GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN: PLC (NGHỀ SỬA CHỮA THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HÓA - TRÌNH ĐỘ CAO ĐẲNG)

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 nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH) ở trình độ Cao đẳng. Giáo trình 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), do tập thể giảng viên Bộ môn Tự động hóa biên soạn gồm: ThS. Bùi Minh Thảo (Chủ biên), Nguyễn Thái Bảo và Ngô Trí Tùng.

                  CHƯƠNG TRÌNH ĐÀO TẠO NGHỀ SCTBTĐH
[Khối môn học chung / Cơ sở]                      [Khối chuyên môn nghề]
  - An toàn Tự động hóa (TĐH19MH01)                 - Hệ thống DCS (TĐH19MĐ17)
  - Kỹ thuật số (TĐH19MĐ04)                         - Điều khiển quá trình (TĐH19MĐ18)
  - Điện tử cơ bản (TĐH19MĐ02)                      - Xử lý lỗi vòng ĐK (TĐH19MĐ19)
  - Khí cụ điện (KTĐ19MĐ13)                         - Thực tập sản xuất (TĐH19MH22)

Trong cấu trúc chương trình đào tạo, mô đun này giữ vị trí cơ sở ngành then chốt với khối lượng học tập 120 giờ (tương đương 5 tín chỉ), được phân bổ gồm 30 giờ lý thuyết và 90 giờ thực hành, thảo luận, kiểm tra. Học phần được bố trí sau khi sinh viên đã hoàn thành các môn học nền tảng như: Điện kỹ thuật 1, Điện tử cơ bản, Kỹ thuật số, Khí cụ điện, Đo lường điện và Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén.

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định cụ thể qua ba chuẩn đầu ra:

  • Về kiến thức (A1): Trình bày được nguyên lý, cấu tạo của PLC và sơ đồ hệ thống điều khiển tự động hóa công nghiệp; giải thích các nguyên lý điều khiển logic; nhận biết và lựa chọn chính xác các thiết bị ngoại vi kết nối với PLC.
  • Về kỹ năng (B1–B4): Kết nối thành thạo thiết bị ngoại vi với PLC; thiết lập cấu hình phần cứng; lập trình điều khiển các quy trình tự động; sử dụng thành thạo phần mềm lập trình Simatic Step 7 V5.5, phần mềm mô phỏng PLC và mô phỏng khí nén.
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1–C3): Thể hiện thái độ trung thực, nghiêm túc; phát triển tư duy làm việc độc lập và làm việc nhóm; tuân thủ quy chuẩn an toàn lao động, an toàn điện (nguồn 5V, 12V–24V, 120V/230V) và giữ gìn thiết bị thực hành.

Giáo trình được thiết kế theo kết cấu mô đun tích hợp gồm 4 bài học nối tiếp từ cơ sở lý thuyết phần cứng, phương pháp cấu hình hệ thống mạng, kỹ thuật lập trình tập lệnh đến các ứng dụng điều khiển thực tế.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai theo 4 bài học với cấu trúc lũy tiến chặt chẽ:

  • Bài 1: Giới thiệu chung về PLC (5 giờ): Trình bày lịch sử phát triển của thiết bị điều khiển khả trình từ năm 1968–1969 trong ngành công nghiệp ô tô nhằm thay thế các tủ rơle cồng kềnh. Phân tích ưu điểm kỹ thuật: kích thước nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán, khả năng kết nối mạng công nghiệp. Giới thiệu các dòng PLC của Siemens gồm Logo (sơ cấp), S7-200 (trung cấp), S7-1200 (tích hợp Digital/Analog I/O), S7-300 và S7-400 (ứng dụng lớn, tốc độ xử lý cao, mạng truyền thông mở rộng). Phân tích phạm vi ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất: đóng gói, lắp ráp robot, điều khiển bơm, công nghệ hóa chất, sản xuất giấy, thủy tinh, xi măng, vi mạch và bãi đậu xe tự động.
  • Bài 2: Cấu trúc của PLC (40 giờ): Khảo sát sơ đồ khối chức năng của hệ thống PLC S7-300 gồm mô-đun nguồn PS307 (cung cấp điện áp 24VDC, dòng định mức 2A, 5A, 10A), các dòng mô-đun CPU (312IFM, 312C, 313, 314, 315-2DP, 316-2DP, 318-2), mô-đun giao diện ghép nối mở rộng IM (IM360, IM361, IM365), mô-đun tín hiệu Signal Modules (SM321 DI, SM322 DO, SM323 DI/DO, SM331 AI, SM332 AO, SM334 AI/AO), mô-đun chức năng Function Modules (FM350-1/2 đếm xung, FM351/353/354/357-2 điều khiển định vị, FM352 bộ cam điện tử, FM355 điều khiển vòng kín PID) và mô-đun truyền thông Communication Processor (CP). Xác lập quy tắc gán slot trên thanh rack (tối đa 8 mô-đun mở rộng bên phải CPU) và phương pháp định địa chỉ bộ nhớ (Ix.y, Qx.y, PIWx, PQWx, Mx.y). Hướng dẫn chuẩn giao tiếp MPI và mạng Profibus-DP kết nối các trạm PLC qua mạng LAN.
  • Bài 3: Lập trình PLC (40 giờ): Hướng dẫn vận hành phần mềm Simatic Step 7 V5.5, thiết lập cấu hình phần cứng cho 4 trạm PLC S7-300 và 2 màn hình HMI. Định nghĩa các kiểu dữ liệu cơ bản (Boolean 1 bit, Byte 8 bit, Word 16 bit, Int 16 bit có dấu, DWord 32 bit). Phân tích cấu trúc bộ nhớ CPU gồm vùng chương trình (OB, FB, FC), vùng tham số/dữ liệu ngoại vi (I, Q, M, T, C, PI, PQ) và vùng khối dữ liệu (DB, L). Giải thích chu kỳ quét (Scan cycle) và hai phương pháp tổ chức chương trình: lập trình tuyến tính (khối OB1) và lập trình có cấu trúc (OB1 gọi FC/FB). Cung cấp hệ thống tập lệnh:
    • Tập lệnh Bit Logic: Tiếp điểm thường mở, thường đóng, cuộn dây ngõ ra, lệnh đảo NOT, lệnh ghi nhớ trạng thái Set (S), Reset (R), khối chốt RS/SR, lệnh vi phân phát hiện sườn lên (POS, P) và sườn xuống (NEG, N).
    • Tập lệnh Timer: Tạo xung ngắn hạn (S_PULSE), tạo xung có nhớ (S_PEXT), tạo trễ bật không nhớ (S_ODT), trễ bật có nhớ (S_ODTS), trễ tắt (S_OFFDT) kèm định dạng thời gian S5T#aH_bM_cS_dMS.
    • Tập lệnh Counter và Số học: Bộ đếm tăng (CTU), đếm giảm (CTD), đếm lên/xuống (CTUD); các lệnh so sánh số nguyên Integer (==, <>, >, <, >=, <=) và các lệnh tính toán số học (ADD_I, SUB_I, MUL_I, DIV_I).
  • Bài 4: Ứng dụng PLC điều khiển hệ thống (35 giờ): Triển khai hai dự án tự động hóa tiêu biểu: (1) Điều khiển chu trình đèn tín hiệu giao thông đa pha kèm phân bổ bảng địa chỉ và thang điểm đánh giá; (2) Điều khiển hệ thống khí nén công nghiệp sử dụng xy lanh tác động kép, cơ cấu chấp hành chuyển động tịnh tiến/quay, van điện từ 3/2 và 5/2 (dạng duy trì và không duy trì). Hướng dẫn thiết kế lưu đồ hành trình bước và sơ đồ mạch khí nén cho mô hình in nhãn và mô hình khoan lỗ chi tiết bán tự động.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình hình thành nền tảng lý thuyết và kỹ thuật thông qua các trục nội dung:

  1. Lý thuyết điều khiển logic khả trình: Cơ chế xử lý tín hiệu gián đoạn, phương thức quét vòng lặp tuần tự (Scan cycle) và nguyên lý đồng bộ hóa bảng ảnh tiến trình ngõ vào/ngõ ra (Process Image Input/Output).
  2. Kiến trúc phần cứng công nghiệp module hóa: Cấu trúc phân tầng phần cứng từ bộ nguồn PS, khối xử lý trung tâm CPU, các khối ghép nối bus IM đến hệ thống mở rộng tín hiệu số/tương tự (SM) và tín hiệu chuyên dụng (FM, CP).
  3. Hạ tầng mạng truyền thông công nghiệp: Nguyên lý truyền nhận dữ liệu qua giao diện điểm nối điểm MPI (tốc độ lên đến 187.5 kbps hoặc 12 Mbps với CPU 318-2), mạng bus trường Profibus-DP và mạng cục bộ Ethernet kết nối các trạm PLC với màn hình vận hành HMI.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật chuyên môn (Technical skills): Cấu hình phần cứng trên phần mềm Simatic Step 7 V5.5; đấu nối dây tín hiệu từ nút bấm, cảm biến, van điện từ khí nén vào các kênh I/O; thiết lập địa chỉ trạm và cổng giao tiếp HMI/PLC.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích quy trình công nghệ; lập bảng quy hoạch địa chỉ ngõ vào/ngõ ra (Symbol Table); xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển và biểu đồ trạng thái hành trình bước cho các cơ cấu chấp hành khí nén.
  • Kỹ năng thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Soạn thảo mã lệnh LAD (Ladder Logic); tải chương trình xuống PLC (Download); chạy thử nghiệm, giám sát trực tuyến trạng thái biến (Monitor); phân tích lỗi logic và xử lý sự cố thiết bị ngoại vi bằng đồng hồ đo VOM.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Phương pháp tiếp cận sư phạm (Pedagogical approach)

Giáo trình áp dụng mô hình giảng dạy tích hợp lý thuyết gắn liền thực hành chuyên sâu. Tổng thời lượng 120 giờ được phân bổ với 75% thời gian (90 giờ) dành cho hoạt động thực hành, thí nghiệm, thảo luận và làm bài tập ứng dụng. Giảng viên triển khai các phương pháp dạy học tích cực gồm: thuyết giảng kết hợp trình chiếu mô phỏng, phương pháp vấn đáp gợi mở và dạy học giải quyết vấn đề (Problem-based learning) dựa trên các phiếu học tập và phiếu hướng dẫn thực hành.

Bài tập, tình huống và thực hành thực tế

Chương trình học xây dựng chuỗi bài tập thực hành theo mức độ phức tạp tăng dần:

  • Bài tập cấu hình trạm: Thực hành thiết lập thông số phần cứng độc lập cho Trạm 1, Trạm 2, Trạm 3, Trạm 4 và cấu hình địa chỉ mạng LAN cho Màn hình HMI 1, HMI 2.
  • Bài tập mạch điều khiển cơ bản: Lập trình nút bấm ON/OFF tự giữ sử dụng ngõ ra Q và bit nhớ trung gian M; bài tập lập trình điều khiển động cơ quay thuận/nghịch kết nối mạch động lực và mạch điều khiển.
  • Bài tập xung cạnh và thời gian: Ứng dụng lệnh POS/NEG để kích hoạt thiết bị bằng sườn xung nút nhấn; ứng dụng timer trễ S_ODT và bộ đếm Counter để đếm số lượng chi tiết.
  • Dự án điều khiển tích hợp: Thiết kế sơ đồ nguyên lý, kết nối ngoại vi và viết mã lệnh điều khiển nút giao thông đèn tín hiệu; phân tích và lập trình chu trình cơ cấu khí nén cho mô hình in nhãn bán tự động và mô hình khoan lỗ chi tiết.

Phương pháp kiểm tra và đánh giá

Quy trình đánh giá kết quả học tập được tiêu chuẩn hóa theo các thang điểm cụ thể:

  1. Kiểm tra thường xuyên (02 bài): Giảng viên thực hiện đột xuất qua hình thức vấn đáp trên lớp, kiểm tra viết dưới 30 phút hoặc kiểm tra thao tác kết nối dây tại bàn thực hành.
  2. Kiểm tra định kỳ (05 bài - thời lượng 45 đến 60 phút/bài):
    • Bài 1 (Lý thuyết): Kiểm tra kiến thức Bài 1 và Bài 2 (Đánh giá chuẩn A1, A2).
    • Bài 2 (Thực hành): Lắp ráp sơ đồ nguyên lý, kết nối PLC và lập trình điều khiển động cơ thuận nghịch (Đánh giá chuẩn A1–A3, B1–B4, C1, C2).
    • Bài 3 (Thực hành): Viết chương trình điều khiển hệ thống đèn giao thông (Đánh giá chuẩn A1–A3, B1–B4, C1, C2).
    • Bài 4 (Lý thuyết): Kiểm tra tổng hợp nội dung Bài 3 và Bài 4 (Đánh giá chuẩn A1–A3, B3, B4, C1, C2).
    • Bài 5 (Thực hành): Lập trình điều khiển hệ thống cơ cấu khí nén tự động (Đánh giá chuẩn A1–A3, B3, B4, C1, C2).
  3. Thi kết thúc môn học: Bao gồm 2 phần bắt buộc:
    • Lý thuyết: Thi trắc nghiệm từ 45 đến 60 phút.
    • Thực hành: Thi thao tác kỹ thuật trên thiết bị thực tế từ 60 đến 120 phút, đánh giá toàn diện các chuẩn đầu ra từ A1 đến C3.

Hướng dẫn tự học

Sinh viên có trách nhiệm nghiên cứu kỹ nội dung giáo trình và tài liệu tham khảo trước mỗi buổi lên lớp. Quy định đào tạo yêu cầu người học phải tham dự tối thiểu 70% tổng thời lượng lý thuyết (vắng quá 30% phải học lại mô đun). Hoạt động tự học được tổ chức theo các nhóm từ 8 đến 10 sinh viên, thực hiện các chủ đề thảo luận được giao trước giờ học lý thuyết và thực hành, đồng thời phối hợp hoàn thành các bài tập tình huống theo đúng tiến độ quy định.

Điểm nổi bật và cập nhật

Bối cảnh biên soạn và tính chuẩn hóa

Giáo trình được nghiệm thu và ban hành chính thức vào tháng 03 năm 2020 tại Trường Cao đẳng Dầu khí, cập nhật các yêu cầu đào tạo kỹ thuật viên sửa chữa tự động hóa theo chuẩn kỹ năng nghề hiện hành. Giáo trình hệ thống hóa toàn bộ kiến thức phần cứng PLC Siemens S7-300 và phương pháp tiếp cận phần mềm lập trình Simatic Step 7 V5.5 một cách đồng bộ.

Tích hợp công nghệ và xu hướng công nghiệp

  • Mô hình điều khiển phân tán qua mạng LAN và HMI: Giáo trình không chỉ dừng lại ở lập trình trạm đơn lẻ mà hướng dẫn thiết lập mạng LAN công nghiệp kết nối đồng bộ 4 trạm PLC S7-300 và 2 màn hình HMI, phản ánh cấu trúc vận hành thực tế trong các phòng điều khiển trung tâm.
  • Tích hợp điều khiển điện tử - khí nén: Kết hợp giữa thuật toán điều khiển PLC với hệ thống cơ cấu chấp hành khí nén công nghiệp (xy lanh kép, van điện từ đơn/kép), giúp người học làm chủ kỹ thuật điều khiển chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay.
  • Chuẩn hóa tập lệnh chuẩn quốc tế: Giáo trình diễn giải chi tiết cấu trúc tham số và giản đồ thời gian (Timing diagram) của các khối lệnh chuẩn S5 Timer, bộ đếm Counter và các hàm toán học xử lý dữ liệu nguyên (Integer arithmetic).

Ứng dụng thực tế trong công nghiệp sản xuất

Các ví dụ và bài tập thực hành trong giáo trình được trích xuất trực tiếp từ các hệ thống vận hành thực tế:

  • Hệ thống điều khiển đèn giao thông đa nhánh.
  • Hệ thống dán nhãn bao bì sản phẩm bán tự động.
  • Hệ thống khoan lỗ định vị chi tiết cơ khí.
  • Hạ tầng điều khiển bơm, dây chuyền đóng gói và giám sát an toàn trong nhà máy lọc hóa dầu và các xí nghiệp công nghiệp.

Đối tượng sử dụng giáo trình

Phân loại người học và điều kiện tiên quyết

  • Đối tượng chính: Sinh viên học kỳ chuyên ngành hệ Cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH), sinh viên ngành Công nghệ kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Điện công nghiệp.
  • Điều kiện tiên quyết: Người học bắt buộc phải hoàn thành các học phần trước bao gồm:
    • An toàn Tự động hóa (Mã học phần: TĐH19MH01)
    • Kỹ thuật số (Mã học phần: TĐH19MĐ04)
    • Điện tử cơ bản (Mã học phần: TĐH19MĐ02)
    • Khí cụ điện (Mã học phần: KTĐ19MĐ13)
    • Đo lường điện (Mã học phần: KTĐ19MĐ08)
    • Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén (Mã học phần: TĐH19MĐ13)

Ứng dụng đối với giảng viên và kỹ sư

  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng giáo trình để biên soạn giáo án lý thuyết, bài giảng tích hợp và giáo án thực hành; sử dụng các biểu mẫu đánh giá thực hành và ngân hàng câu hỏi củng cố đi kèm ở cuối mỗi bài để thiết lập đề kiểm tra định kỳ.
  • Kỹ thuật viên và người tự học: Dùng làm tài liệu tra cứu cấu trúc phần cứng S7-300, sơ đồ chân mô-đun tín hiệu SM/FM, bảng phân vùng địa chỉ bộ nhớ và bảng tập lệnh ladder khi tham gia lắp đặt, hiệu chỉnh và bảo trì hệ thống điều khiển PLC tại các cơ sở sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này được biên soạn cho đối tượng nào?

Giáo trình được thiết kế chuyên biệt cho học sinh, sinh viên hệ Cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa của Trường Cao đẳng Dầu khí, đồng thời là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho sinh viên các khối ngành Điện, Tự động hóa và kỹ thuật viên bảo dưỡng thiết bị công nghiệp.

2. Người học cần chuẩn bị kiến thức nền tảng gì trước khi học?

Người học cần tích lũy các kiến thức về kỹ thuật số (cổng logic, hệ đếm, đại số Boole), điện tử cơ bản, khí cụ điện (rơle, contactor, nút nhấn), đo lường điện và nguyên lý hoạt động của các thiết bị chấp hành trong hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén.

3. Giáo trình tập trung vào dòng PLC và phần mềm lập trình nào?

Tài liệu lấy trọng tâm là dòng PLC công nghiệp Siemens S7-300 (các dòng CPU từ 312 đến 318-2), giới thiệu tổng quan các họ Logo, S7-200, S7-1200, S7-400 và sử dụng môi trường phần mềm Simatic Step 7 V5.5 kết hợp phần mềm mô phỏng PLCSIM và phần mềm mô phỏng khí nén.

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học cần kết hợp đọc trước lý thuyết từng bài, giải các câu hỏi củng cố sau mỗi bài học, lập nhóm học tập từ 8–10 người để thảo luận chuyên đề và sử dụng phần mềm mô phỏng trên máy tính để kiểm tra tính đúng đắn của giải thuật điều khiển trước khi nạp vào phần cứng thực tế.

5. Có những tài liệu tham khảo chính thức nào đi kèm giáo trình?

Giáo trình sử dụng 3 nguồn tài liệu tham khảo chính thức:

  • [1] Trần Thế San – Nguyễn Ngọc Phương (2016), Thiết kế và lập trình PLC, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
  • [2] Tăng Văn Mùi – Nguyễn Tiến Dũng (2016), Điều khiển Logic Lập trình, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM.
  • [3] Hãng Siemens, SIMATIC's Manual.de.

Kết luận

Giáo trình mô đun PLC của Trường Cao đẳng Dầu khí cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện từ cấu tạo phần cứng, mạng truyền thông công nghiệp đến kỹ năng lập trình và ứng dụng điều khiển thực tế. Cấu trúc nội dung 120 giờ với tỷ lệ 75% thực hành đảm bảo hình thành năng lực kỹ thuật vững chắc cho sinh viên nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa.

Lộ trình học tập đề xuất cho người học bao gồm 4 giai đoạn nối tiếp:

[Bài 1: Khái niệm & Phân loại PLC] 
[Bài 2: Cấu hình phần cứng & Đấu nối I/O] 
[Bài 3: Làm chủ tập lệnh Step 7 V5.5 & Lập trình cấu trúc] 
[Bài 4: Triển khai dự án Đèn giao thông & Cơ cấu khí nén công nghiệp]

Để hoàn thiện kiến thức chuyên môn, người học nên kết hợp nghiên cứu các tài liệu tham khảo của các tác giả thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM và cẩm nang kỹ thuật SIMATIC's Manual do Siemens phát hành.