Tổng quan về giáo trình

Giáo trình mô đun PLC (Mã mô đun: TĐH19MĐ15) là tài liệu đào tạo chuyên môn thuộc chương trình đào tạo trình độ Cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa, được ban hành kèm theo Quyết định số 198/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Giáo trình do tập thể giảng viên Bộ môn Tự động hóa biên soạn, gồm ThS. Bùi Minh Thảo (Chủ biên) cùng các tác giả Nguyễn Thái Bảo và Ngô Trí Tùng.

Trong khung chương trình đào tạo ngành Tự động hóa, mô đun PLC có vị trí là môn học cơ sở ngành, được bố trí giảng dạy sau khi sinh viên đã hoàn thành các học phần nền tảng: Kỹ thuật số, Điện tử cơ bản, Khí cụ điện và Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén. Mô đun có tổng thời lượng thực hiện là 120 giờ (tương đương 5 tín chỉ), được phân bổ gồm 30 giờ lý thuyết và 90 giờ thực hành/thực tập/kiểm tra.

Mục tiêu đào tạo của giáo trình hướng tới việc hoàn thiện các chuẩn đầu ra:

  • Về kiến thức (A1-A3): Trình bày nguyên lý, cấu tạo phần cứng của bộ điều khiển logic khả trình (PLC) và sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển; phân tích các yêu cầu điều khiển tự động trong sản xuất công nghiệp; nhận diện và lựa chọn chính xác các thiết bị ngoại vi kết nối với hệ thống.
  • Về kỹ năng (B1-B4): Thực hiện kết nối thiết bị ngoại vi với PLC; thiết lập cấu hình phần cứng trạm PLC trên phần mềm chuyên dụng; viết mã chương trình điều khiển; vận hành thành thạo phần mềm lập trình Simatic Step 7 V5.5 và các phần mềm mô phỏng hệ thống.
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1-C3): Đảm bảo tính trung thực, cẩn thận; tuân thủ quy định an toàn điện khi thao tác với nguồn điện 5V và 12V–24V; bảo quản trang thiết bị thực hành; phát triển kỹ năng làm việc độc lập và phối hợp nhóm.

Cấu trúc giáo trình được thiết kế tích hợp 4 bài học theo tiến trình từ nguyên lý, phần cứng, tập lệnh đến ứng dụng thực tế. Điểm đặc trưng của tài liệu là tỷ trọng thực hành chiếm tới 75% tổng thời lượng (90/120 giờ), tập trung vào dòng PLC Siemens S7-300, mạng truyền thông công nghiệp (MPI, Profibus-DP, LAN) và cơ cấu chấp hành khí nén.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được tổ chức thành 4 bài học chính với logic phát triển từ cơ sở phần cứng đến kỹ thuật lập trình và tích hợp hệ thống:

  • Bài 1: Giới thiệu chung về PLC (5 giờ Lý thuyết): Trình bày lịch sử hình thành thiết bị điều khiển khả trình từ năm 1968–1969 trong ngành công nghiệp sản xuất ô tô nhằm thay thế tủ điều khiển rơle cồng kềnh; nêu định nghĩa PLC; phân tích ưu điểm kỹ thuật (kích thước nhỏ gọn, linh hoạt thay đổi thuật toán, khả năng trao đổi dữ liệu); phân loại các dòng PLC tiêu biểu của hãng Siemens gồm Logo, S7-200, S7-1200, S7-300/400; liệt kê các lĩnh vực ứng dụng thực tế như hệ thống nâng vận chuyển, dây chuyền đóng gói, chế biến thực phẩm, điều khiển bơm, sản xuất xi măng, hóa chất và dây chuyền lắp ráp bán dẫn.
  • Bài 2: Cấu trúc của PLC (40 giờ: 9 LT, 29 TH, 2 Kiểm tra): Khảo sát chi tiết sơ đồ khối phần cứng của họ PLC Siemens S7-300 gắn trên thanh ray (rack) gồm: Mô-đun nguồn PS307 (2A, 5A, 10A cấp nguồn 24VDC); Mô-đun CPU (các dòng 312IFM, 312C, 313, 313C, 314, 314IFM, 314C, 315, 315-2DP, 316-2DP, 318-2); Mô-đun ghép nối Interface Module (IM360 gắn rack 0 ghép nối với IM361 ở rack 1, 2, 3; IM365); Mô-đun tín hiệu Signal Modules (SM321 ngõ vào số DI, SM322 ngõ ra số DO, SM323 ngõ vào/ra số DI/DO, SM331 ngõ vào tương tự AI độ phân giải 12-16 bit, SM332 ngõ ra tương tự AO, SM334); Mô-đun chức năng Function Modules (FM350-1/2 đếm xung, FM351/353/354/357-2 định vị, FM352 cam điện tử, FM355 điều khiển vòng kín); Mô-đun truyền thông Communication Processor (CP). Hướng dẫn quy tắc định địa chỉ mặc định cho ngõ vào số ($I_{x.y}$), ngõ ra số ($Q_{x.y}$), ngõ vào tương tự ($PIW_x$), ngõ ra tương tự ($PQW_x$), biến nhớ ($M_{x.y}$) và cấu hình mạng truyền thông MPI (187.5 kbps - 12 Mbps), Profibus-DP (12 Mbps), mạng LAN.
  • Bài 3: Lập trình PLC (40 giờ: 10 LT, 29 TH, 1 Kiểm tra): Hướng dẫn quy trình cài đặt và sử dụng phần mềm Simatic Step 7 V5.5, thiết lập cấu hình phần cứng trạm (Hardware Configuration) cho 4 trạm PLC S7-300 và 2 màn hình HMI qua mạng LAN. Giới thiệu các kiểu dữ liệu cơ bản (Boolean 1 bit, Byte 8 bit, Word 16 bit, Int 16 bit từ -32767 đến +32767, Double Word 32 bit); cấu trúc bộ nhớ CPU gồm 3 vùng chính: vùng chương trình (khối tổ chức OB, khối hàm FB, khối hàm FC), vùng tham số/đệm (I, Q, M, T, C, PI, PQ) và vùng dữ liệu (khối dữ liệu DB, biến cục bộ L); cơ chế vòng quét (scan cycle/scan time); cấu trúc lập trình tuyến tính (OB1) và lập trình cấu trúc (OB1 gọi FB, FC). Trình bày hệ thống tập lệnh toàn diện:
    • Bit Logic: Tiếp điểm thường mở, tiếp điểm thường đóng, ngõ ra Output, lệnh NOT, lệnh SET, lệnh RESET, khối chốt RS/SR, lệnh bắt sườn xung cạnh lên (POS/P) và cạnh xuống (NEG/N).
    • Timer: Cú pháp tham số thời gian dạng $S5T#aH_bM_cS_dMS$; các loại timer S_PULSE (tạo xung), S_PEXT (xung có nhớ), S_ODT (trễ không nhớ - On Delay), S_ODTS (trễ có nhớ), S_OFFDT (trễ khi ngắt tín hiệu - Off Delay).
    • Counter: Bộ đếm tiến Counter UP, bộ đếm lùi Counter DOWN, bộ đếm hai chiều Counter UP_DOWN.
    • So sánh và Số học: Tập lệnh so sánh hai số nguyên Integer ($==, <>, >, <, >=, <=$) và tập lệnh số học cộng (ADD_I), trừ (SUB_I), nhân (MUL_I), chia lấy phần nguyên (DIV_I), chia lấy phần dư (MOD_I).
  • Bài 4: Ứng dụng PLC điều khiển hệ thống (35 giờ: 4 LT, 29 TH, 2 Kiểm tra): Triển khai các bài toán thực hành ứng dụng công nghiệp gồm:
    • Hệ thống điều khiển đèn giao thông: Phân tích công nghệ, lập bảng gán địa chỉ ngõ vào/ra (Start, Stop, Đèn Đỏ/Vàng/Xanh theo các trục giao lộ), xây dựng giản đồ thời gian, lập trình ladder và mô phỏng giao diện.
    • Hệ thống điều khiển khí nén: Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của xy lanh tác động kép, cơ cấu chấp hành tịnh tiến và quay; các loại van điện từ đảo chiều (van 3/2 không duy trì, van 3/2 duy trì, van 5/2 không duy trì, van 5/2 duy trì); bài toán công nghệ hệ thống in nhãn chi tiết bán tự động và hệ thống khoan lỗ chi tiết bán tự động; phương pháp lập sơ đồ hành trình bước và sơ đồ mạch điều khiển điện khí nén.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình cung cấp nền tảng lý thuyết và kỹ thuật thông qua các nội dung:

  • Lý thuyết điều khiển logic số: Đại số logic Boolean, bảng chân trị, bảng trạng thái chuyển tiếp, giải thuật xử lý tín hiệu vi phân cạnh xung và xử lý định thời/đếm xung công nghiệp.
  • Cấu trúc kiến trúc máy tính công nghiệp: Cơ chế hoạt động của bộ xử lý CPU công nghiệp, cấu trúc thanh ghi, quản lý dữ liệu đa vùng (Process Image Input/Output, bit nhớ nội, khối dữ liệu DB) và chu kỳ thực thi vòng quét tuần tự.
  • Cơ sở truyền thông và giao tiếp trường: Cấu trúc phân bổ rack/slot phần cứng, giao thức mạng công nghiệp MPI, Profibus-DP, Ethernet LAN và nguyên lý trao đổi dữ liệu giữa PLC với màn hình HMI.
  • Nguyên lý điều khiển cơ điện tử và khí nén: Mối liên hệ giữa tín hiệu điều khiển điện từ PLC và các phần tử truyền động chấp hành (cuộn hút solenoid van điện từ 3/2, 5/2, cảm biến hành trình, xy lanh khí nén).

Kỹ năng phát triển

Thông qua 90 giờ thực hành và bài tập tình huống, giáo trình hình thành các nhóm kỹ năng cụ thể:

  • Kỹ năng kỹ thuật phần cứng (Technical skills): Nhận biết, kiểm tra và lắp ráp các mô-đun PLC S7-300 lên thanh ray; đấu nối dây tín hiệu giữa mô-đun vào/ra với cảm biến, nút bấm, đèn báo và van điện từ khí nén theo đúng sơ đồ nguyên lý; tuân thủ quy chuẩn an toàn điện áp 24VDC/230VAC.
  • Kỹ năng lập trình và phân tích hệ thống (Analytical skills): Phân tích quy trình công nghệ; lập bảng quy hoạch địa chỉ I/O và bảng ký hiệu (Symbols); thiết lập sơ đồ hành trình bước cho hệ thống cơ điện tử; chuyển đổi lưu đồ công nghệ sang mã chương trình dạng sơ đồ tiếp điểm (Ladder Logic) trên phần mềm Simatic Step 7 V5.5; lựa chọn giải pháp lập trình tuyến tính hoặc phân khối cấu trúc.
  • Kỹ năng vận hành, đo kiểm và xử lý sự cố (Practical competencies): Khai báo cấu hình phần cứng Hardware Configuration; thiết lập địa chỉ trạm mạng và giao diện HMI; nạp/tải chương trình (download/upload); giám sát biến trực tuyến (monitoring); sử dụng đồng hồ VOM đo kiểm tín hiệu và cô lập lỗi trong mạch điều khiển logic và khí nén.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Mô đun áp dụng phương pháp đào tạo tích hợp (kết hợp lý thuyết và thực hành tại xưởng/phòng chuyên môn hóa). Quá trình tổ chức đào tạo tuân thủ các nguyên tắc sư phạm và hướng dẫn thực hiện mô đun:

Phương pháp tiếp cận sư phạm

  • Đối với giảng viên: Áp dụng phương pháp giảng dạy tích cực gồm diễn giảng giải thích nguyên lý, vấn đáp kỹ thuật và dạy học giải quyết vấn đề (Problem-based learning). Thiết kế giáo án tích hợp theo từng bài học/buổi học; xây dựng phiếu học tập, phiếu thực hành và phiếu đánh giá kỹ năng. Tổ chức lớp học chia theo nhóm nhỏ và hướng dẫn an toàn trước khi cấp nguồn cho thiết bị.
  • Đối với người học: Thực hiện phương pháp tự học kết hợp thảo luận nhóm. Sinh viên được chia nhóm từ 8–10 người, nhận chủ đề thảo luận kỹ thuật trước mỗi buổi học để nghiên cứu và phân công nhiệm vụ cụ thể cho từng thành viên. Hoàn thành đầy đủ các bài tập tình huống và nộp lại đúng thời hạn.

Điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị thực hiện

  • Phòng học: Phòng học chuyên môn hóa/thực hành Điện – Điện tử và phòng thực hành tích hợp PLC có trang bị bàn thực hành tiêu chuẩn.
  • Trang thiết bị máy móc: Máy tính kết nối máy chiếu, bộ thực hành PLC Siemens S7-300 và các mô-đun mở rộng, mô hình mô phỏng đèn giao thông, mô hình cơ cấu khí nén (xy lanh, van điện từ, cảm biến), dụng cụ đo kiểm (đồng hồ VOM, kìm tuốt dây), dây nối chuyên dụng và trang bị bảo hộ cá nhân (giày cách điện, găng tay cách điện).
  • Học liệu phần mềm: Phần mềm lập trình chuyên dụng Simatic Step 7 V5.5, phần mềm mô phỏng PLC (S7-PLCSIM), phần mềm mô phỏng khí nén thủy lực và hệ thống phiếu đánh giá thực hành.

Phương thức kiểm tra và đánh giá kết quả học tập

Hệ thống đánh giá được quy định chặt chẽ theo tiến trình học tập:

Hình thức đánh giá Số lượng bài Thời lượng Nội dung kiểm tra Chuẩn đầu ra đánh giá
Kiểm tra thường xuyên 02 bài $\le 30$ phút Vấn đáp, kiểm tra viết hoặc kiểm tra thao tác thực hành định kỳ trên lớp A1, B1, C1
Kiểm tra định kỳ số 1 (Lý thuyết) 01 bài 45–60 phút Kiểm tra viết/trắc nghiệm nội dung Bài 1 và Bài 2 A1, A2
Kiểm tra định kỳ số 2 (Thực hành) 01 bài 45–60 phút Khai báo cấu hình phần cứng và kết nối thiết bị ngoại vi (Bài 2) A1, A2, A3, B1, B2, B3, B4, C1, C2
Kiểm tra định kỳ số 3 (Thực hành) 01 bài 45–60 phút Viết chương trình và nạp chạy thử tập lệnh PLC (Bài 3) A1, A2, A3, B1, B2, B3, B4, C1, C2
Kiểm tra định kỳ số 4 (Lý thuyết) 01 bài 45–60 phút Kiểm tra lý thuyết tập lệnh và ứng dụng hệ thống (Bài 3 & Bài 4) A1, A2, A3, B3, B4, C1, C2
Kiểm tra định kỳ số 5 (Thực hành) 01 bài 45–60 phút Lập trình điều khiển hệ thống thực tế: Đèn giao thông / Khí nén (Bài 4) A1, A2, A3, B3, B4, C1, C2
Thi kết thúc mô đun 02 phần LT: 45–60p
TH: 60–120p		 Phần lý thuyết (trắc nghiệm) và Phần thực hành tổng hợp trên thiết bị Toàn bộ chuẩn đầu ra:
A1-A3, B1-B4, C1-C3

[!IMPORTANT] Quy định chuyên cần: Sinh viên phải tham dự tối thiểu 70% tổng thời lượng các buổi học lý thuyết. Trường hợp người học vắng vượt quá 30% số tiết lý thuyết bắt buộc phải học lại mô đun mới đủ điều kiện tham dự kỳ thi kết thúc môn.

Điểm nổi bật và cập nhật

Nội dung giáo trình phản ánh các đặc điểm kỹ thuật và thực tiễn đào tạo nghề sửa chữa thiết bị tự động hóa:

  • Chuẩn hóa trên nền tảng phần cứng công nghiệp Siemens S7-300: Giáo trình chi tiết hóa toàn bộ họ phần cứng S7-300 từ các dòng CPU cơ bản đến CPU có cổng truyền thông chuyên dụng (315-2DP, 316-2DP, 318-2), các mô-đun giao diện IM360/361, mô-đun chức năng đếm xung/điều khiển vị trí FM350-FM355 và các mô-đun tín hiệu SM analog/digital.
  • Tích hợp cấu hình mạng truyền thông và HMI: Tài liệu không dừng lại ở lập trình đơn trạm mà mở rộng hướng dẫn thiết lập hệ thống đa trạm gồm 4 trạm PLC S7-300 kết nối qua mạng LAN, cùng với việc khai báo địa chỉ và thiết kế giao diện cho 2 màn hình HMI (Human-Machine Interface), đáp ứng mô hình điều khiển giám sát phân tán trong các nhà máy hiện đại.
  • Gắn kết chặt chẽ giữa điều khiển logic và hệ thống truyền động khí nén: Giáo trình xây dựng nội dung bài học tích hợp giữa lập trình PLC với các cơ cấu chấp hành khí nén thực tế như van điện từ 3/2, 5/2 (dạng duy trì và không duy trì), xy lanh tác động kép, cung cấp quy trình xây dựng sơ đồ hành trình bước cho các dây chuyền gia công in nhãn và khoan lỗ tự động.
  • Hệ thống bài tập gắn với thang điểm định lượng: Các bài tập thực hành lớn (như điều khiển đèn giao thông, hệ thống in nhãn chi tiết bán tự động) đều đi kèm bảng phân bổ địa chỉ vào/ra, bảng thống kê vật tư thiết bị và bảng thang điểm chấm bài chi tiết, hỗ trợ việc đánh giá khách quan năng lực thao tác của người học.

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình mô đun PLC được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể trong hệ thống giáo dục nghề nghiệp:

  • Sinh viên đào tạo: Học sinh, sinh viên theo học trình độ Cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (và các ngành kỹ thuật liên quan như Điện công nghiệp, Tự động hóa công nghiệp).
  • Yêu cầu điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các học phần cơ sở trong chương trình đào tạo gồm: Kỹ thuật số (TĐH19MĐ04), Điện tử cơ bản (TĐH19MĐ02), Khí cụ điện (KTĐ19MĐ13), Đo lường điện (KTĐ19MĐ08), Điện kỹ thuật 1 (KTĐ19MĐ05) và Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén (TĐH19MĐ13).
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu khung để biên soạn giáo án lý thuyết, giáo án tích hợp, thiết kế phiếu hướng dẫn thực hành và lập ngân hàng đề kiểm tra định kỳ, đề thi kết thúc mô đun theo chuẩn kiến thức - kỹ năng.
  • Kỹ thuật viên và cán bộ kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu tham khảo nội bộ tại các xưởng bảo dưỡng, trạm vận hành tự động hóa để tra cứu tập lệnh Simatic Step 7, cấu trúc mô-đun S7-300 và phương pháp đấu nối ghép tầng thiết bị ngoại vi.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được thiết kế chuyên biệt cho sinh viên hệ Cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa, giảng viên giảng dạy ngành Tự động hóa công nghiệp, cũng như kỹ thuật viên bảo trì hệ thống điều khiển lập trình tại các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp.

2. Cần kiến thức nền nào để học?

Người học cần trang bị kiến thức nền tảng về đại số logic và cổng logic (môn Kỹ thuật số), linh kiện bán dẫn (Điện tử cơ bản), khí cụ đóng cắt và rơle (Khí cụ điện), nguyên lý đo điện áp/dòng điện (Đo lường điện), cùng nguyên lý hoạt động của cơ cấu van và xy lanh (Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén).

3. Điểm khác biệt với giáo trình khác?

Tài liệu tập trung chuyên sâu vào dòng PLC công nghiệp Siemens S7-300, tích hợp trực tiếp nội dung cấu hình mạng truyền thông đa trạm (LAN/MPI/Profibus-DP), thiết lập màn hình giao diện HMI và ứng dụng điều khiển mạch khí nén thực tế, với thời lượng thực hành chiếm tới 75% (90 giờ thực hành trên tổng số 120 giờ).

4. Làm sao để tự học hiệu quả?

Người học cần đọc trước nội dung từng bài trong giáo trình, nghiên cứu kỹ sơ đồ khối phần cứng và bảng định địa chỉ, kết hợp cài đặt phần mềm Simatic Step 7 V5.5 cùng phần mềm mô phỏng PLCSIM để viết thử và kiểm tra các tập lệnh Bit logic, Timer, Counter trước khi thao tác đấu nối trên thiết bị thật tại phòng thực hành.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Giáo trình tham chiếu trực tiếp đến các tài liệu học thuật và kỹ thuật chính thức:

  1. Trần Thế San - Nguyễn Ngọc Phương (2016), Thiết kế và lập trình PLC, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
  2. Tăng Văn Mùi - Nguyễn Tiến Dũng (2016), Điều Khiển Logic Lập trình, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, NXB Khoa học và Kỹ thuật.
  3. Tài liệu hướng dẫn kỹ thuật: Hãng Siemens SIMATIC's Manual.de.

Kết luận

Giáo trình mô đun PLC (Mã: TĐH19MĐ15) của Trường Cao đẳng Dầu khí cung cấp khung kiến thức và kỹ năng thực hành hoàn chỉnh về hệ thống điều khiển tự động hóa khả lập trình. Lộ trình đào tạo được thiết kế tuần tự: khởi đầu từ lịch sử và phân loại họ PLC Siemens (Bài 1), phân tích cấu trúc phần cứng và quy tắc định địa chỉ S7-300 (Bài 2), làm chủ phần mềm Simatic Step 7 V5.5 cùng các tập lệnh logic/timer/counter/số học (Bài 3), đến triển khai giải pháp điều khiển hệ thống thực tế như đèn giao thông và dây chuyền cơ điện tử khí nén (Bài 4).

Để mở rộng kiến thức và kỹ năng chuyên sâu, người học được khuyến nghị kết hợp khai thác các tài liệu tham khảo chính thức của các tác giả Trần Thế San, Nguyễn Ngọc Phương, Tăng Văn Mùi, Nguyễn Tiến Dũng cùng hệ thống cẩm nang kỹ thuật của hãng Siemens (SIMATIC's Manual.de).