Giáo trình Bản vẽ Thiết bị Đo lường (Mã môn học: TĐH19MH06)

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Bản vẽ thiết bị đo lường (Mã môn học: TĐH19MH06) là tài liệu đào tạo chuyên môn thuộc chương trình đào tạo nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa ở trình độ Trung cấp và Cao đẳng, 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). Môn học có tổng thời lượng 45 giờ định mức (gồm 42 giờ lý thuyết và 03 giờ kiểm tra đánh giá, tương đương 03 tín chỉ). Trong khung chương trình đào tạo, học phần này giữ vị trí môn học chuyên môn cơ sở, được bố trí giảng dạy sau các mô-đun Điện kỹ thuật 1 (KTĐ19MĐ05), Kỹ thuật số (TĐH19MĐ04), Thiết bị đo lường (TĐH19MĐ05) và học trước các học phần chuyên ngành như Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (TĐH19MĐ07), Cơ sở điều khiển quá trình (TĐH19MĐ10) cùng Hệ thống điều khiển phân tán (DCS).

Mục tiêu đào tạo của giáo trình xác định cụ thể qua các chuẩn đầu ra:

  • Chuẩn kiến thức A1: Nhận biết và mô tả được các loại bản vẽ kỹ thuật sử dụng trong công tác đo lường tự động hóa.
  • Chuẩn kiến thức A2: Nhận biết và thuyết minh được hệ thống biểu tượng, ký hiệu thiết bị và các đường liên kết tín hiệu trên bản vẽ.
  • Chuẩn kiến thức A3: Nhận biết và diễn giải được các thành phần tiêu chuẩn bao gồm hệ thống số hiệu bản vẽ, bảng dữ liệu và ghi chú kỹ thuật.
  • Chuẩn kiến thức A4: Nhận biết và diễn giải được các dạng bản vẽ điện, bản vẽ mạch liên kết và sơ đồ lưu trình công nghệ.
  • Chuẩn năng lực tự chủ và trách nhiệm C1: Rèn luyện phương pháp làm việc cẩn thận, tỉ mỉ và tính chuẩn xác khi xử lý tài liệu kỹ thuật.

Cấu trúc giáo trình được xây dựng theo phương pháp tiếp cận tiêu chuẩn hóa quốc tế, dựa trên các quy phạm kỹ thuật của Hiệp hội Tự động hóa Quốc tế (ISA) và Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (ANSI). Điểm đặc trưng của tài liệu là sự kết hợp giữa lý thuyết biểu diễn quy ước và dữ liệu thực tế từ các công trình lọc hóa dầu, chế biến khí, phục vụ trực tiếp cho công tác lắp đặt, bảo dưỡng và xử lý sự cố hệ thống tự động hóa.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được phân bổ thành 02 chương trọng tâm với tính logic tuần tiến từ nhận diện tài liệu tổng thể đến phân tích chi tiết từng sơ đồ kỹ thuật:

  • Chương 1: Các loại bản vẽ thiết bị đo lường (Thời lượng: 21 giờ - 20 lý thuyết, 01 kiểm tra):

    • Bảng danh mục thiết bị (Instrument Index): Cung cấp phương pháp tra cứu thông tin tổng thể của dự án qua các cột dữ liệu tiêu chuẩn: Số thẻ (Tag No), Chức năng/nhiệm vụ (Service), Vị trí lắp đặt (Location), Nhà sản xuất (MFR), Số hiệu bảng thông số kỹ thuật (Spec Sheet No), Số hiệu bản vẽ công nghệ (P&ID No), Số hiệu bản vẽ vòng điều khiển (Loop sheet Dwg No), Bản vẽ định tuyến/tủ điều khiển (Location and routing or panel Dwg No), Bản vẽ chi tiết lắp đặt (Inst Detail Dwg No), Bản vẽ đường ống (Piping Dwg No), Bản vẽ điện (Elect Dwg No) và Bản vẽ nhà thầu (Vendor Dwg No).
    • Thông số kỹ thuật chung của thiết bị: Phân tích các tiêu chuẩn lắp đặt cơ khí như bước ren kết nối $3/4\text{ inch}$ cho đồng hồ áp suất, bước ren $1\text{ inch}$ cho thiết bị đo nhiệt độ; tiêu chuẩn của Hiệp hội Khí Hoa Kỳ (American Gas Association - AGA) đối với tấm Orifice với tỷ lệ đường kính $0.75$ trên đoạn đường ống thẳng.
    • Các loại bản vẽ đo lường: Cấu trúc và ứng dụng của Bản vẽ chi tiết lắp đặt thiết bị (Installation Detail Drawings), Bản vẽ vị trí lắp đặt trên mặt bằng tổng thể (Location Drawings) và Bản vẽ vòng điều khiển (Control Loops). Giáo trình minh họa cụ thể vòng điều khiển lưu lượng kín gồm: Tấm Orifice tạo chênh áp ($FE_2$), Bộ chuyển đổi lưu lượng kiểu chênh áp phát tín hiệu khí nén $2\text{--}20\text{ psig}$ ($FT_2$), Bộ điều khiển lưu lượng ($FIC_2$) và Van điều khiển đóng vai trò phần tử điều khiển cuối ($FV_2$).
    • Biểu tượng thiết bị và đường liên kết: Hệ thống ký hiệu quy ước bao gồm Thiết bị đơn lẻ (Discrete Instrument), Bộ điều khiển chia sẻ (Shared Control), Bộ hiển thị chia sẻ (Shared Display), Chức năng máy tính (Computer Function), Bộ điều khiển logic khả trình (PLC); phân biệt đường ống quá trình đậm nét với các đường liên kết tín hiệu khí nén, tín hiệu điện và liên kết cơ học.
    • Cấu trúc số thẻ thiết bị (Tag Number): Quy tắc gán nhãn gồm ký hiệu khu vực nhà máy (tiền tố hoặc dòng trên), chữ cái đầu tiên xác định biến đo quá trình theo quy chuẩn Bảng 1-1 (như $F$ - Lưu lượng, $T$ - Nhiệt độ, $P$ - Áp suất, $L$ - Mức) và các chữ cái kế tiếp chỉ chức năng thụ động, chỉ thị hoặc điều khiển (như $I$ - Chỉ thị, $C$ - Điều khiển, $T$ - Truyền tín hiệu, $V$ - Van), kết thúc bằng mã số định danh vòng lặp (ví dụ vòng điều khiển 401).

  • Chương 2: Thành phần của bản vẽ tiêu chuẩn (Thời lượng: 24 giờ - 22 lý thuyết, 02 kiểm tra):

    • Thành phần cơ bản theo tiêu chuẩn ISA: Danh mục ký hiệu phần tử sơ cấp đo lường (Bảng 2-1), phần tử thứ cấp (Bảng 2-2), thiết bị phụ trợ/mở rộng (Bảng 2-3), phần tử điều khiển cuối (Bảng 2-4) và bộ truyền động (Bảng 2-5).
    • Hệ thống chữ số trong khung tiêu đề bản vẽ: Cấu trúc mã hóa gồm 4 trường thông tin: Mã nhận biết tòa nhà/khu vực (02 chữ số từ 01 đến 99), Mã nhận biết bộ phận/phòng ban thiết kế theo Bảng 2-6 (ví dụ ký tự "I" đại diện cho Phòng Tự động hóa - Instrumentation Department), Số phân loại bản vẽ từ 1 đến 9 theo Bảng 2-7 (ví dụ số "2" là bản vẽ Instrumentation P&IDs), và Số thứ tự bản vẽ (02 chữ số từ 01 đến 99).
    • Bảng dữ liệu thiết bị (Data Sheet) và Ghi chú P&ID: Phương pháp đọc thông số vật lý, dải đo, điều kiện làm việc và các chú thích liên quan đến mạch khóa linh động (Interlock).
    • Ký hiệu và bản vẽ điện theo chuẩn ANSI: Quy ước viết tắt thiết bị đo (Bảng 2-8), màu sắc đèn báo (Bảng 2-9), rơ le (Bảng 2-10), công tắc và tiếp điểm điện (Bảng 2-11), ký tự theo chuẩn ANSI (Bảng 2-12). Cung cấp phương pháp phân tích sơ đồ một dây, sơ đồ 3 dây của động cơ điện ba pha, sơ đồ khối mạch động cơ, sơ đồ nối dây điều khiển điểm - điểm (point-to-point), sơ đồ kết nối đường cơ sở, sơ đồ nối dây không dây, sơ đồ hình thang (Ladder diagram), bản vẽ máng dây, bản vẽ mạch liên kết (Loop sheets) và bản vẽ dòng công nghệ (PFD).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập hệ thống lý thuyết nền tảng phục vụ chuyên môn đo lường và điều khiển:

  • Hệ thống tiêu chuẩn hóa ký hiệu công nghiệp: Xây dựng trên cơ sở chuẩn ISA (Hiệp hội Tự động hóa Quốc tế) và ANSI (Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ), chuẩn hóa toàn bộ ngôn ngữ đồ họa, bảng ký tự và quy ước viết tắt.
  • Nguyên lý truyền nhận tín hiệu trong vòng điều khiển quá trình: Bản chất đường truyền cơ học, đường truyền tín hiệu khí nén tiêu chuẩn công nghiệp ($2\text{--}20\text{ psig}$), tín hiệu điện áp/dòng điện và tín hiệu số.
  • Quy tắc định danh và quản lý tài liệu kỹ thuật dự án: Nguyên lý phân cấp mã hiệu bản vẽ kỹ thuật, phân định ranh giới khu vực công nghệ và phương pháp truy xuất chéo tài liệu.

Kỹ năng phát triển

Thông qua các nội dung lý thuyết và bài tập giải mã sơ đồ, giáo trình hình thành các năng lực thực hành:

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Đọc hiểu chính xác các loại bản vẽ P&ID, PFD, bản vẽ chi tiết lắp đặt (Installation Detail), bản vẽ mặt bằng (Location Drawing), bản vẽ mạch liên kết (Loop sheet) và sơ đồ mạch điện động cơ 3 pha.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích tương tác giữa các phần tử trong vòng điều khiển phản hồi, xác định đường truyền tín hiệu từ phần tử cảm biến sơ cấp ($FE$), bộ chuyển đổi ($FT$), bộ điều khiển ($FIC$) đến cơ cấu chấp hành ($FV$); đối chiếu sai lệch giữa bảng dữ liệu kỹ thuật và sơ đồ công nghệ.
  • Năng lực ứng dụng thực tế (Practical competencies): Khai thác bảng danh mục thiết bị (Instrument Index) để lập kế hoạch bảo dưỡng, định vị vị trí lắp đặt thực tế ngoài hiện trường, phục vụ quy trình sửa chữa và xử lý sự cố thiết bị tự động hóa.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Phương pháp tiếp cận sư phạm

Giáo trình quy định phương pháp giảng dạy tích cực lấy người học làm trung tâm, kết hợp giữa diễn giảng lý thuyết, đàm thoại vấn đáp kỹ thuật và phương pháp dạy học theo vấn đề (Problem-based learning). Giảng viên sử dụng các bản vẽ kỹ thuật P&ID và bản vẽ điện thực tế để đặt ra các tình huống kỹ thuật, yêu cầu người học phân tích, tra cứu và giải thích hoạt động của hệ thống.

Bài tập, tình huống và học liệu

Môn học sử dụng hệ thống học liệu và bài tập tình huống bám sát thực tế:

  • Học liệu bắt buộc: Giáo trình môn học, giáo án bài giảng, tập hợp các bản vẽ P&ID mẫu, bản vẽ mạch vòng điều khiển và bản vẽ kỹ thuật điện.
  • Bài tập củng cố: Mỗi chương đều trang bị hệ thống câu hỏi lý thuyết và bài tập trắc nghiệm nhằm kiểm tra khả năng đọc thông số từ Bảng danh mục thiết bị, nhận dạng các ký hiệu đường ống quá trình, đường tín hiệu và giải mã ký hiệu thẻ thiết bị.
  • Trang thiết bị hỗ trợ: Phòng học lý thuyết tiêu chuẩn trang bị máy tính, máy chiếu, bảng phấn và các công cụ vẽ kỹ thuật phục vụ việc trình chiếu, phân tích trực tiếp các bản vẽ khổ lớn.

Phương pháp kiểm tra và đánh giá

Quy trình đánh giá kết quả học tập được thực hiện theo quy chế đào tạo nghề nghiệp, bao gồm ba hình thức:

  1. Kiểm tra thường xuyên: 01 bài kiểm tra, thực hiện thông qua hỏi đáp vấn đáp trực tiếp trên lớp hoặc kiểm tra viết với thời gian làm bài dưới 30 phút.
  2. Kiểm tra định kỳ: 03 bài kiểm tra lý thuyết viết, thời lượng 45 đến 60 phút/bài:
    • Bài kiểm tra số 1: Đánh giá nội dung Chương 1, đáp ứng chuẩn đầu ra A1 (Thời gian: 45 phút).
    • Bài kiểm tra số 2: Đánh giá nội dung Chương 2, đáp ứng chuẩn đầu ra A2 (Thời gian: 45 phút).
    • Bài kiểm tra số 3: Đánh giá nội dung Chương 2, đáp ứng chuẩn đầu ra A3 và A4 (Thời gian: 45 phút).
  3. Thi kết thúc môn học: Đánh giá tổng hợp toàn bộ nội dung Chương 1 và Chương 2.
    • Hình thức thi: Trắc nghiệm khách quan.
    • Thời gian thi: 60 đến 75 phút.
    • Chuẩn đầu ra đánh giá: Tổng hợp các chuẩn A1, A2, A3, A4 và C1.

Hướng dẫn tự học

  • Người học phải chủ động nghiên cứu giáo trình và các nguồn tài liệu tham khảo được cung cấp (thư viện, trang tin kỹ thuật) trước khi lên lớp.
  • Tổ chức tự học và thảo luận nhóm theo quy mô 6 đến 8 thành viên. Mỗi nhóm được giao chủ đề bản vẽ cụ thể; từng thành viên chịu trách nhiệm nghiên cứu một phần độc lập trước khi hoàn thiện chủ đề chung.
  • Điều kiện dự thi: Người học phải tham dự tối thiểu 70% tổng thời lượng các buổi học lý thuyết trên lớp (không được vắng quá 30% số tiết).

Điểm nổi bật và cập nhật

Tích hợp khung chương trình quốc tế

Giáo trình được biên soạn dựa trên cơ sở tham chiếu tài liệu đào tạo chuyên ngành quốc tế Instrumentation Level 1, Level 2, Level 3 (Third Edition, 2015) của Trung tâm Quốc gia về Giáo dục và Nghiên cứu Xây dựng Hoa Kỳ (NCCER). Việc tiếp nhận khung nội dung này giúp hệ thống kiến thức đạt sự tương thích với chuẩn nghề nghiệp quốc tế trong lĩnh vực đo lường và điều khiển tự động.

Chuẩn hóa hệ thống ký hiệu công nghiệp

Tài liệu cập nhật và áp dụng toàn diện các bộ tiêu chuẩn kỹ thuật hiện hành:

  • Tiêu chuẩn ISA (International Society of Automation): Ứng dụng trong việc quy chuẩn hóa ký hiệu thiết bị đo lường, phần tử sơ cấp, phần tử thứ cấp, phần tử điều khiển cuối và bộ truyền động (Bảng 2-1 đến Bảng 2-5).
  • Tiêu chuẩn ANSI (American National Standards Institute): Chuẩn hóa hệ thống ký hiệu bản vẽ điện, thiết bị chuyển mạch, tiếp điểm logic và rơ le (Hình 2-8 đến Hình 2-12, Bảng 2-12).
  • Tiêu chuẩn AGA (American Gas Association): Cập nhật quy tắc tính toán kích thước lắp đặt cho cảm biến đo lưu lượng chênh áp sử dụng tấm mặt bích Orifice trên đường ống.

Gắn kết dữ liệu thực tế ngành Dầu khí

Nội dung giáo trình sử dụng trực tiếp các mẫu tài liệu, cấu trúc số hiệu bản vẽ và sơ đồ công nghệ trích xuất từ các nhà máy, xí nghiệp thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam. Giáo trình đưa vào các tham số lắp đặt cơ khí thực tế (kết nối ren, khoảng cách an toàn, hệ thống thông gió, yêu cầu lắp đặt trong môi trường nguy hiểm cháy nổ), giúp người học tiếp cận chính xác quy cách vận hành công nghiệp.

Đối tượng sử dụng giáo trình

Học sinh và sinh viên

Tài liệu phục vụ trực tiếp cho học sinh, sinh viên theo học trình độ Trung cấp và Cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa. Đây là tài liệu học tập bắt buộc cho môn học Bản vẽ thiết bị đo lường, trang bị năng lực đọc hiểu tài liệu kỹ thuật trước khi bước vào các học phần thực hành chuyên sâu.

Kiến thức tiên quyết

Để tiếp thu hiệu quả nội dung giáo trình, người học cần hoàn thành các môn học tiên quyết và cơ sở trong chương trình đào tạo:

  • Toán kỹ thuật (TĐH19MH23) và Hình học lắp đặt (TĐH19MH24).
  • Điện kỹ thuật 1 (KTĐ19MĐ05): Cung cấp kiến thức về mạch điện, công tắc, tiếp điểm và động cơ điện.
  • Kỹ thuật số (TĐH19MĐ04): Cung cấp nền tảng về cổng logic và tín hiệu số.
  • Thiết bị đo lường (TĐH19MĐ05): Cung cấp nguyên lý hoạt động của các thiết bị đo áp suất, nhiệt độ, lưu lượng và mức.

Giảng viên và cán bộ đào tạo

Giảng viên chuyên ngành Đo lường - Tự động hóa sử dụng giáo trình để:

  • Thiết kế giáo án bài giảng theo thể loại lý thuyết hoặc bài giảng tích hợp.
  • Xây dựng ngân hàng câu hỏi kiểm tra thường xuyên, đề kiểm tra định kỳ 45 phút và đề thi kết thúc môn học trắc nghiệm từ 60 đến 75 phút theo ma trận chuẩn đầu ra A1, A2, A3, A4, C1.
  • Tổ chức các buổi thảo luận chuyên đề và hướng dẫn bài tập tình huống kỹ thuật.

Kỹ thuật viên và tài liệu tham khảo

Tài liệu có giá trị tham khảo cho kỹ thuật viên, nhân viên kỹ thuật đang công tác tại các xí nghiệp, nhà máy công nghiệp:

  • Sử dụng để tra cứu quy chuẩn ký hiệu thẻ thiết bị (Tag Number) và chữ cái chức năng.
  • Tra cứu cấu trúc các bản vẽ mạch vòng (Loop sheets), bản vẽ chi tiết lắp đặt (Installation detail) và sơ đồ mạch điều khiển phục vụ công tác hiệu chuẩn, bảo trì và sửa chữa thiết bị hiện trường.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này được thiết kế cho đối tượng đào tạo nào?

Giáo trình được ban hành để giảng dạy cho học sinh, sinh viên trình độ Trung cấp và Cao đẳng thuộc chuyên ngành Sửa chữa thiết bị tự động hóa (theo Quyết định số 198/QĐ-CĐDK của Trường Cao đẳng Dầu khí), đồng thời dùng làm tài liệu đào tạo nội bộ cho kỹ thuật viên đo lường tự động hóa trong các nhà máy công nghiệp.

2. Người học cần có kiến thức nền tảng nào trước khi học môn này?

Người học cần tích lũy kiến thức cơ bản từ các học phần: Điện kỹ thuật 1, Kỹ thuật số, Toán kỹ thuật và Thiết bị đo lường. Những học phần này cung cấp nền tảng về nguyên lý cảm biến, đại lượng đo công nghiệp và các phần tử mạch điện cơ bản.

3. Giáo trình này có điểm gì khác biệt so với các giáo trình vẽ kỹ thuật đại cương?

Khác với vẽ kỹ thuật đại cương tập trung vào hình học họa hình và biểu diễn chi tiết cơ khí, giáo trình này tập trung chuyên biệt vào ngôn ngữ ký hiệu quy ước quốc tế (ISA, ANSI) cho hệ thống đo lường - điều khiển tự động, bao gồm cách đọc Bảng danh mục thiết bị (Instrument Index), Sơ đồ lưu trình công nghệ (P&ID, PFD), Bản vẽ mạch liên kết (Loop sheets) và Sơ đồ nối dây điều khiển.

4. Phương pháp tự học và khai thác giáo trình đạt hiệu quả cao nhất là gì?

Người học cần kết hợp việc ghi nhớ bảng chữ cái mã hóa chức năng (Bảng 1-1, Bảng 2-6) với việc phân tích trực tiếp trên các bản vẽ thực tế. Cần rèn luyện kỹ năng liên kết chéo thông tin giữa Bảng danh mục thiết bị với Bản vẽ định vị hiện trường và Bản vẽ chi tiết lắp đặt để nắm bắt đầy đủ chu trình làm việc của một thiết bị đo.

5. Giáo trình có những tài liệu bổ trợ và quy chuẩn tham chiếu nào?

Giáo trình sử dụng tài liệu tham khảo chính là bộ sách Instrumentation Level 1, 2, 3 (Third Edition, 2015) của tổ chức NCCER (Hoa Kỳ), cùng hệ thống tiêu chuẩn kỹ thuật của Hiệp hội Tự động hóa Quốc tế (ISA), Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (ANSI) và Hiệp hội Khí Hoa Kỳ (AGA).

Kết luận

Giáo trình Bản vẽ thiết bị đo lường (Mã môn học: TĐH19MH06) của Trường Cao đẳng Dầu khí đóng vai trò thiết lập nền tảng lý thuyết và kỹ năng giải mã hệ thống tài liệu kỹ thuật đo lường - điều khiển tự động hóa. Nội dung giáo trình cung cấp phương pháp luận chuẩn xác về nhận diện ký hiệu ISA/ANSI, cấu trúc bảng danh mục thiết bị, số thẻ định danh và các dạng sơ đồ mạch vòng lặp công nghệ.

Lộ trình học tập khuyến nghị bắt đầu từ việc nắm vững định dạng Bảng danh mục thiết bị và quy tắc thẻ Tag Number tại Chương 1, tiến đến phân tích chuyên sâu các thành phần bản vẽ tiêu chuẩn, bản vẽ điện và sơ đồ Loop sheets tại Chương 2. Đây là nền tảng điều kiện tiên quyết để người học tiếp tục hoàn thành các môn học thực hành chuyên sâu như Hiệu chuẩn thiết bị đo lường và Cơ sở điều khiển quá trình. Trong quá trình học tập, người học nên kết hợp đối chiếu với bộ tiêu chuẩn ISA-5.1 và tài liệu Instrumentation của NCCER (2015) để hoàn thiện năng lực chuyên môn.