Giáo trình cơ sở điều khiển quá trình, Trường Cao đẳng Dầu khí, Bà Rịa - Vũng Tàu, 216/QĐ-CĐDK 01/03/2022

Giáo trình cung cấp kiến thức cơ bản về điều khiển quá trình, phục vụ nghề sửa chữa thiết bị tự động hóa tại trường cao đẳng dầu khí.

• Tác giả: ThS. Phạm Thị Thu Hường
• Trường học: Trường Cao Đẳng Dầu Khí
• Chuyên ngành: Sửa Chữa Thiết Bị Tự Động Hóa
• Đề tài: Giáo Trình Điều Khiển Quá Trình Sửa Chữa Thiết Bị Tự Động Hóa Trung Cấp
• Loại tài liệu: Giáo Trình
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Bà Rịa - Vũng Tàu

Mục lục chi tiết

• 1. ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH
• 1.1. Đặc trưng của quá trình
• 1.2. Hệ thống điều khiển quá trình
• 1.3. Các thành phần của một kênh thiết bị
• 1.4. CÁC VÒNG ĐIỀU KHIỂN
• 1.4.1. Vòng điều khiển hở (Open loop)
• 1.4.2. Vòng điều khiển kín (Feedback Control – Closed Loop)
• 1.4.3. Điều khiển tầng (Cascade Control)
• 1.4.4. Điều khiển tỉ lệ (Ratio Control)
• 1.5. CÁC CHẾ ĐỘ ĐIỀU KHIỂN
• 1.5.1. Điều khiển hai vị trí (On – Off Control)
• 1.5.2. Điều khiển điều chỉnh (Modulating Control)
• 1.5.3. Ứng dụng của các kiểu vòng điều khiển
• 1.6. CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN
• 1.6.1. ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN
• 1.6.1.1. Điều khiển On – Off (On – Off Control)
• 1.6.1.2. Điều khiển tỉ lệ (Ratio Control)
• 1.6.1.3. Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân
• 1.6.1.4. Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân và vi phân (PID Controller)
• 1.6.1.5. Hoạt động cụ thể của một bộ điều khiển
• 1.6.1.6. Bộ điều khiển Masoneilan
• 1.6.2. BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ
• 1.6.2.1. Điều khiển On – Off
• 1.6.2.2. Bộ điều khiển tỉ lệ
• 1.6.2.3. Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân
• 1.6.2.4. Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân và vi phân (PID Controller)

Tóm tắt

I. Tổng quan về Giáo Trình Điều Khiển Quá Trình Sửa Chữa Thiết Bị Tự Động Hóa

Giáo trình điều khiển quá trình sửa chữa thiết bị tự động hóa trung cấp là tài liệu quan trọng trong việc đào tạo kỹ sư tương lai. Tài liệu này không chỉ cung cấp kiến thức lý thuyết mà còn giúp sinh viên nắm vững các kỹ năng thực hành cần thiết. Nội dung giáo trình được biên soạn dựa trên các tiêu chuẩn hiện hành và thực tiễn trong ngành công nghiệp tự động hóa.

1.1. Mục tiêu và ý nghĩa của giáo trình

Giáo trình nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức cơ bản về điều khiển quá trình, từ đó giúp họ hiểu rõ hơn về các hệ thống tự động hóa trong công nghiệp.

1.2. Cấu trúc và nội dung chính của giáo trình

Nội dung giáo trình bao gồm lý thuyết điều khiển quá trình, các vòng điều khiển, và ứng dụng thực tiễn trong ngành sửa chữa thiết bị tự động hóa.

II. Những Thách Thức Trong Điều Khiển Quá Trình Tự Động Hóa

Điều khiển quá trình tự động hóa gặp nhiều thách thức, từ việc thiết kế hệ thống đến việc bảo trì và sửa chữa thiết bị. Những thách thức này đòi hỏi kỹ sư phải có kiến thức vững vàng và kỹ năng thực hành tốt.

2.1. Khó khăn trong việc thiết kế hệ thống điều khiển

Thiết kế hệ thống điều khiển đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về các thành phần và nguyên lý hoạt động của chúng, điều này có thể gây khó khăn cho sinh viên mới vào nghề.

2.2. Vấn đề bảo trì và sửa chữa thiết bị tự động hóa

Bảo trì thiết bị tự động hóa là một thách thức lớn, yêu cầu kỹ sư phải nắm vững các kỹ thuật sửa chữa và bảo trì để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả.

III. Phương Pháp Giải Quyết Vấn Đề Trong Điều Khiển Quá Trình

Để giải quyết các vấn đề trong điều khiển quá trình, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc này không chỉ giúp nâng cao hiệu quả công việc mà còn giảm thiểu rủi ro trong quá trình sản xuất.

3.1. Ứng dụng công nghệ mới trong điều khiển quá trình

Công nghệ mới như IoT và AI đang được áp dụng để cải thiện hiệu suất và độ chính xác của hệ thống điều khiển.

3.2. Đào tạo và nâng cao kỹ năng cho kỹ sư

Đào tạo liên tục và nâng cao kỹ năng cho kỹ sư là cần thiết để họ có thể thích ứng với những thay đổi trong công nghệ và yêu cầu của ngành.

IV. Ứng Dụng Thực Tiễn Của Giáo Trình Trong Ngành Tự Động Hóa

Giáo trình điều khiển quá trình sửa chữa thiết bị tự động hóa không chỉ là lý thuyết mà còn có nhiều ứng dụng thực tiễn trong ngành công nghiệp. Những kiến thức từ giáo trình giúp sinh viên có thể áp dụng vào công việc thực tế.

4.1. Các dự án thực tế trong ngành tự động hóa

Sinh viên có thể tham gia vào các dự án thực tế, từ đó áp dụng kiến thức đã học vào thực tiễn, giúp nâng cao kỹ năng và kinh nghiệm.

4.2. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng công nghệ

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc áp dụng công nghệ mới trong điều khiển quá trình giúp tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất.

V. Kết Luận Về Tương Lai Của Giáo Trình Điều Khiển Quá Trình

Giáo trình điều khiển quá trình sửa chữa thiết bị tự động hóa sẽ tiếp tục phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp. Việc cập nhật và cải tiến nội dung giáo trình là cần thiết để đảm bảo chất lượng đào tạo.

5.1. Xu hướng phát triển trong giáo dục tự động hóa

Xu hướng hiện nay là tích hợp công nghệ mới vào giáo trình để nâng cao chất lượng đào tạo và đáp ứng nhu cầu của thị trường lao động.

5.2. Tầm quan trọng của việc cải tiến giáo trình

Cải tiến giáo trình không chỉ giúp sinh viên nắm vững kiến thức mà còn giúp họ tự tin hơn khi bước vào thị trường lao động.

Nội dung chính

TỔNG QUAN VÀ MÔ TẢ HỌC THUẬT: GIÁO TRÌNH CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH

Tổng quan về giáo trình (250-300 từ)

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (Mã mô-đun: AUTM53110) là tài liệu đào tạo chuyên môn được ban hành chính thức theo Quyết định số 216/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Giáo trình do ThS. Phạm Thị Thu Hường làm chủ biên cùng tác giả Nguyễn Xuân Thịnh biên soạn, được đưa vào giảng dạy thực tế tại nhà trường từ năm 2019 đến nay. Tài liệu được thiết kế với tổng thời lượng 60 giờ (gồm 28 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành/thảo luận và 3 giờ kiểm tra định kỳ), tương đương 03 tín chỉ học tập.

Trong cấu trúc chương trình đào tạo nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa trình độ trung cấp và cao đẳng, môn học giữ vị trí mô-đun kỹ thuật chuyên ngành cốt lõi thuộc nhóm II.2, được bố trí giảng dạy sau các môn học nền tảng về thiết bị đo lường và bản vẽ kỹ thuật. Mục tiêu học tập tổng quát của giáo trình nhằm trang bị cho người học các chuẩn đầu ra cụ thể: xác định bản chất các biến quá trình; phân biệt các cấu trúc vòng điều khiển (hở, kín, tầng, tỉ lệ); nắm vững nguyên lý hoạt động của các bộ điều khiển khí nén và điện tử theo các luật On-Off, P, PI, PID; cùng khả năng đọc hiểu bản vẽ P&ID công nghiệp.

Nội dung giáo trình tiếp cận trực tiếp từ hệ thống thiết bị đo lường và điều khiển trong các nhà máy chế biến dầu khí. Điểm đặc trưng của tài liệu là sự kết hợp cân bằng giữa mô hình toán học cân bằng vật chất - năng lượng với cấu trúc cơ điện của các thiết bị vật lý thực tế như cảm biến, bộ chuyển đổi tín hiệu, bộ điều khiển khí nén Flapper-Nozzle và các cơ cấu chấp hành van công nghiệp.

---

Nội dung kiến thức cốt lõi (500-600 từ)

Các chương/chủ đề chính

Cấu trúc giáo trình được phân bổ thành 2 bài học chuyên môn với tiến trình logic từ nhận thức hệ thống đến phân tích thiết bị điều khiển chi tiết:

• Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình (Thời lượng: 40 giờ - 18 giờ lý thuyết, 21 giờ thực hành, 1 giờ kiểm tra)

  • Khái niệm và đặc trưng quá trình: Phân tích quá trình công nghệ qua mô hình cân bằng năng lượng trên thiết bị trao đổi nhiệt vỏ - ống theo phương trình $E_{out} = E_{in} - (E_{lost} + E_{store})$.
  • Các thông số và thành phần kênh thiết bị: Định nghĩa và phân loại biến quá trình/biến được điều khiển (CV/PV), biến thao tác (MV), giá trị đặt (SV), tín hiệu sai lệch (Error) và biến đo; phân loại nhiễu theo xáo trộn nguồn cung và xáo trộn nhu cầu; phân tích cấu tạo kênh thiết bị gồm cảm biến (Sensor), bộ chuyển đổi (Transducer), bộ điều hòa/khuếch đại tín hiệu, bộ truyền phát (Transmitter) theo chuẩn dòng điện 4–20 mA DC, điện áp 1–5 VDC, 0–10 VDC và khí nén 3–15 psi; phần tử điều khiển cuối (Final Control Element - FCE) gồm van cổng, van cầu, cơ cấu truyền động (màng khí nén, piston, solenoid, động cơ điện) và bộ định vị van (Valve Positioner); phân tích các đường đặc tính lưu lượng van: tuyến tính (Linear), mở nhanh (Quick Opening) và phần trăm bằng nhau (Equal Percentage).
  • Các dạng vòng điều khiển: Phân tích nguyên lý vòng hở (Open loop), vòng kín phản hồi (Feedback Closed loop), điều khiển tầng (Cascade Control - kết hợp bộ điều khiển sơ cấp Primary và thứ cấp Secondary) và điều khiển tỉ lệ (Ratio Control - ứng dụng kiểm soát tỉ lệ nhiên liệu/không khí buồng đốt).
  • Các chế độ điều khiển cơ bản: Khảo sát chế độ hai vị trí (On-Off) kèm vùng trung lập/thời gian chết (deadband); chế độ điều chỉnh liên tục gồm tác động Tỉ lệ (Proportional - Gain, quan hệ $Gain = 100% / PB%$), tác động Tích phân (Integral/Reset - cơ chế triệt tiêu sai lệch tĩnh offset, hiện tượng bão hòa tích phân Integral Windup), và tác động Vi phân (Derivative/Rate - đáp ứng theo tốc độ biến thiên của sai số).
  • Ứng dụng thực tế: Phân tích chi tiết vòng điều khiển nhiệt độ khí nén và vòng điều khiển nhiệt độ điện tử.

• Bài 2: Các bộ điều khiển (Thời lượng: 20 giờ - 10 giờ lý thuyết, 8 giờ thực hành, 2 giờ kiểm tra)

  • Chế độ vận hành của bộ điều khiển: Phân biệt 4 chế độ làm việc: Tự động (Auto), Thủ công (Manual), Cục bộ (Local) và Từ xa (Remote/Cascade).
  • Bộ điều khiển khí nén: Cấu trúc phần cứng cơ bản gồm nguồn cấp khí (Air supply), cơ cấu màng chắn - vòi phun (Flapper - Nozzle) và hộp xếp phản hồi (Bellows); nguyên lý làm việc ở các cấu hình On-Off, P, PI, PID; cấu tạo chi tiết bộ điều khiển khí nén công nghiệp Masoneilan.
  • Bộ điều khiển điện tử: Khảo sát sơ đồ khối và nguyên lý xử lý tín hiệu tương tự của các bộ điều khiển On-Off, P, PI và PID điện tử.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xác lập các nền tảng kỹ thuật bao gồm:

• Lý thuyết cân bằng động học: Bản chất trao đổi vật chất và năng lượng của các đối tượng công nghệ dạng nhiệt, mức, áp suất, lưu lượng.
• Nguyên lý điều khiển phản hồi: Chu trình khép kín gồm 3 bước: thu thập tín hiệu biến quá trình, so sánh tạo sai lệch với giá trị đặt, và xuất tín hiệu điều khiển tác động đến biến thao tác.
• Cơ sở toán học của thuật toán PID: Khái niệm giải thuật vi tích phân ứng dụng trong kỹ thuật điều khiển tương tự, định lượng hóa tham số khuếch đại, thời gian reset và thời gian vi phân.

Kỹ năng phát triển

Thông qua các bài tập và thực hành, người học hình thành các năng lực:

• Kỹ năng kỹ thuật: Khả năng đọc, phân tích và bóc tách các thành phần đo lường - điều khiển trên bản vẽ sơ đồ công nghệ và thiết bị P&ID; vẽ và gán nhãn chính xác sơ đồ khối chức năng.
• Kỹ năng phân tích: Nhận diện và đánh giá tác động của các dạng nhiễu tải (nhiễu nguồn cung và nhiễu nhu cầu); xác định nguyên nhân gây sai lệch tĩnh và hiện tượng dao động trong mạch vòng kín.
• Năng lực thực hành: Cấu hình, cài đặt tham số và thao tác chuyển đổi an toàn giữa các chế độ vận hành (Auto/Manual/Local/Remote) trên bộ điều khiển khí nén và bộ điều khiển điện tử.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập (300-350 từ)

Phương pháp tiếp cận sư phạm của giáo trình được xây dựng theo mô hình đào tạo kỹ thuật tích hợp, kết nối giữa bài giảng lý thuyết chuyên đề và thực hành trực tiếp trên thiết bị xưởng:

• Phương pháp giảng dạy của giảng viên: Áp dụng các phương pháp giảng dạy tích cực bao gồm diễn giảng kỹ thuật, vấn đáp tình huống, và dạy học giải quyết vấn đề (problem-based learning). Giảng viên thiết kế giáo án linh hoạt theo từng bài học, chia ca hướng dẫn thực hành tại phòng thí nghiệm chuyên môn hóa và xưởng thực hành.
• Môi trường và điều kiện thực hành: Quá trình đào tạo sử dụng phòng thực hành DCS (hệ thống điều khiển phân tán - Distributed Control System) trang bị phần mềm Yokogawa Centum VP, hệ thống mô hình xưởng thiết bị tĩnh - thiết bị động và trạm điện. Học liệu bao gồm giáo trình, quy trình công nghệ, phiếu đánh giá thực hành và các bản vẽ P&ID công nghiệp thực tế từ Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro.
• Quy định học tập và tự học: Người học bắt buộc nghiên cứu tài liệu trước khi lên lớp và tham gia tối thiểu 70% thời lượng lý thuyết (người học vắng trên 30% số tiết lý thuyết không đủ điều kiện dự thi kết thúc môn). Giáo trình áp dụng phương pháp thảo luận nhóm từ 6 đến 8 thành viên; các nhóm nhận chủ đề kỹ thuật trước buổi học, phân công từng thành viên nghiên cứu và thuyết trình giải pháp mạch điều khiển.
• Quy trình kiểm tra và đánh giá:
  • Đánh giá thường xuyên: 01 cột điểm thông qua kiểm tra vấn đáp đầu giờ, chấm điểm bài tập tình huống hoặc bài kiểm tra viết ngắn dưới 30 phút.
  • Đánh giá định kỳ: Gồm 03 bài kiểm tra, trong đó có 02 bài lý thuyết (thời gian 45–60 phút dưới hình thức trắc nghiệm, tự luận, điền khuyết nhằm đánh giá chuẩn đầu ra A1 đến A5) và 01 bài thực hành (thời gian 60 phút tại phòng máy/xưởng nhằm đánh giá chuẩn đầu ra B1, B2).
  • Thi kết thúc mô-đun: Gồm 02 phần bắt buộc: bài thi trắc nghiệm lý thuyết (45–60 phút) và bài thi thao tác thực hành (60 phút).

---

Điểm nổi bật và cập nhật (250-300 từ)

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình thể hiện các đặc tính kỹ thuật bám sát thực tiễn công nghiệp hiện đại:

• Tích hợp dữ liệu từ thực tế sản xuất dầu khí: Toàn bộ hệ thống ví dụ minh họa, sơ đồ công nghệ và bài tập phân tích P&ID đều được trích xuất trực tiếp từ các hệ thống khai thác, xử lý và vận chuyển dầu khí thực tế, tiêu biểu là các bản vẽ kỹ thuật của Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro và quy trình vận hành nhà máy lọc hóa dầu.
• Kết hợp công nghệ điều khiển đa thế hệ: Giáo trình cung cấp kiến thức song song về hai nền tảng điều khiển: hệ thống điều khiển khí nén truyền thống (vốn có độ an toàn chống cháy nổ cao, sử dụng cơ cấu màng - vòi phun Flapper-Nozzle, hộp xếp Bellows, bộ điều khiển Masoneilan) và hệ thống điều khiển điện tử tương tự/số hiện đại kết nối mạng DCS.
• Tham chiếu tiêu chuẩn học thuật quốc tế và trong nước: Nội dung môn học được đối sánh và tổng hợp từ các tài liệu chuyên ngành uy tín:
  • Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình (TS. Hoàng Minh Sơn, NXB Bách khoa Hà Nội, 2016).
  • Module Process Control Theory - Instrumentation Level 3 (Hiệp hội Đào tạo Xây dựng Quốc gia Hoa Kỳ - NCCER, NXB Pearson, 2016).
  • Fundamentals of Process Control (PAControl, 2006).
  • Laboratory Centum VP Manual (Yokogawa Vietnam Ltd, 2021).
• Phân tích sâu cơ cấu phần cứng chấp hành: Giáo trình không chỉ dừng lại ở thuật toán lý thuyết mà mô tả chi tiết hình học và cơ chế vận hành của van điều khiển, mối quan hệ giữa hành trình ty van và lưu lượng theo 3 đường đặc tính kỹ thuật, cấu tạo cơ cấu định vị van (Positioner) và các bộ biến đổi điện - khí I/P.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình (200-250 từ)

• Đối tượng đào tạo chính: Học sinh, sinh viên theo học trình độ Trung cấp và Cao đẳng thuộc nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (Instrumentation) tại Trường Cao đẳng Dầu khí và các cơ sở giáo dục nghề nghiệp khối kỹ thuật công nghiệp.
• Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Để tiếp thu hiệu quả nội dung mô-đun AUTM53110, người học bắt buộc phải hoàn thành các môn học cơ sở và chuyên ngành tiên quyết trong chương trình đào tạo, bao gồm:
  • Toán kỹ thuật (AUTM52023) và Hình học lắp đặt (AUTM53024).
  • Bản vẽ thiết bị đo lường (AUTM53006).
  • Điện kỹ thuật 1 (ELEI53154), Điện tử cơ bản (AUTM53102) và Mạch logic số (AUTM53104).
  • Thiết bị đo lường (AUTM55005).
• Ứng dụng đối với giảng viên: Tài liệu cung cấp cấu trúc bài giảng chuẩn hóa, bảng danh mục hình vẽ/bảng biểu kỹ thuật, ma trận đánh giá chuẩn đầu ra (A1–A5, B1–B4, C1) cùng hệ thống câu hỏi trắc nghiệm củng cố kiến thức cuối mỗi bài.
• Ứng dụng tự học và nghiên cứu kỹ thuật: Tài liệu phục vụ kỹ thuật viên bảo dưỡng, nhân viên vận hành trạm đo lường - điều khiển tại các nhà máy công nghiệp tra cứu các nguyên lý vận hành van, cấu hình bộ điều khiển PID và cách đọc sơ đồ công nghệ P&ID.

---

Câu hỏi thường gặp (250-300 từ)

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Tài liệu được biên soạn phục vụ giảng dạy cho học sinh, sinh viên trình độ Trung cấp và Cao đẳng chuyên ngành Sửa chữa thiết bị tự động hóa, kỹ thuật đo lường (Instrumentation), đồng thời là tài liệu tham khảo cho kỹ thuật viên bảo dưỡng hệ thống tự động hóa nhà máy.

2. Cần kiến thức nền nào trước khi học giáo trình này?

Người học cần hoàn thành các môn học về Điện kỹ thuật, Điện tử cơ bản, Mạch logic số, Bản vẽ thiết bị đo lường và Thiết bị đo lường để hiểu rõ nguyên lý cảm biến và chuẩn tín hiệu điện/khí nén.

3. Điểm khác biệt của giáo trình này so với các giáo trình lý thuyết điều khiển tự động khác?

Giáo trình tập trung vào khía cạnh phần cứng và ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp quá trình (đặc thù ngành Dầu khí), phân tích chi tiết nguyên lý cấu tạo của van điều khiển, bộ chuyển đổi I/P, bộ điều khiển khí nén Flapper-Nozzle Masoneilan và đọc bản vẽ P&ID thay vì tập trung thuần túy vào toán học điều khiển trừu tượng.

4. Làm sao để tự học và hoàn thành tốt mô-đun này?

Người học cần đọc trước nội dung từng bài, chủ động làm việc nhóm để giải quyết các chủ đề thảo luận được giao, tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết, thực hành đầy đủ tại phòng DCS và rèn luyện kỹ năng phân tích mạch vòng trên sơ đồ P&ID mẫu.

5. Giáo trình có những tài liệu bổ trợ nào kèm theo?

Tài liệu học tập đi kèm bao gồm hệ thống câu hỏi trắc nghiệm củng cố kiến thức, các bản vẽ P&ID mẫu của Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro, phiếu đánh giá kỹ năng thực hành và tài liệu thực hành trên hệ thống điều khiển phân tán Yokogawa Centum VP.

---

Kết luận (150 từ)

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (AUTM53110) cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện về lý thuyết điều khiển quá trình công nghiệp, từ các khái niệm biến quá trình, phân loại vòng điều khiển (hở, kín, tầng, tỉ lệ) đến nguyên lý cấu tạo của các bộ điều khiển khí nén và điện tử.

Về lộ trình đào tạo chuyên môn, mô-đun là bước đệm trực tiếp để người học tiếp cận các môn học chuyên sâu tiếp theo trong chương trình đào tạo nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa, bao gồm: Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (AUTM55107), Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén (AUTM54113), Điều khiển lập trình PLC (AUTM55115) và Thực tập sản xuất (AUTM55222). Để mở rộng chuyên môn, người học có thể tham khảo thêm các giáo trình chuyên sâu của TS. Hoàng Minh Sơn (NXB Bách khoa Hà Nội), bộ tài liệu chuẩn NCCER (Pearson) và tài liệu kỹ thuật Yokogawa Centum VP.

Trích đoạn nội dung tài liệu

TẬP ĐOÀN DẦU KHÍ VIỆT NAM TRƯỜNG CAO ĐẲNG DẦU KHÍ  GIÁO TRÌNH MÔN HỌC: CƠ SỞ ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH NGHỀ: SỬA CHỮA THIẾT BỊ TỰ ĐỘNG HÓA TRÌNH ĐỘ: TRUNG CẤP (Ban hành kèm theo Quyết định số:216/QĐ-CĐDK ngày 01 tháng 03 năm 2022 của Trường Cao Đẳng Dầu Khí) Bà Rịa - Vũng Tàu, năm 2022 (Lưu hành nội bộ) TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. Trang 2 LỜI GIỚI THIỆU Tài liệu này thuộc giáo trình biên soạn theo chương trình đào tạo được lưu hành trong trường Cao đẳng Dầu khí; các nguồn thông tin được sử dụng để tham khảo biên soạn/hiệu chỉnh giáo trình có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích đào tạo. Cùng với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật, quá trình hiện đại hóa góp phần đưa các quá trình sản xuất tại các nhà máy, xí nghiệp… ngày càng hiện đại với mức độ tự động hóa ngày càng cao.

Các giải pháp điều khiển hiện đại góp phần nâng cao mức độ tự động hóa của các dây chuyển sản xuất để tăng năng suất, tăng chất lượng sản phẩm, hạ giá thành sản xuất, tăng sức cạnh tranh trên thị trường, nhưng đồng thời cũng đặt ra những yêu cầu cao hơn cho các hệ thống điều khiển tự động và cho những người kỹ sư thiết kế điều khiển quá trình. Vì vậy, điều khiển quá trình là một lĩnh vực ứng dụng rất quan trọng trong lĩnh vực điều khiển công nghiệp và việc trang bị các kiến thức về điều khiển quá trình là vấn đề cốt lõi đối với học sinh, sinh viên các trường thuộc khối kỹ thuật chuyên ngành điều khiển tự động hóa. Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình được biên soạn để giảng dạy cho đối tượng là học sinh sinh viên trình độ trung cấp, cao đẳng chuyên về lĩnh vực điều khiển tự động hóa. Tác giả xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp Trường Cao Đẳng Dầu khí, đặc biệt là giáo viên TBM Tự động hóa.

Giáo trình biên soạn dựa trên tài liệu từ nhiều nguồn giáo trình và tham khảo từ thực tế các nhà máy trong ngành Dầu khí và trong quá trình biên soạn sẽ không tránh khỏi một số sai sót. Vì thế, tôi rất mong nhận được sự góp ý, xây dựng của bạn đọc để cuốn sách ngày càng hoàn thiện hơn. Chân thành cảm ơn. Bà Rịa – Vũng Tàu, tháng 03 năm 2022 Tham gia biên soạn 1.

Chủ biên: ThS. Phạm Thị Thu Hường 2. Nguyễn Xuân Thịnh Trang 3 MỤC LỤC 1. ĐIỀU KHIỂN QUÁ TRÌNH.

Đặc trưng của quá trình. Hệ thống điều khiển quá trình. Các thành phần của một kênh thiết bị. CÁC VÒNG ĐIỀU KHIỂN.

Vòng điều khiển hở (Open loop). Vòng điều khiển kín (Feedback Control – Closed Loop). Điều khiển tầng (Cascade Control). Điều khiển tỉ lệ (Ratio Control).

CÁC CHẾ ĐỘ ĐIỀU KHIỂN. Điều khiển hai vị trí (On – Off Control). Điều khiển điều chỉnh (Modulating Control). Ứng dụng của các kiểu vòng điều khiển.

CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN VÀ CÁC CHẾ ĐỘ HOẠT ĐỘNG CƠ BẢN CỦA BỘ ĐIỀU KHIỂN. ĐIỀU KHIỂN KHÍ NÉN. Điều khiển On – Off (On – Off Control). Điều khiển tỉ lệ (Ratio Control).

Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân. Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân và vi phân (PID Contrller). Hoạt động cụ thể của một bộ điều khiển. Bộ điều khiển Masoneilan.

BỘ ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN TỬ. Điều khiển On – Off. Bộ điều khiển tỉ lệ. Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân.

Bộ điều khiển tỉ lệ kết hợp tích phân và vi phân (PID Contrller) .61 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1-1: Quá trình trao đổi nhiệt .17 Hình 1-2: Hệ thống điều khiển quá trình trao đổi nhiệt độ .19 Hình 1-3: Cấu trúc của bộ chuyển đổi áp suất .23 Hình 1-4: Đặc tính mở van .25 Hình 1-5: Cấu tạo van điện từ .26 Hình 1-6: Van điều khiển có bộ truyền động dạng màng .26 Hình 1-7: Van điều khiển có bộ truyền động dạng piston.27 Hình 1-8: Van điều khiển sử dụng bộ truyền động bằng động cơ .28 Hình 1-9: Điều khiển nhiệt độ bằng vòng hở .30 Hình 1-10: Điều khiển nhiệt độ bằng vòng kín .31 Hình 1-11: Hệ thống điều khiển tầng .33 Hình 1-12: Mô hình tổng quát của vòng điều khiển tầng .34 Hình 1-13: Vòng điều khiển tỉ lệ .35 Hình 1-14: Điều khiển mức bằng bộ điều khiển On - Off.36 Hình 1-15: Đáp ứng của bộ điều khiển On - Off.37 Hình 1-16: Hệ thống điều khiển hai vị trí với vùng trung lập .37 Hình 1-17: Hệ thống điều khiển tỉ lệ .38 Hình 1-18: Vị trí tương ứng của van và phao khi Gain =1 .39 Hình 1-19: Thuật toán tích phân đầu ra với đầu vào cố định .41 Hình 1-20: Phản hổi của cấu trúc vi phân khi có tín hiệu vào .42 Hình 1-21: Vòng điều khiển nhiệt độ khí nén .43 Hình 1-22: Vòng điều khiển nhiệt độ điện tử .44 Hình 2-1: Thành phần của bộ điều khiển khí nén .49 Hình 2-2: Tín hiệu vào phần tử cuối khi dùng bộ điều khiển On-Off .50 Hình 2-3: Bộ điều khiển khí nén On-Off ở trạng thái mất tín hiệu .51 Hình 2-4: chuyển động của Nozzle ra khỏ tấm chắn .52 Hình 2-5: chuyển động của bộ điều khiển khí nén khi sụt giảm áp suất .52 Hình 2-6: Bộ điều khiển khí nén khi có áp suất đầu ra tăng .53 Hình 2-7: Biểu đồ của dải tỉ lệ bằng 5% .53 Hình 2-8: Bộ điều khiển tỉ lệ tích phân .55 Hình 2-9: Bộ điều khiển PID .55 Hình 2-10: Cấu hình điều khiển truyền thẳng và phản hổi .56 Hình 2-11: Bộ điều khiển Masoneilan.58 Hình 2-12: Bộ điều khiển On-Off .60 Hình 2-13: Thành phần bộ điều khiển tỉ lệ .61 Hình 2-14: Thành phần bộ điều khiển tỉ lệ tích phân .61 Hình 2-15: Thành phần của bộ điều khiển PID .62 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1-1: Một số bộ chuyển đổi. Error! Bookmark not defined. GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN 1. Tên mô đun: Cơ sở điều khiển quá trình 2.

Mã mô đun: AUTM53110 Thời gian thực hiện mô đun: 60 giờ (Lý thuyết: 30 giờ; Thực hành: 30 giờ) Số tín chỉ: 03 3. Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của môn học/mô-đun: 3.1 Vị trí: Là mô đun thuộc các mô đun chuyên ngành của chương trình đào tạo. Môn đun này được dạy sau các môn học thiết bị đo lường và tài liệu và bản vẽ thiết bị đo lường.2 Tính chất: Mô đun này trang bị những kiến thức về cơ bản về chức năng, nhiệm vụ của một vòng điều khiển cũng như chức năng của từng thành phần trong một vòng điều khiển. Ngoài ra người học sẽ lĩnh hội được các thuật ngữ chuyên ngành về điều khiển quá trình, các chế độ điều khiển của bộ điều khiển.3 Ý nghĩa và vai trò của môn học/mô-đun: là môn học khoa học mang tính thực tế và ứng dụng thực tiễn dành cho đối tượng là người học chuyên ngành đo lường tự động hóa (Instrumentation).

Mô-đun này đã được đưa vào giảng dạy tại trường Cao Đẳng Dầu Khí từ năm 2019 đến nay. Nội dung chủ yếu của mô-đun này nhằm cung cấp các kiến thức và kỹ năng cơ bản thuộc lĩnh vực công nghiệp quá trình: (1) lý thuyết điều khiển quá trình: vòng điều khiển, các thành phần cơ bản trong một vòng điều khiển và các thuật ngữ thông dụng; (2) Các bộ điều khiển PID khí nén, tương tự, on-off và tỉ lệ. Qua đó, giáo trình cung cấp các kiến thức và kỹ năng cơ bản về vòng điều khiển, và các chế độ hoạt động của bộ điều khiển. Mục tiêu của môn học/mô-đun: Về kiến thức: + A1.

Mô tả được điều khiển quá trình và xác định được các thành phần cơ bản của một kênh điều khiển; + A2. Mô tả được và xác định được các kiểu vòng điều khiển cơ bản như vòng điều khiển hở/kín, vòng điều khiển tỉ lệ, vòng điều khiển tầng; + A3. Nhận dạng được và mô tả được các chế độ điều khiển on-off và chế độ điều khiển liên tục; + A4. Mô tả được ứng dụng các kiểu vòng điều khiển và diễn giải được sách lược điều khiển cơ bản của các kiểu điều khiển này; + A5.

Xác định và mô tả được nguyên lý hoạt động của các bộ điều khiển kiểu khí nén và kiểu điện tử. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + B1. Vẽ và gán nhãn được cho các sơ đồ điều khiển khối của các vòng điều khiển cơ bản ; + B4. Từ bản vẽ P&ID xác định được các thành phần chính của vòng điều khiển truyền thẳng, vòng điều khiển phản hồi, vòng điều khiển tầng và vòng điều khiển tỉ lệ.

Giải thích được mục đích và chức năng các thành phần chính của bộ điều khiển khí nén trên một lược đồ cho sẵn; + B4. Giải thích được chức năng từng khối của bộ điều khiển điện tử trên lược đồ cho sẵn. Về năng lực tự chủ và trách nhiệm: + C1. Rèn luyện thái độ nghiêm túc, cẩn thận trong công việc; 5.

Nội dung của môn học/mô đun: 5.1 Chương trình khung: Thời gian học tập (giờ) Trong đó Số Mã Thực hành/ Kiểm tra Tên môn học, mô đun tín Tổng MH/MĐ/HP thực tập/ chỉ số Lý thí nghiệm/ thuyết LT TH bài tập/ thảo luận Các môn học I 14 285 117 153 10 5 chung/đại cương COMP52001 Giáo dục chính trị 2 30 15 13 2 COMP51003 Pháp luật 1 15 9 5 1 COMP51007 Giáo dục thể chất 1 30 4 24 2 Giáo dục quốc phòng và COMP52009 2 45 21 21 1 2 An ninh COMP52005 Tin học 2 45 15 29 1 FORL54002 Tiếng Anh 4 90 30 56 4 An toàn vệ sinh lao SAEN52001 2 30 23 5 2 động Các môn học, mô đun II chuyên môn ngành, 56 1275 421 801 32 21 nghề II.1 Môn học, mô đun cơ sở 19 345 169 157 15 4 AUTM52023 Toán kĩ thuật 2 30 14 14 2 0 Thời gian học tập (giờ) Trong đó Số Mã Thực hành/ Kiểm tra Tên môn học, mô đun tín Tổng MH/MĐ/HP thực tập/ chỉ số Lý thí nghiệm/ thuyết LT TH bài tập/ thảo luận AUTM53024 Hình học lắp đặt 3 45 15 27 3 0 Bản vẽ thiết bị đo AUTM53006 3 45 42 0 3 0 lường AUTM52101 An toàn TĐH 2 45 14 29 1 1 ELEI53154 Điện kỹ thuật 1 3 60 28 29 2 1 AUTM53102 Điện tử cơ bản 3 60 28 29 2 1 AUTM53104 Mạch logic số 3 60 28 29 2 1 Môn học, mô đun II.