Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (Mã mô đun: TĐH19MĐ11) là tài liệu đào tạo nội bộ do Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam) ban hành kèm theo Quyết định số 191/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020. Tài liệu do ThS. Phạm Thị Thu Hường làm chủ biên cùng tác giả Nguyễn Xuân Thịnh thuộc Tiểu ban môn Tự động hóa biên soạn.

+--------------------------------------------------------------------------------+
| TÊN MÔ ĐUN: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH (MÃ: TĐH19MĐ11)                         |
| Cơ quan ban hành: Trường Cao đẳng Dầu khí - Tập đoàn Dầu khí Việt Nam           |
| Thời lượng: 45 giờ (Lý thuyết: 15 giờ | Thực hành: 30 giờ) - Số tín chỉ: 02    |
+--------------------------------------------------------------------------------+

Trong chương trình đào tạo trình độ Trung cấp và Cao đẳng nghề 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 này thuộc nhóm mô đun kỹ thuật cơ sở (gồm 2 tín chỉ, tổng thời lượng 45 giờ: 15 giờ lý thuyết, 30 giờ thực hành và kiểm tra). Môn học được bố trí giảng dạy sau các môn học chung/đại cương và các môn kỹ thuật nền tảng, đóng vai trò bản lề trước khi học viên bước vào các mô đun chuyên ngành vận hành phân xưởng.

Mục tiêu học tập của giáo trình được cấu trúc theo 3 chuẩn đầu ra:

  • Về kiến thức (A1–A4): Trình bày khái niệm quá trình, phân loại biến quá trình; phân tích tầm quan trọng của điều khiển quá trình về mặt an toàn, hiệu suất và giảm biến thiên; mô tả 3 nhiệm vụ cơ bản của vòng điều khiển (đo lường, so sánh, điều chỉnh); nhận diện và thuyết minh các ký hiệu, thông số công nghệ trên bản vẽ sơ đồ thiết bị đo lường tự động hóa (P&ID) và bản vẽ dòng công nghệ (PFD).
  • Về kỹ năng (B1): Vận hành, giám sát và hiệu chỉnh vòng điều khiển lưu lượng ở các chế độ bằng tay (Manual), tự động (Automatic) và điều khiển tầng (Cascade) trên hệ thống điều khiển phân tán.
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1–C3): Rèn luyện tác phong cẩn trọng, chấp hành quy trình an toàn phòng điều khiển và thực hiện vệ sinh công nghiệp sau ca vận hành.

Điểm đặc trưng của giáo trình là sự kết hợp giữa lý thuyết điều khiển kinh điển với kỹ năng thực hành vận hành trên hệ thống điều khiển phân tán CENTUM VP (DCS) của hãng Yokogawa và hệ thống bản vẽ công nghệ thực tế từ Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Giáo trình được kết cấu thành 3 bài học lớn theo tiến trình logic từ tổng quan lý thuyết, cấu trúc phần cứng đến thực hành vận hành chuyên sâu:

[Bài 1: Tổng quan & Tầm quan trọng] 
[Bài 2: Cơ bản lý thuyết & Bản vẽ P&ID] 
[Bài 3: Vận hành hệ thống lưu lượng trên DCS Centum VP]

  1. Bài 1: Tầm quan trọng của điều khiển quá trình (Thời lượng: 03 giờ lý thuyết)

    • Khái niệm cơ bản: Quá trình là trình tự các diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học biến đổi, vận chuyển, lưu trữ vật chất, năng lượng hoặc thông tin. Các biến quá trình gồm biến vào, biến ra, biến trạng thái theo quan hệ nhân - quả.
    • Phân loại quá trình: Phân loại theo số lượng biến (đơn biến SISO, đa biến MIMO); phân loại theo đặc tính đại lượng đặc trưng (quá trình liên tục, gián đoạn, rời rạc, quá trình mẻ).
    • Nhiệm vụ và mục tiêu: Phân biệt bài toán điều chỉnh (duy trì giá trị đặt khi có nhiễu) và bài toán bám (bám theo tín hiệu thay đổi); 5 mục tiêu then chốt gồm vận hành ổn định, đảm bảo năng suất - chất lượng, an toàn cho người và thiết bị, bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế.

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

    • Sơ đồ khối và 3 nhiệm vụ của vòng điều khiển: Phân tích chi tiết ba khâu: Thiết bị đo (cảm biến biến đổi đại lượng đo thành tín hiệu đo chuẩn 4–20 mA), Thiết bị điều khiển (bộ điều khiển DCS/PLC xử lý thuật toán so sánh với Setpoint), Thiết bị chấp hành (bộ biến đổi I/P chuyển tín hiệu điện sang khí nén 0.2–1 bar / 3–15 psi điều khiển van hoặc động cơ/bơm).
    • Hệ thống thuật ngữ kỹ thuật: Giá trị đặt (SP/SV), Tín hiệu điều khiển (CO), Biến điều khiển/biến thao tác (MV), Biến được điều khiển (CV), Biến quá trình (PV), Sai số ($E = PV - SV$), Độ lệch ổn định ($Offset = PV - SP$). Công thức tính mức bằng chênh áp: $$\Delta P = \gamma \cdot h$$ (trong đó $\Delta P$ là áp suất chênh lệch, $\gamma$ là trọng lượng riêng, $h$ là chiều cao cột chất lỏng).
    • Các cấu trúc điều khiển: Điều khiển bằng tay (Manual), Điều khiển tự động (Automatic), Điều khiển tầng (Cascade - bộ điều khiển chủ TC gán giá trị đặt cho bộ điều khiển tớ FC: $SV_{FC} = MV_{TC}$), Điều khiển vòng hở (Feedforward bù nhiễu), Điều khiển vòng kín (Feedback phản hồi).
    • Bản vẽ P&ID chuẩn ISA: Quy chuẩn nhận dạng biểu tượng thiết bị (thiết bị rời rạc Discrete Instrument, Shared Control, Shared Display, Computer Function, PLC), các đường tín hiệu/liên kết, cấu trúc số thẻ thiết bị (Tag Number), quy tắc chữ cái đầu nhận dạng đại lượng đo (Bảng 2.1).

  3. Bài 3: Vận hành hệ thống điều khiển lưu lượng (Thời lượng: 30 giờ gồm 29 giờ thực hành, 1 giờ kiểm tra)

    • Quy trình vận hành: Thao tác chuyển đổi trạng thái MAN, AUT, CAS trên giao diện màn hình vận hành HIS và bảng điều khiển mô phỏng Mimic Panel của hệ thống DCS Centum VP / CS3000.
    • Xác định đặc tính động học: Phân tích đồ thị phản ứng quá trình (Trend Graph TG0101) để xác định thời gian chết và hằng số thời gian.
    • Dò tìm tham số PID: Phương pháp dao động vòng kín tận cùng Ziegler - Nichols (1942). Giảm băng tỷ lệ $PB$ đến giá trị tới hạn $PB_u$ có chu kỳ dao động không đổi $T_u$ để xác định các thông số điều khiển $P, I, D$ theo tỷ số suy giảm 1/4 (quarter decay ratio).
    • Thực hành điều khiển tỉ số: Cấu hình vòng điều khiển tỷ số giữa hai dòng lưu lượng $F_A$ (dòng độc lập qua FT-2) và $F_B$ (dòng phụ thuộc qua FT-1).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình củng cố hệ thống cơ sở lý thuyết bao gồm:

  • Lý thuyết hệ thống vòng kín và vòng hở: Cơ chế tác động phản hồi nhằm triệt tiêu sai lệch do nhiễu và nguyên lý điều khiển bù nhiễu trong công nghiệp hóa chất - dầu khí.
  • Nguyên lý chuẩn hóa tín hiệu công nghiệp: Quy chuẩn chuyển đổi tín hiệu đo lường tương tự dòng điện (4–20 mA), điện áp (1–5 V), và tín hiệu khí nén chấp hành (0.2–1 bar tương đương 3–15 psi).
  • Quy tắc định danh ISA: Tiêu chuẩn biểu diễn thiết bị đo lường và đường dẫn truyền thông tin trên sơ đồ công nghệ P&ID/PFD.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Thao tác giao diện trạm vận hành HIS (Human Interface Station), trạm điều khiển trường FCS (Field Control Station); đấu nối cáp tín hiệu tương tự (KS-2, KS-9) giữa mô hình công nghệ và tủ DCS.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Đọc - thuyết minh bản vẽ P&ID; giải đoán đồ thị đáp ứng quá trình (Overdamped, Underdamped, Dao động liên tục); tính toán tham số bộ điều khiển P, PI, PID theo bảng Ziegler - Nichols:
Kiểu điều khiển $P\ (%)$ $I\ (\text{giây})$ $D\ (\text{giây})$
P $2 \cdot PB_u$ 0 0
PI $2.2 \cdot PB_u$ $T_u / 1.2$ 0
PID $1.7 \cdot PB_u$ $T_u / 2$ $T_u / 8$
  • Kỹ năng thực hành quy trình (Practical competencies): Thực hiện kiểm tra an toàn van xả/van cấp trước khi khởi động bơm P1/P2 nhằm tránh hiện tượng chạy khô; cân chỉnh điểm đặt $SV$ trong dải hoạt động từ 20% đến 80% công suất hệ thống.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình thiết kế theo định hướng tích hợp giữa lý thuyết và thực hành, trong đó thời lượng thực hành chiếm 66,7% tổng số giờ môn học (30/45 giờ).

TỔNG THỜI LƯỢNG MÔ ĐUN: 45 GIỜ
  • Phương pháp tiếp cận sư phạm:
    • Đối với giảng viên: Áp dụng phương pháp giảng dạy tích cực bao gồm diễn giảng lý thuyết tại phòng học tiêu chuẩn, vấn đáp kỹ thuật, đặt vấn đề theo tình huống vận hành (problem-based learning) và hướng dẫn thực hành theo ca tại phòng DCS chuyên dụng.
    • Đối với học viên: Thực hiện tự học kết hợp thảo luận nhóm (mỗi nhóm từ 6–8 học viên). Mỗi học viên nhận nhiệm vụ nghiên cứu trước tài liệu và chịu trách nhiệm thuyết minh từng phần nội dung của chủ đề thảo luận.
  • Bài tập và tình huống công nghệ (Case studies):
    • Tình huống điều khiển nhiệt độ bồn trao đổi nhiệt bằng cấu trúc điều khiển tầng (Cascade) nhằm xử lý độ trễ quán tính nhiệt và dao động áp suất dòng hơi cấp.
    • Bài tập bóc tách và lập danh mục thiết bị (Tagname, chức năng, vị trí lắp đặt) dựa trên bản vẽ P&ID tham khảo từ Vietsovpetro.
  • Quy trình thực hành thực nghiệm:
    • Thực hành Phần 1: Dò tìm tham số PID tại từng điểm làm việc đơn lẻ (20%, 30%, ..., 80% SV) bằng phương pháp nhạy cảm Ziegler - Nichols.
    • Thực hành Phần 2: Đánh giá và tối ưu dải thông số PID áp dụng cho toàn bộ phạm vi vận hành rộng từ 20% đến 80% của bộ điều khiển FIC021/FIC022.
  • Hình thức kiểm tra và đánh giá:
    • Đánh giá thường xuyên: 01 bài kiểm tra (hỏi miệng hoặc viết dưới 30 phút).
    • Đánh giá định kỳ: 02 bài gồm Bài 1 (Lý thuyết trắc nghiệm/tự luận từ 45–60 phút, đánh giá chuẩn A1–A4, C1) và Bài 2 (Thực hành 60 phút trên hệ thống DCS, đánh giá chuẩn B1, C1–C3).
    • Thi kết thúc mô đun: Kết hợp trắc nghiệm lý thuyết (45–60 phút) và thao tác vận hành thực hành trực tiếp (60 phút).
  • Yêu cầu tự học: Học viên phải nghiên cứu giáo trình và tài liệu tham khảo trước buổi học; quy định tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết để đủ điều kiện dự thi kết thúc môn học.

Điểm nổi bật và cập nhật

  1. Khung chương trình chuẩn hóa theo hệ thống đào tạo nghề Dầu khí: Nội dung giáo trình được biên soạn trực tiếp theo khung chương trình đào tạo ban hành năm 2020 của Trường Cao đẳng Dầu khí, chuẩn hóa vị trí của mô đun trong mối liên kết với các môn học kỹ thuật cơ sở (Điện kỹ thuật, Vẽ kỹ thuật, An toàn lao động) và các mô đun chuyên ngành chế biến sâu.

  2. Tích hợp hệ thống DCS công nghiệp thực tế: Nội dung thực hành được xây dựng trực tiếp trên cấu hình của hệ thống điều khiển phân tán Yokogawa CENTUM VP / CS3000. Đây là dòng hệ thống DCS đang được vận hành thực tế tại nhiều công trình, nhà máy thuộc ngành công nghiệp chế biến và xử lý khí - dầu tại Việt Nam.

  3. Gắn kết dữ liệu kỹ thuật từ hiện trường sản xuất: Giáo trình đưa vào các sơ đồ công nghệ P&ID mẫu từ Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro, mô phỏng đúng các bài toán điều khiển mức bồn chứa qua transmitter chênh áp ($\Delta P$), điều khiển dòng theo tỷ số (Ratio Control), và điều khiển nhiệt độ dầu thô đầu ra thiết bị trao đổi nhiệt.

  4. Kế thừa nguồn tài liệu chuyên khảo uy tín: Cơ sở lý thuyết và phương pháp luận của giáo trình được trích dẫn và đối chiếu từ các nguồn tài liệu tham khảo tiêu chuẩn:

    • Giáo trình 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 (Xuất bản lần 3, Pearson/NCCER, 2015).
    • Tài liệu chuyên ngành Fundamentals of Process Control (PAControl, 2006).

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Học sinh, sinh viên: Đối tượng chính là người học trình độ Trung cấp và Cao đẳng thuộc các nghề: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí, Khoan khai thác dầu khí, và học viên khối ngành Sửa chữa thiết bị tự động hóa.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học chung (Tin học, Tiếng Anh) và các môn học kỹ thuật cơ sở bao gồm: An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01), Vẽ kỹ thuật (CK19MH01), và Điện kỹ thuật (KTĐ19MH10).
  • Giảng viên và cán bộ đào tạo: Sử dụng làm tài liệu chuẩn để biên soạn giáo án lý thuyết, giáo án thực hành chuyên môn hóa; thiết lập barem chấm điểm, phiếu đánh giá kỹ năng thực hành và ngân hàng câu hỏi kiểm tra định kỳ/kết thúc mô đun.
  • Kỹ thuật viên tự học và tham khảo: Tài liệu cung cấp hướng dẫn từng bước (step-by-step) về quy trình thao tác Tuning PID trên giao diện DCS, cách nhận diện ký hiệu van, đường tín hiệu, và mã hóa tagname phục vụ việc tra cứu cho nhân viên vận hành tại các trạm điều khiển trung tâm.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được thiết kế cho học sinh, sinh viên hệ Trung cấp và Cao đẳng các chuyên ngành kỹ thuật dầu khí (vận hành chế biến, khoan khai thác) và ngành bảo dưỡng, sửa chữa thiết bị tự động hóa công nghiệp.

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

Người học cần hoàn thành khối kiến thức cơ sở bao gồm An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01), Vẽ kỹ thuật cơ khí (CK19MH01), Điện kỹ thuật (KTĐ19MH10), cùng kỹ năng tin học cơ bản để sử dụng phần mềm giao diện điều khiển.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các tài liệu lý thuyết điều khiển tự động thuần túy là gì?

Tài liệu tập trung vào khía cạnh vận hành thực tế trong công nghiệp dầu khí. Thay vì đi sâu vào các công cụ toán học giải tích phức tạp, giáo trình tập trung vào việc đọc hiểu bản vẽ công nghệ chuẩn ISA (P&ID/PFD) và rèn luyện kỹ năng thao tác trên hệ thống DCS Yokogawa Centum VP cùng phương pháp chỉnh định PID thực nghiệm Ziegler - Nichols.

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

Học viên cần nghiên cứu lý thuyết sơ đồ khối và thuật ngữ (Bài 1, Bài 2) trước khi lên lớp; đối chiếu các bảng ký hiệu chữ cái (Bảng 2.1) với bản vẽ P&ID mẫu; tuân thủ nghiêm ngặt bảng trình tự thực hành 19 bước chỉnh định PID trong Bài 3.

5. Giáo trình sử dụng các tài liệu tham khảo và học liệu bổ trợ nào?

Tài liệu tham khảo chính gồm giáo trình Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình của TS. Hoàng Minh Sơn, tài liệu Instrumentation Level 1 (NCCER/Pearson), Fundamentals of Process Control (PAControl), cùng hệ thống bản vẽ P&ID thực tế của Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro và phòng thực hành DCS Centum VP.

Kết luận

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (TĐH19MĐ11) hệ thống hóa các nguyên lý cơ bản của vòng điều khiển quá trình, hệ quy chuẩn bản vẽ P&ID theo tiêu chuẩn ISA và quy trình thực hành vận hành trên hệ thống điều khiển phân tán DCS Yokogawa Centum VP.

TIẾN TRÌNH ĐÀO TẠO KỸ THUẬT NGHỀ DẦU KHÍ
[Cơ sở: TĐH19MĐ11 Cơ sở điều khiển quá trình]

Về lộ trình học tập, môn học là nền tảng kỹ thuật bắt buộc để người học tiếp thu các mô đun chuyên môn ngành tiếp theo trong chương trình đào tạo, bao gồm: Vận hành hệ thống đường ống và bể chứa (CNH19MĐ17), Vận hành máy thuỷ khí I (CNH19MĐ18), Vận hành lò gia nhiệt (CNH19MĐ20), Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô (CNH19MĐ22), Vận hành phân xưởng chế biến dầu I (CNH19MĐ23), Vận hành các phân xưởng chế biến khí (CNH19MĐ25) và Thực tập sản xuất tại doanh nghiệp (CNH19MĐ26).