Giáo Trình Cơ Sở Điều Khiển Quá Trình Nghề Sửa Chữa Thiết Bị Tự Động Hóa

Giáo trình cơ sở điều khiển quá trình nghề sửa chữa thiết bị tự động hóa tại trường cao đẳng dầu khí cung cấp kiến thức chuyên sâu và thực tiễn.

• Tác giả: ThS. Phạm Thị Thu Hường
• Trường học: Trường Cao Đẳng Dầu Khí
• Chuyên ngành: Sửa Chữa Thiết Bị Tự Động Hóa
• Đề tài: Giáo Trình Điều Khiển Quá Trình Sửa Chữa Thiết Bị Tự Động Hóa
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Bà Rịa - Vũng Tàu

Mục lục chi tiết

• 1. CHƯƠNG 1: ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
• 1.1. Đặc trưng của quá trình
• 1.2. Hệ thống điều khiển quá trình
• 1.3. Các thành phần của một kênh thiết bị
• 1.4. CÁC VÒNG ĐIỀU KHIỂN
• 1.4.1. Vòng điều khiển hở (Open loop)
• 1.4.2. Vòng điều khiển kín (Feedback Control – Closed Loop)
• 1.4.3. Điều khiển tầng (Cascade Control)
• 1.4.4. Điều khiển tỉ lệ (Ratio Control)
• 1.5. CÁC CHẾ ĐỘ ĐIỀU KHIỂN
• 1.5.1. Điều khiển hai vị trí (On – Off Control)
• 1.5.2. Điều khiển điều chỉnh (Modulating Control)
• 1.5.3. Ứng dụng của các kiểu vòng điều khiển
• 1.6. CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 1.6.1. ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN
• 1.6.1.1. Điều khiển On – Off (On – Off Control)
• 1.6.1.2. Điều khiển tỉ lệ (Ratio Control)
• 1.6.1.3. Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân
• 1.6.1.4. Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân và vi phân (PID Controller)
• 1.6.1.5. Hoạt động cụ thể của một bộ điều khiển
• 1.6.1.6. Bộ điều khiển Masoneilan
• 1.6.2. BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ
• 1.6.2.1. Điều khiển On – Off
• 1.6.2.2. Bộ điều khiển tỉ lệ
• 1.6.2.3. Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân
• 1.6.2.4. Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân và vi phân (PID Controller)

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo Trình Điều Khiển Quá Trình Sửa Chữa Thiết Bị Tự Động Hóa

Giáo trình điều khiển quá trình sửa chữa thiết bị tự động hóa là tài liệu quan trọng trong việc đào tạo kỹ sư và kỹ thuật viên trong lĩnh vực tự động hóa. Tài liệu này cung cấp kiến thức cơ bản về các hệ thống điều khiển, các thành phần của thiết bị và quy trình sửa chữa. Đặc biệt, giáo trình giúp người học nắm vững các khái niệm và thuật ngữ chuyên ngành, từ đó áp dụng vào thực tiễn công việc.

1.1. Mục tiêu của giáo trình điều khiển quá trình

Mục tiêu chính của giáo trình là trang bị cho sinh viên kiến thức về điều khiển quá trình, từ lý thuyết đến thực hành. Sinh viên sẽ học cách xác định các thành phần trong hệ thống điều khiển và ứng dụng chúng vào thực tế.

1.2. Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình này được thiết kế cho sinh viên các trường cao đẳng và đại học chuyên ngành tự động hóa, cũng như các kỹ thuật viên trong ngành sửa chữa thiết bị tự động hóa.

II. Những thách thức trong điều khiển quá trình tự động hóa

Trong quá trình sửa chữa thiết bị tự động hóa, có nhiều thách thức mà kỹ sư phải đối mặt. Những thách thức này bao gồm việc hiểu rõ các hệ thống điều khiển phức tạp, đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy của thiết bị. Ngoài ra, việc cập nhật công nghệ mới cũng là một yếu tố quan trọng.

2.1. Khó khăn trong việc áp dụng công nghệ mới

Công nghệ tự động hóa luôn thay đổi, đòi hỏi kỹ sư phải liên tục cập nhật kiến thức và kỹ năng. Việc này có thể gây khó khăn trong quá trình sửa chữa và bảo trì thiết bị.

2.2. Đảm bảo độ tin cậy của hệ thống

Độ tin cậy của hệ thống điều khiển là rất quan trọng. Kỹ sư cần phải thực hiện các biện pháp kiểm tra và bảo trì định kỳ để đảm bảo thiết bị hoạt động ổn định.

III. Phương pháp điều khiển quá trình hiệu quả

Để đạt được hiệu quả trong điều khiển quá trình, cần áp dụng các phương pháp hiện đại và phù hợp. Các phương pháp này bao gồm điều khiển PID, điều khiển tỉ lệ và điều khiển tầng. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, cần được lựa chọn dựa trên yêu cầu cụ thể của hệ thống.

3.1. Điều khiển PID trong tự động hóa

Điều khiển PID là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong điều khiển quá trình. Nó giúp duy trì các thông số trong giới hạn cho phép, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

3.2. Lợi ích của điều khiển tỉ lệ

Điều khiển tỉ lệ giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất, giảm thiểu lãng phí và tăng năng suất. Phương pháp này rất hiệu quả trong các ứng dụng công nghiệp.

IV. Ứng dụng thực tiễn của giáo trình trong ngành tự động hóa

Giáo trình điều khiển quá trình sửa chữa thiết bị tự động hóa không chỉ là lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn. Các kỹ sư có thể áp dụng kiến thức từ giáo trình vào các dự án thực tế, từ việc thiết kế hệ thống đến bảo trì và sửa chữa thiết bị.

4.1. Các dự án thực tế trong ngành dầu khí

Trong ngành dầu khí, việc áp dụng giáo trình vào thực tế giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu rủi ro. Các kỹ sư có thể sử dụng kiến thức để tối ưu hóa quy trình điều khiển.

4.2. Kết quả nghiên cứu từ ứng dụng thực tiễn

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng các phương pháp điều khiển hiện đại giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống tự động hóa trong các nhà máy.

V. Kết luận và tương lai của giáo trình điều khiển quá trình

Giáo trình điều khiển quá trình sửa chữa thiết bị tự động hóa là một tài liệu quý giá cho sinh viên và kỹ sư trong ngành. Tương lai của giáo trình sẽ tiếp tục được cập nhật và cải tiến để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp tự động hóa.

5.1. Xu hướng phát triển trong giáo dục tự động hóa

Giáo dục trong lĩnh vực tự động hóa đang ngày càng phát triển, với nhiều chương trình đào tạo mới và hiện đại. Điều này giúp sinh viên nắm bắt được công nghệ mới và áp dụng vào thực tiễn.

5.2. Tầm quan trọng của việc cập nhật kiến thức

Việc cập nhật kiến thức và kỹ năng là rất quan trọng trong ngành tự động hóa. Kỹ sư cần thường xuyên tham gia các khóa học và hội thảo để nâng cao trình độ chuyên môn.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (Mã mô-đun: AUTM53110) là tài liệu học tập chuyên môn được ban hành theo Quyết định số 216/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (PVMTC). Tài liệu do ThS. Phạm Thị Thu Hường chủ biên, cùng sự tham gia biên soạn của các tác giả Nguyễn Xuân Thịnh và Nguyễn Kim Ngọc thuộc Tiểu ban môn Tự động hóa.

Mô-đun có thời lượng 03 tín chỉ (tổng cộng 60 giờ định mức, gồm 28 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành/thảo luận và 03 giờ kiểm tra). Trong chương trình đào tạo nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (Instrumentation) trình độ Cao đẳng và Trung cấp, mô-đun này được bố trí giảng dạy sau các học phần cơ sở như Điện tử cơ bản, Mạch logic số, Thiết bị đo lường và Bản vẽ thiết bị đo lường, đóng vai trò bản lề để sinh viên tiếp cận các nội dung chuyên sâu về Hệ thống điều khiển phân tán (DCS) và Điều khiển quá trình nâng cao.

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

• Kiến thức (A1–A5): Mô tả bản chất quá trình công nghệ; xác định các thành phần của kênh thiết bị; phân biệt các cấu trúc vòng điều khiển (hở, kín, tầng, tỉ lệ); phân tích các quy luật điều khiển (On-Off, P, PI, PID); trình bày nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển khí nén và điện tử.
• Kỹ năng (B1–B4): Xây dựng và chú giải sơ đồ khối chức năng; nhận diện và bóc tách các thành phần vòng điều khiển trên bản vẽ lưu đồ công nghệ và thiết bị (P&ID); giải thích sơ đồ nguyên lý của bộ điều khiển khí nén và mạch điện tử tương tự.
• Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Hình thành tác phong làm việc chuẩn xác, cẩn trọng trong môi trường kỹ thuật công nghiệp.

Giáo trình được cấu trúc thành 02 bài học chính: Bài 1 tập trung vào lý thuyết điều khiển quá trình (40 giờ) và Bài 2 phân tích cấu tạo, nguyên lý của các bộ điều khiển công nghiệp (20 giờ). Điểm đặc thù của tài liệu là phương pháp tiếp cận gắn liền với kỹ thuật điều khiển công nghiệp thực tế, sử dụng các sơ đồ thiết bị và bản vẽ P&ID tham khảo trực tiếp từ các công trình dầu khí.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Giáo trình phân chia dung lượng giảng dạy thành 2 bài học lớn với tiến trình logic đi từ mô tả đặc tính vật lý của quá trình đến cấu trúc vòng lặp và chi tiết phần cứng điều khiển:

• Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình (40 giờ)

  • 1.1. Điều khiển quá trình: Phân tích bản chất cân bằng vật chất và năng lượng; định nghĩa các đại lượng cơ bản gồm Biến quá trình/Biến được điều khiển ($PV/CV$), Giá trị đặt ($SV/SP$), Tín hiệu sai lệch ($e = PV - SV$), Biến thao tác ($MV$), cùng các dạng nhiễu tải phía cung và cầu. Khảo sát chi tiết cấu trúc kênh thiết bị: Cảm biến đo (RTD, cặp nhiệt ngẫu, ống Bourdon, màng điện dung), Bộ chuyển đổi (Transducer), Bộ khuếch đại/điều hòa tín hiệu, Bộ truyền tín hiệu (Transmitter chuẩn 4÷20 mA DC hoặc 3÷15 psi), Bộ điều khiển, và Phần tử điều khiển cuối (FCE - van cổng, van cầu, cơ cấu chấp hành khí nén màng/piston, động cơ điện và bộ định vị van Positioner).
  • 1.2. Các vòng điều khiển: Phân tích cơ chế và đáp ứng của Vòng hở (Open loop), Vòng kín phản hồi (Closed loop), Điều khiển tầng (Cascade control - phối hợp giữa bộ điều khiển sơ cấp Primary/Master và thứ cấp Secondary/Slave) và Điều khiển tỉ lệ (Ratio control - duy trì tỷ lệ cố định giữa hai dòng lưu lượng).
  • 1.3. Các chế độ điều khiển: Nghiên cứu nguyên lý tác động của chế độ Hai vị trí (On-Off kèm vùng trung lập/Deadband) và chế độ Điều chế liên tục (Modulating Control) gồm Tỉ lệ ($P$), Tích phân ($I$) và Vi phân ($D$).
  • 1.4. Ứng dụng các kiểu vòng điều khiển: Phân tích sơ đồ công nghệ mẫu của vòng điều khiển nhiệt độ thiết bị trao đổi nhiệt dùng khí nén và vòng điều khiển nhiệt độ điện tử.

• Bài 2: Các bộ điều khiển (20 giờ)

  • 2.1. Các chế độ hoạt động cơ bản: Phân định nguyên lý 4 chế độ vận hành: Tự động (Auto), Thủ công (Manual), Cục bộ (Local) và Từ xa (Remote).
  • 2.2. Bộ điều khiển khí nén: Cấu tạo phần cứng cơ học gồm nguồn cấp khí ($Air\ supply$), cơ cấu lá cản - vòi phun ($Flapper - Nozzle$) và hộp xếp phản hồi ($Bellows$); nguyên lý tạo tín hiệu đầu ra chuẩn 3÷15 psi cho các thuật toán On-Off, P, PI, PID; cấu tạo chi tiết bộ điều khiển Masoneilan.
  • 2.3. Bộ điều khiển điện tử: Sơ đồ khối chức năng và mạch xử lý tín hiệu điện tương tự (4÷20 mA DC) thực hiện các thuật toán điều khiển On-Off, P, PI và PID.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập hệ thống lý thuyết kỹ thuật dựa trên các nguyên lý cốt lõi:

• Phương trình cân bằng năng lượng của quá trình: Xác lập mối quan hệ $E_{out} = E_{in} - (E_{lost} + E_{store})$ trong các thiết bị công nghệ (như bộ trao đổi nhiệt dạng ống vỏ), làm cơ sở giải thích sự trôi dạt của $PV$ khi xuất hiện nhiễu tải.
• Đặc tính lưu lượng của van điều khiển: Phân loại 3 dạng đường cong đặc tính vốn có gồm Tuyến tính (Linear), Mở nhanh (Quick Opening) và Tỷ lệ phần trăm bằng nhau (Equal Percentage) theo mối quan hệ giữa hành trình van và lưu lượng dòng chảy.
• Toán học điều khiển PID và hiện tượng vật lý: Thiết lập mối quan hệ giữa Hệ số khuếch đại ($Gain$) và Dải tỉ lệ ($PB%$) qua công thức $Gain = \frac{100%}{PB(%)}$; bản chất tích phân loại bỏ sai lệch tĩnh ($offset$) đi kèm phân tích nguyên nhân hiện tượng bão hòa tích phân ($Reset\ Windup$); vai trò của thành phần vi phân $D$ trong việc tạo phản ứng sớm theo tốc độ thay đổi sai số $\frac{de}{dt}$.

                 +-------------+
  Setpoint (SV)  |             |  Tín hiệu điều khiển (MV)
---------------->+  Controller +--------------------------+
                 |             |                          |
                 +------+------+                          |
                        ^                                 v
                        |                         +---------------+
                        | Tín hiệu đo             | Phần tử cuối  |
                        | (4-20mA / 3-15 psi)     |     (FCE)     |
                        |                         +-------+-------+
                 +------+------+                          |
                 | Transmitter |                          v
                 +------+------+                  +---------------+
                        ^                         |   Quá trình   |
                        | Biến quá trình (PV)     |   (Process)   |
                        +-------------------------+-------+-------+
                                                          |
                                           Nhiễu tải      |
                                        ----------------->+

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Nhận diện cấu tạo, giải thích sơ đồ chức năng và nguyên lý cơ khí/khí nén của cụm Flapper-Nozzle, hộp xếp Bellows, mạch điện tử tương tự; cấu hình các chế độ điều khiển trên thiết bị.
• Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Đọc hiểu và phân tích bản vẽ P&ID; xác định cấu trúc vòng điều khiển đơn, vòng cascade và vòng ratio; tính toán các thông số $Gain$ và $PB%$ từ dữ liệu hành trình thiết bị đo và van.
• Kỹ năng ứng dụng thực tế (Practical competencies): Vận hành, chuyển đổi trạng thái làm việc Auto/Manual/Local/Remote; nhận diện các hiện tượng bất thường của hệ thống kín như dao động chu kỳ do cài đặt dải chết sai lệch hoặc hiện tượng quá điều chỉnh do sụt áp trước van.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình quy định phương pháp đào tạo tích hợp giữa truyền thụ lý thuyết kỹ thuật và thực hành thao tác trên thiết bị:

• Phương pháp tiếp cận sư phạm: Giảng viên áp dụng các phương pháp giảng dạy tích cực như diễn giảng kỹ thuật, nêu vấn đề kết hợp phương pháp vấn đáp. Lý thuyết được minh họa trực quan thông qua các sơ đồ mặt cắt thiết bị, đồ thị đáp ứng thời gian và lưu đồ công nghệ.
• Phân bổ bài tập và nghiên cứu tình huống (Case studies):
  • Tình huống điều khiển nhiệt độ dầu ra của thiết bị trao đổi nhiệt bằng phương pháp vòng hở và vòng kín.
  • Tình huống điều khiển mức chất lỏng trong bồn chứa kích thước lớn có áp suất cấp không ổn định nhằm phân tích hiện tượng suy giảm mức quá lố ($excessive\ undershoot$) và giải pháp khắc phục bằng vòng điều khiển tầng (Cascade).
  • Tình huống tối ưu hóa hiệu suất buồng đốt thông qua vòng điều khiển tỉ lệ giữa lưu lượng nhiên liệu (Fuel) và không khí (Air).
• Cơ sở vật chất và môi trường thực hành: Mô-đun được tổ chức tại phòng học lý thuyết tiêu chuẩn và phòng thực hành Hệ thống điều khiển phân tán (DCS), xưởng thiết bị tĩnh – thiết bị động và trạm điện. Sinh viên thao tác trực tiếp trên thiết bị đo, bộ biến đổi I/P, van điều khiển màng/piston và các phần mềm điều khiển mô phỏng.
• Quy trình kiểm tra và đánh giá:
  • Kiểm tra thường xuyên: 01 bài (hỏi đáp chuyên môn hoặc bài viết dưới 30 phút).
  • Kiểm tra định kỳ: 03 bài, bao gồm 02 bài lý thuyết (thời lượng 45÷60 phút/bài, hình thức trắc nghiệm/tự luận nhằm kiểm tra các chuẩn A1–A5 và C1) và 01 bài thực hành (thời lượng 60 phút, kiểm tra chuẩn B1, B4 và C1).
  • Thi kết thúc mô-đun: Bắt buộc tham gia 02 phần thi độc lập gồm Trắc nghiệm lý thuyết (45÷60 phút) và Thực hành thao tác (60 phút).
• Hướng dẫn tự học: Người học phải nghiên cứu trước nội dung tài liệu theo đề cương từng bài học; tham gia thảo luận nhóm (quy mô 6–8 sinh viên/nhóm) để giải quyết các chủ đề kỹ thuật được giao trước giờ lên lớp; đảm bảo tham dự tối thiểu 70% thời lượng lý thuyết quy định để đủ điều kiện dự thi.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Căn cứ pháp lý và tính chuẩn hóa: Giáo trình được ban hành năm 2022 theo quyết định của Trường Cao đẳng Dầu khí, chuẩn hóa khung chương trình đào tạo nghề đã được áp dụng liên tục từ năm 2019, đảm bảo tính thống nhất trong cấu trúc mô-đun chuyên ngành Tự động hóa.
• Tích hợp nguồn tài liệu chuyên ngành quốc tế: Nội dung giáo trình được biên soạn dựa trên sự kết hợp giữa tài liệu học thuật trong nước và các bộ tiêu chuẩn đào tạo kỹ thuật quốc tế:
  • Giáo trình lý thuyết nền tảng: Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình của TS. Hoàng Minh Sơn (Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, 2016).
  • Giáo trình đào tạo nghề tiêu chuẩn Bắc Mỹ: Module Process Control Theory - Instrumentation Level 3, ấn bản lần 3 của tổ chức NCCER (Nhà xuất bản Pearson, 2016).
  • Tài liệu kỹ thuật chuyên ngành: Fundamentals of Process Control của PAControl (2006) và tài liệu đào tạo nội bộ Laboratory Centum VP Manual của Công ty TNHH Yokogawa Việt Nam (2021).
• Tính thực tiễn trong ngành Dầu khí: Điểm đặc sắc của giáo trình là việc đưa trực tiếp các bản vẽ kỹ thuật P&ID thực tế từ các công trình thuộc Xí nghiệp Liên doanh Vietsovpetro vào bài học và đề mục kiểm tra, giúp sinh viên làm quen trực tiếp với quy chuẩn ký hiệu thiết bị công nghiệp.
• Phản ánh sự phát triển công nghệ điều khiển: Giáo trình bao quát từ công nghệ điều khiển cơ - khí nén truyền thống (bộ điều khiển Masoneilan, hệ cơ cấu vòi phun - lá chắn, van màng khí nén chuẩn 3÷15 psi) đến các hệ thống điều khiển điện tử tương tự hiện đại (chuẩn 4÷20 mA DC) và cấu trúc phân tán DCS.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên và hệ đào tạo: Giáo trình phục vụ trực tiếp cho học sinh, sinh viên trình độ Cao đẳng và Trung cấp chuyên ngành Sửa chữa thiết bị tự động hóa và Kỹ thuật đo lường - Điều khiển công nghiệp (Instrumentation).
• Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Để tiếp thu hiệu quả nội dung mô-đun AUTM53110, người học bắt buộc phải hoàn thành các môn học tiên quyết trong chương trình khung:
  • Khối kiến thức cơ sở: An toàn TĐH (AUTM52101), Điện kỹ thuật 1 (ELEI53154), Điện tử cơ bản (AUTM53102), Khí cụ điện (ELEI53011), Đo lường điện (ELEI53110), Mạch logic số (AUTM53104).
  • Khối chuyên môn trực tiếp: Thiết bị đo lường (AUTM55005) và Bản vẽ thiết bị đo lường (AUTM53006).
• Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng giáo trình làm tài liệu chuẩn để thiết kế đề cương bài giảng, lập giáo án tích hợp lý thuyết - thực hành, xây dựng ngân hàng câu hỏi kiểm tra định kỳ và phiếu đánh giá kỹ năng thực hành tại phòng thí nghiệm DCS.
• Kỹ thuật viên và cán bộ kỹ thuật: Tài liệu có thể sử dụng làm tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên bảo dưỡng, vận hành hệ thống đo lường và điều khiển tự động tại các nhà máy chế biến dầu khí, trạm xử lý khí và các cơ sở công nghiệp quy trình.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng người học nào?

Tài liệu được biên soạn phục vụ đào tạo trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa, đồng thời phù hợp làm tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên đo lường - điều khiển (Instrumentation) tại các nhà máy công nghiệp.

2. Người học cần có kiến thức nền tảng nào trước khi học mô-đun này?

Sinh viên cần hoàn thành các môn học về an toàn tự động hóa, điện tử cơ bản, mạch logic số, đo lường điện, đặc biệt là phải nắm vững kiến thức về các loại cảm biến trong môn Thiết bị đo lường và kỹ năng đọc ký hiệu trong môn Bản vẽ thiết bị đo lường.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các giáo trình lý thuyết điều khiển tự động thông thường là gì?

Khác với các tài liệu thuần túy lý thuyết điều khiển tự động tập trung vào biến đổi Laplace và không gian trạng thái, giáo trình này tiếp cận theo hướng công nghệ quy trình thực tế: tập trung vào thiết bị phần cứng (cảm biến, transmitter, van điều khiển), cấu trúc mạch khí nén/điện tử cụ thể và kỹ năng bóc tách bản vẽ P&ID thực tế của các nhà máy dầu khí.

4. Làm thế nào để tự học và nắm vững kiến thức trong giáo trình hiệu quả?

Người học cần đọc trước nội dung từng bài, liên hệ giữa lý thuyết cân bằng năng lượng với hoạt động của thiết bị chấp hành, tham gia thảo luận nhóm 6–8 người theo các chuyên đề được giao, và đối chiếu kiến thức sách vở với sơ đồ P&ID thực tế cùng bài tập thực hành tại phòng DCS.

5. Giáo trình có những tài liệu bổ trợ và công cụ tham khảo nào đi kèm?

Tài liệu học tập đi kèm bao gồm hệ thống bản vẽ P&ID tham khảo của Liên doanh Vietsovpetro, giáo trình Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình (TS. Hoàng Minh Sơn), tài liệu chuẩn NCCER Instrumentation Level 3, cẩm năng kỹ thuật PAControl và tài liệu hướng dẫn thực hành Centum VP của hãng Yokogawa.

---

Kết luận

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện về cấu trúc kênh thiết bị, các dạng vòng điều khiển công nghiệp (hở, kín, tầng, tỉ lệ), thuật toán điều khiển PID và cấu tạo chi tiết của hai dòng thiết bị điều khiển khí nén và điện tử.

Sau khi hoàn thành mô-đun này, người học có đủ nền tảng để tiếp tục học tập các môn học chuyên ngành nâng cao trong chương trình đào tạo gồm:

• Lắp đặt hệ thống TĐH 1 và 2 (AUTM54108, AUTM54109)
• Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén (AUTM54113)
• Lập trình PLC (AUTM55115) và Vi điều khiển (AUTM64125)
• Hệ thống điều khiển phân tán DCS (AUTM63117)
• Điều khiển quá trình nâng cao (AUTM64118)
• Kiểm tra, chạy thử và xử lý lỗi vòng điều khiển (AUTM62119)

Nguồn học liệu hỗ trợ bao gồm hệ thống bài tập tình huống, phòng thực hành DCS tiêu chuẩn và tài liệu kỹ thuật chuyên sâu từ các nhà sản xuất thiết bị tự động hóa công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ  GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NGHỀ: SỬA CHỮA THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HÓA TRÌNH ĐỘ: CAO ĐẲNG (Ban hành kèm theo Quyết định số:216/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Trường Cao Đẳng Dầu Khí) Bà Rịa - Vũng Tàu, năm 2022 (Lưu hành nội bộ) TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. Trang 2 LỜI GIỚI THIỆU Tài liệu này thuộc giáo trình biên soạn theo chương trình đào tạo được lưu hành trong trường Cao đẳng Dầu khí; các nguồn thông tin được sử dụng để tham khảo biên soạn/hiệu chỉnh giáo trình có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích đào tạo. Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, quá trình hiện đại hóa góp phần đưa các quá trình sản xuất tại các nhà máy, xí nghiệp… ngày càng hiện đại với mức độ tự động hóa ngày càng cao.

Các giải pháp điều khiển hiện đại góp phần nâng cao mức độ tự động hóa của các dây chuyển sản xuất để tăng năng suất, tăng chất lượng sản phẩm, hạ giá thành sản xuất, tăng sức cạnh tranh trên thị trường, nhưng đồng thời cũng đặt ra những yêu cầu cao hơn cho các hệ thống điều khiển tự động và cho những người kỹ sư thiết kế điều khiển quá trình. Vì vậy, điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng rất quan trọng trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp và việc trang bị các kiến thức về điều khiển quá trình là vấn đề cốt lõi đối với học sinh, sinh viên các trường thuộc khối kỹ thuật chuyên ngành điều khiển tự động hóa. Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình được biên soạn để giảng dạy cho đối tượng là học sinh sinh viên trình độ trung cấp, cao đẳng chuyên về lĩnh vực điều khiển tự động hóa. Tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp Trường Cao Đẳng Dầu khí, đặc biệt là giáo viên TBM Tự động hóa.

Giáo trình biên soạn dựa trên tài liệu từ nhiều nguồn giáo trình và tham khảo từ thực tế các nhà máy trong ngành Dầu khí và trong quá trình biên soạn sẽ không tránh khỏi một số sai sót. Vì thế, tôi rất mong nhận được sự góp ý, xây dựng của bạn đọc để cuốn sách ngày càng hoàn thiện hơn. Chân thành cảm ơn. Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 03 năm 2022 Tham gia biên soạn 1.

Chủ biên: ThS. Phạm Thị Thu Hường 2. Nguyễn Xuân Thịnh 4. Nguyễn Kim Ngọc Trang 3 MỤC LỤC 1.

ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH. Đặc trưng của quá trình. Hệ thống điều khiển quá trình. Các thành phần của một kênh thiết bị.

CÁC VÒNG ĐIỀU KHIỂN. Vòng điều khiển hở (Open loop). Vòng điều khiển kín (Feedback Control – Closed Loop). Điều khiển tầng (Cascade Control).

Điều khiển tỉ lệ (Ratio Control). CÁC CHẾ ĐỘ ĐIỀU KHIỂN. Điều khiển hai vị trí (On – Off Control). Điều khiển điều chỉnh (Modulating Control).

Ứng dụng của các kiểu vòng điều khiển. CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN. ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN. Điều khiển On – Off (On – Off Control).

Điều khiển tỉ lệ (Ratio Control). Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân. Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân và vi phân (PID Contrller). Hoạt động cụ thể của một bộ điều khiển.

Bộ điều khiển Masoneilan. BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ. Điều khiển On – Off. Bộ điều khiển tỉ lệ.

Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân. Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân và vi phân (PID Contrller) .61 Trang 4 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1: Quá trình trao đổi nhiệt .17 Hình 1-2: Hệ thống điều khiển quá trình trao đổi nhiệt độ .19 Hình 1-3: Cấu trúc của bộ chuyển đổi áp suất .23 Hình 1-4: Đặc tính mở van .25 Hình 1-5: Cấu tạo van điện từ .26 Hình 1-6: Van điều khiển có bộ truyền động dạng màng .26 Hình 1-7: Van điều khiển có bộ truyền động dạng piston.27 Hình 1-8: Van điều khiển sử dụng bộ truyền động bằng động cơ .28 Hình 1-9: Điều khiển nhiệt độ bằng vòng hở .30 Hình 1-10: Điều khiển nhiệt độ bằng vòng kín .31 Hình 1-11: Hệ thống điều khiển tầng .33 Hình 1-12: Mô hình tổng quát của vòng điều khiển tầng .34 Hình 1-13: Vòng điều khiển tỉ lệ .35 Hình 1-14: Điều khiển mức bằng bộ điều khiển On - Off.36 Hình 1-15: Đáp ứng của bộ điều khiển On - Off.37 Hình 1-16: Hệ thống điều khiển hai vị trí với vùng trung lập .37 Hình 1-17: Hệ thống điều khiển tỉ lệ .38 Hình 1-18: Vị trí tương ứng của van và phao khi Gain =1 .39 Hình 1-19: Thuật toán tích phân đầu ra với đầu vào cố định .41 Hình 1-20: Phản hổi của cấu trúc vi phân khi có tín hiệu vào .42 Hình 1-21: Vòng điều khiển nhiệt độ khí nén .43 Hình 1-22: Vòng điều khiển nhiệt độ điện tử .44 Hình 2-1: Thành phần của bộ điều khiển khí nén .49 Hình 2-2: Tín hiệu vào phần tử cuối khi dùng bộ điều khiển On-Off .50 Hình 2-3: Bộ điều khiển khí nén On-Off ở trạng thái mất tín hiệu .51 Hình 2-4: chuyển động của Nozzle ra khỏ tấm chắn .52 Hình 2-5: chuyển động của bộ điều khiển khí nén khi sụt giảm áp suất .52 Hình 2-6: Bộ điều khiển khí nén khi có áp suất đầu ra tăng .53 Hình 2-7: Biểu đồ của dải tỉ lệ bằng 5% .53 Hình 2-8: Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân .55 Hình 2-9: Bộ điều khiển PID .55 Trang 5 Hình 2-10: Cấu hình điều khiển truyền thẳng và phản hổi .56 Hình 2-11: Bộ điều khiển Masoneilan.58 Hình 2-12: Bộ điều khiển On-Off .60 Hình 2-13: Thành phần bộ điều khiển tỉ lệ .61 Hình 2-14: Thành phần bộ điều khiển tỉ lệ tích phân .61 Hình 2-15: Thành phần của bộ điều khiển PID .62 Trang 6 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1: Một số bộ chuyển đổi. Error! Bookmark not defined. Trang 7 GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN 1.

Tên mô đun: Cơ sở điều khiển quá trình 2. Mã mô đun: AUTM53110 Thời gian thực hiện mô đun: 60 giờ (Lý thuyết: 30 giờ; Thực hành: 30 giờ) Số tín chỉ: 03 3. Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/mô-đun: 3.1 Vị trí: Là mô đun thuộc các mô đun chuyên ngành của chương trình đào tạo. Môn đun này được dạy sau các môn học thiết bị đo lường và tài liệu và bản vẽ thiết bị đo lường.2 Tính chất: Mô đun này trang bị những kiến thức về cơ bản về chức năng, nhiệm vụ của một vòng điều khiển cũng như chức năng của từng thành phần trong một vòng điều khiển.

Ngoài ra người học sẽ lĩnh hội được các thuật ngữ chuyên ngành về điều khiển quá trình, các chế độ điều khiển của bộ điều khiển.3 Ý nghĩa và vai trò của môn học/mô-đun: là môn học khoa học mang tính thực tế và ứng dụng thực tiễn dành cho đối tượng là người học chuyên ngành đo lường tự động hóa (Instrumentation). Mô-đun này đã được đưa vào giảng dạy tại trường Cao Đẳng Dầu Khí từ năm 2019 đến nay. Nội dung chủ yếu của mô-đun này nhằm cung cấp các kiến thức và kỹ năng cơ bản thuộc lĩnh vực công nghiệp quá trình: (1) lý thuyết điều khiển quá trình: vòng điều khiển, các thành phần cơ bản trong một vòng điều khiển và các thuật ngữ thông dụng; (2) Các bộ điều khiển PID khí nén, tương tự, on-off và tỉ lệ. Qua đó, giáo trình cung cấp các kiến thức và kỹ năng cơ bản về vòng điều khiển, và các chế độ hoạt động của bộ điều khiển.

Mục tiêu của môn học/mô-đun: Về kiến thức: + A1. Mô tả được điều khiển quá trình và xác định được các thành phần cơ bản của một kênh điều khiển; + A2. Mô tả được và xác định được các kiểu vòng điều khiển cơ bản như vòng điều khiển hở/kín, vòng điều khiển tỉ lệ, vòng điều khiển tầng; + A3. Nhận dạng được và mô tả được các chế độ điều khiển on-off và chế độ điều khiển liên tục; + A4.

Mô tả được ứng dụng các kiểu vòng điều khiển và diễn giải được sách lược điều khiển cơ bản của các kiểu điều khiển này; + A5. Xác định và mô tả được nguyên lý hoạt động của các bộ điều khiển kiểu khí nén và kiểu điện tử. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Trang 8 + B1. Vẽ và gán nhãn được cho các sơ đồ điều khiển khối của các vòng điều khiển cơ bản ; + B4.

Từ bản vẽ P&ID xác định được các thành phần chính của vòng điều khiển truyền thẳng, vòng điều khiển phản hồi, vòng điều khiển tầng và vòng điều khiển tỉ lệ. Giải thích được mục đích và chức năng các thành phần chính của bộ điều khiển khí nén trên một lược đồ cho sẵn; + B4. Giải thích được chức năng từng khối của bộ điều khiển điện tử trên lược đồ cho sẵn. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + C1.

Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc; 5. Nội dung của môn học/mô đun: 5.1 Chương trình khung: Thời gian học tập (giờ) Trong đó Số Thực Kiểm tra Tên môn học, mô hành/ STT Mã MH/MĐ tín đun Tổng thực tập/ chỉ Lý số thí thuyết LT TH nghiệm/ bài tập/ thảo luận Các môn học I chung bắt buộc 23 465 180 260 17 8 1 COMP64002 Chính trị 4 75 41 29 5 0 2 COMP62004 Pháp luật 2 30 18 10 2 0 3 COMP62008 Giáo dục thể chất 2 60 5 51 0 4 Giáo dục quốc 4 COMP62010 4 75 36 35 2 2 phòng và An ninh 5 COMP63006 Tin học 3 75 15 58 0 2 6 FORL66001 Tiếng Anh 6 120 42 72 6 0 An toàn vệ sinh 7 SAEN52001 2 30 23 5 2 0 lao động Các môn học, mô II đun chuyên môn 79 1845 602 1170 43 30 ngành, nghề Môn học, mô đun II.