Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (Mã mô-đun: AUTM512111/AUTM52111) là tài liệu đào tạo chuyên môn thuộc nhóm mô-đun kỹ thuật cơ sở, được ban hành theo Quyết định số 210/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam) và lưu hành nội bộ tại Bà Rịa – Vũng Tàu. Tài liệu do ThS. Phạm Thị Thu Hường (Chủ biên) cùng tác giả Nguyễn Xuân Thịnh biên soạn, được đưa vào giảng dạy chính thức từ năm 2019. Trong chương trình đào tạo nghề trình độ Trung cấp và Cao đẳng, mô-đun này có thời lượng 45 giờ (gồm 15 giờ lý thuyết, 30 giờ thực hành và kiểm tra, tương đương 2 tín chỉ), được bố trí giảng dạy sau các môn học chung (Tin học, Tiếng Anh, An toàn vệ sinh lao động) và các môn kỹ thuật cơ sở như Vẽ kỹ thuật (MECM52003), Điện kỹ thuật cơ bản (ELEO53012). Môn học cung cấp kiến thức nền tảng để sinh viên tiếp thu các mô-đun chuyên ngành tiếp theo như Vận hành bơm, Vận hành máy nén, Vận hành thiết bị tách dầu khí và Vận hành hệ thống khai thác dầu khí trên mô hình.

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

  • Về kiến thức (A1–A4): Trình bày định nghĩa về quá trình, điều khiển quá trình, vòng điều khiển; mô tả vai trò của điều khiển quá trình về mặt giảm biến thiên, nâng cao hiệu quả và an toàn; giải thích ba nhiệm vụ cốt lõi (đo lường, so sánh, điều chỉnh); nhận biết và thuyết minh thông số công nghệ trên bản vẽ P&ID.
  • Về kỹ năng (B1): Vận hành, điều khiển thành thạo vòng điều khiển lưu lượng ở các chế độ bằng tay (Manual), tự động (Automatic) và tầng (Cascade).
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1–C3): Rèn luyện tác phong cẩn thận, tuân thủ nghiêm ngặt quy định an toàn trong phòng điều khiển phân tán (DCS) và thực hiện đúng quy trình vệ sinh công nghiệp.

Giáo trình có cấu trúc gồm 3 bài học chính, thiết kế theo tiến trình tích hợp giữa lý thuyết điều khiển học và thực hành trực tiếp trên hệ thống điều khiển phân tán CENTUM VP của hãng Yokogawa. Điểm đặc thù của giáo trình là gắn kết lý thuyết với bản vẽ công nghệ thực tế từ Liên doanh Việt – Nga Vietsovpetro và thiết bị đo lường chuẩn công nghiệp.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai qua 3 bài học có tính liên kết chặt chẽ:

  • Bài 1: Tầm quan trọng của điều khiển quá trình (3 giờ lý thuyết):
    • Khái niệm quá trình: Định nghĩa quá trình là chuỗi diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học biến đổi, vận chuyển, lưu trữ vật chất, năng lượng hoặc thông tin; phân tích các biến quá trình theo quan hệ nhân - quả (biến vào, biến ra, biến trạng thái).
    • Phân loại quá trình: Phân loại theo số lượng biến (SISO - đơn biến, MIMO - đa biến); phân loại theo đặc tính đại lượng đặc trưng (quá trình liên tục, gián đoạn, rời rạc, quá trình mẻ).
    • Khái niệm điều khiển quá trình: Phân biệt bài toán điều chỉnh (duy trì đầu ra tại giá trị đặt trước sự tác động của nhiễu) và bài toán bám (đầu ra bám theo tín hiệu chủ đạo thay đổi liên tục).
    • Mục tiêu điều khiển: Phân tích 5 mục tiêu vận hành cốt lõi gồm giữ hệ thống ổn định, đảm bảo năng suất - chất lượng, vận hành an toàn, bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế.
  • Bài 2: Cơ bản lý thuyết điều khiển quá trình (12 giờ: 11 giờ lý thuyết, 1 giờ kiểm tra):
    • Cấu trúc vòng điều khiển: Phân tích sơ đồ khối và ba nhiệm vụ cấu thành gồm đo lường (Sensor, Transmitter), điều khiển (Controller, bộ chuyển đổi A/D, D/A, thuật toán điều khiển), chấp hành (cơ cấu dẫn động, phần tử điều khiển như van điều khiển, bơm, quạt gió).
    • Hệ thống thuật ngữ chuẩn: Định nghĩa Setpoint (SP/SV), Control Output (CO), Manipulated Variable (MV), Controlled Variable (CV), Process Variable (PV), Measured Variable, Disturbance (nhiễu), Sai số ($E = \text{Giá trị biến đo} - SV$), Offset ($\text{Offset} = PV - SP$). Thiết lập công thức đo mức chất lỏng bằng chênh áp: $\Delta P = \gamma \cdot h$.
    • Các cấu trúc điều khiển: So sánh nguyên lý và sơ đồ của điều khiển bằng tay (Manual), điều khiển tự động (Automatic), điều khiển tầng (Cascade - bộ điều khiển chủ TC xác lập điểm đặt cho bộ điều khiển tớ FC: $SP_{FC} = MV_{TC}$), điều khiển vòng hở (bù nhiễu) và điều khiển vòng kín (phản hồi).
    • Bản vẽ P&ID: Hướng dẫn tiêu chuẩn ISA về biểu tượng thiết bị đo (Discrete Instrument, Shared Control, Shared Display, Computer Function, PLC), các loại đường liên kết (đường ống công nghệ, kết nối quá trình, đường tín hiệu) và quy tắc định danh thẻ thiết bị (Tag number) cùng bảng chữ cái La-tinh nhận dạng biến khởi tạo.
  • Bài 3: Vận hành hệ thống điều khiển lưu lượng (30 giờ: 29 giờ thực hành, 1 giờ kiểm tra):
    • Vận hành chế độ Manual (MAN): Thao tác trên bộ điều khiển FIC011, van CV-1 qua bộ chuyển đổi điện áp - khí nén I/P (4–20 mA sang 3–15 psi); theo dõi đồ thị TG0101 để xác định thời gian chết và hằng số thời gian.
    • Vận hành chế độ Automatic (AUT): Nhập thông số P, I, D, thay đổi bước nhảy Setpoint ($\pm 5%$) và ghi nhận đường cong đáp ứng PV.
    • Điều khiển lưu lượng ở chế độ Cascade và điều khiển tỉ số: Vận hành hệ thống điều khiển tỉ số giữa hai dòng lưu lượng $F_A$ (dòng độc lập) và $F_B$ (dòng phụ thuộc) qua các thiết bị đo FT-1, FT-2 và bộ điều khiển FIC01.
    • Phương pháp dò tìm thông số PID Ziegler – Nichols (1942): Phương pháp dao động vòng kín tận cùng để đạt tỉ số suy giảm 1/4; xác định chu kỳ dao động tận cùng $T_u$ và độ lợi/băng tỷ lệ giới hạn $P_{Bu}$; áp dụng bảng tính thông số cho bộ điều khiển P ($P = 2 P_{Bu}$), PI ($P = 2.2 P_{Bu}, I = T_u / 1.2$), PID ($P = 1.7 P_{Bu}, I = T_u / 2, D = T_u / 8$).
    • Quy trình thực tập hai phần: Phần 1 xác định PID cho từng điểm làm việc đơn lẻ từ 20% đến 80% SV trên các bộ điều khiển FIC021/FIC022; Phần 2 thử nghiệm diện rộng toàn dải và so sánh tính ổn định.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống kiến thức nền tảng dựa trên các nguyên lý kỹ thuật tự động hóa quá trình:

  • Lý thuyết điều khiển phản hồi và điều khiển bù nhiễu: Cung cấp cơ chế toán học và sơ đồ khối mô tả cách thức triệt tiêu sai lệch giữa giá trị đo và giá trị đặt.
  • Nguyên lý chuyển đổi tín hiệu đo lường - điều khiển: Chuỗi biến đổi tín hiệu vật lý từ cảm biến (cặp nhiệt điện TC, đo chênh áp) $\rightarrow$ Transmitter chuẩn hóa sang dòng điện 4–20 mA $\rightarrow$ Chuyển đổi A/D đưa vào bộ xử lý số DCS $\rightarrow$ Tính toán thuật toán PID $\rightarrow$ Chuyển đổi D/A đưa tín hiệu điều khiển ra bộ biến đổi I/P chuyển thành áp suất khí nén 0.2–1 bar (hoặc 3–15 psi) $\rightarrow$ Cơ cấu chấp hành điều khiển độ mở van.
  • Kỹ thuật nhận dạng hệ thống theo bản vẽ P&ID: Quy chuẩn hóa các ký hiệu chức năng và khu vực nhà máy theo tiêu chuẩn ISA.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Thiết lập đường dây tín hiệu tương tự, kết nối cáp KS-2 và KS-9 giữa bảng đấu nối mô hình nhà máy với trạm điều khiển hiện trường FCS; cấp nguồn điện 220 Vac; chỉnh áp suất khí nén cấp tới van CV-1, CV-2 đạt 4 $\text{kgf/cm}^2$; cấu hình trạng thái đóng/mở van công nghệ (mở: V1-1, V1-2, V1-4, V1-5, V1-11, V2-1, V2-3, VS1; đóng: VO1-1, VO1-2, VO2-1, VO2-2, VC, V1-3, V1-6, V1-7, V1-8, V1-9, V1-10, V2-2, V2-4, V2-5); thao tác trên giao diện màn hình HIS, Tuning panel và Faceplate thiết bị.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Đọc và giải mã bản vẽ công nghệ PFD, bản vẽ thiết bị P&ID; phân tích đặc tính dao động của biến quá trình PV (phân biệt các trạng thái dao động Overdamp, Underdamp, dao động không ổn định biên độ tăng dần và dao động hình sin ổn định); tính toán thông số $P_{Bu}, T_u$ từ đồ thị đáp ứng.
  • Năng lực thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Tuân thủ quy trình an toàn vận hành bơm P1, P2 (mở van CV-1, CV-2 trước khi chạy bơm để chống hư hại do chạy khô); chuyển đổi an toàn giữa các chế độ vận hành MAN, AUT và CAS trên hệ thống DCS.

Phương pháp giảng dạy và học tập

  • Định hướng sư phạm (Pedagogical approach): Giảng viên áp dụng các phương pháp dạy học tích cực gồm diễn giảng, vấn đáp và dạy học theo vấn đề (Problem-based learning). Giáo án được thiết kế chuyên biệt theo hình thức bài học lý thuyết hoặc bài học tích hợp; giờ lý thuyết tổ chức tập trung, giờ thực hành chia ca học tập trực tiếp tại phòng mô phỏng DCS.
  • Bài tập và tình huống thực tế (Case studies):
    • Bài tập đọc bản vẽ: Sử dụng bản vẽ PFD và P&ID thực tế từ các công trình dầu khí (Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro) để lập bảng thuyết minh chi tiết: xác định số lượng vòng điều khiển, tagname, thiết bị đo, thiết bị điều khiển, thiết bị điều khiển cuối và vị trí lắp đặt.
    • Tình huống công nghệ: Phân tích hệ thống trao đổi nhiệt gia nhiệt dầu thô bằng hơi nước (sử dụng điều khiển tầng với bộ điều khiển nhiệt độ TC phối hợp bộ điều khiển lưu lượng FC; điều khiển vòng hở bù nhiễu lưu lượng và nhiệt độ dòng nạp).
  • Thực hành thực nghiệm (Practical exercises): Sinh viên thực hiện 30 giờ thực hành tại phòng DCS, vận hành bài tập LAB2 (điều khiển dòng theo tỷ số) trên hệ thống CENTUM VP/CS3000; thực hiện dò tìm tham số PID cho các bộ điều khiển FIC011, FIC012, FIC021, FIC022 tại các dải làm việc từ 20% đến 80% Setpoint.
  • Phương pháp kiểm tra, đánh giá (Assessment methods):
    • Kiểm tra thường xuyên: 01 bài kiểm tra vấn đáp hoặc viết dưới 30 phút do giáo viên thực hiện tại thời điểm bất kỳ.
    • Kiểm tra định kỳ: 02 bài gồm:
      • Bài số 1 (Lý thuyết): Thi trắc nghiệm hoặc tự luận nội dung Bài 1 và Bài 2, thời gian 45–60 phút, đánh giá chuẩn đầu ra A1, A2, A3, A4, C1.
      • Bài số 2 (Thực hành): Đánh giá thao tác thực hành nội dung Bài 3, thời gian 60 phút, đánh giá chuẩn đầu ra B1, C1, C2, C3.
    • Thi kết thúc mô-đun: Kết hợp 2 hình thức bắt buộc: Trắc nghiệm lý thuyết (45–60 phút, đánh giá CĐR A1–A4) và Vận hành thực hành (60 phút, đánh giá CĐR B1, C1–C3).
  • Hướng dẫn tự học (Self-study guidelines): Người học bắt buộc phải đọc trước nội dung từng bài trong giáo trình trước khi lên lớp; tham gia học tập nhóm (6–8 sinh viên/nhóm) để thực hiện các chủ đề thảo luận được phân công; đảm bảo tham dự tối thiểu 70% thời lượng lý thuyết (vắng quá 30% tổng số tiết lý thuyết buộc phải học lại).

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Cập nhật chương trình đào tạo: Giáo trình được chuẩn hóa theo Quyết định số 210/QĐ-CĐDK năm 2022, kế thừa và cập nhật thực tiễn giảng dạy liên tục từ năm 2019 của Trường Cao đẳng Dầu khí nhằm đáp ứng yêu cầu tự động hóa trong ngành công nghiệp chế biến và khai thác dầu khí.
  • Tích hợp công nghệ điều khiển phân tán hiện đại: Tài liệu hướng dẫn trực tiếp quy trình vận hành trên hệ thống điều khiển phân tán DCS CENTUM VP / CS3000 của hãng Yokogawa (Nhật Bản). Đây là nền tảng điều khiển công nghiệp được ứng dụng rộng rãi tại các nhà máy lọc dầu, nhà máy chế biến khí và giàn khoan khai thác dầu khí tại Việt Nam.
  • Tuân thủ tiêu chuẩn quốc tế: Hệ thống ký hiệu thiết bị, các biểu tượng đồ họa, đường liên kết tín hiệu và cấu trúc số thẻ thiết bị (Tag number) được xây dựng hoàn toàn theo tiêu chuẩn của Hiệp hội Tự động hóa Quốc tế (ISA), đồng bộ với giáo trình đào tạo kỹ thuật quốc tế Instrumentation Level 1 (NCCER, Hoa Kỳ, 2015).
  • Gắn kết trực tiếp với dữ liệu sản xuất thực tế: Giáo trình trích xuất và đưa vào phân tích các sơ đồ P&ID, PFD thực tế từ các công trình thuộc Liên doanh Việt – Nga Vietsovpetro, giúp sinh viên làm quen trực tiếp với ngôn ngữ kỹ thuật và hồ sơ công nghệ của các nhà máy công nghiệp dầu khí.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Đối tượng người học:
    • Học sinh, sinh viên trình độ Trung cấp và Cao đẳng thuộc các ngành nghề: Vận hành thiết bị khai thác dầu khí, Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí, Khoan khai thác dầu khí.
    • Kỹ thuật viên, công nhân vận hành hệ thống công nghệ tại các xí nghiệp, nhà máy lọc hóa dầu và giàn khoan khai thác có nhu cầu củng cố kiến thức điều khiển quá trình.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành khối kiến thức đại cương (Tin học COMP52005, Tiếng Anh FORL54002, An toàn vệ sinh lao động SAEN52001) và các môn học kỹ thuật cơ sở nền tảng gồm Vẽ kỹ thuật (MECM52003) và Điện kỹ thuật cơ bản (ELEO53012).
  • Phạm vi sử dụng cho giảng viên: Dùng làm căn cứ sư phạm chuẩn để thiết kế giáo án lý thuyết, giáo án tích hợp, phân ca thực tập tại phòng DCS và xây dựng ma trận đề kiểm tra đánh giá định kỳ, thi kết thúc mô-đun.
  • Ứng dụng tự học và tra cứu: Cung cấp tài liệu tham khảo có cấu trúc cho kỹ sư mới tốt nghiệp hoặc kỹ thuật viên vận hành tra cứu nhanh về quy tắc đọc bản vẽ P&ID, phương pháp hiệu chỉnh thông số PID Ziegler - Nichols và thao tác giao diện DCS HIS/Faceplate.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này được biên soạn cho những ngành nghề đào tạo cụ thể nào?
Giáo trình được biên soạn phục vụ đào tạo trình độ Trung cấp và Cao đẳng cho các nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí, và Khoan khai thác dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí.

2. Học viên cần hoàn thành những kiến thức nền tảng nào trước khi học mô-đun này?
Học viên cần hoàn thành các môn học chung (Tin học, Tiếng Anh, Pháp luật, An toàn vệ sinh lao động) và hai mô-đun kỹ thuật cơ sở bắt buộc là Vẽ kỹ thuật (MECM52003) và Điện kỹ thuật cơ bản (ELEO53012).

3. Điểm khác biệt về mặt cấu trúc của giáo trình này so với các tài liệu lý thuyết điều khiển tự động tổng quát là gì?
Giáo trình tập trung vào khía cạnh thực hành vận hành với thời lượng thực hành chiếm 30/45 giờ (66.7%). Nội dung không đi sâu vào chứng minh toán học phức tạp mà tập trung vào nhận dạng bản vẽ P&ID theo tiêu chuẩn ISA, kỹ thuật dò tìm PID thực nghiệm Ziegler - Nichols và quy trình thao tác trên hệ thống DCS CENTUM VP của Yokogawa.

4. Quy định về điều kiện chuyên cần và đánh giá kết quả học tập của mô-đun được thực hiện như thế nào?
Sinh viên phải tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết (vắng quá 30% phải học lại). Đánh giá kết quả gồm: 01 điểm kiểm tra thường xuyên, 02 bài kiểm tra định kỳ (Lý thuyết 45–60 phút, Thực hành 60 phút) và kỳ thi kết thúc mô-đun gồm 2 phần độc lập: thi viết trắc nghiệm (45–60 phút) và thi thực hành vận hành DCS (60 phút).

5. Những tài liệu tham khảo chính nào được trích dẫn trong giáo trình?
Giáo trình trích dẫn và sử dụng các tài liệu tham khảo chính gồm:

  • TS. Hoàng Minh Sơn (2016), Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, Nhà xuất bản Bách khoa Hà Nội.
  • NCCER (2015), Instrumentation Level 1, 3rd edition.
  • PAControl, Fundamentals of Process Control.
  • Yokogawa Vietnam Ltd (2021), Laboratory Centum VP Manual.
  • Hồ sơ bản vẽ P&ID tham khảo của Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro.

Kết luận

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (AUTM512111) của Trường Cao đẳng Dầu khí là tài liệu đào tạo kỹ thuật cơ sở có cấu trúc chặt chẽ, kết hợp đồng bộ giữa lý thuyết điều khiển công nghiệp, tiêu chuẩn bản vẽ quốc tế ISA và kỹ năng thực hành vận hành hệ thống điều khiển phân tán DCS CENTUM VP.

Lộ trình học tập đề xuất cho học viên:

  1. Nắm vững các khái niệm biến quá trình, 5 mục tiêu vận hành và cấu trúc vòng điều khiển tại Bài 1 và Bài 2.
  2. Luyện tập kỹ năng đọc, thuyết minh bản vẽ P&ID, PFD thực tế và bảng số thẻ thiết bị.
  3. Thực hành quy trình vận hành hệ thống điều khiển lưu lượng ở các chế độ Manual, Automatic, Cascade và thực hiện phương pháp dò tìm tham số PID Ziegler - Nichols tại Bài 3.
  4. Chuyển tiếp vận dụng vào các mô-đun chuyên môn ngành dầu khí như Vận hành bơm (PETP54153), Vận hành máy nén (PETP53154), Vận hành thiết bị tách (PETP54155) và Thực tập sản xuất (PETP54261).

Học viên được khuyến nghị tham khảo song song giáo trình Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình của TS. Hoàng Minh Sơn và tài liệu Laboratory Centum VP Manual của Yokogawa Việt Nam để hoàn thiện kiến thức chuyên môn.