Tổng quan về giáo trình

Giáo trình môn học Cơ sở điều khiển quá trình (Mã mô-đun: TĐH19MĐ10) là tài liệu đào tạo chuyên môn được ban hành kèm theo Quyết định số 198/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam), lưu hành nội bộ tại cơ sở đào tạo Bà Rịa – Vũng Tàu. Tài liệu do ThS. Phạm Thị Thu Hường làm chủ biên cùng sự tham gia biên soạn của kỹ sư Nguyễn Xuân Thịnh thuộc Tiểu ban Môn sinh Tự động hóa.

Trong chương trình đào tạo nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa ở trình độ Cao đẳng và Trung cấp, mô-đun Cơ sở điều khiển quá trình có thời lượng 60 giờ (tương đương 03 tín chỉ), gồm 28 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành, thảo luận và 03 giờ kiểm tra. Mô-đun giữ vị trí bản lề, được bố trí giảng dạy sau các học phần nền tảng như Thiết bị đo lường (TĐH19MH05), Bản vẽ thiết bị đo lường (TĐH19MH06), Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (TĐH19MĐ07) và trước các học phần chuyên sâu như PLC (TĐH19MĐ15), Hệ thống điều khiển phân tán DCS (TĐH19MĐ17), Điều khiển quá trình nâng cao (TĐH19MĐ18).

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác định rõ qua các chuẩn đầu ra:

  • Kiến thức (A1–A5): Mô tả định nghĩa điều khiển quá trình; xác định các thành phần của kênh thiết bị; phân biệt các cấu hình vòng điều khiển (hở, kín, tầng, tỉ lệ); phân tích các chế độ điều khiển (On-Off, liên tục P/I/D); giải thích nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển khí nén và bộ điều khiển điện tử.
  • Kỹ năng (B1–B4): Vẽ và gán nhãn sơ đồ khối hệ thống điều khiển; nhận diện và phân tích các thành phần của vòng điều khiển trên bản vẽ lưu trình công nghệ và thiết bị (P&ID); giải thích sơ đồ nguyên lý bộ điều khiển khí nén và điện tử.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Hình thành tác phong cẩn thận, kỷ luật và tuân thủ quy trình kỹ thuật.

Giáo trình tiếp cận kiến thức từ mô hình vật lý trao đổi nhiệt/vật chất thực tế, chuyển dần sang sách lược điều khiển vòng lặp và đi sâu vào cấu tạo phần cứng công nghiệp. Điểm đặc thù của tài liệu là tích hợp dữ liệu kỹ thuật thực tế từ các nhà máy trong ngành Dầu khí và hệ thống bản vẽ P&ID của Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương và chủ đề chính

Giáo trình được phân chia thành 2 bài học lớn với tổng thời lượng 60 giờ:

[Mô-đun: Cơ sở điều khiển quá trình (60h / 3 tín chỉ)]

  • Bài 1: Lý thuyết điều khiển quá trình (40 giờ - 18 giờ lý thuyết, 21 giờ thực hành/thảo luận, 01 giờ kiểm tra):

    • Tổng quan và đặc trưng quá trình: Bản chất của quá trình sản xuất thông qua trao đổi năng lượng và vật chất; phương trình cân bằng năng lượng; phân loại các biến số gồm biến quá trình (PV/CV), giá trị đặt (SV), biến thao tác (MV) cùng các yếu tố nhiễu phía cung và cầu.
    • Các thành phần trong kênh thiết bị: Cảm biến (Sensor) đo nhiệt độ (RTD, cặp nhiệt ngẫu TC, thermistor), áp suất (ống Bourdon, màng điện trở, màng điện dung, manometer), lưu lượng, mức; bộ chuyển đổi tín hiệu (Transducer); bộ khuếch đại và điều hòa tín hiệu (Amplifier/Signal Conditioner); bộ truyền tín hiệu (Transmitter); bộ điều khiển (Controller); phần tử điều khiển cuối (FCE - Final Control Element) gồm van cổng, van cầu, các loại cơ cấu chấp hành (bằng tay, điện từ solenoid, màng khí nén, piston khí nén, động cơ điện) và bộ định vị van (Valve Positioner).
    • Cấu trúc vòng điều khiển: Nguyên lý và sơ đồ của vòng hở (Open loop), vòng kín phản hồi (Closed loop/Feedback control), vòng điều khiển tầng (Cascade control) dùng để bù trễ và triệt tiêu nhiễu áp suất/lưu lượng, vòng điều khiển tỉ lệ (Ratio control) ứng dụng trong buồng đốt nhiên liệu - không khí.
    • Các chế độ điều khiển: Điều khiển hai vị trí (On-Off) kèm theo vùng trễ/vùng trung lập (Deadband) để tránh đóng cắt liên tục; điều khiển điều chỉnh (Modulating control) gồm tác động tỉ lệ (Proportional - P), tác động tích phân (Integral - I/Reset) và tác động vi phân (Derivative - D/Rate).
    • Ứng dụng thực tế: Vòng điều khiển nhiệt độ thiết bị trao đổi nhiệt bằng khí nén và vòng điều khiển nhiệt độ bồn gia nhiệt bằng điện tử.

  • Bài 2: Các bộ điều khiển (20 giờ - 10 giờ lý thuyết, 08 giờ thực hành/thảo luận, 02 giờ kiểm tra):

    • Chế độ làm việc của bộ điều khiển: Chế độ tự động (Auto), chế độ thủ công (Manual), chế độ cục bộ (Local) và chế độ từ xa (Remote/Cascade).
    • Bộ điều khiển khí nén: Cấu trúc nguồn cấp khí (Air supply), cơ cấu vòi phun - lá cản (Flapper and Flapper-Nozzle), hộp xếp giãn nở (Bellows), lò xo đối kháng (Opposing Spring), các thanh liên kết định vị (Positioning Links) trong cấu hình On-Off, P, PI, PID và bộ điều khiển Masoneilan.
    • Bộ điều khiển điện tử: Mạch tiếp nhận và biến đổi tín hiệu tương tự chuẩn 4÷20 mA DC, 1÷5 VDC, mạch so sánh sai số, các khối thuật toán P, PI, PID và mạch xuất tín hiệu điều khiển FCE.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  • Lý thuyết cân bằng vật chất và năng lượng: Thiết lập mối quan hệ nhiệt động lực học của quá trình: $$E_{out} = E_{in} - (E_{lost} + E_{store})$$ Sự mất cân bằng giữa năng lượng vào, tổn thất ra môi trường và lưu trữ trong thiết bị là nguyên nhân làm thay đổi giá trị biến quá trình ($PV$).
  • Nguyên lý quan hệ Độ lợi và Dải tỉ lệ: Mối liên hệ toán học giữa hệ số khuếch đại ($Gain$) và băng tỷ lệ ($PB - Proportional\ Band$): $$Gain = \frac{\Delta Output}{\Delta Input}$$ $$PB(%) = \frac{% \Delta Input}{% \Delta Output} \times 100% \implies Gain = \frac{100%}{PB(%)}$$
  • Bản chất động học của các thành phần PID:
    • Thành phần $P$: Tạo tín hiệu điều khiển tỉ lệ thuận với sai số ($e = PV - SV$), tồn tại sai lệch tĩnh (Offset).
    • Thành phần $I$: Tích phân sai số theo thời gian để triệt tiêu hoàn toàn sai lệch tĩnh (Offset); phân tích hiện tượng bão hòa tích phân (Integral Windup / Reset Windup) khi sai số kéo dài ngoài dải điều chỉnh.
    • Thành phần $D$: Tính đạo hàm tốc độ thay đổi của sai số ($\frac{de}{dt}$) nhằm tăng tốc độ đáp ứng và chống đột biến, không thể hoạt động độc lập khi sai số không đổi.
  • Đặc tính dòng chảy của van điều khiển: So sánh 3 đường cong đặc tính mở van: Tuyến tính (Linear), Mở nhanh (Quick opening), Phần trăm tương đương (Equal percentage).
     100 |                     .--- Tuyến tính (Linear)
         |                  .-'
 Lưu     |               .-'   /--- Phần trăm tương đương (Equal percentage)
 lượng   |            .-'   .-'
 (%)     |         .-'   .-'
         |     _.-'  _.-'
         |  .-'  _.-'  /------- Mở nhanh (Quick opening)
       0 +---------------------------------
         0                               100
                    Hành trình van (%)

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật: Đọc và bóc tách lưu trình P&ID; phân tích sơ đồ khối chức năng của hệ thống điều khiển; chuyển đổi qua lại giữa các chuẩn tín hiệu công nghiệp (khí nén 3÷15 psi, điện tương tự 4÷20 mA DC, 1÷5 VDC, 0÷10 VDC).
  • Kỹ năng phân tích: Đánh giá ảnh hưởng của nhiễu tải (Supply disturbance và Demand disturbance); lựa chọn sách lược điều khiển (đơn vòng, Cascade, Ratio) phù hợp với độ trễ và yêu cầu công nghệ.
  • Kỹ năng thực hành: Thao tác chuyển đổi các chế độ Auto/Manual/Local/Remote trên bộ điều khiển; kiểm tra, nhận diện cơ cấu cơ học khí nén (Flapper-Nozzle, Bellows) và mạch điện tử xử lý tín hiệu.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình quy định cụ thể phương pháp tổ chức dạy học và quy trình kiểm tra đánh giá nhằm đảm bảo tính chuẩn hóa trong đào tạo kỹ thuật:

[Hoạt động giảng dạy & Học tập]
  • Phương pháp sư phạm: Kết hợp phương pháp giảng dạy tích cực gồm diễn giảng, vấn đáp và dạy học theo vấn đề (Problem-based learning). Giảng viên thiết kế giáo án tích hợp theo từng bài học; tổ chức dạy lý thuyết tập trung và chia ca thực hành theo quy định.
  • Tổ chức không gian học tập và trang thiết bị:
    • Phòng học lý thuyết: Trang bị máy tính, máy chiếu, bảng và học liệu chuyên môn.
    • Phòng thực hành chuyên môn: Phòng mô hình tự động hóa (phòng DCS), xưởng thiết bị tĩnh – thiết bị động, trạm điện.
    • Học liệu: Giáo trình, bản vẽ P&ID thực tế của Vietsovpetro, phiếu đánh giá thực hành và trang thiết bị bảo hộ lao động (giày cách điện, găng tay cách điện, nón bảo hộ).
  • Quy chế học tập và tự học:
    • Sinh viên phải nghiên cứu giáo trình và tài liệu tham khảo trước khi lên lớp.
    • Phương pháp thảo luận nhóm: Mỗi nhóm từ 6 đến 8 sinh viên, nhận chủ đề kỹ thuật trước buổi học để phân công thành viên thực hiện và hoàn thiện báo cáo nhóm.
    • Điều kiện dự thi: Tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết (vắng quá 30% thời lượng lý thuyết phải học lại mô-đun).
  • Cơ cấu đánh giá kết quả học tập:
    • Kiểm tra thường xuyên: 01 điểm kiểm tra (vấn đáp, bài tập tình huống hoặc kiểm tra viết $\le 30$ phút).
    • Kiểm tra định kỳ (03 bài):
      1. Bài số 1 (Lý thuyết, 45÷60 phút): Trắc nghiệm/tự luận/trả lời ngắn/điền khuyết nội dung Bài 1 (đáp ứng chuẩn A1, A2, C1).
      2. Bài số 2 (Lý thuyết, 45÷60 phút): Trắc nghiệm/tự luận nội dung Bài 2 (đáp ứng chuẩn A3, A4, A5, C1).
      3. Bài số 3 (Thực hành, 60 phút): Thao tác kỹ thuật trên thiết bị/sơ đồ Bài 2 (đáp ứng chuẩn B1, B2/B4, C1).
    • Thi kết thúc mô-đun: Bắt buộc gồm 2 phần độc lập: Trắc nghiệm lý thuyết (45÷60 phút) và Thực hành tay nghề (60 phút).

Điểm nổi bật và tính cập nhật

Tài liệu được thiết kế bám sát các tiêu chuẩn đào tạo nghề quốc tế và thực tiễn vận hành công nghiệp:

  • Tích hợp nguồn tài liệu chuẩn hóa: Nội dung giáo trình được biên soạn dựa trên sự đối sánh và kế thừa từ các tài liệu chuyên ngành:
    • Module Process Control Theory - Instrumentation Level 3 (NCCER, tái bản lần 3, Pearson xuất bản năm 2016).
    • Fundamentals of Process Control (PAControl, 2006).
    • Giáo trình Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình của TS. Hoàng Minh Sơn (NXB Bách khoa Hà Nội, 2016).
  • Gắn kết thực tế công nghiệp Dầu khí: Giáo trình sử dụng trực tiếp các bản vẽ lưu trình P&ID thực tế từ Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro và hệ thống công nghệ tại các cơ sở chế biến, vận chuyển dầu khí. Các ví dụ về vòng điều khiển áp suất bao hơi lò phản ứng, vòng điều khiển mức bồn chứa lớn chống hiện tượng dừng bơm (trip) do sụt áp, và vòng điều khiển tỉ lệ buồng đốt đều là các bài toán thực tế của nhà máy.
  • Song hành hai nền tảng công nghệ điều khiển: Giáo trình không chỉ tập trung vào hệ thống điện tử hiện đại mà còn phân tích chi tiết nguyên lý điều khiển khí nén truyền thống (chuẩn 3÷15 psi). Đây là kiến thức bắt buộc đối với kỹ thuật viên vận hành trong môi trường dầu khí, nơi thiết bị khí nén được ưu tiên sử dụng tại các khu vực yêu cầu an toàn phòng chống cháy nổ nghiêm ngặt.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên và học viên:
    • Học sinh, sinh viên trình độ Cao đẳng và Trung cấp chuyên ngành Sửa chữa thiết bị tự động hóa và Đo lường - Điều khiển tự động (Instrumentation).
    • Học viên các khóa đào tạo kỹ thuật viên vận hành, bảo dưỡng thiết bị đo lường và điều khiển quá trình tại các nhà máy công nghiệp.
  • Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các mô-đun/môn học trước trong khung chương trình:
    • Nhóm cơ sở: An toàn tự động hóa (TĐH19MĐ01), Điện kỹ thuật 1 (KTĐ19MĐ05), Điện tử cơ bản (TĐH19MĐ02), Khí cụ điện (KTĐ19MĐ13), Đo lường điện (KTĐ19MĐ08), Kỹ thuật số (TĐH19MĐ04).
    • Nhóm chuyên môn trực tiếp: Thiết bị đo lường (TĐH19MH05), Bản vẽ thiết bị đo lường (TĐH19MH06), Hiệu chuẩn thiết bị đo lường (TĐH19MĐ07), Lắp đặt hệ thống TĐH 1 và 2 (TĐH19MĐ08, TĐH19MĐ09).
  • Giảng viên và cán bộ đào tạo: Sử dụng làm căn cứ biên soạn giáo án lý thuyết, giáo án tích hợp, thiết kế bài tập tình huống P&ID và xây dựng bảng tiêu chí chấm thi thực hành tại phòng mô hình DCS.
  • Kỹ sư và kỹ thuật viên nhà máy: Dùng làm tài liệu tham khảo để tra cứu nguyên lý cấu tạo của van điều khiển, bộ định vị van, cơ cấu Flapper-Nozzle khí nén và sách lược xử lý sai lệch vòng điều khiển trong thực tế bảo trì nhà xưởng.

Câu hỏi thường gặp (FAQ)

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng người học nào?

Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp cho học sinh, sinh viên học nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (trình độ Trung cấp và Cao đẳng) thuộc hệ thống giáo dục nghề nghiệp, đồng thời phù hợp cho kỹ thuật viên bảo dưỡng thiết bị đo lường và tự động hóa trong các cơ sở sản xuất công nghiệp.

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học?

Người học bắt buộc phải nắm vững nguyên lý hoạt động của các loại cảm biến đo thông số quá trình (áp suất, nhiệt độ, lưu lượng, mức), kỹ năng đọc bản vẽ thiết bị đo lường, kiến thức về mạch điện tử cơ bản và kỹ thuật hiệu chuẩn thiết bị đo lường tương tự - số.

3. Giáo trình này có điểm gì khác biệt so với các giáo trình lý thuyết điều khiển tự động thông thường?

Khác với các tài liệu thuần túy toán học tập trung vào biến đổi Laplace hay không gian trạng thái, giáo trình này tiếp cận theo định hướng công nghệ thực hành: tập trung vào bản chất vật lý của quá trình, cấu trúc kênh thiết bị thực tế, cách đọc bản vẽ P&ID, phân tích chi tiết cấu tạo phần cứng van điều khiển, bộ điều khiển khí nén Flapper-Nozzle và các chế độ vận hành thực tế (Auto/Manual/Local/Remote).

4. Phương pháp tự học giáo trình như thế nào để đạt hiệu quả cao?

Người học nên kết hợp đọc lý thuyết từng phần với việc tự giải các câu hỏi củng cố cuối bài; chủ động phân tích các sơ đồ hình vẽ thực tế (từ Hình 1-1 đến Hình 2-15); tổ chức thảo luận nhóm 6-8 người để giải mã các lưu trình công nghệ P&ID mẫu trước khi thực hành thao tác trên mô hình DCS.

5. Giáo trình có những tài liệu và học liệu bổ trợ nào đi kèm?

Học liệu đi kèm gồm có hệ thống bản vẽ P&ID thực tế của Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro, giáo trình tham khảo Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình của TS. Hoàng Minh Sơn, tài liệu Module Process Control Theory của NCCER, hệ thống bài tập trắc nghiệm củng cố và phiếu đánh giá kỹ năng thực hành tại phòng thực hành DCS.

Kết luận

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (Mã mô-đun: TĐH19MĐ10) của Trường Cao đẳng Dầu khí là tài liệu đào tạo chuyên môn cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện về vòng lặp điều khiển và thiết bị điều khiển công nghiệp. Nội dung giáo trình kết nối chặt chẽ giữa lý thuyết quá trình cân bằng năng lượng với kỹ năng nhận dạng thiết bị trên bản vẽ P&ID và thao tác phần cứng thực tế.

Trong sơ đồ đào tạo nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa, mô-đun là cầu nối chuyển tiếp quan trọng để người học tiếp tục làm chủ các học phần kỹ thuật chuyên sâu kế tiếp gồm:

  • Đấu nối dây (TĐH19MĐ12)
  • Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén (TĐH19MĐ13)
  • Điều khiển lập trình PLC (TĐH19MĐ15)
  • Hệ thống điều khiển phân tán DCS (TĐH19MĐ17)
  • Điều khiển quá trình nâng cao (TĐH19MĐ18)
  • Kiểm tra, chạy thử và xử lý lỗi vòng điều khiển (TĐH19MĐ19)

Tài liệu tham khảo chính của giáo trình:

  1. TS. Hoàng Minh Sơn (2016), Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình, NXB Bách khoa Hà Nội.
  2. NCCER (2016), Module Process Control Theory - Instrumentation Level 3, 3rd Edition, Pearson.
  3. PAControl (2006), Fundamentals of Process Control, PAControl.