Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (Mã mô đun: AUTM512111 / AUTM52111) do ThS. Phạm Thị Thu Hường (Chủ biên) cùng tác giả Nguyễn Xuân Thịnh biên soạn, được ban hành theo Quyết định số 209/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam) tại Bà Rịa – Vũng Tàu. Tài liệu được thiết kế giảng dạy từ năm 2019 và lưu hành nội bộ phục vụ đào tạo trình độ Trung cấp và Cao đẳng kỹ thuật.

Trong chương trình đào tạo chuyên ngành Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí và Khoan khai thác dầu khí, môn học giữ vị trí mô đun kỹ thuật cơ sở (2 tín chỉ, tổng thời lượng 45 giờ), được bố trí giảng dạy sau các môn học chung và song song với các môn kỹ thuật nền tảng như Vẽ kỹ thuật (MECM52003) và Điện kỹ thuật 2 (ELEI53011).

Mục tiêu đào tạo của giáo trình hướng tới 3 nhóm chuẩn đầu ra:

  • Kiến thức (A1–A4): Trình bày định nghĩa về quá trình, điều khiển quá trình, cấu trúc vòng điều khiển; giải thích vai trò của điều khiển quá trình về mặt an toàn, hiệu quả và độ biến thiên; mô tả 3 nhiệm vụ cơ bản (đo lường, so sánh, điều chỉnh); nhận biết và thuyết minh các thông số công nghệ trên bản vẽ kỹ thuật P&ID và PFD.
  • Kỹ năng (B1): Vận hành, thiết lập tham số và điều khiển vòng lưu lượng ở các chế độ Manual (bằng tay), Automatic (tự động) và Cascade (tầng).
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1–C3): Rèn luyện tính cẩn thận, tuân thủ nghiêm ngặt quy định an toàn phòng điều khiển/phòng DCS và thực hiện vệ sinh công nghiệp.

Cấu trúc giáo trình phân bổ theo tỷ trọng 14 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành và 2 giờ kiểm tra. Điểm đặc thù của tài liệu là sự kết hợp giữa lý thuyết điều khiển cơ sở với quy trình thao tác trên hệ thống điều khiển phân tán DCS Centum VP / CS3000 của hãng Yokogawa và bản vẽ kỹ thuật P&ID tham khảo từ thực tế sản xuất tại Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro.

Nội dung kiến thức cốt lõi

                             GIÁO TRÌNH CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
                                    (Thời lượng: 45 giờ)
    BÀI 1                                  BÀI 2                                  BÀI 3
Tầm quan trọng của ĐKQT             Cơ bản lý thuyết ĐKQT              Vận hành hệ thống ĐK lưu lượng
  (3 giờ Lý thuyết)                 (11h LT + 1h Kiểm tra)                 (29h TH + 1h Kiểm tra)

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai tuần tự qua 3 bài học theo logic từ nhận thức tổng quan, cơ sở lý thuyết đến kỹ năng vận hành hệ thống thực tế:

  • Bài 1: Tầm quan trọng của điều khiển quá trình (3 giờ lý thuyết): Khái quát khái niệm quá trình (sự biến đổi, vận chuyển, lưu trữ vật chất, năng lượng hoặc thông tin), biến quá trình và phân loại quá trình (SISO, MIMO; liên tục, gián đoạn, rời rạc, mẻ). Phân tích sự khác biệt giữa bài toán điều chỉnh (duy trì giá trị đặt trước ảnh hưởng của nhiễu) và bài toán bám (theo dõi tín hiệu chủ đạo). Nêu rõ 5 mục tiêu then chốt của hệ thống điều khiển quá trình: ổn định vận hành, đảm bảo năng suất - chất lượng, an toàn thiết bị/con người, bảo vệ môi trường và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế.
  • Bài 2: Cơ bản lý thuyết điều khiển quá trình (12 giờ: 11 giờ lý thuyết, 1 giờ kiểm tra): Trình bày chi tiết sơ đồ khối và 3 nhiệm vụ của một vòng điều khiển (thiết bị đo, thiết bị điều khiển, thiết bị chấp hành). Chuẩn hóa hệ thống thuật ngữ chuyên ngành (PV, SP/SV, CO, MV, CV, PM, E, Offset). Giới thiệu các cấu hình điều khiển: điều khiển bằng tay (Manual), tự động (Automatic), điều khiển tầng (Cascade), điều khiển vòng hở (bù nhiễu) và điều khiển vòng kín (phản hồi). Phần cuối bài học cung cấp hướng dẫn đọc bản vẽ P&ID theo tiêu chuẩn ISA, phân loại biểu tượng thiết bị đo (Discrete Instrument, Shared Control, Shared Display, Computer Function, PLC), các đường liên kết tín hiệu và quy tắc gán số thẻ thiết bị (Tag number).
  • Bài 3: Vận hành hệ thống điều khiển lưu lượng (30 giờ: 29 giờ thực hành, 1 giờ kiểm tra): Hướng dẫn quy trình thực hành trên hệ thống điều khiển phân tán DCS Centum VP / CS3000 của hãng Yokogawa. Nội dung tập trung vào: vận hành vòng điều khiển lưu lượng độc lập và tỷ số ở các chế độ MAN, AUT, CAS; kỹ thuật dò tìm tham số bộ điều khiển PID bằng phương pháp dao động vòng kín tận cùng (Ziegler – Nichols 1942); quy trình chuẩn bị phần cứng (cấp nguồn $220\text{ VAC} \pm 5%$, khí nén $4\text{ kgf/cm}^2$, bồn nước $60%$, kết nối cáp tín hiệu KS-2/KS-9 đến bộ FCS) và các bước thao tác trên màn hình trạm vận hành HIS (LAB2, Tuning Panel, Trend TG0101).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình hình thành nền tảng lý thuyết điều khiển ứng dụng trong công nghiệp hóa chất và lọc hóa dầu:

  • Nguyên lý quan hệ nhân - quả: Mô hình hóa mối quan hệ giữa biến vào, biến trạng thái và biến ra trong các hệ thống công nghệ.
  • Cấu trúc chức năng của vòng điều khiển: Cơ chế phối hợp của 3 thành phần:
    1. Thiết bị đo: Cảm biến (Sensor) chuyển đổi đại lượng công nghệ thành tín hiệu vật lý; bộ chuyển đổi (Transmitter) chuẩn hóa tín hiệu về dạng tiêu chuẩn ($4 \div 20\text{ mA}$ hoặc $1 \div 5\text{ V}$).
    2. Thiết bị điều khiển: Thực hiện so sánh giá trị đo (PV) với giá trị đặt (SP) để tính sai số $E = \text{Giá trị đo} - \text{SV}$, xử lý thuật toán (PID, logic) và xuất tín hiệu điều khiển (CO).
    3. Thiết bị chấp hành: Bao gồm cơ cấu dẫn động (như bộ chuyển đổi dòng - khí nén I/P từ $4 \div 20\text{ mA}$ sang $0.2 \div 1\text{ bar}$ hay $3 \div 15\text{ psi}$) và phần tử điều khiển cuối (van điều khiển CV, bơm, động cơ).
  • Nguyên lý điều khiển tầng (Cascade): Cấu trúc liên kết 2 bộ điều khiển với 1 thiết bị chấp hành; trong đó bộ điều khiển chính (Master/Primary - TC) xuất tín hiệu thao tác làm giá trị đặt cho bộ điều khiển phụ (Slave/Secondary - FC): $$\text{SP}{\text{FC}} = \text{MV}{\text{TC}}$$
  • Phương pháp thực nghiệm xác định tham số PID: Ứng dụng bảng thông số Ziegler - Nichols dựa trên dải tỷ lệ tận cùng ($\text{PB}_u$) và chu kỳ dao động tận cùng ($T_u$):
    • Bộ điều khiển P: $P = 2 \cdot \text{PB}_u;\quad I = \infty;\quad D = 0$
    • Bộ điều khiển PI: $P = 2.2 \cdot \text{PB}_u;\quad I = \frac{T_u}{1.2};\quad D = 0$
    • Bộ điều khiển PID: $P = 1.7 \cdot \text{PB}_u;\quad I = \frac{T_u}{2};\quad D = \frac{T_u}{8}$

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng đọc bản vẽ công nghệ: Phân tích, nhận dạng ký hiệu chữ cái (chữ cái đầu chỉ biến đo như F - Flow, T - Temperature, P - Pressure, L - Level; chữ cái sau chỉ chức năng như T - Transmitter, C - Controller, V - Valve), phân biệt đường ống công nghệ nét đậm với đường cáp tín hiệu, xác định mã vùng dự án trên bản vẽ P&ID/PFD.
  • Kỹ năng thao tác trạm vận hành DCS: Đăng nhập hệ thống HIS, chuyển đổi linh hoạt chế độ làm việc thiết bị (MAN/AUT/CAS), hiệu chỉnh độ mở van điều khiển qua Faceplate, đọc đồ thị đáp ứng Tuning Trend.
  • Kỹ năng dò chỉnh tham số bộ điều khiển: Thực hiện bài toán chỉnh định PID tại các điểm làm việc từ $20%$ đến $80%$ dải đo, nhận biết dạng đáp ứng quá độ (Overdamped, Underdamped, dao động không ổn định hoặc dao động chu kỳ đều dạng hình sin) để tinh chỉnh độ ổn định hệ thống.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình định hướng phương pháp tiếp cận tích hợp giữa lý thuyết điều khiển và thực hành công nghệ:

Phương pháp sư phạm của giảng viên

  • Giảng viên sử dụng phương pháp giảng dạy tích cực kết hợp giữa diễn giảng, vấn đáp và dạy học giải quyết vấn đề (Problem-based learning).
  • Thiết kế bài giảng theo module tích hợp; giờ lý thuyết tổ chức tập trung, giờ thực hành được phân chia ca nhỏ tại phòng điều khiển DCS nhằm đảm bảo an toàn thao tác thiết bị.

Hoạt động học tập và tự học của sinh viên

  • Thảo luận nhóm: Người học được tổ chức thành các nhóm từ 6 đến 8 thành viên. Mỗi nhóm tiếp nhận chủ đề thảo luận trước khi lên lớp (ví dụ: giải mã sơ đồ P&ID của phân xưởng, phân tích vòng điều khiển nhiệt độ/lưu lượng), phân công nhiệm vụ cá nhân để hoàn thiện báo cáo nhóm.
  • Quy định chuyên cần: Người học bắt buộc phải tham dự tối thiểu $70%$ tổng số tiết lý thuyết; trường hợp vắng quá $30%$ sẽ không đủ điều kiện dự thi và phải học lại môn học. Sinh viên cần chủ động nghiên cứu trước nội dung tài liệu và giáo trình theo từng bài học.

Cơ sở vật chất và bài tập thực hành

  • Thực hành trực tiếp tại phòng mô phỏng DCS với hệ thống Yokogawa Centum VP / CS3000, trạm điều khiển FCS, trạm vận hành HIS, mô hình dòng chảy trang bị van điều khiển CV-1, CV-2, bơm P1, P2, bộ biến đổi I/P và hệ thống van chặn cơ khí.
  • Chú trọng quy tắc an toàn vận hành: Luôn mở van điều khiển trước khi khởi động bơm để tránh hư hại thiết bị do hiện tượng bơm chạy khô.
                              QUY TRÌNH ĐÁNH GIÁ MÔ ĐUN
KIỂM TRA THƯỜNG XUYÊN               KIỂM TRA ĐỊNH KỲ                    THI KẾT THÚC MÔ ĐUN
 01 bài kiểm tra                     02 bài kiểm tra                     Đánh giá tổng hợp
                                        Đánh giá: B1, C1, C2, C3            Đánh giá: B1, C1÷C3

Phương thức kiểm tra và đánh giá

  1. Kiểm tra thường xuyên (01 bài): Vấn đáp trực tiếp trong giờ học hoặc kiểm tra viết dưới 30 phút, kiểm tra thao tác thực hành đầu giờ.
  2. Kiểm tra định kỳ (02 bài):
    • Bài số 1 (Lý thuyết): Thời gian 45–60 phút (hình thức trắc nghiệm hoặc tự luận), đánh giá chuẩn đầu ra A1, A2, A3, A4 và thái độ C1 dựa trên nội dung Bài 1 và Bài 2.
    • Bài số 2 (Thực hành): Thời gian 60 phút trên hệ thống DCS, đánh giá chuẩn đầu ra B1, C1, C2, C3 dựa trên nội dung Bài 3.
  3. Thi kết thúc mô đun: Kết hợp hai phần độc lập gồm bài thi trắc nghiệm lý thuyết (45–60 phút) và bài thi thực hành vận hành trên trạm DCS (60 phút), đánh giá toàn diện các chuẩn đầu ra A1–A4, B1 và C1–C3.

Điểm nổi bật và tính ứng dụng công nghiệp

Giáo trình mang tính chuẩn hóa nghề nghiệp cao, phản ánh trực tiếp môi trường công nghệ thực tế tại các công trình dầu khí:

  • Bản quyền và tính pháp lý cập nhật: Giáo trình được chuẩn hóa theo Quyết định số 209/QĐ-CĐDK ban hành tháng 03/2022 của Trường Cao đẳng Dầu khí, cập nhật từ chương trình khung giảng dạy áp dụng từ năm 2019.
  • Tích hợp công nghệ DCS tiêu chuẩn công nghiệp: Toàn bộ nội dung thực hành xây dựng trên nền tảng hệ thống điều khiển phân tán DCS Centum VP / CS3000 của Tập đoàn Yokogawa (Nhật Bản) – hệ thống đang được vận hành phổ biến tại các nhà máy lọc dầu, nhà máy chế biến khí và giàn khoan ngoài khơi. Người học được làm quen trực tiếp với giao diện đồ họa chuẩn công nghiệp (HIS Overview, Faceplate, Tuning Panel).
  • Chuẩn hóa bản vẽ theo tiêu chuẩn quốc tế ISA: Giáo trình trang bị các quy ước ký hiệu phần tử đo, thiết bị điều khiển, đường truyền tín hiệu và cấu trúc số thẻ thiết bị (Tag number) theo tiêu chuẩn ISA.
  • Tài liệu học tập gắn liền với thực tế sản xuất: Sử dụng các bản vẽ P&ID và lưu trình công nghệ PFD tham khảo từ Liên doanh Dầu khí Vietsovpetro, tạo sự liên thông trực tiếp giữa kiến thức trên lớp với môi trường sản xuất công nghiệp dầu khí thực tế.

Đối tượng sử dụng giáo trình

Giáo trình được biên soạn phục vụ các nhóm đối tượng cụ thể trong hệ thống giáo dục nghề nghiệp và đào tạo kỹ thuật:

  • Sinh viên trình độ Trung cấp và Cao đẳng nghề: Áp dụng trực tiếp cho người học các nghề:
    1. Vận hành thiết bị chế biến dầu khí
    2. Vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí
    3. Khoan khai thác dầu khí
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học chung đại cương (Tin học COMP52009, Tiếng Anh FORL54002, An toàn vệ sinh lao động SAEN52001) và các môn kỹ thuật cơ sở nền tảng gồm Vẽ kỹ thuật (MECM52003) và Điện kỹ thuật 2 (ELEI53011). Kiến thức này đảm bảo khả năng đọc hiểu sơ đồ mạch điện, đường ống cơ khí và thao tác máy tính.
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng giáo trình làm khung tài liệu giảng dạy chuẩn để xây dựng giáo án lý thuyết, giáo án tích hợp, phiếu hướng dẫn thực hành và biểu mẫu đánh giá kỹ năng vận hành phòng DCS.
  • Kỹ thuật viên và cán bộ kỹ thuật: Tài liệu phù hợp làm nguồn tham khảo nội bộ cho nhân sự vận hành tại các nhà máy chế biến dầu khí, trạm thu gom khí, giàn khoan nhằm chuẩn hóa thuật ngữ và nâng cao kỹ năng xử lý vòng điều khiển.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được biên soạn chuyên biệt cho học sinh, sinh viên trình độ 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; đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên vận hành quy trình công nghệ tại các xí nghiệp dầu khí.

2. Cần kiến thức nền nào để học mô đun này?

Người học cần hoàn thành các học phần nền tảng bao gồm: An toàn vệ sinh lao động, Tin học, Tiếng Anh kỹ thuật, Vẽ kỹ thuật (để nắm bắt cấu trúc hình học và ký hiệu đường ống) và Điện kỹ thuật (để hiểu nguyên lý tín hiệu dòng $4\div 20\text{ mA}$, tín hiệu áp $1\div 5\text{ V}$ và biến đổi I/P).

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

Khác với các tài liệu lý thuyết điều khiển tự động thuần túy toán học, giáo trình này tập trung vào khía cạnh thực hành vận hành nhà máy công nghiệp: nhấn mạnh kỹ năng giải mã bản vẽ thiết bị đo lường P&ID theo chuẩn ISA, vận hành trực tiếp 3 chế độ (MAN/AUT/CAS) trên phần mềm DCS Centum VP Yokogawa thực tế và ứng dụng quy tắc thực nghiệm Ziegler - Nichols.

4. Làm sao để tự học và nắm vững nội dung giáo trình hiệu quả?

Người học cần đọc trước tài liệu theo từng bài học, chủ động tham gia thảo luận nhóm (6–8 người) về các sơ đồ công nghệ PFD/P&ID; trong giờ thực hành cần đối chiếu giữa thao tác giao diện trạm vận hành HIS với hiện trạng vật lý của hệ thống (bơm, van điều khiển CV-1/CV-2, áp suất khí nén) và tuân thủ tuyệt đối quy định an toàn phòng DCS.

5. Giáo trình có những tài liệu bổ trợ và tham khảo nào?

Giáo trình đi kèm các bản vẽ P&ID mẫu từ Vietsovpetro, giáo án thực hành phòng DCS, tài liệu hướng dẫn vận hành hệ thống Yokogawa và danh mục tài liệu tham khảo chuyên ngành:

  • Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình (TS. Hoàng Minh Sơn, NXB Bách khoa Hà Nội, 2016).
  • Instrumentation Level 1 (NCCER, 3rd Edition, 2015).
  • Fundamentals of Process Control (PAControl).
  • Laboratory Centum VP Manual (Yokogawa Vietnam Ltd, 2021).

Kết luận

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (Trường Cao đẳng Dầu khí, 2022) cung cấp hệ thống kiến thức nền tảng và kỹ năng thực hành vận hành các vòng điều khiển trong công nghiệp chế biến dầu khí. Nội dung tài liệu liên kết chặt chẽ giữa lý thuyết vòng điều khiển (đo lường, so sánh, điều chỉnh), ngôn ngữ bản vẽ kỹ thuật P&ID/PFD và quy trình thao tác trên hệ thống điều khiển phân tán DCS Centum VP.

Lộ trình học tập đề xuất cho người học bao gồm:

  1. Tiếp cận bản chất các biến quá trình và cấu trúc vòng điều khiển (Bài 1 & Bài 2).
  2. Chuẩn hóa khả năng đọc hiểu ký hiệu thiết bị đo lường và bản vẽ P&ID chuẩn ISA (Bài 2).
  3. Rèn luyện kỹ năng cài đặt tham số, dò tìm PID (Ziegler – Nichols) và vận hành các chế độ MAN, AUT, CAS trên hệ thống DCS thực tế (Bài 3).

Để nâng cao năng lực chuyên môn, người học nên kết hợp nghiên cứu các tài liệu tham khảo chuyên sâu của TS. Hoàng Minh Sơn (2016), giáo trình Instrumentation Level 1 (NCCER, 2015) và sổ tay hướng dẫn Laboratory Centum VP Manual của hãng Yokogawa ban hành năm 2021.