Tổng quan về giáo trình

Giáo trình mô đun PLC (Mã mô đun: AUTM65115) là tài liệu giảng dạy chuyên môn được ban hành kèm theo Quyết định số 216/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Tài liệu do ThS. Nguyễn Thái Bảo chủ biên cùng kỹ sư Ngô Trí Tùng biên soạn, thuộc bộ môn Tự động hóa. Giáo trình được thiết kế cho trình độ Cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH), định vị là mô đun chuyên môn cơ sở ngành cốt lõi trong chương trình đào tạo kỹ thuật điều khiển.

Về thời lượng, mô đun được cấu trúc với tổng khối lượng 5 tín chỉ, tương đương 120 giờ học tập (bao gồm 28 giờ lý thuyết, 87 giờ thực hành, thí nghiệm, thảo luận, bài tập và 5 giờ kiểm tra định kỳ). Về mặt vị trí đào tạo, mô đun được bố trí giảng dạy sau khi sinh viên đã tích lũy các học phần cơ sở: Mạch logic số (AUTM53104), Điện tử cơ bản (AUTM53102), Khí cụ điện (ELEI53011) và Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén (AUTM54113).

Mục tiêu học tập của giáo trình hướng đến ba chuẩn đầu ra cụ thể:

  • Kiến thức (A1): Trình bày chính xác nguyên lý, cấu tạo của thiết bị điều khiển logic khả trình (PLC), sơ đồ khối của hệ thống điều khiển PLC; giải thích được các bài toán điều khiển tự động hóa trong sản xuất; nhận biết và lựa chọn đúng chủng loại thiết bị ngoại vi tương thích.
  • Kỹ năng (B1 - B4): Đấu nối hoàn chỉnh thiết bị ngoại vi với PLC; thiết lập và cấu hình phần cứng trên phần mềm chuyên dụng; lập trình các thuật toán điều khiển; vận hành thành thạo phần mềm lập trình và mô phỏng Simatic Step 7 V5.5.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1 - C3): Thực hiện nghiêm túc quy trình an toàn điện, an toàn vận hành thiết bị; rèn luyện khả năng làm việc độc lập và phối hợp nhóm kỹ thuật; bảo quản tốt trang thiết bị phòng thí nghiệm.

Cấu trúc giáo trình gồm 04 bài học logic, kết hợp giữa việc trang bị lý thuyết phần cứng, cú pháp tập lệnh và các bài tập thực hành ứng dụng công nghiệp. Điểm đặc sắc của tài liệu là định dạng thiết kế tích hợp mô-đun hóa, tập trung sâu vào dòng thiết bị PLC Siemens S7-300 cùng các ứng dụng điều khiển điện khí nén thực tế.

Nội dung kiến thức cốt lõi

                               CẤU TRÚC KHỐI KIẾN THỨC PLC S7-300

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được phân bổ thành 04 bài học chính với tiến trình từ cơ bản đến phức tạp:

  • Bài 1: Giới thiệu chung về PLC (5 giờ lý thuyết): Giới thiệu lịch sử hình thành của PLC từ năm 1968-1969 trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô nhằm thay thế hệ thống điều khiển rơ-le cồng kềnh; định nghĩa thiết bị PLC; phân loại các dòng họ PLC của hãng Siemens gồm Logo (sơ cấp), S7-200 (trung cấp), S7-1200 (dòng tích hợp thế hệ mới) và S7-300/400 (hệ thống cao cấp phục vụ mạng công nghiệp); liệt kê phạm vi ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp.
  • Bài 2: Cấu trúc của PLC (40 giờ: 9 LT, 29 TH, 2 KT): Phân tích chi tiết sơ đồ khối phần cứng hệ thống S7-300; mô-đun nguồn PS307 (24VDC, dòng 2A, 5A, 10A); các họ mô-đun CPU (312IFM, 312C, 313, 314, 315-2DP, 316-2DP, 318-2); cổng giao tiếp MPI (tốc độ 187.5 kbps đến 12 Mbps) và Profibus-DP (tốc độ đến 12 Mbps); mô-đun ghép nối IM (IM360, IM361, IM365) mở rộng tối đa 4 rack; mô-đun tín hiệu vào/ra số và tương tự SM (SM321, SM322, SM323, SM331, SM332, SM334); mô-đun chức năng FM (FM350, FM351, FM352, FM355); nguyên tắc định vị slot trên rack (Slot 1: Nguồn, Slot 2: CPU, Slot 3: IM, Slot 4-11: SM/FM/CP) và quy tắc định địa chỉ byte/bit (I, Q, PIW, PQW, M).
  • Bài 3: Lập trình PLC (40 giờ: 10 LT, 29 TH, 1 KT): Hướng dẫn vận hành phần mềm Simatic Step 7 V5.5; định dạng kiểu dữ liệu (Boolean 1 bit, Byte 8 bit, Word/Int 16 bit, Double Word 32 bit); cấu trúc bộ nhớ CPU gồm vùng chương trình (OB, FB, FC), vùng tham số (I, Q, M, T, C, PI, PQ) và vùng khối dữ liệu (DB, L); khái niệm vòng quét (scan cycle) và thời gian vòng quét (scan time); phân biệt phương pháp lập trình tuyến tính (khối OB1) và lập trình có cấu trúc (gọi FC, FB từ OB1); cú pháp tập lệnh bit logic (tiếp điểm thường đóng/mở, ngõ ra, lệnh đảo NOT, lệnh Set/Reset, khối RS, lệnh bắt sườn xung P/N, POS/NEG); tập lệnh Timer (S_PULSE, S_PEXT, S_ODT, S_ODTS, S_OFFDT với định dạng thời gian S5T#aH_bM_cS_dMS); tập lệnh Counter (C_UP, C_DOWN, C_UPDOWN); tập lệnh so sánh số nguyên (CMP ==I, <>I, >I, <I, >=I, <=I) và tập lệnh toán học (ADD_I, SUB_I, MUL_I, DIV_I).
  • Bài 4: Ứng dụng PLC điều khiển hệ thống (35 giờ: 4 LT, 29 TH, 2 KT): Hướng dẫn quy trình điều khiển hệ thống đèn giao thông ngã tư (lập bảng địa chỉ I/O, giản đồ xung, viết mã Step 7, thiết kế giao diện HMI); kỹ thuật điều khiển hệ thống khí nén (xy lanh tác động kép, cơ cấu chấp hành tịnh tiến/quay, van điện từ 3/2, 5/2 loại duy trì và không duy trì); thiết kế điều khiển dây chuyền in nhãn chi tiết bán tự động và dây chuyền khoan lỗ chi tiết bán tự động theo sơ đồ hành trình bước.

Bảng phân loại các mô-đun phần cứng PLC S7-300 trong giáo trình

Loại mô-đun Ký hiệu mã hiệu Đặc tính kỹ thuật trích xuất từ giáo trình Vị trí / Ứng dụng
Nguồn cấp PS307 Điện áp ngõ ra 24VDC, các định mức dòng: 2A, 5A, 10A Gắn tại Rack 0, Slot 1
Xử lý trung tâm CPU 312IFM -> 318-2 Phân loại có/không có thẻ nhớ, pin nuôi; cổng MPI hoặc Profibus-DP Gắn tại Slot 2 trên thanh Rack
Giao tiếp mở rộng IM360, IM361, IM365 Cho phép mở rộng từ Rack 0 sang các Rack 1, 2, 3 khi vượt quá 8 module SM Gắn tại Slot 3 kế tiếp CPU
Vào/Ra số (DI/DO) SM321, SM322, SM323 DI: 8/16/32 kênh (24VDC, 120/230VAC); DO: 8/16/32 kênh (Transistor 0.5A/1A, Relay 2A/5A) Gắn từ Slot 4 đến Slot 11
Vào/Ra tương tự SM331, SM332, SM334 AI: 2/8 kênh (độ phân giải 12/16 bit); AO: 2/4 kênh (áp/dòng 12/16 bit); AI/AO kết hợp Định địa chỉ theo dải PIW / PQW
Chức năng riêng FM350, FM351, FM352, FM355 FM350-1/2: Đếm xung 1/8 kênh; FM351/353/354/357-2: Định vị; FM352: Cam điện tử; FM355: PID Điều khiển tác vụ chuyên biệt

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống tri thức kỹ thuật dựa trên các nền tảng lý thuyết:

  • Nguyên lý điều khiển logic gián đoạn: Thay thế mạng logic tiếp điểm rơ-le cổ điển bằng cấu trúc phần mềm điều khiển linh hoạt.
  • Cơ chế quét vòng của vi xử lý công nghiệp: Trình tự đọc trạng thái từ bộ đệm đầu vào quá trình (Process Image Input - I), xử lý logic từng dòng lệnh trong khối OB1, và ghi giá trị ra bộ đệm đầu ra quá trình (Process Image Output - Q).
  • Mô hình tổ chức bộ nhớ phân đoạn: Phân định rõ ràng giữa bộ nhớ hệ thống (các cờ nhớ M, bộ định thời T, bộ đếm C), vùng đệm ngoại vi tương tự (PI/PQ), và bộ nhớ dữ liệu ứng dụng (DB, Local data).
  • Nguyên lý điều khiển điện khí nén: Kết hợp tín hiệu điện điều khiển 24VDC từ ngõ ra PLC để đóng mở các cuộn hút van điện từ (3/2, 5/2), điều khiển luồng khí nén tác động vào xy lanh chuyển động tịnh tiến hoặc cơ cấu quay theo biểu đồ bước.

Kỹ năng phát triển

Người học được rèn luyện các nhóm kỹ năng thực hành kỹ thuật cụ thể:

  • Kỹ năng kỹ thuật: Nhận diện và đấu nối dây dẫn giữa thiết bị ngoại vi (nút nhấn, cảm biến, van điện từ khí nén, đèn chỉ thị) với các kênh I/O của PLC S7-300; đo kiểm tín hiệu bằng đồng hồ VOM; thao tác dụng cụ cơ khí điện (kìm tuốt dây, kẹp đầu cos).
  • Kỹ năng phân tích: Đọc hiểu sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển; phân tích biểu đồ thời gian, biểu đồ hành trình bước của hệ thống khí nén; thiết lập bảng địa chỉ ngõ vào/ngõ ra (Symbol Table) cho các bài toán công nghệ.
  • Kỹ năng phần mềm và thực hành điều khiển: Khai báo cấu hình phần cứng đa trạm trên Hardware Configuration của phần mềm Simatic Step 7 V5.5; soạn thảo chương trình LAD sử dụng các tập lệnh Bit logic, Timer, Counter, Math; thiết lập địa chỉ mạng LAN và thông số giao diện màn hình HMI; biên dịch, nạp chương trình (Download) và giám sát trạng thái trực tuyến (Monitor) để sửa lỗi vòng lặp điều khiển.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình được thiết kế theo hình thức giảng dạy tích hợp (tích hợp lý thuyết kỹ thuật và thực hành kỹ năng nghề trực tiếp tại phòng học chuyên môn hóa PLC):

                        QUY TRÌNH DẠY HỌC VÀ ĐÁNH GIÁ MÔ ĐUN PLC
  • Phương pháp tiếp cận sư phạm: Áp dụng phương pháp giảng dạy tích cực, lấy người học làm trung tâm thông qua kỹ thuật dạy học giải quyết vấn đề (problem-based learning). Giảng viên đóng vai trò phân tích yêu cầu công nghệ, thị phạm thao tác phần mềm và hướng dẫn quy trình an toàn; sinh viên được tổ chức làm việc theo nhóm từ 8 đến 10 người để thảo luận chuyên đề và phân công nhiệm vụ thực hành.
  • Hệ thống bài tập và tình huống thực hành: Các bài tập được phân cấp theo độ khó tăng dần:
    • Bài tập khai báo phần cứng: Thực hành cấu hình phần cứng cho các trạm độc lập (Trạm 1, Trạm 2, Trạm 3, Trạm 4) và cấu hình địa chỉ mạng LAN cho màn hình HMI 1, HMI 2.
    • Bài tập kỹ thuật mạch: Viết chương trình điều khiển một nút nhấn ON/OFF hiển thị ngõ ra trên đèn; lập trình điều khiển động cơ khởi động chạy Sao - Tam giác.
    • Bài tập tích hợp quy trình: Lập trình điều khiển băng tải đếm tự động 10 sản phẩm rồi lặp lại chu kỳ; lập trình hệ thống điều khiển đèn giao thông ngã tư; lập trình điều khiển hệ thống dập in nhãn và khoan lỗ chi tiết bán tự động bằng điện khí nén.
  • Phương pháp kiểm tra và đánh giá:
    • Kiểm tra thường xuyên (02 bài): Thực hiện bất kỳ trong quá trình học qua hình thức vấn đáp hoặc kiểm tra viết dưới 30 phút, chấm điểm thao tác thực hành.
    • Kiểm tra định kỳ (05 bài): Gồm 02 bài lý thuyết (viết 45-60 phút đánh giá chuẩn kiến thức A1, A2) và 03 bài thực hành (45-60 phút đánh giá chuẩn kỹ năng B1-B4 và năng lực tự chủ C1, C2 trên các mô hình cụ thể như mạch Sao - Tam giác, đếm sản phẩm, khí nén).
    • Thi kết thúc môn học: Kết hợp 02 phần bắt buộc gồm thi trắc nghiệm lý thuyết (thời gian 45-60 phút) và thi thực hành thao tác độc lập trên mô hình (thời gian 60-120 phút).
  • Yêu cầu đối với người học: Sinh viên phải tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết (vắng quá 30% phải học lại mô đun); tự giác thực hiện giờ tự học, hoàn thành đầy đủ các phiếu học tập và tuân thủ các quy tắc bảo hộ an toàn điện (mang giày cách điện, găng tay cách điện).

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tính chuẩn hóa theo khung chương trình Cao đẳng 2022: Giáo trình được cập nhật dựa trên khung chương trình đào tạo chính thức của Trường Cao đẳng Dầu khí (ban hành năm 2022), phân bổ tỷ lệ giờ thực hành và bài tập thực tế chiếm đến 75% tổng thời lượng (90 giờ thực hành/thảo luận trên tổng số 120 giờ).
  • Cấu trúc hóa phần cứng dòng PLC S7-300: Cung cấp thông số kỹ thuật đầy đủ của toàn bộ dải CPU từ 312IFM đến 318-2, các dòng card tín hiệu tương tự SM331, SM332 có độ phân giải 12-16 bit, và các dòng card mở rộng rack IM360/IM361/IM365.
  • Tích hợp mạng truyền thông công nghiệp và giám sát HMI: Giáo trình không giới hạn ở việc lập trình PLC đơn lẻ mà mở rộng hướng dẫn thiết lập hệ thống đa trạm PLC (4 trạm PLC kết nối qua mạng LAN) cùng việc định cấu hình địa chỉ IP, xây dựng giao diện hiển thị trên màn hình cảm ứng công nghiệp HMI.
  • Gắn liền với cơ cấu chấp hành công nghiệp: Nội dung Bài 4 kết nối trực tiếp đầu ra PLC với hệ thống van điện từ và xy lanh khí nén, áp dụng phương pháp thiết kế logic điều khiển dựa trên sơ đồ hành trình bước công nghệ (dây chuyền in nhãn và khoan chi tiết).

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên chuyên ngành: Sinh viên hệ Cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa, Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa công nghiệp.
  • Điều kiện tiên quyết: Người học bắt buộc phải hoàn thành các môn học nền tảng trước khi học mô đun này, bao gồm:
    • Mạch logic số (AUTM53104): Cung cấp kiến thức về đại số Boolean, cổng logic, hàm logic tổ hợp và mạch đếm.
    • Điện tử cơ bản (AUTM53102) và Khí cụ điện (ELEI53011): Cung cấp kiến thức về tiếp điểm rơ-le, contactor, nguồn 24VDC và an toàn mạch điện.
    • Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén (AUTM54113): Cung cấp kiến thức về van đảo chiều, van điện từ và xy lanh truyền động.
  • Giảng viên chuyên ngành: Dùng làm căn cứ xây dựng giáo án tích hợp, thiết kế hệ thống phiếu học tập/phiếu đánh giá kỹ năng thực hành, biên soạn ngân hàng câu hỏi thi trắc nghiệm và đề thi thực hành kết thúc học phần.
  • Kỹ sư, kỹ thuật viên nhà xưởng: Sử dụng làm tài liệu tra cứu các bảng địa chỉ vùng nhớ, cú pháp câu lệnh Step 7 và phương pháp kết nối phần cứng PLC S7-300 với cơ cấu chấp hành.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho sinh viên hệ Cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH) của Trường Cao đẳng Dầu khí, đồng thời phù hợp làm tài liệu học tập cho sinh viên các ngành kỹ thuật liên quan như Cơ điện tử, Điện công nghiệp và Kỹ thuật điều khiển.

2. Cần kiến thức nền nào để học mô đun này?

Sinh viên cần tích lũy kiến thức từ các môn học tiên quyết gồm: An toàn TĐH (AUTM52101), Mạch logic số (AUTM53104), Điện tử cơ bản (AUTM53102), Khí cụ điện (ELEI53011), Đo lường điện (ELEI53110) và Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén (AUTM54113).

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu PLC khác?

Giáo trình có tỷ trọng thực hành cao ( chiếm 87/120 giờ), tập trung cụ thể vào họ phần cứng Siemens S7-300, hướng dẫn chi tiết từng bước trên phần mềm Simatic Step 7 V5.5 kết hợp phần cứng mở rộng (IM360/361, FM350-355), kết nối mạng LAN với màn hình HMI và điều khiển trực tiếp hệ thống van/xy lanh khí nén công nghiệp.

4. Làm sao để tự học và thực hành hiệu quả theo giáo trình?

Người học cần nghiên cứu trước lý thuyết cấu trúc thanh ghi, vùng nhớ và bảng chân trị các tập lệnh (Bài 2, Bài 3); sử dụng phần mềm mô phỏng Step 7 để kiểm tra tính đúng đắn của thuật toán trước khi nạp chương trình vào CPU thật; tuân thủ nghiêm ngặt bảng phân công I/O và quy tắc an toàn điện trong phòng xưởng.

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

Giáo trình trích dẫn và khuyến nghị người học tham khảo các tài liệu học thuật:

  • [1] Thiết kế và lập trình PLC, Trần Thế San – Nguyễn Ngọc Phương, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2016.
  • [2] Điều khiển Logic Lập trình, Tăng Văn Mùi – Nguyễn Tiến Dũng, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, NXB Khoa học và Kỹ thuật, 2016.
  • [3] Bộ tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chính hãng SIMATIC's Manual của Siemens.

Kết luận

Giáo trình mô đun PLC (AUTM65115) của Trường Cao đẳng Dầu khí là tài liệu đào tạo kỹ thuật có tính hệ thống, gắn kết chặt chẽ giữa lý thuyết cấu trúc vi xử lý điều khiển và kỹ năng thực hành nghề tự động hóa. Nội dung giáo trình cung cấp đầy đủ dữ kiện về cấu hình phần cứng Siemens S7-300, cú pháp ngôn ngữ lập trình LAD trên Simatic Step 7 V5.5 và các mô hình ứng dụng điều khiển thực tế.

Lộ trình học tập đề xuất:

  1. Tiếp cận lịch sử và phân loại các họ PLC Siemens (Bài 1).
  2. Nắm vững sơ đồ khối phần cứng, cách lắp ghép mô-đun trên thanh rack và quy tắc định địa chỉ I/O, PIW/PQW (Bài 2).
  3. Sử dụng phần mềm Step 7 V5.5 để cấu hình phần cứng và lập trình các tập lệnh Bit logic, Timer, Counter, So sánh, Toán học (Bài 3).
  4. Thiết kế mạch điều khiển hệ thống đèn tín hiệu và hệ thống thiết bị truyền động điện khí nén (Bài 4).

Tài liệu là nền tảng phục vụ cho các học phần nâng cao tiếp theo trong chương trình đào tạo như: Hệ thống điều khiển phân tán DCS (AUTM63117), Điều khiển quá trình nâng cao (AUTM64118), và Kiểm tra, chạy thử và xử lý lỗi vòng điều khiển (AUTM62119).