Trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, việc lập trình PLC (Programmable Logic Controller) không chỉ đòi hỏi hiểu về phần cứng và phần mềm mà còn cần khả năng tư duy thuật toán logic. Một trong những công cụ quan trọng nhất giúp kỹ sư mô tả, thiết kế và truyền đạt thuật toán điều khiển chính là lưu đồ thuật toán (Flowchart).
Lưu đồ thuật toán giúp người thiết kế biểu diễn quy trình điều khiển bằng hình ảnh, thể hiện rõ các bước xử lý, điều kiện, nhánh rẽ và luồng tín hiệu. Đây là nền tảng không thể thiếu trước khi triển khai lập trình trên các phần mềm như TIA Portal, GX Works, CX-Programmer hay RSLogix.
Khái Niệm Lưu Đồ Thuật Toán PLC
Lưu đồ thuật toán (Flowchart) là sơ đồ biểu diễn tuần tự các bước xử lý trong một thuật toán dưới dạng hình khối, mũi tên và ký hiệu chuẩn hóa. Mỗi hình trong lưu đồ thể hiện một thao tác, một điều kiện hoặc một quyết định logic trong chương trình điều khiển.
Trong kỹ thuật lập trình PLC, lưu đồ thuật toán được sử dụng để mô tả logic điều khiển của quá trình tự động, chẳng hạn như: khởi động động cơ, điều khiển băng tải, hệ thống chiếu sáng, trộn nguyên liệu, hoặc chu trình máy dán nhãn tự động.
Tại sao lưu đồ thuật toán quan trọng trong lập trình PLC
- Giúp hình dung toàn bộ quy trình điều khiển:
Trước khi viết chương trình bằng Ladder, STL hay FBD, kỹ sư cần mô tả luồng xử lý bằng sơ đồ logic. Lưu đồ giúp nhìn tổng thể các nhánh điều kiện, tránh thiếu sót. - Tăng tính thống nhất khi làm việc nhóm:
Trong dự án công nghiệp, nhiều kỹ sư cùng tham gia. Lưu đồ thuật toán giúp họ hiểu nhanh logic chương trình mà không cần đọc từng dòng mã. - Hỗ trợ kiểm thử và gỡ lỗi:
Khi mô phỏng hoặc chạy thử, có thể đối chiếu giữa chương trình PLC và lưu đồ để phát hiện sai sót logic. - Dễ dàng mở rộng và bảo trì:
Với các hệ thống lớn, việc cập nhật chương trình PLC sau nhiều năm sẽ dễ dàng hơn nếu có sẵn lưu đồ thuật toán mô tả logic ban đầu.
Các loại lưu đồ (Flowchart) trong lập trình PLC
Lưu đồ khối (Block Flowchart)
1. Mô tả chi tiết
Lưu đồ khối (Block Flowchart) là dạng lưu đồ mô tả trình tự các bước xử lý theo dòng chảy tuyến tính từ trên xuống dưới hoặc từ trái sang phải. Mỗi bước trong quy trình được biểu diễn bằng khối xử lý hình chữ nhật (Process Block), cho biết chương trình sẽ thực hiện hành động gì tại bước đó.
Đặc điểm của Block Flowchart:
-
Tập trung vào mô tả các bước chính trong quá trình điều khiển.
-
Các khối được sắp xếp liên tiếp, thể hiện rõ thứ tự hoạt động.
-
Không chú trọng vào các nhánh rẽ hay điều kiện phức tạp như Decision Flowchart.
-
Là công cụ hiệu quả để phác thảo tổng thể một chu trình máy hoặc hệ thống trước khi lập trình chi tiết.
Cấu trúc cơ bản:
Start → Khối xử lý 1 → Khối xử lý 2 → Khối xử lý 3 → End
Trong lập trình PLC, dạng lưu đồ này giúp mô tả luồng xử lý chính mà không đi sâu vào logic “Đúng/Sai” của từng điều kiện, giúp người đọc hiểu được toàn cảnh của chu trình.
2. Khi nào nên dùng Block Flowchart
Bạn nên sử dụng Block Flowchart khi:
1. Mô tả tổng quan quy trình hoặc chu trình máy
Ví dụ:
-
Chu trình đóng/mở máy
-
Chu kỳ vận hành băng tải
-
Chu trình cấp liệu → xử lý → xả thành phẩm
-
Quy trình gia nhiệt → giữ nhiệt → làm nguội
Ở giai đoạn này, bạn chưa cần mô tả điều kiện logic — chỉ cần hiểu thứ tự các bước.
2. Khi cần giao tiếp nhanh giữa các bộ phận hoặc kỹ sư
Block Flowchart rất dễ hiểu đối với:
-
Kỹ sư vận hành
-
Kỹ sư bảo trì
-
Khách hàng không chuyên PLC
→ Giúp tất cả có cái nhìn chung về “máy sẽ vận hành ra sao”.
3. Khi thiết kế các tài liệu kỹ thuật
Như:
-
SOP (Standard Operating Procedure)
-
URS (User Requirement Specification)
-
FDS (Functional Design Specification)
-
Training manual
Block Flowchart là lựa chọn lý tưởng vì dễ đọc và thể hiện được luồng công việc tổng thể.
4. Khi lập trình cần xác định luồng chính trước khi viết logic chi tiết
Ví dụ:
-
Bạn xác định chu trình gồm 5 bước chính
-
Sau đó mới thêm Decision Flowchart để mô tả các điều kiện trong từng bước
Block Flowchart giúp tránh rối và tách rõ “luồng công việc” với “logic điều kiện”.
5. Khi quy trình không có nhiều nhánh rẽ
Các bài toán có luồng tuyến tính, ít điều kiện quyết định, là phù hợp nhất với Block Flowchart.
Lưu đồ quyết định (Decision Flowchart)
Mô tả chi tiết
Lưu đồ quyết định (Decision Flowchart) là dạng lưu đồ mô tả các nhánh rẽ logic trong một thuật toán điều khiển. Đặc trưng của loại lưu đồ này là khối quyết định hình thoi, cho phép chương trình trả lời các câu hỏi “ĐÚNG / SAI” (True/False) hoặc “CÓ / KHÔNG” (Yes/No) trước khi chuyển sang các nhánh xử lý tiếp theo.
Trong lập trình PLC, lưu đồ quyết định giúp biểu diễn rõ ràng:
-
Các điều kiện logic cần kiểm tra (trạng thái cảm biến, nút nhấn, interlock,…)
-
Nhánh xử lý tương ứng với từng kết quả của điều kiện
-
Trình tự thực hiện của chương trình khi có nhiều điều kiện lồng nhau
-
Các khối hành động (Action) sau mỗi nhánh quyết định
Cấu trúc cơ bản của một Decision Flowchart thường gồm:
-
Start → Khối quyết định → Nhánh YES / NO → Hành động tương ứng → Điểm hợp nhất (Merge) → Tiếp tục thuật toán
Điểm mạnh của loại lưu đồ này là thể hiện được logic điều kiện một cách trực quan, tránh sai sót khi lập trình và giúp debug dễ dàng hơn.
Khi nào nên dùng Decision Flowchart
Decision Flowchart đặc biệt phù hợp trong các bài toán điều khiển có nhiều điều kiện ảnh hưởng đến quyết định tiếp theo. Bạn nên sử dụng loại lưu đồ này khi:
1. Bài toán có điều kiện rẽ nhánh rõ ràng
Ví dụ:
-
Motor chỉ được phép chạy khi Start = ON và Emergency = OFF
-
Van chỉ mở khi đủ áp suất và nhiệt độ nằm trong giới hạn
-
Băng tải chạy khi có vật và không có lỗi
2. Cần xử lý nhiều tín hiệu đầu vào
Khi hệ thống phải kiểm tra liên tục:
-
Cảm biến mức
-
Công tắc giới hạn
-
Trạng thái biến tần
-
Liên động an toàn (Safety Interlock)
Decision Flowchart thể hiện tốt các điều kiện này dưới dạng YES/NO.
3. Logic có nhiều nhánh hoặc điều kiện lồng nhau
Nếu chương trình phức tạp, cần xử lý:
-
Điều kiện ưu tiên (priority)
-
Điều kiện loại trừ (mutual exclusion)
-
Điều kiện AND/OR kết hợp
→ Decision Flowchart giúp biểu diễn dễ hiểu hơn so với diễn tả bằng lời.
4. Khi cần mô tả thuật toán để người khác dễ hiểu
Dùng trong:
-
Tài liệu kỹ thuật (SOP, URS, FDS)
-
Training lập trình PLC cho kỹ sư mới
-
Chuyển giao công nghệ cho khách hàng
5. Khi muốn giảm lỗi logic trong lập trình
Trước khi viết Ladder hoặc FBD, dùng Decision Flowchart để làm rõ logic giúp:
-
Code sạch hơn
-
Giảm tình trạng logic bị thiếu hoặc lặp
-
Dễ kiểm thử và bảo trì
Lưu đồ trình tự (Sequential Flowchart / SFC rút gọn)
Mô tả chi tiết
Lưu đồ trình tự (Sequential Flowchart) là dạng lưu đồ mô tả chuỗi trạng thái tuần tự (Sequence/Step) của một hệ thống điều khiển. Ở dạng này, quy trình vận hành được chia thành các trạng thái (State/Step) rõ ràng, và chương trình sẽ chuyển từ trạng thái này sang trạng thái tiếp theo theo đúng thứ tự được định nghĩa.
Mỗi trạng thái thường biểu diễn một giai đoạn hoạt động cụ thể, ví dụ: “Khởi động”, “Gia công”, “Giữ áp”, “Xả”, “Kết thúc chu trình”,… và hệ thống chỉ chuyển sang trạng thái kế tiếp khi điều kiện chuyển trạng thái (Transition condition) được thỏa mãn.
Đặc điểm của Sequential Flowchart:
-
Hoạt động theo logic tuần tự, không nhảy bước.
-
Mỗi step là một khối hành động độc lập, dễ mô tả và dễ lập trình.
-
Mỗi step có điều kiện chuyển tiếp (Next Step Condition) giúp xác định khi nào chuyển sang step sau.
-
Thường được sử dụng cùng với SFC (Sequential Function Chart), Step/State Machine trong PLC.
Cấu trúc cơ bản:
Step 1 → Điều kiện chuyển tiếp → Step 2 → Điều kiện → Step 3 → … → End Step
Khi nào nên dùng Sequential Flowchart
Sequential Flowchart đặc biệt phù hợp cho các hệ thống có chu trình hoạt động tuần tự, không thay đổi thứ tự giữa các bước, hoặc chỉ thay đổi khi có lỗi/ngoại lệ.
Bạn nên sử dụng loại lưu đồ này trong các trường hợp:
1. Máy hoạt động theo chu kỳ cố định
Ví dụ:
-
Máy dập: Đóng khuôn → Dập → Mở khuôn → Đẩy sản phẩm.
-
Máy chiết rót: Định vị chai → Chiết → Đóng nắp → Nhả chai.
-
Máy ép nhựa: Kẹp khuôn → Ép → Giữ → Làm nguội → Mở khuôn.
Các máy này luôn chạy theo thứ tự lặp lại → Sequential Flowchart là mô tả chính xác nhất.
2. Quy trình công nghiệp có nhiều giai đoạn liên tiếp
Ví dụ:
-
Quy trình xử lý nước: Bơm vào → Lọc → Khử trùng → Xả.
-
Quy trình sấy: Gia nhiệt → Giữ → Làm nguội → Hoàn tất.
Mỗi giai đoạn là một step rõ ràng.
3. Khi lập trình bằng mô hình State Machine hoặc SFC
Sequential Flowchart giúp:
-
Dễ thiết kế step/state.
-
Dễ debug (chỉ xem hệ thống đang ở step nào).
-
Tránh sai logic nhảy bước hoặc chạy đồng thời không mong muốn.
-
Chuyển giao cho kỹ sư mới rất dễ hiểu.
4. Khi hệ thống phải chờ điều kiện để chuyển bước
Ví dụ:
-
Chỉ sang bước tiếp khi cảm biến xác nhận vị trí.
-
Chỉ sang bước tiếp khi motor đã dừng hoàn toàn.
-
Chỉ sang bước tiếp khi đạt áp suất/độ ẩm/ nhiệt độ yêu cầu.
Điều kiện chuyển tiếp là linh hồn của Sequential Flowchart.
5. Khi muốn mô tả quá trình một cách trực quan và logic
Sequential Flowchart thể hiện được đầy đủ:
-
Trình tự hoạt động,
-
Thời điểm hệ thống dừng/chờ,
-
Điều kiện chuyển,
-
Và cách quy trình kết thúc.
Lưu đồ dòng dữ liệu (Data Flow Diagram)
Mô tả chi tiết
Lưu đồ dòng dữ liệu (Data Flow Diagram – DFD) là dạng lưu đồ dùng để mô tả dòng chảy của dữ liệu giữa các thành phần trong một hệ thống: nơi dữ liệu được tạo ra, xử lý, lưu trữ và phân phối. Không giống lưu đồ thuật toán (flowchart) mô tả cách xử lý, DFD tập trung vào dữ liệu đi đâu và được xử lý như thế nào.
DFD gồm 4 phần tử chính:
-
Tiến trình xử lý (Process)
-
Biểu diễn bằng hình tròn hoặc hình ellipse.
-
Cho biết dữ liệu được xử lý, biến đổi, tính toán,…
-
-
Dòng dữ liệu (Data Flow)
-
Biểu diễn bằng các mũi tên.
-
Chỉ hướng dữ liệu di chuyển giữa các thực thể.
-
-
Kho dữ liệu (Data Store)
-
Biểu diễn bằng cặp đường song song hoặc hình chữ nhật mở.
-
Là nơi dữ liệu được lưu trữ tạm thời hoặc dài hạn.
-
-
Thực thể ngoài (External Entity)
-
Biểu diễn bằng hình chữ nhật.
-
Là nguồn hoặc nơi nhận dữ liệu từ bên ngoài hệ thống.
-
Đặc điểm nổi bật của DFD:
-
Tập trung mô tả dòng chảy dữ liệu, không đi sâu vào logic điều kiện.
-
Dùng cho các hệ thống có nhiều luồng dữ liệu vào/ra.
-
Có thể phân cấp nhiều mức: Level 0 (tổng quan), Level 1, Level 2 (chi tiết).
Ví dụ: trong nhà máy, DFD có thể mô tả dữ liệu từ cảm biến → PLC → SCADA → cơ sở dữ liệu → báo cáo.
Khi nào nên dùng
DFD đặc biệt hữu ích khi cần mô tả luồng thông tin, dữ liệu, hoặc mối quan hệ giữa các thành phần. Bạn nên dùng DFD trong các trường hợp sau:
1. Khi hệ thống có nhiều dữ liệu vào/ra
Ví dụ:
-
Hệ thống PLC đọc dữ liệu từ cảm biến, truyền dữ liệu lên SCADA, rồi đưa thông tin ra màn hình.
-
Hệ thống quản lý kho: nhập hàng → lưu kho → xuất hàng → báo cáo.
DFD giúp biểu diễn luồng dữ liệu một cách minh bạch và trực quan.
2. Khi phân tích yêu cầu hệ thống
Trong giai đoạn thiết kế hệ thống (đặc biệt là hệ thống SCADA, MES, ERP), DFD giúp:
-
Hiểu dữ liệu đi từ đâu → đến đâu
-
Nơi nào xử lý dữ liệu
-
Nơi nào cần lưu dữ liệu
Nhờ đó giảm sai sót khi thiết kế.
3. Khi mô tả giao tiếp giữa các thiết bị tự động hóa
Rất phù hợp khi mô tả dòng dữ liệu giữa:
-
Cảm biến / PLC
-
PLC / HMI
-
PLC / SCADA
-
SCADA / Database
-
Database / User
DFD giúp đội kỹ thuật, lập trình và vận hành hiểu hệ thống rõ ràng.
4. Khi thiết kế hệ thống IoT – IIoT
Ví dụ:
-
Sensor → Gateway → Cloud → Dashboard
-
Máy móc → Edge Device → MQTT Broker → App giám sát
Việc mô tả logic xử lý là không cần thiết, nhưng dữ liệu đi qua các khối nào thì cực kỳ quan trọng.
5. Khi cần tài liệu hóa (documentation) chuẩn chỉnh
DFD là một thành phần quan trọng trong:
-
URS (User Requirement Specification)
-
SDS (System Design Specification)
-
FDS (Functional Design Specification)
-
Tài liệu bàn giao hệ thống
Nó giúp các bên hiểu đúng bản chất dữ liệu trong hệ thống.
Nhờ các loại lưu đồ này, kỹ sư PLC dễ dàng hình dung logic tổng thể, phân tích lỗi, chuẩn hóa tài liệu và giảm thời gian triển khai thực tế.
Những Lưu Ý Khi Viết Lưu Đồ Thuật Toán PLC
Để xây dựng một lưu đồ thuật toán chính xác, rõ ràng và dễ triển khai sang chương trình PLC, người thiết kế cần tuân thủ một số nguyên tắc kỹ thuật và logic điều khiển sau:
Xác định mục tiêu điều khiển
Trước tiên, cần làm rõ mục tiêu của chương trình: điều khiển thiết bị nào, yêu cầu hoạt động ra sao, có bao nhiêu chế độ, và cần xử lý những tín hiệu đầu vào – đầu ra nào (I/O).
Ví dụ:
- Mục tiêu: điều khiển băng tải chạy thuận – nghịch.
- Đầu vào: nút nhấn Start, Stop, công tắc giới hạn, cảm biến vật.
- Đầu ra: động cơ thuận, động cơ nghịch, đèn báo trạng thái.
Phân tích trạng thái hoạt động
Chia quy trình điều khiển thành các trạng thái logic riêng biệt, chẳng hạn:
- Trạng thái khởi động
- Trạng thái vận hành bình thường
- Trạng thái lỗi hoặc dừng khẩn
- Trạng thái kết thúc chu trình
Mỗi trạng thái cần được biểu diễn bằng khối thao tác (process) trong lưu đồ, giúp người lập trình dễ dàng ánh xạ sang network hoặc OB block trong phần mềm PLC.
Tuân thủ quy tắc mũi tên và hướng luồng
Lưu đồ thuật toán PLC luôn được vẽ theo hướng từ trên xuống dưới, trái sang phải, thể hiện dòng chảy logic rõ ràng.
Không nên để các đường giao nhau hoặc vòng lặp rối mắt.
Giới hạn độ phức tạp mỗi nhánh
Một lưu đồ chỉ nên mô tả một chức năng chính hoặc một chu trình cụ thể. Nếu quá dài, cần tách thành nhiều lưu đồ con (sub-flowchart), tương ứng với các module chương trình như khởi động, bảo vệ, điều khiển chính, cảnh báo…
Sử dụng ký hiệu thống nhất
Các ký hiệu trong lưu đồ phải tuân theo chuẩn quốc tế ISO 5807 hoặc ANSI X3.5 để người đọc dễ hiểu và dễ chuyển đổi sang ngôn ngữ lập trình Ladder, FBD hoặc SCL.
Ký Hiệu Trong Lưu Đồ Thuật Toán PLC
Một lưu đồ thuật toán chuẩn bao gồm các hình khối có ý nghĩa riêng biệt, giúp biểu diễn đầy đủ các thao tác logic. Dưới đây là những ký hiệu cơ bản thường gặp khi lập lưu đồ thuật toán PLC:
| Ký hiệu | Tên gọi | Ý nghĩa |
| Oval (hình elip) | Start / End | Điểm bắt đầu hoặc kết thúc chương trình |
| Rectangle (hình chữ nhật) | Process | Thực hiện một thao tác, lệnh hoặc hành động |
| Diamond (hình thoi) | Decision | Biểu diễn một điều kiện logic (Yes/No) |
| Parallelogram | Input / Output | Nhập hoặc xuất dữ liệu, tín hiệu PLC |
| Arrow (mũi tên) | Flow line | Hướng di chuyển của luồng điều khiển |
| Connector (hình tròn nhỏ) | Jump / Link | Liên kết các phần của lưu đồ ở vị trí khác nhau |
Trong các phần mềm lập trình PLC, mỗi Process box tương ứng với network rung ladder hoặc khối logic như TON, AND, OR, MOVE…
Ví dụ:
- Hình Decision biểu diễn lệnh IF / ELSE hoặc so sánh tín hiệu digital.
- Hình Process thể hiện bật/tắt ngõ ra Q0.0 hoặc gọi khối hàm FC/FB.
Hai Yếu Tố Mở Rộng Trong Thiết Kế Lưu Đồ PLC
Phân nhánh và vòng lặp trong lưu đồ thuật toán
Một số ứng dụng PLC phức tạp cần vòng lặp kiểm tra liên tục hoặc phân nhánh song song. Ví dụ trong hệ thống băng tải phân loại sản phẩm, PLC phải vừa giám sát cảm biến, vừa điều khiển xy-lanh đẩy sản phẩm.
Khi đó, lưu đồ cần mô tả song song các luồng xử lý hoặc chia thành nhiều module độc lập.
Lưu đồ thuật toán trong lập trình hướng khối (Structured Programming)
Trong các hệ PLC hiện đại như Siemens S7-1200/1500, Mitsubishi Q series, hoặc Omron CJ2, chương trình thường chia thành nhiều OB, FC, FB.
Mỗi khối tương ứng với một lưu đồ thuật toán nhỏ, giúp dễ quản lý và tái sử dụng.
Ví dụ:
- OB1: Chu trình chính (Main Flowchart)
- FC1: Điều khiển động cơ
- FC2: Xử lý cảm biến
- FB1: Giám sát lỗi
Ứng Dụng Của Lưu Đồ Thuật Toán Trong Thực Tế
Lưu đồ thuật toán PLC không chỉ là công cụ học tập mà còn là chuẩn kỹ thuật bắt buộc trong các dự án công nghiệp.
- Trong nhà máy sản xuất: dùng để mô tả logic điều khiển băng tải, robot gắp sản phẩm, máy đóng gói, máy dán nhãn…
- Trong hệ thống xử lý nước thải: lưu đồ thể hiện chu trình bơm, van điện từ, cảm biến mức.
- Trong đào tạo kỹ sư tự động hóa: giúp học viên hiểu mối liên hệ giữa thuật toán logic và chương trình PLC thực tế.
- Trong bảo trì – nâng cấp hệ thống: lưu đồ cũ giúp kỹ sư mới nhanh chóng nắm bắt cấu trúc điều khiển hiện hữu.
Tham Khảo Các Khóa Học Tại H&T Automation
Nếu bạn đang học hoặc làm việc trong lĩnh vực điều khiển – tự động hóa, việc hiểu và áp dụng lưu đồ thuật toán thành thạo là nền tảng không thể thiếu trước khi bước vào lập trình PLC chuyên nghiệp.
Tại H&T Automation, bạn có thể tham gia các khóa học:
- Lập trình PLC Siemens TIA Portal từ cơ bản đến nâng cao
- Lập trình PLC Mitsubishi và HMI
- Phân tích và thiết kế thuật toán điều khiển công nghiệp
- Ứng dụng lưu đồ thuật toán trong mô phỏng và vận hành thực tế
Các khóa học được thiết kế theo hướng “học để làm được”, giúp học viên nắm vững quy trình từ xây dựng lưu đồ thuật toán – viết code – mô phỏng – triển khai hệ thống thực tế.
Kết Luận
Lưu đồ thuật toán PLC là cầu nối giữa tư duy logic và lập trình thực tế. Nó giúp kỹ sư hiểu rõ dòng xử lý tín hiệu, thiết kế chương trình hiệu quả, giảm lỗi và tăng tính bảo trì cho hệ thống.
Đối với bất kỳ ai đang theo đuổi lĩnh vực tự động hóa, việc thành thạo lưu đồ thuật toán là bước khởi đầu để trở thành kỹ sư PLC chuyên nghiệp.
Giới thiệu về H&T Automation
H&T Automation là đơn vị chuyên cung cấp các khóa học, giải pháp và thiết bị về mảng tự động hóa, từ thiết kế hệ thống điều khiển, lập trình PLC – HMI, đến tư vấn lựa chọn thiết bị công nghiệp.
Với đội ngũ kỹ sư giàu kinh nghiệm và định hướng chia sẻ kiến thức chuẩn kỹ thuật – thực tế, H&T Automation luôn đồng hành cùng khách hàng và học viên trên con đường phát triển tự động hóa thông minh, an toàn và hiệu quả.