Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (mã mô đun: TĐH19MĐ11) do ThS. Phạm Thị Thu Hường (chủ biên) và kỹ sư Nguyễn Xuân Thịnh biên soạn, được ban hành theo Quyết định số 193/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 của Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Mô đun có thời lượng 45 giờ đào tạo (tương ứng 2 tín chỉ), gồm 14 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành và 2 giờ kiểm tra định kỳ. Trong khung chương trình đào tạo nghề Khoan khai thác dầu khí và Vận hành thiết bị chế biến dầu khí ở trình độ trung cấp và cao đẳng, mô đun này thuộc khối kiến thức kỹ thuật cơ sở, được bố trí giảng dạy sau các môn học chung và môn cơ sở như An toàn vệ sinh lao động, Vẽ kỹ thuật, Điện kỹ thuật cơ bản.

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

  • Kiến thức (A1–A4): Trình bày định nghĩa về quá trình, biến quá trình và vòng điều khiển; mô tả vai trò của điều khiển quá trình về mặt giảm biến thiên, nâng cao hiệu quả và an toàn; phân tích ba nhiệm vụ cốt lõi (đo lường, so sánh, điều chỉnh); nhận diện và thuyết minh các thông số trên bản vẽ thiết bị đo lường tự động hóa (P&ID).
  • Kỹ năng (B1): Vận hành thành thạo vòng điều khiển lưu lượng ở các chế độ điều khiển bằng tay (Manual), tự động (Automatic) và điều khiển tầng (Cascade).
  • 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 và thực hiện đúng quy trình vệ sinh công nghiệp.

Giáo trình được cấu trúc thành 3 bài học chính theo tiến trình sư phạm từ lý thuyết đại cương, cấu trúc phần cứng vòng lặp đến quy trình thực hành trên hệ thống điều khiển phân tán DCS Centum VP của hãng Yokogawa. Điểm đặc thù của tài liệu là việc kết hợp trực tiếp giữa cơ sở lý thuyết điều khiển với các ví dụ công nghệ và bản vẽ P&ID thực tế trong ngành dầu khí.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai qua 3 bài học theo trình tự logic chặt chẽ:

[Bài 1: Tầm quan trọng của ĐKQT] (3h LT)
[Bài 2: Cơ bản lý thuyết ĐKQT] (11h LT + 1h KT)
[Bài 3: Vận hành hệ thống điều khiển lưu lượng] (29h TH + 1h KT)

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

    • Cung cấp định nghĩa quá trình là chuỗi diễn biến vật lý, hóa học, sinh học nhằm biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất, năng lượng và thông tin.
    • Phân loại biến quá trình thành biến vào, biến ra và biến trạng thái; phân biệt hệ đơn biến (SISO) và hệ đa biến (MIMO).
    • Phân loại quá trình công nghệ theo đặc tính vận hành: quá trình liên tục, gián đoạn, rời rạc và quá trình mẻ.
    • Phân biệt hai bài toán cơ bản trong lý thuyết điều khiển: bài toán điều chỉnh (giữ đầu ra tại giá trị đặt cố định trước tác động của nhiễu) và bài toán bám (đầu ra bám theo tín hiệu chủ đạo thay đổi).
    • Xác định 5 mục tiêu cốt lõi của điều khiển quá trình: ổn định vận hành, bảo đảm năng suất và chất lượng sản phẩm, an toàn thiết bị và con người, bảo vệ môi trường, 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):

    • Trình bày sơ đồ khối và 3 thành phần của một vòng điều khiển: thiết bị đo (cảm biến biến đổi đại lượng công nghệ thành tín hiệu điện chuẩn 4–20 mA), thiết bị điều khiển (bộ điều khiển tương tự, logic hoặc số xử lý thuật toán), thiết bị chấp hành (cơ cấu dẫn động và phần tử điều khiển cuối như van điều khiển tiếp nhận tín hiệu khí nén 0.2–1 bar qua bộ chuyển đổi I/P).
    • Chuẩn hóa các thuật ngữ chuyên ngành: Giá trị đặt ($SP/SV$), Tín hiệu điều khiển ($CO$), Biến điều khiển/thao tác ($MV$), Biến được điều khiển ($CV$), Biến quá trình/đại lượng đo ($PV$), Sai số ($E = PV - SV$), Độ lệch ổn định ($Offset = PV - SP$), Tín hiệu đo ($PM$), Nhiễu ($Disturbance$).
    • Giới thiệu công thức đo mức chất lỏng thông qua áp suất chênh lệch: $\Delta P = \gamma \cdot h$ (trong đó $\gamma$ là trọng lượng riêng của chất lỏng, $h$ là chiều cao cột chất lỏng).
    • Phân tích các sách lược điều khiển: Điều khiển bằng tay (Manual), Điều khiển tự động (Automatic), Điều khiển vòng hở (bù nhiễu), Điều khiển vòng kín (phản hồi), Điều khiển tầng (Cascade) với bộ điều khiển chủ ($TC$) xác lập giá trị đặt cho bộ điều khiển tớ ($FC$) qua quan hệ $SV_{FC} = MV_{TC}$.
    • Hướng dẫn đọc bản vẽ P&ID theo tiêu chuẩn ISA: phân loại biểu tượng thiết bị đơn lẻ (Discrete Instrument), bộ điều khiển chia sẻ (Shared Control), màn hình hiển thị chia sẻ (Shared Display), chức năng máy tính (Computer Function), bộ điều khiển PLC; nhận diện đường liên kết; cấu trúc số thẻ thiết bị (Tag Number) gồm tiền tố khu vực và các ký tự nhận dạng đại lượng đo/chức năng theo bảng chữ cái Latinh.

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

    • Cấu trúc hệ thống điều khiển phân tán DCS Centum VP (Yokogawa), bao gồm trạm điều khiển hiện trường FCS, trạm vận hành HIS và mô hình thực hành dòng chảy.
    • Quy trình vận hành vòng điều khiển lưu lượng độc lập và điều khiển tỷ số (Ratio Control) giữa hai dòng $F_A$ và $F_B$ qua các bộ điều khiển FIC011, FIC012, FIC021, FIC022.
    • Phương pháp dò tìm thông số bộ điều khiển PID bằng phương pháp dao động vòng kín - độ nhạy tận cùng của Ziegler - Nichols (năm 1942) nhằm đạt tỷ số suy giảm đáp ứng 1/4.
Kiểu điều khiển Băng tỷ lệ $P$ (%) Thời gian tích phân $I$ (giây) Thời gian vi phân $D$ (giây)
P $2 \cdot PB_u$ $0$ $0$
PI $2{,}2 \cdot PB_u$ $T_u / 1{,}2$ $0$
PID $1{,}7 \cdot PB_u$ $T_u / 2$ $T_u / 8$

(Trong đó $PB_u$ là băng tỷ lệ tận cùng, $T_u$ là chu kỳ dao động tận cùng tính bằng giây).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình cung cấp cơ sở lý luận về mối quan hệ nhân - quả giữa các biến trong công nghiệp hóa dầu, nguyên lý cân bằng vật chất và năng lượng trong quá trình liên tục và quá trình mẻ. Người học được trang bị nguyên tắc truyền nhận tín hiệu điều khiển chuẩn hóa công nghiệp (tín hiệu dòng điện 4–20 mA, tín hiệu áp suất khí nén 0.2–1 bar tương đương 3–15 psi), cấu trúc vòng điều khiển phản hồi đơn và vòng lặp phức hợp (điều khiển tầng, điều khiển tỷ lệ), cùng các quy tắc chuẩn hóa bản vẽ kỹ thuật quốc tế ISA.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật: Đọc và giải thích bản vẽ P&ID, PFD; kết nối cáp tín hiệu (cáp KS-2, KS-9) giữa mô hình công nghệ với tủ điều khiển FCS; hiệu chỉnh áp suất khí nén cấp cho van điều khiển ở mức 4 $\text{kgf/cm}^2$; khởi động trạm vận hành HIS và trạm FCS.
  • Kỹ năng phân tích: Đọc đồ thị đáp ứng thời gian thực (Trend), nhận diện các dạng dao động (Overdamp, Underdamp, dao động duy trì dạng hình sin), xác định chu kỳ dao động tận cùng $T_u$ và dải tỷ lệ giới hạn $PB_u$.
  • Kỹ năng vận hành thực tế: Chuyển đổi linh hoạt giữa các chế độ MAN, AUT, CAS; thực hiện điều khiển lưu lượng tại các điểm làm việc từ 20% đến 80% dải đo; tuân thủ quy trình bảo vệ thiết bị, đặc biệt là thao tác mở van CV-1/CV-2 trước khi chạy bơm P1/P2 nhằm ngăn ngừa sự cố hỏng hóc do bơm chạy khô.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Phương pháp tiếp cận sư phạm

Giáo trình áp dụng phương pháp tiếp cận tích hợp, kết hợp thuyết giảng lý thuyết tích cực (vấn đáp, đặt vấn đề) với thực hành chuyên sâu trên thiết bị thực tế. Cơ cấu phân bổ thời lượng dành hơn 64% tổng số tiết cho nội dung thực hành (29/45 giờ), giúp người học chuyển hóa các khái niệm lý thuyết thành kỹ năng thao tác trực tiếp.

Tổng thời lượng: 45 giờ

Bài tập, tình huống và thực hành mô phỏng

  • Nghiên cứu tình huống (Case studies): Phân tích hệ thống điều khiển nhiệt độ chất lỏng bình trao đổi nhiệt dùng cặp nhiệt điện TC; hệ thống gia nhiệt hơi nước dùng sách lược điều khiển tầng để loại trừ ảnh hưởng của dao động áp suất dòng hơi; phân tích bản vẽ P&ID thực tế từ Xí nghiệp Liên doanh Vietsovpetro.
  • Bài tập thực hành tại trạm DCS: Thực hiện trên phần mềm điều khiển CENTUM VP kết nối mô hình dòng chảy. Sinh viên thực hiện kiểm tra trạng thái van tay theo bảng mẫu đóng/mở van (gồm các van V1-1 đến V2-5), thiết lập thông số điều khiển trên cửa sổ Tuning Panel, theo dõi đồ thị TG0101 và thực hiện dò tìm tham số PID cho các bộ điều khiển FIC021/FIC022.

Phương pháp kiểm tra và đánh giá

Quy trình đánh giá kết quả học tập gồm ba thành phần theo quy chế đào tạo:

  1. Kiểm tra thường xuyên: 01 bài đánh giá trong quá trình học lý thuyết thông qua vấn đáp hoặc bài kiểm tra viết thời lượng $\le 30$ phút.
  2. Kiểm tra định kỳ (02 bài):
    • Bài số 1 (Lý thuyết): Hình thức trắc nghiệm hoặc tự luận, thời gian 45–60 phút, bao quát nội dung Bài 1 và Bài 2 (đánh giá chuẩn A1–A4, C1).
    • Bài số 2 (Thực hành): Thực hiện thao tác trực tiếp trên trạm DCS trong 60 phút đối với nội dung Bài 3 (đánh giá chuẩn B1, C1–C3).
  3. Thi kết thúc mô đun: Kết hợp 01 bài thi viết trắc nghiệm (45–60 phút) và 01 bài thi thực hành thao tác (60 phút), tổng hợp toàn bộ các chuẩn đầu ra A1–A4, B1 và C1–C3.

Hướng dẫn tự học cho sinh viên

  • Nghiên cứu giáo trình và chuẩn bị trước bài học tại nhà theo các nguồn tài liệu được cung cấp.
  • Tham gia tối thiểu 70% tổng thời lượng lý thuyết trên lớp (người học vắng quá 30% số tiết lý thuyết bắt buộc phải học lại).
  • Tổ chức học tập và thảo luận nhóm định kỳ từ 6 đến 8 thành viên; mỗi cá nhân chịu trách nhiệm chuẩn bị các chủ đề được giao trước các buổi học lý thuyết và thực hành.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Gắn liền với thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn: Giáo trình tích hợp hệ thống điều khiển phân tán DCS CENTUM VP của hãng Yokogawa – dòng hệ thống điều khiển đang được vận hành phổ biến tại các nhà máy chế biến dầu khí và công trình dầu khí biển tại Việt Nam.
  • Chuẩn hóa theo tiêu chuẩn quốc tế: Tài liệu áp dụng hệ thống biểu tượng, quy ước đường tín hiệu và cấu trúc đặt tên thiết bị (Tag Number) hoàn toàn dựa trên các tiêu chuẩn quốc tế của Hội Tự động hóa Quốc tế (ISA).
  • Quy trình thực hành chi tiết: Cung cấp hướng dẫn từng bước từ việc đấu nối cáp tín hiệu (KS-2, KS-9), đóng mở hệ thống van thực tế, thao tác trên giao diện đồ họa HIS (cửa sổ Mimic, Faceplate, Tuning Panel, Trend Graph) đến việc dò tìm thông số PID theo quy tắc Ziegler - Nichols kinh điển.
  • Nguồn tài liệu tham khảo đồng bộ: Kế thừa kiến thức từ giáo trình chuyên ngành trong nước (Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình của TS. Hoàng Minh Sơn, NXB Bách khoa Hà Nội, 2016) cùng các tài liệu đào tạo quốc tế (Instrumentation Level 1 của NCCER do Pearson xuất bản năm 2015; Fundamentals of Process Control của PAControl, 2006) và bản vẽ công nghệ thực tế từ Vietsovpetro.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên và học viên: Dành cho học sinh, sinh viên trình độ trung cấp và cao đẳng nghề thuộc các chuyên ngành kỹ thuật dầu khí:
    • Khoan khai thác dầu khí
    • Vận hành thiết bị chế biến dầu khí
    • Vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí
  • Kiến thức điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học chung và các môn học kỹ thuật cơ sở trong chương trình đào tạo, bao gồm:
    • An toàn vệ sinh lao động (Mã MH: ATMT19MH01)
    • Vẽ kỹ thuật (Mã MH: CK19MH01)
    • Điện kỹ thuật cơ bản (Mã MH: KTĐ19MH11)
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm tài liệu giảng dạy chuẩn để thiết kế giáo án lý thuyết, giáo án tích hợp và phiếu hướng dẫn thực hành; phân bổ lịch học tập trung cho giờ lý thuyết và chia ca thực hành trên hệ thống trạm DCS.
  • Tài liệu tự học và tra cứu: Phục vụ công tác ôn tập, tra cứu thuật ngữ điều khiển quá trình, hệ thống ký hiệu P&ID và phương pháp hiệu chỉnh mạch vòng điều khiển cho kỹ thuật viên và nhân viên vận hành tại các cơ sở công nghiệp.

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 thức cho học sinh, sinh viên trình độ trung cấp và cao đẳng nghề thuộc ba chuyên ngành: Khoan khai thác dầu khí, Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, và Vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí tại Trường Cao đẳng Dầu khí.

2. Người học cần đáp ứng những kiến thức nền nào trước khi học mô đun này?

Sinh viên cần hoàn thành các môn học chung đại cương và ba mô đun kỹ thuật cơ sở: An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01), Vẽ kỹ thuật (CK19MH01) và Điện kỹ thuật cơ bản (KTĐ19MH11) để có đủ kiến thức về an toàn, nguyên lý mạch điện và kỹ năng đọc bản vẽ.

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

Khác với các tài liệu thuần túy lý thuyết toán học, giáo trình này tập trung vào khía cạnh thực hành vận hành: giải thích trực tiếp cấu trúc phần cứng công nghiệp (sensor, transmitter 4–20 mA, bộ biến đổi I/P, van khí nén), chuẩn ký hiệu P&ID theo tiêu chuẩn ISA, và quy trình thao tác trực tiếp trên giao diện hệ thống điều khiển phân tán DCS Centum VP của Yokogawa.

4. Phương pháp tự học mô đun này được quy định như thế nào?

Người học phải nghiên cứu trước nội dung tài liệu trước khi lên lớp, tham gia học nhóm từ 6–8 người để chuẩn bị các chủ đề thảo luận, bảo đảm tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết trên lớp và hoàn thành đầy đủ các bài kiểm tra thường xuyên cũng như định kỳ.

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

Các tài liệu bổ trợ bao gồm: hệ thống bản vẽ P&ID mẫu từ Xí nghiệp Liên doanh Vietsovpetro, giáo trình Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình (TS. Hoàng Minh Sơn, 2016), tài liệu Instrumentation Level 1 (NCCER/Pearson, 2015) và tài liệu thực hành Fundamentals of Process Control (PAControl, 2006).

Kết luận

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình cung cấp hệ thống kiến thức kỹ thuật cơ sở và quy trình vận hành hoàn chỉnh cho các ngành kỹ thuật dầu khí. Lộ trình đào tạo được xây dựng tuần tự qua ba giai đoạn:

  1. Xác lập nhận thức về tầm quan trọng của điều khiển quá trình đối với tính ổn định, năng suất, an toàn và bảo vệ môi trường (Bài 1).
  2. Nắm vững bản chất sơ đồ khối, thuật ngữ đo lường - điều khiển, các sách lược điều khiển vòng hở, vòng kín, điều khiển tầng và tiêu chuẩn bản vẽ P&ID (Bài 2).
  3. Rèn luyện kỹ năng vận hành trên hệ thống DCS Centum VP, làm chủ các chế độ MAN/AUT/CAS và phương pháp dò tìm tham số PID Ziegler - Nichols (Bài 3).

Nội dung giáo trình được chuẩn hóa theo Quyết định số 193/QĐ-CĐDK, kết hợp đồng bộ cùng các nguồn học liệu từ NXB Bách khoa Hà Nội, NCCER và bản vẽ công nghệ thực tế của Vietsovpetro, đáp ứng yêu cầu đào tạo kỹ năng thực hành cho kỹ thuật viên vận hành công nghiệp.