung tốc độ cao FM350-1/FM350-2 và điều khiển định vị FM351/353/354.
  • Tích hợp truyền thông mạng đa trạm và HMI: Giáo trình không giới hạn ở bài toán điều khiển đơn lẻ mà mở rộng sang mô hình mạng LAN công nghiệp kết nối 4 trạm PLC S7-300 và 2 trạm màn hình HMI, cung cấp sơ đồ kết nối cáp truyền thông, thông số cài đặt địa chỉ mạng và giao diện giám sát vận hành thực tế.
  • Gắn kết chặt chẽ với cơ cấu chấp hành khí nén: Nội dung Bài 4 tích hợp trực tiếp bài toán điều khiển logic khả trình với các thiết bị khí nén công nghiệp (xy lanh tác động kép, van đảo chiều 3/2, 5/2 loại có duy trì và không duy trì), giải quyết bài toán in nhãn bán tự động và khoan lỗ sản phẩm theo phương pháp sơ đồ hành trình bước.
  • Tính pháp lý và nguồn tham khảo học thuật chuẩn tắc: Tài liệu được ban hành chính thức theo quyết định của cơ sở đào tạo nghề dầu khí, tham khảo trực tiếp các tài liệu chuyên ngành của các giảng viên Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM (Trần Thế San, Nguyễn Ngọc Phương, Tăng Văn Mùi, Nguyễn Tiến Dũng) và tài liệu kỹ thuật gốc SIMATIC's Manual.de của hãng Siemens.

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được thiết kế chuyên biệt phục vụ các đối tượng cụ thể trong hệ thống giáo dục nghề nghiệp và kỹ thuật:

  • Sinh viên cao đẳng nghề: Tài liệu học tập chính khóa bắt buộc của sinh viên theo học nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH) tại Trường Cao đẳng Dầu khí và các cơ sở giáo dục nghề nghiệp có đào tạo chuyên ngành Tự động hóa công nghiệp, Cơ điện tử hoặc Điện tự động.
  • Điều kiện tiên quyết: Người học cần hoàn thành khối kiến thức cơ sở ngành gồm: Mạch logic số (AUTM53104), Điện tử cơ bản (AUTM53102), Điện kỹ thuật (ELEI53154), Khí cụ điện (ELEI53011), Đo lường điện (ELEI53110) và Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén (AUTM54113) để tiếp thu được các khái niệm về cổng logic, biến nhớ, cảm biến và van khí nén.
  • Giảng viên và cán bộ hướng dẫn thực hành: Sử dụng làm căn cứ chuẩn để thiết kế giáo án tích hợp, phân bổ ca thực hành xưởng, xây dựng phiếu đánh giá kỹ năng tay nghề và biên soạn đề kiểm tra trắc nghiệm, đề thi thực hành kết thúc học phần.
  • Kỹ thuật viên tự học và tra cứu: Tài liệu cung cấp bảng tra cứu cú pháp tập lệnh đầy đủ (Bit Logic, Timer S5T, Counter, Lệnh số học Integer), sơ đồ chân kết nối I/O và các bước thao tác trên phần mềm SIMATIC Step 7 V5.5 phục vụ công tác sửa chữa, bảo trì tủ điều khiển PLC trong nhà máy.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu phục vụ cho sinh viên trình độ cao đẳng thuộc nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa, sinh viên các ngành kỹ thuật điện - tự động hóa, cùng các kỹ thuật viên vận hành, bảo dưỡng hệ thống điều khiển PLC trong môi trường sản xuất công nghiệp.

2. Cần trang bị kiến thức nền tảng nào trước khi học?

Người học cần hoàn thành các môn học tiên quyết bao gồm mạch logic số (cổng logic, đại số Boolean), kỹ thuật điện tử cơ bản, nguyên lý khí cụ điện, đo lường điện và nguyên lý hoạt động của hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu lý thuyết khác là gì?

Giáo trình phân bổ gần 75% thời lượng (87/120 giờ) cho nội dung thực hành xưởng. Nội dung tập trung trực tiếp vào cấu hình phần cứng S7-300 trên SIMATIC Step 7 V5.5, hướng dẫn kết nối mạng LAN/MPI đa trạm, màn hình HMI và điều khiển các mạch khí nén công nghiệp thực tế.

4. Làm sao để tự học và nghiên cứu mô đun này hiệu quả?

Người học cần nghiên cứu tài liệu trước khi lên lớp, phân tích kỹ giản đồ xung của các bộ định thời Timer (S_PULSE, S_ODT, S_OFFDT), kết hợp học nhóm từ 8–10 người để thảo luận sơ đồ điều khiển và thực hành mô phỏng chương trình trước khi nạp vào PLC thật.

5. Có những tài liệu bổ trợ nào được trích dẫn kèm theo?

Giáo trình sử dụng các tài liệu tham khảo chính thống gồm:

  • Thiết kế và lập trình PLC – Trần Thế San, Nguyễn Ngọc Phương (ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2016).
  • Điều Khiển Logic Lập trình – Tăng Văn Mùi, Nguyễn Tiến Dũng (ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2016).
  • Tài liệu cẩm nang kỹ thuật của hãng Siemens (SIMATIC's Manual.de).

Kết luận

Giáo trình mô đun PLC (AUTM55115) của Trường Cao đẳng Dầu khí cung cấp tài liệu đào tạo thực hành có cấu trúc hoàn chỉnh về hệ thống điều khiển tự động hóa bằng PLC S7-300. Tài liệu xác lập lộ trình học tập chặt chẽ từ khảo sát tổng quan họ thiết bị (Bài 1), cấu trúc phần cứng và gán địa chỉ mô-đun (Bài 2), cú pháp tập lệnh và cấu hình Step 7 (Bài 3), đến triển khai điều khiển hệ thống đèn giao thông và cơ cấu khí nén công nghiệp (Bài 4). Người học có thể khai thác đồng bộ giáo trình cùng phần mềm SIMATIC Step 7 V5.5, tài liệu kỹ thuật của Siemens và xưởng thực hành chuyên môn hóa để đạt chuẩn đầu ra nghề nghiệp.