Tổng quan về giáo trình

Giáo trình môn học Cơ sở điều khiển quá trình (Mã mô đun: TĐH19MĐ11) được biên soạn và ban hành theo Quyết định số 193/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao Đẳng Dầu Khí, trực thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam. Ban biên soạn giáo trình gồm ThS. Phạm Thị Thu Hường (Chủ biên) và giáo viên Nguyễn Xuân Thịnh thuộc Tiểu ban môn Tự động hóa. Trong cấu trúc chương trình đào tạo, môn học có tổng thời lượng 45 giờ (bao gồm 15 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành/thảo luận và 1 giờ kiểm tra thực hành), xếp ở vị trí thứ 10 thuộc khối môn học kỹ thuật cơ sở và được triển khai sau các môn học chung đại cương.

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

  • Về kiến thức: Trình bày định nghĩa về quá trình, điều khiển quá trình và vòng điều khiển (A1); phân tích tầm quan trọng của điều khiển quá trình xét trên các khía cạnh giảm biến thiên, nâng cao hiệu quả và an toàn (A2); mô tả chính xác 3 nhiệm vụ cấu thành một vòng điều khiển gồm đo lường, so sánh và điều chỉnh (A3); nhận biết và thuyết minh các thông số công nghệ trên bản vẽ sơ đồ dòng công nghệ (PFD) và bản vẽ đo lường điều khiển (P&ID) (A4).
  • Về kỹ năng: Vận hành và xác lập chế độ làm việc cho vòng điều khiển lưu lượng ở các chế độ bằng tay (Manual), tự động (Automatic) và điều khiển tầng (Cascade) (B1).
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: Rèn luyện thái độ làm việc nghiêm túc, cẩn thận (C1); tuân thủ quy định an toàn phòng điều khiển trung tâm (DCS) (C2); thực hiện quy trình vệ sinh công nghiệp sau khi vận hành (C3).

Giáo trình có cấu trúc gồm 3 bài học chính, tiếp cận từ cơ sở lý thuyết đến kỹ năng vận hành hệ thống điều khiển phân tán (DCS). Điểm đặc thù của tài liệu là tích hợp trực tiếp dữ liệu bản vẽ P&ID từ Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro và thực hành trên hệ thống DCS CENTUM VP của hãng Yokogawa.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung chuyên môn của giáo trình được phân bố theo trình tự logic qua 3 bài học và 5 chủ đề cốt lõi:

  1. Tổng quan về quá trình và kỹ thuật điều khiển quá trình (Bài 1 - 3 giờ lý thuyết): Định nghĩa quá trình như một chuỗi diễn biến vật lý, hóa học hoặc sinh học nhằm biến đổi, vận chuyển hoặc lưu trữ vật chất, năng lượng và thông tin. Phân loại quá trình theo số lượng biến gồm quá trình đơn biến (SISO - Single Input Single Output) và quá trình đa biến (MIMO - Multi Input Multi Output); phân loại theo đặc tính đại lượng gồm quá trình liên tục, quá trình gián đoạn, quá trình rời rạc và quá trình mẻ (batch process). 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 liên tục thay đổi). Xác lập 5 mục tiêu vận hành: ổn định hệ thống, đảm bảo năng suất - chất lượng, vận hành an toàn, bảo vệ môi trường và nâng cao hiệu quả kinh tế.
  2. Cấu trúc chức năng của vòng điều khiển (Bài 2.1 & 2.2): Sơ đồ khối tổng quát và 3 nhiệm vụ cơ bản:
    • Nhiệm vụ thiết bị đo: Cảm biến (Sensor) tiếp nhận đại lượng công nghệ và bộ chuyển đổi đo chuẩn (Transmitter) biến đổi thành tín hiệu chuẩn (dòng điện 4–20 mA).
    • Nhiệm vụ thiết bị điều khiển (Controller): Tiếp nhận tín hiệu đo qua khâu biến đổi A/D, thực hiện thuật toán điều khiển và xuất tín hiệu điều khiển qua khâu D/A.
    • Nhiệm vụ thiết bị chấp hành (Final Control Element - FCE): Chuyển đổi tín hiệu điều khiển qua khâu I/P thành áp suất khí nén 0.2–1 bar (3–15 PSI) để điều chỉnh độ mở van màng hoặc cơ cấu dẫn động động cơ, bơm, quạt gió.
  3. Hệ thống thuật ngữ và sách lược điều khiển (Bài 2.3 & 2.4): Chuẩn hóa các thuật ngữ: Giá trị đặt ($SP/SV$), Tín hiệu điều khiển ($CO$), Biến điều khiển/biến thao tác ($MV$), Biến được điều khiển ($CV/PV$), Biến được đo, Tín hiệu đo ($PM$), Nhiễu ($Disturbance$), Sai số ($E = \text{Giá trị biến được đo} - SV$), Độ lệch tĩnh ($Offset = PV - SP$). Phân tích sơ đồ và nguyên lý của 5 sách lược điều khiển: Điều khiển bằng tay (Manual Control), Điều khiển tự động (Automatic Control), Điều khiển tầng (Cascade Control) với cấu trúc bộ điều khiển chủ ($TC$) cấp giá trị đặt cho bộ điều khiển tớ ($FC$) theo quan hệ $SP_{FC} = MV_{TC}$, Điều khiển vòng hở (Open-loop / bù nhiễu) và Điều khiển vòng kín (Closed-loop / phản hồi).
  4. Quy chuẩn đọc bản vẽ P&ID (Bài 2.5): Nhận diện các biểu tượng thiết bị đo theo chuẩn ISA gồm 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 khả trình (PLC). Phân biệt đường liên kết tín hiệu và đường ống công nghệ. Cấu trúc số thẻ thiết bị (Tag number) theo vị trí khu vực và bảng chữ cái la-tinh nhận dạng biến đo (Bảng 2.1: $P, F, L, T, D, pH\dots$).
  5. Quy trình vận hành và chỉnh định PID thực nghiệm (Bài 3 - 30 giờ): Thao tác trên giao diện DCS CENTUM VP / CS3000 của hãng Yokogawa với mô hình thực hành LAB2. Vận hành điều khiển lưu lượng đơn và điều khiển tỷ số lưu lượng dòng chảy ($F_A, F_B$). Ứng dụng phương pháp Ziegler - Nichols (dao động vòng kín tận cùng và đường cong đáp ứng hở) để tính toán tham số $P, I, D$ tại các điểm làm việc từ 20% đến 80% $SV$.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  • Lý thuyết điều khiển hệ thống: Cơ sở toán học và vật lý của hệ thống phản hồi vòng kín và điều khiển truyền thẳng bù nhiễu.
  • Nguyên lý chuyển đổi tín hiệu đo lường: Mối liên hệ chênh áp thủy tĩnh và chiều cao mức chất lỏng trong bồn qua phương trình: $$\Delta P = \gamma \cdot h$$ (trong đó $\Delta P$ là áp suất chênh lệch, $\gamma$ là trọng lượng riêng của chất lỏng, $h$ là mức chất lỏng). Nguyên lý chuyển đổi thang đo dòng - áp (4–20 mA $\rightarrow$ 3–15 PSI).
  • Khung tiêu chuẩn kỹ thuật: Tiêu chuẩn ký hiệu thiết bị đo lường ISA và phương pháp chỉnh định thông số PID kinh điển của Ziegler - Nichols (1942).

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Nhận diện và thuyết minh chính xác các ký hiệu, mã thẻ tag trên bản vẽ P&ID; cấu hình tham số trên cửa sổ Tuning panel, Faceplate của hệ thống DCS; thực hiện đấu nối cáp tín hiệu tương tự KS-2, KS-9 giữa bảng đầu nối mô hình nhà máy và trạm điều khiển hiện trường FCS.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích đồ thị đáp ứng $PV, MV, SV$ qua công cụ Trend (TG0101); xác định thời gian chết và hằng số thời gian; phân biệt các dạng đáp ứng dao động (Overdamp, Underdamp, dao động không ổn định, dao động sóng sin biên độ không đổi); tính toán các thông số $PB, T_I, T_D$ dựa trên băng tỷ lệ tận cùng ($P_{Bu}$) và chu kỳ tận cùng ($T_u$).
  • Năng lực thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Vận hành an toàn hệ thống trạm bơm và van điều khiển khí nén (CV-1, CV-2); tuân thủ nghiêm ngặt quy tắc mở van trước khi khởi động bơm P1/P2 để ngăn ngừa sự cố chạy khô; xử lý chuyển đổi chế độ vận hành trơn tru giữa MAN, AUT và CAS.

Phương pháp giảng dạy và học tập

  • Phương pháp tiếp cận sư phạm: Mô đun áp dụng phương pháp giảng dạy tích hợp giữa lý thuyết và thực hành, lấy người học làm trung tâm thông qua các kỹ thuật dạy học tích cực (diễn giảng, vấn đáp, dạy học giải quyết vấn đề). Tổng thời lượng 45 giờ được cơ cấu gồm 15 giờ lý thuyết tập trung và 30 giờ thực hành chia ca trực tiếp tại phòng thực hành DCS chuyên môn hóa.
  • Bài tập và nghiên cứu tình huống (Case studies):
    • Hệ thống câu hỏi củng cố định tính và trắc nghiệm sau mỗi bài học.
    • Bài tập bóc tách và thuyết minh danh mục thiết bị, vị trí lắp đặt và mã vòng điều khiển từ bản vẽ P&ID thực tế của ngành Dầu khí.
    • Tình huống tính toán bù trừ sai lệch thang đo giữa hai thiết bị đo lưu lượng FT-1 và FT-2 trong bài toán điều khiển tỷ số.
  • Bài tập thực hành (Practical exercises): Quy trình 7 bước chuẩn bị mô hình thực hành LAB2: cấp nguồn 220 Vac $\pm 5%$, điều chỉnh áp suất khí nén cấp cho van CV-1 và CV-2 đạt 4 $\text{kgf/cm}^2$, nạp nước bồn dự trữ đến mức 60%, đóng mở hệ thống van chặn ($V1-1 \dots VS1$), nối cáp tín hiệu, cấp nguồn trạm FCS và đăng nhập trạm vận hành HIS.
  • Phương pháp kiểm tra và đánh giá:
    • Đánh giá thường xuyên: 01 bài kiểm tra hình thức hỏi miệng hoặc viết dưới 30 phút.
    • Đánh giá định kỳ: 02 bài kiểm tra gồm: Bài số 1 (Lý thuyết trắc nghiệm/tự luận Bài 1 và Bài 2, thời gian 45–60 phút, đánh giá chuẩn đầu ra A1–A4, C1) và Bài số 2 (Thực hành Bài 3, thời gian 60 phút, đánh giá chuẩn đầu ra B1, C1–C3).
    • Thi kết thúc mô đun: Gồm 2 phần độc lập: thi trắc nghiệm lý thuyết (45–60 phút) và thi thực hành trên hệ thống DCS (60 phút).
  • Hướng dẫn tự học: Sinh viên bắt buộc nghiên cứu giáo trình trước khi đến lớp; tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết (vắng quá 30% phải học lại); tổ chức làm việc nhóm từ 6–8 sinh viên để thảo luận các chuyên đề kỹ thuật trước giờ thực hành.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tích hợp hệ thống DCS CENTUM VP của hãng Yokogawa: Giáo trình sử dụng trực tiếp cấu trúc phần cứng (FCS), trạm giao diện người - máy (HIS) và phần mềm điều khiển DCS CENTUM VP / CS3000. Đây là hệ thống điều khiển phân tán tiêu chuẩn công nghiệp đang vận hành tại các công trình lọc hóa dầu và khai thác thực tế.
  • Dữ liệu kỹ thuật thực tế từ ngành Dầu khí: Giáo trình tích hợp các sơ đồ lưu trình công nghệ và bản vẽ P&ID mẫu từ thực tế sản xuất của Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro, tạo sự đồng bộ giữa môi trường học đường và hiện trường sản xuất.
  • Tuân thủ khung tiêu chuẩn quốc tế ISA: Toàn bộ hệ thống ký hiệu quy ước thiết bị, mã chữ cái nhận dạng chức năng và các dạng đường liên kết tín hiệu được chuẩn hóa theo tiêu chuẩn của Hiệp hội Tự động hóa Quốc tế (ISA).
  • Chuẩn hóa công thức chỉnh định PID Ziegler - Nichols: Giáo trình lượng hóa chi tiết quy trình dò tìm tham số bộ điều khiển với bảng công thức tính toán cụ thể từ dao động tận cùng ($P_{Bu}, T_u$) nhằm thiết lập tỷ số suy giảm $1/4$:
Kiểu điều khiển Băng tỷ lệ $P$ (%) Thời gian tích phân $I$ (giây) Thời gian vi phân $D$ (giây)
P $2 \cdot P_{Bu}$ $\infty$ $0$
PI $2.2 \cdot P_{Bu}$ $T_u / 1.2$ $0$
PID $1.7 \cdot P_{Bu}$ $T_u / 2$ $T_u / 8$
  • Quy chuẩn an toàn công nghiệp: Giáo trình đưa ra các cảnh báo kỹ thuật bắt buộc (Warning) trong quy trình vận hành, điển hình như yêu cầu kiểm tra mở van điều khiển CV-1/CV-2 trước khi kích hoạt máy bơm P1/P2 nhằm triệt tiêu nguy cơ hỏng bơm do chạy khô.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên và ngành đào tạo: Giáo trình là tài liệu học tập bắt buộc đối với học sinh, sinh viên trình độ Cao đẳng và Trung cấp thuộc các chuyên ngành kỹ thuật dầu khí:
    • Nghề Khoan khai thác dầu khí
    • Nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí
    • Nghề Vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí
  • Vị trí đào tạo: Mô đun được giảng dạy trong giai đoạn đào tạo kỹ thuật cơ sở (học kỳ cơ sở chuyên ngành), tạo nền tảng trực tiếp cho các mô đun chuyên sâu phía sau như Hệ thống khí nén (KKT19MĐ39), Hệ thống tuần hoàn dung dịch (KKT19MĐ41) và Hệ thống kiểm soát giếng khoan (KKT19MĐ44).
  • Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Trước khi học mô đun này, người học cần hoàn thành các môn học đại cương và cơ sở gồm: Tin học (MHCB19MH09), Tiếng Anh (TA19MH02), An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01), Vẽ kỹ thuật (CK19MH01), Điện kỹ thuật cơ bản (KTĐ19MH11) và Hóa đại cương (CNH19MH09).
  • Phạm vi sử dụng cho giảng viên và tự học: Giảng viên sử dụng tài liệu để biên soạn giáo án lý thuyết, phiếu hướng dẫn thực hành và đề thi đánh giá theo chuẩn đầu ra. Kỹ thuật viên, kỹ sư vận hành tại các nhà máy chế biến và giàn khoan có thể dùng giáo trình làm tài liệu tham khảo tra cứu về ký hiệu bản vẽ P&ID và quy trình vận hành DCS Yokogawa.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng người học nào?
Tài liệu được biên soạn cho học sinh, sinh viên trình độ Trung cấp và Cao đẳng các nghề Khoan khai thác dầu khí, Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí; đồng thời phù hợp với kỹ thuật viên vận hành hệ thống điều khiển quá trình tại các nhà máy công nghiệp.

2. Cần trang bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học mô đun?
Người học cần nắm vững kiến thức các môn học tiên quyết gồm: Điện kỹ thuật cơ bản (khái niệm dòng điện, điện áp, tín hiệu tương tự), Vẽ kỹ thuật (đọc bản vẽ kỹ thuật), Tin học, Tiếng Anh chuyên ngành (thuật ngữ viết tắt) và Hóa đại cương.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các giáo trình lý thuyết điều khiển tự động thông thường là gì?
Giáo trình dành 66.7% thời lượng (30/45 giờ) cho thực hành thao tác trên phần mềm DCS CENTUM VP Yokogawa thực tế và giải mã bản vẽ P&ID từ công trình dầu khí thực tế của Vietsovpetro, tập trung vào kỹ năng vận hành công nghiệp thay vì phân tích toán học lý thuyết trừu tượng.

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả cao?
Người học cần đọc trước lý thuyết từng bài, hoàn thành hệ thống câu hỏi củng cố, học thuộc bảng ký hiệu chữ cái ISA (Bảng 2.1), ghi nhớ bảng tính thông số PID Ziegler - Nichols và thực hiện đúng trình tự chuẩn bị 7 bước trên mô hình mô phỏng trước khi vào phòng thực hành DCS.

5. Giáo trình có những tài liệu bổ trợ nào kèm theo?
Tài liệu tham khảo được trích dẫn bao gồm:

  • Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình – TS. Hoàng Minh Sơn (2016), NXB Bách khoa Hà Nội.
  • Instrumentation Level 1 (3rd edition) – NCCER (2015), Nhà xuất bản Pearson.
  • Fundamentals of Process Control – PAControl (2006).
  • Hồ sơ bản vẽ P&ID, PFD mẫu từ Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro.

Kết luận

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (mã mô đun: TĐH19MĐ11) của Trường Cao Đẳng Dầu Khí cung cấp cấu trúc kiến thức hoàn chỉnh từ khái niệm quá trình, cấu trúc chức năng của vòng điều khiển, thuật ngữ chuyên ngành, quy chuẩn bản vẽ P&ID chuẩn ISA đến quy trình vận hành thực nghiệm trên hệ thống DCS CENTUM VP Yokogawa.

Lộ trình học tập đề xuất được phân định theo 3 giai đoạn: tiếp thu lý thuyết bản chất biến quá trình (Bài 1) $\rightarrow$ phân tích sơ đồ khối, sách lược điều khiển Manual/Auto/Cascade và quy chuẩn bản vẽ P&ID (Bài 2) $\rightarrow$ thực hành vận hành trạm HIS/FCS và chỉnh định tham số PID theo Ziegler - Nichols trên mô hình LAB2 (Bài 3). Người học có thể tham khảo bổ trợ giáo trình của TS. Hoàng Minh Sơn (2016) và tài liệu đo lường Instrumentation Level 1 của NCCER để củng cố toàn diện kiến thức chuyên ngành.