Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (Mã mô đun: AUTM512111 / AUTM52111) là tài liệu giảng dạy chuyên môn thuộc Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam), được ban hành theo Quyết định số 210/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022. Tài liệu do ThS. Phạm Thị Thu Hường làm chủ biên cùng tác giả Nguyễn Xuân Thịnh (Tổ bộ môn Tự động hóa) biên soạn nhằm phục vụ công tác đào tạo nội bộ từ năm 2019.

Trong chương trình đào tạo trình độ trung cấp và cao đẳng kỹ thuật, mô đun này thuộc khối môn học kỹ thuật cơ sở với khối lượng 2 tín chỉ, tổng thời lượng 45 giờ (bao gồm 14–15 giờ lý thuyết và 29–30 giờ thực hành, thảo luận, kiểm tra). Môn học được bố trí giảng dạy sau các môn học chung/đại cương và các môn kỹ thuật cơ sở như Vẽ kỹ thuật (MECM52003), Điện kỹ thuật cơ bản (ELEO53012), nhằm chuẩn bị kiến thức nền tảng trước khi người học tiếp cận các môn chuyên môn ngành (Vận hành van, Bơm, Máy nén, Thiết bị tách dầu khí, Hệ thống thu gom và vận chuyển dầu khí).

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

  • Kiến thức (A1–A4): Trình bày định nghĩa về quá trình, điều khiển quá trình, vòng điều khiển; phân tích tầm quan trọng của điều khiển quá trình trên các khía cạnh giảm biến thiên, nâng cao hiệu quả và đảm bảo an toàn; mô tả 3 nhiệm vụ cơ bản của vòng điều khiển (đo lường, so sánh, điều chỉnh); nhận biết và thuyết minh các thông số công nghệ trên bản vẽ thiết bị đo lường tự động hóa (P&ID).
  • Kỹ năng (B1): Vận hành và điều khiển hệ thống điều khiển lưu lượng ở các chế độ bằng tay (Manual), tự động (Automatic) và tầng (Cascade).
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1–C3): Rèn luyện tác phong cẩn thận, tuân thủ quy định an toàn phòng điều khiển DCS và thực hiện vệ sinh công nghiệp.

Giáo trình được cấu trúc theo phương pháp tiếp cận từ nguyên lý lý thuyết công nghệ đến thực nghiệm mô phỏng trên thiết bị công nghiệp. Điểm đặc thù của tài liệu là tích hợp lý thuyết điều khiển quá trình với việc đọc bản vẽ kỹ thuật theo tiêu chuẩn ISA và quy trình thực hành trực tiếp trên hệ thống điều khiển phân tán DCS Centum VP của hãng Yokogawa.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai qua 3 bài học có sự gắn kết logic theo tiến trình từ khái niệm tổng quan, phân tích cấu trúc hệ thống đến quy trình vận hành thực nghiệm:

[Bài 1: Tổng quan quá trình & Hệ thống điều khiển]
[Bài 2: Cấu trúc vòng điều khiển, Thuật ngữ & Bản vẽ P&ID (Chuẩn ISA)]
[Bài 3: Thực hành vận hành DCS Centum VP & Chỉnh định PID (Ziegler-Nichols)]

Bài 1: Tầm quan trọng của điều khiển quá trình (Thời lượng: 3 giờ lý thuyết)

  • Khái niệm quá trình: Định nghĩa quá trình là chuỗi diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học làm biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất, năng lượng, thông tin; phân tích mối quan hệ nhân - quả giữa biến vào (biến tác động) và biến ra (kết quả).
  • Phân loại quá trình: Phân loại theo số lượng biến vào/ra thành hệ đơn biến (SISO) và hệ đa biến (MIMO); phân loại theo đặc tính đại lượng đặc trưng gồm quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ.
  • Bản chất điều khiển quá trình: Phân biệt bài toán điều chỉnh (thiết lập, duy trì biến đầu ra tại giá trị đặt cố định trước tác động của nhiễu) và bài toán bám (bắt bám tín hiệu thay đổi liên tục).
  • 5 mục tiêu cốt lõi: Đảm bảo vận hành hệ thống ổn định/trơn tru, duy trì năng suất và chất lượng sản phẩm, bảo đảm an toàn cho con người và thiết bị, bảo vệ môi trường (giảm nồng độ khí thải, nước thải, tiêu hao nhiên liệu) và nâng cao hiệu quả kinh tế.

Bài 2: Cơ bản lý thuyết điều khiển quá trình (Thời lượng: 12 giờ: 11 lý thuyết, 1 kiểm tra)

  • Cấu trúc vòng điều khiển: Sơ đồ khối gồm 3 thành phần nền tảng: Thiết bị đo (Cảm biến + Bộ chuyển đổi đo chuẩn Transmitter), Thiết bị điều khiển (Bộ điều khiển DCS/PLC/Analog) và Thiết bị chấp hành (Cơ cấu dẫn động + Phần tử điều khiển cuối như van điều khiển, bơm, quạt gió).
  • Đường truyền tín hiệu chuẩn: Phân tích ví dụ vòng điều khiển nhiệt độ chất lỏng ra khỏi bình gia nhiệt: Cảm biến cặp nhiệt điện (TC) $\to$ Bộ chuyển đổi (Transmitter) tạo tín hiệu dòng $4\div20\text{ mA}$ $\to$ Khâu biến đổi $\text{A/D}$ $\to$ Bộ điều khiển số $\text{DCS}$ $\to$ Khâu biến đổi $\text{D/A}$ $\to$ Bộ chuyển đổi dòng sang áp $(\text{I/P})$ tạo tín hiệu khí nén $0.2\div1\text{ bar}$ ($3\div15\text{ PSI}$) $\to$ Van điều khiển điều chỉnh lưu lượng dòng nóng cấp vào bình.
  • Hệ thống thuật ngữ chuyên ngành:
    • Biến quá trình / Giá trị quá trình ($\text{PV}$): Áp suất ($P$), lưu lượng ($F$), mức chất lỏng ($L$), nhiệt độ ($T$), nồng độ ($D$), độ $\text{pH}$.
    • Giá trị đặt ($\text{SP}$ hoặc $\text{SV}$).
    • Tín hiệu điều khiển ngõ ra ($\text{CO}$ / Control Output).
    • Biến điều khiển / Biến thao tác ($\text{MV}$).
    • Biến được điều khiển ($\text{CV}$).
    • Biến được đo, tín hiệu đo ($\text{PM}$), nhiễu (Disturbance).
    • Công thức sai số: $$E = \text{Giá trị biến được đo} - \text{SV}$$
    • Công thức độ lệch tĩnh: $$\text{Offset} = \text{PV} - \text{SP}$$
    • Quan hệ đo mức qua chênh áp: $$\Delta P = \gamma \cdot h$$ (trong đó $\Delta P$ là áp suất chênh lệch, $\gamma$ là trọng lượng riêng chất lỏng, $h$ là chiều cao cột chất lỏng).
  • Các cấu trúc và chiến lược điều khiển:
    • Điều khiển bằng tay (Manual Control).
    • Điều khiển tự động (Automatic Control).
    • Điều khiển tầng (Cascade Control): Bộ điều khiển nhiệt độ sơ cấp $\text{TC}$ (Master/Vòng ngoài) xác lập giá trị đặt cho bộ điều khiển lưu lượng thứ cấp $\text{FC}$ (Slave/Vòng trong) theo công thức $\text{SP}{\text{FC}} = \text{MV}{\text{TC}}$.
    • Điều khiển vòng hở (Open-loop control / Điều khiển bù nhiễu).
    • Điều khiển vòng kín (Closed-loop control / Điều khiển phản hồi).
  • Tiêu chuẩn bản vẽ P&ID (theo chuẩn ISA):
    • Nhận dạng biểu tượng thiết bị: 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).
    • Ký hiệu đường liên kết: Đường ống công nghệ, đường kết nối quá trình, đường tín hiệu.
    • Cấu trúc số thẻ thiết bị (Tag Number): Nhận diện khu vực (Area Designation) và chữ cái La-tinh thể hiện chức năng biến đo theo Bảng 2.1.

Bài 3: Vận hành hệ thống điều khiển lưu lượng (Thời lượng: 30 giờ thực hành)

  • Vận hành các chế độ điều khiển trên DCS Centum VP / CS3000: Thao tác trên giao diện màn hình tổng quan phòng LAB, cửa sổ Tuning, Faceplate, Mimic panel cho các bộ điều khiển $\text{FIC011}$, $\text{FIC012}$, $\text{FIC021}$, $\text{FIC022}$.
  • Quy trình vận hành theo tỷ số lưu lượng: Khảo sát dòng chất lỏng độc lập $F_A$ (qua $\text{FT-2}$) và dòng phụ thuộc $F_B$ (qua $\text{FT-1}$) điều chỉnh theo tỷ số $R$.
  • Phương pháp chỉnh định tham số PID Ziegler – Nichols (1942): Phương pháp dao động vòng kín tận cùng (nhạy cảm tận cùng) nhằm đạt tỷ lệ suy giảm biên độ dao động đáp ứng $\text{PV}$ ở mức xấp xỉ $\frac{1}{4}$.
Kiểu điều khiển Dải tỷ lệ $P$ (%) Thời gian tích phân $I$ (giây) Thời gian vi phân $D$ (giây)
P $2 \cdot P_{Bu}$ $\infty$ $0$
PI $2.2 \cdot P_{Bu}$ $\frac{T_u}{1.2}$ $0$
PID $1.7 \cdot P_{Bu}$ $\frac{T_u}{2}$ $\frac{T_u}{8}$

(Trong đó $P_{Bu}$ là dải tỷ lệ giới hạn tại điểm dao động duy trì; $T_u$ là chu kỳ dao động tận cùng tính bằng giây).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  • Cơ sở lý thuyết vòng điều khiển công nghiệp: Nguyên lý truyền nhận thông tin khép kín, cơ chế bù trừ nhiễu động và tác động phản hồi trong các quá trình hóa chất, năng lượng và dầu khí.
  • Nguyên lý chuyển đổi tín hiệu đo lường: Quy chuẩn chuyển đổi vật lý - điện - khí nén giữa cảm biến nhiệt/lưu lượng, bộ biến đổi transmitter ($4\div20\text{ mA}$), bộ điều khiển phân tán và bộ định vị van khí nén ($3\div15\text{ PSI}$).
  • Chuẩn hóa hồ sơ kỹ thuật: Khung quy chuẩn quốc tế về hệ thống ký hiệu, chữ viết tắt và bản vẽ công nghệ $\text{P&ID/PFD}$ theo chuẩn ISA.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Thao tác cài đặt thông số $\text{SP}$, $\text{MV}$, $P$, $I$, $D$ trên trạm vận hành $\text{HIS}$ và trạm điều khiển hiện trường $\text{FCS}$; đọc và bóc tách dữ liệu kỹ thuật từ bản vẽ $\text{P&ID}$; kiểm tra kết nối cáp tín hiệu $\text{KS-2}$, $\text{KS-9}$ giữa bảng mạch mô hình và tủ $\text{DCS}$.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Đọc đồ thị đáp ứng xu hướng $\text{TG0101}$; phân tích các dạng phản ứng quá độ (Overdamped, Underdamped, dao động duy trì SINE); tính toán các thông số $T_u$, $P_{Bu}$ để xác lập bộ thông số tối ưu cho các điểm làm việc từ $20%$ đến $80%\ \text{SV}$.
  • Năng lực thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Vận hành tuần tự quy trình đóng/mở hệ thống van tay ($\text{V1-1}\div\text{V2-5}$), thiết lập áp suất khí nén cấp van điều khiển $\text{CV-1}$, $\text{CV-2}$ đạt $4\text{ kgf/cm}^2$; khởi động an toàn bơm $\text{P1}$, $\text{P2}$ tuân thủ điều kiện chống chạy khô (bơm không tải).

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình định hướng mô hình dạy học tích hợp giữa giảng dạy lý thuyết và rèn luyện kỹ năng thực hành, áp dụng phương pháp giáo dục chủ động (diễn giảng, vấn đáp, dạy học theo tình huống và giải quyết vấn đề).

Tổ chức bài tập và thực hành

  • Cơ sở vật chất: Giờ học lý thuyết thực hiện tại phòng học chuẩn có máy chiếu; giờ học thực hành được tổ chức tập trung tại phòng thực hành $\text{DCS}$ với trang thiết bị chuyên dụng gồm trạm vận hành $\text{HIS}$, trạm điều khiển $\text{FCS}$, bảng điều khiển $\text{Mimic Panel}$, mô hình dòng chảy và hệ thống van khí nén.
  • Bài tập và Case studies: Nghiên cứu hồ sơ bản vẽ $\text{P&ID}$ thực tế từ các công trình dầu khí; thực hành các bài lab chuyên đề (như $\text{LABCE2}$ / $\text{LAB2}$ về điều khiển tỷ số lưu lượng, dò tìm $\text{PID}$ theo các mức mở van và điểm làm việc khác nhau).

Quy định tự học và làm việc nhóm

  • Làm việc nhóm: Người học được tổ chức thành các nhóm từ $6\div8$ thành viên để nghiên cứu tài liệu, chuẩn bị chuyên đề kỹ thuật trước khi vào phòng thực hành.
  • Chuyên cần và tự giác: Người học phải tham dự tối thiểu $70%$ thời lượng lý thuyết; trường hợp vắng quá $30%$ số tiết lý thuyết bắt buộc phải học lại mô đun.

Phương thức kiểm tra và đánh giá

Quy trình đánh giá kết quả học tập được quy định cụ thể:

  • Kiểm tra thường xuyên: 01 bài kiểm tra trong quá trình học dưới hình thức hỏi đáp miệng hoặc bài viết thời gian $\le 30$ phút.
  • Kiểm tra định kỳ (02 bài):
    • Bài số 1 (Lý thuyết): Thời gian $45\div60$ phút (trắc nghiệm hoặc tự luận), đánh giá kiến thức Bài 1, Bài 2 theo chuẩn $\text{A1, A2, A3, A4, C1}$.
    • Bài số 2 (Thực hành): Thời gian 60 phút thao tác trên hệ thống điều khiển lưu lượng Bài 3, đánh giá kỹ năng theo chuẩn $\text{B1, C1, C2, C3}$.
  • Thi kết thúc mô đun: Kết hợp hai phần thi độc lập gồm thi viết/trắc nghiệm ($45\div60$ phút) và thi thực hành thao tác trực tiếp trên trạm $\text{DCS}$ ($60$ phút), đánh giá toàn diện các chuẩn đầu ra từ $\text{A1}\div\text{A4}$, $\text{B1}$ và $\text{C1}\div\text{C3}$.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tích hợp hệ thống DCS công nghiệp thực tế: Nội dung thực hành được xây dựng trực tiếp trên nền tảng phần cứng và phần mềm của hệ thống điều khiển phân tán $\text{CENTUM VP}$ (cùng giao diện vận hành $\text{CS3000}$) do tập đoàn Yokogawa (Nhật Bản) sản xuất. Đây là giải pháp công nghệ đang vận hành phổ biến tại các nhà máy chế biến và xử lý dầu khí.
  • Nguồn dữ liệu kỹ thuật từ thực tế sản xuất: Các bài tập nhận dạng, bóc tách ký hiệu thiết bị sử dụng nguồn bản vẽ công nghệ $\text{PFD}$ và bản vẽ $\text{P&ID}$ thực tế từ Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro, giúp liên kết lý thuyết với tiêu chuẩn vận hành công nghiệp.
  • Kết hợp thuật toán kinh điển trên giao diện số: Áp dụng phương pháp xác định tham số $\text{PID}$ bằng đường phản ứng và dao động tới hạn của Ziegler & Nichols (1942) trực tiếp trên các công cụ giám sát đồ thị số hiện đại (cửa sổ $\text{Tuning}$, đồ thị $\text{Trend}$, thanh công cụ $\text{NAME}$ với mã hàm $\text{TG0101}$).
  • Hệ thống tài liệu tham khảo đồng bộ: Giáo trình kế thừa và đối chiếu nội dung từ các nguồn học thuật uy tín trong nước và quốc tế:
    • Tài liệu trong nước: Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình của TS. Hoàng Minh Sơn (Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội, 2016).
    • Tài liệu quốc tế: Instrumentation Level 1 (Tổ chức NCCER, Hoa Kỳ, tái bản lần 3, 2015), tài liệu Fundamentals of Process Control (PAControl), cùng cẩm nang thực hành Laboratory Centum VP Manual (Công ty TNHH Yokogawa Việt Nam, 2021).

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên và học viên: Dành cho người học trình độ trung cấp và cao đẳng thuộc các nghề kỹ thuật:
    • Vận hành thiết bị chế biến dầu khí.
    • Vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí.
    • Khoan khai thác dầu khí.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành khối kiến thức đại cương (Chính trị, Pháp luật, Giáo dục thể chất, Quốc phòng - An ninh, Tin học, Tiếng Anh, An toàn vệ sinh lao động) và các môn kỹ thuật cơ sở gồm Vẽ kỹ thuật ($\text{MECM52003}$), Điện kỹ thuật cơ bản ($\text{ELEO53012}$).
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm căn cứ thiết kế bài giảng lý thuyết, giáo án tích hợp, phân bổ thời gian thực hành theo ca, xây dựng biểu mẫu phiếu đánh giá thực hành và ngân hàng câu hỏi kiểm tra định kỳ, đề thi tốt nghiệp mô đun.
  • Kỹ thuật viên và cán bộ kỹ thuật: Sử dụng làm tài liệu tra cứu nội bộ về nguyên lý vận hành vòng điều khiển lưu lượng, cách tra cứu mã nhận diện thẻ thiết bị (Tag number) theo chuẩn ISA và quy trình cấu hình chế độ $\text{MAN / AUT / CAS}$ trên giao diện điều khiển $\text{DCS}$.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng đào tạo nào?

Tài liệu được biên soạn làm giáo trình giảng dạy chính quy cho học sinh, sinh viên bậc trung cấp và cao đẳng các nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí, Khoan khai thác dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí.

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học mô đun này?

Người học cần hoàn thành các môn học đại cương và môn kỹ thuật cơ sở nền tảng gồm Vẽ kỹ thuật (để nắm bắt quy tắc biểu diễn bản vẽ) và Điện kỹ thuật cơ bản (để hiểu nguyên lý tín hiệu dòng điện $4\div20\text{ mA}$, tín hiệu áp và mạch điều khiển).

3. Giáo trình có điểm khác biệt gì so với các tài liệu lý thuyết điều khiển tự động chung?

Giáo trình tập trung vào mảng điều khiển quá trình ứng dụng trong công nghiệp dầu khí, giảm thiểu lý thuyết toán học trừu tượng, tăng cường cấu trúc thực hành trên thiết bị điều khiển phân tán $\text{DCS Centum VP}$ của Yokogawa và đọc bản vẽ $\text{P&ID}$ theo tiêu chuẩn công nghiệp của Vietsovpetro và ISA.

4. Người học cần tuân thủ những nguyên tắc an toàn nào trong quá trình thực hành?

Trong phòng thực hành $\text{DCS}$, người học phải chấp hành quy định an toàn bảo hộ, kiểm tra mức chất lỏng bồn dự trữ đạt $60%$, duy trì áp suất khí nén cấp van ở mức $4\text{ kgf/cm}^2$, và tuân thủ nguyên tắc mở van điều khiển $\text{CV-1}$ hoặc $\text{CV-2}$ trước khi chạy bơm $\text{P1, P2}$ để tránh hỏng thiết bị do hiện tượng chạy khô.

5. Những tài liệu bổ trợ chính nào được sử dụng kèm theo giáo trình?

Các tài liệu đi kèm gồm: hệ thống giáo án, phiếu đánh giá thực hành, bản vẽ mẫu $\text{P&ID}$ của Vietsovpetro, cẩm nang Laboratory Centum VP Manual do Yokogawa Việt Nam ban hành và sách chuyên khảo Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình (TS. Hoàng Minh Sơn, NXB Bách khoa Hà Nội).

Kết luận

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình cung cấp hệ thống kiến thức chuyên ngành về cấu trúc vòng điều khiển công nghiệp, phương pháp giải mã bản vẽ $\text{P&ID}$ theo tiêu chuẩn ISA và kỹ năng thực hành vận hành trên trạm điều khiển $\text{DCS Centum VP}$. Tài liệu thiết lập lộ trình học tập logic từ kiến thức cơ sở (Bài 1, Bài 2) đến kỹ năng chỉnh định tham số $\text{PID}$ lưu lượng theo phương pháp Ziegler – Nichols (Bài 3), tạo nền tảng chuyên môn cho các môn học vận hành thiết bị khai thác và chế biến dầu khí tiếp theo. Người học có thể mở rộng nghiên cứu thông qua hệ thống tài liệu tham khảo chuyên ngành của Yokogawa, NCCER và NXB Bách khoa Hà Nội.