Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (Mã mô đun: TĐH19MĐ11) là tài liệu giảng dạy chính khóa được ban hành theo Quyết định số 191/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 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, với sự hỗ trợ chuyên môn của Tiểu ban môn (TBM) Tự động hóa.

Trong khung chương trình đào tạo trình độ Cao đẳng và Trung cấp, mô đun có thời lượng 45 giờ (tương đương 2 tín chỉ), gồm 14 giờ lý thuyết, 29 giờ thực hành/thảo luận và 2 giờ dành cho kiểm tra định kỳ. Đây là môn học kỹ thuật cơ sở bắt buộc, được bố trí giảng dạy sau các môn học chung (Giáo dục chính trị, Pháp luật, Tin học, Tiếng Anh) và các môn kỹ thuật cơ sở nền tảng như An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01), Vẽ kỹ thuật (CK19MH01), Điện kỹ thuật (KTĐ19MH10), nhằm chuẩn bị kiến thức vận hành cho các mô đun chuyên ngành tiếp theo.

Mục tiêu đào tạo của giáo trình được xác định rõ ràng qua ba nhóm chuẩn đầu ra:

  • Kiến thức (A1 - A4): Trình bày định nghĩa về quá trình, điều khiển quá trình, sơ đồ khối vòng điều khiển; giải thích tầm quan trọng của điều khiển về mặt biến thiên, hiệu quả và an toàn; mô tả 3 nhiệm vụ chính (đo lường, so sánh, điều chỉnh); nhận diện và thuyết minh các thông số công nghệ trên bản vẽ P&ID.
  • Kỹ năng (B1): Vận hành, điều khiển thành thạo vòng điều khiển lưu lượng ở các chế độ bằng tay (Manual), tự động (Automatic) và tầng (Cascade).
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1 - C3): Rèn luyện thái độ cẩn trọng, tuân thủ nghiêm ngặt quy trình an toàn phòng điều khiển trung tâm (DCS) và thực hiện vệ sinh công nghiệp.

Giáo trình được thiết kế theo cấu trúc mô-đun hóa với tỷ trọng thực hành chiếm gần 70% tổng thời lượng (29/45 giờ thực hành), tiếp cận trực tiếp việc vận hành trên hệ thống điều khiển phân tán DCS công nghiệp thực tế.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được phân chia thành 3 bài học chính theo trình tự phát triển từ lý thuyết tổng quan, nguyên lý hệ thống đến kỹ năng vận hành thiết bị thực tế:

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

    • Nội dung cốt lõi: Cung cấp định nghĩa quá trình kỹ thuật; phân loại biến quá trình (biến vào, biến ra, biến trạng thái); phân loại quá trình theo cấu trúc biến (đơn biến SISO, đa biến MIMO) và theo đặc tính thời gian (liên tục, gián đoạn, rời rạc, mẻ).
    • Trọng tâm phân tích: Phân biệt bản chất giữa bài toán điều chỉnh (regulation - duy trì giá trị đặt trước ảnh hưởng của nhiễu) và bài toán bám (tracking - bám theo tín hiệu thay đổi liên tục). Giáo trình xác định rõ trong công nghiệp chế biến, bài toán điều chỉnh giữ vai trò chủ đạo. Phân tích 5 mục đích then chốt: ổn định vận hành, đảm bảo chất lượng/năng suất, an toàn hệ thống, bảo vệ môi trường và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế.

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

    • Nội dung cốt lõi: Cấu trúc sơ đồ khối của một vòng điều khiển chuẩn; phân tích chi tiết 3 khối chức năng: thiết bị đo (cảm biến và bộ chuyển đổi chuẩn Transmitter), thiết bị điều khiển (Controller: tương tự, số, logic), thiết bị chấp hành (Final Control Element - FCE: van điều khiển, bơm, quạt).
    • Hệ thống thuật ngữ chuẩn hóa: Định nghĩa và ký hiệu quốc tế của các biến: Giá trị đặt (SP/SV), Tín hiệu điều khiển (CO), Biến điều khiển/thao tác (MV), Biến được điều khiển (CV/PV), Biến được đo, Tín hiệu đo (PM), Nhiễu (Disturbance), Sai số ($E = \text{PV} - \text{SV}$), Độ lệch ổn định ($Offset = \text{PV} - \text{SP}$).
    • Các cấu trúc điều khiển: So sánh nguyên lý vận hành của điều khiển bằng tay (Manual), điều khiển tự động (Auto), điều khiển vòng hở (Feedforward/bù nhiễu), điều khiển vòng kín (Feedback) và điều khiển tầng (Cascade). Trong điều khiển tầng cho thiết bị gia nhiệt, bộ điều khiển nhiệt độ TC đóng vai trò là bộ điều khiển chủ (Master/Primary), tín hiệu ra của TC là giá trị đặt cho bộ điều khiển lưu lượng hơi FC đóng vai trò bộ điều khiển tớ (Slave/Secondary): $$\text{SP}{\text{FC}} = \text{MV}{\text{TC}}$$
    • Đọc hiểu bản vẽ P&ID (Piping and Instrumentation Diagram): Chuẩn hóa theo tiêu chuẩn ISA; nhận diện các biểu tượng thiết bị đo (Discrete Instrument, Shared Control, Shared Display, Computer Function, PLC); quy cách đường liên kết tín hiệu; cấu trúc số thẻ thiết bị (Tag number) gồm mã khu vực và ký tự chức năng (chữ cái đầu tiên thể hiện đại lượng đo theo Bảng 2.1).

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

    • Nội dung cốt lõi: Quy trình vận hành vòng điều khiển dòng nước sử dụng bộ điều khiển FIC011/FIC012 và van điều khiển khí nén CV-1 qua bộ biến đổi điện áp/dòng sang áp suất I/P (chuyển đổi 4–20 mA thành 3–15 psi).
    • Sách lược điều khiển: Vận hành ở chế độ bằng tay (MAN), chế độ tự động (AUT), chế độ tầng (CAS) và điều khiển theo tỷ số (Ratio Control) giữa dòng lưu lượng độc lập $F_A$ và dòng điều khiển $F_B$.
    • Phương pháp chỉnh định (Tuning) tham số PID: Ứng dụng phương pháp thực nghiệm dao động vòng kín tận cùng của Ziegler–Nichols (1942). Dựa trên độ lợi tỷ lệ giới hạn $PB_u$ và chu kỳ dao động tự duy trì $T_u$ (đáp ứng tỷ số suy giảm 1/4), sinh viên tính toán các thông số $P$, $I$, $D$ theo bảng quy chuẩn:
      • Bộ điều khiển P: $P = 2 PB_u; I = \infty; D = 0$
      • Bộ điều khiển PI: $P = 2.2 PB_u; I = T_u / 1.2; D = 0$
      • Bộ điều khiển PID: $P = 1.7 PB_u; I = T_u / 2; D = T_u / 8$
    • Quy trình thực nghiệm trên DCS Centum VP / CS3000 (Yokogawa): Khởi động trạm vận hành HIS, nạp dữ liệu điều khiển qua trạm hiện trường FCS, thao tác trên giao diện đồ họa Mimic Panel, Faceplate, Tuning Panel, quan sát cửa sổ Tuning Trend (TG0101).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình cung cấp nền tảng lý thuyết điều khiển tự động ứng dụng trong công nghiệp dầu khí:

  • Nguyên lý vòng điều khiển phản hồi và bù nhiễu: Cơ chế truyền dẫn tín hiệu, phản hồi âm để khử sai số tĩnh và sai số động.
  • Nguyên lý đo lường công nghiệp: Quan hệ chuyển đổi giữa các đại lượng quá trình và tín hiệu đo tiêu chuẩn (ví dụ đo mức bằng phương pháp chênh áp $\Delta P = \gamma \cdot h$, trong đó $\gamma$ là trọng lượng riêng chất lỏng và $h$ là chiều cao cột chất lỏng).
  • Chuẩn hóa kỹ thuật ISA: Cơ chế gán nhãn, phân định chức năng thiết bị đo lường và điều khiển trên các sơ đồ công nghệ P&ID/PFD.
  • Lý thuyết chỉnh định PID thực nghiệm: Phương pháp tiếp cận mô hình hóa đường cong đáp ứng quá trình để xác định thời gian trễ (thời gian chết), hằng số thời gian và tham số điều khiển tối ưu.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Thao tác cài đặt các thông số SP, MV, P, I, D trên giao diện phần mềm điều khiển DCS CS3000/Centum VP; đấu nối cáp tín hiệu điều khiển KS-2, KS-9 giữa mô hình công nghệ và tủ điều khiển FCS; hiệu chỉnh áp suất khí nén cấp cho van điều khiển ở mức chuẩn 4 $\text{kgf/cm}^2$ và nguồn điện 220 Vac $\pm 5%$.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Đọc hiểu và bóc tách các vòng lặp điều khiển từ bản vẽ P&ID; phân tích dạng sóng dao động của biến quá trình PV trên Tuning Trend để nhận biết trạng thái tắt dần (Underdamped/Overdamped), dao động không ổn định biên độ tăng dần, hoặc dao động hình sin ổn định.
  • Kỹ năng thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Vận hành tuần tự các bước mở/đóng hệ thống van tay (V1-1, V1-2, V1-4, V1-5, V1-11, V2-1, V2-3, VS1...); kiểm tra điều kiện an toàn mở van CV-1/CV-2 trước khi khởi động bơm P1/P2 để chống hiện tượng bơm chạy khô gây hỏng hóc thiết bị.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình định hướng mô hình đào tạo kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết và thực hành, cụ thể:

  • Phương pháp tiếp cận sư phạm:

    • Đối với giảng viên: Áp dụng các phương pháp giảng dạy tích cực như diễn giảng kết hợp trực quan hóa qua máy chiếu, vấn đáp kiểm tra nhận thức và dạy học nêu vấn đề (Problem-based learning). Thiết kế giáo án tích hợp, phân chia lớp học thành các ca thực hành chuyên biệt trong phòng DCS.
    • Đối với sinh viên: Áp dụng phương pháp tự học kết hợp làm việc nhóm (mỗi nhóm từ 6 đến 8 người). Các thành viên được phân công chịu trách nhiệm từng phần nội dung thảo luận trước khi tham gia buổi thực hành.

  • Bài tập và thực hành tình huống:

    • Bài tập đọc bản vẽ: Sinh viên sử dụng bản vẽ PFD và P&ID mẫu từ thực tế sản xuất để bóc tách thông số công nghệ, xác định mã Tagname, nhận diện thiết bị đo, thiết bị điều khiển và thiết bị chấp hành cuối cùng.
    • Thực hành mô phỏng và thao tác DCS: Thực hiện khảo sát đáp ứng của vòng điều khiển lưu lượng tại nhiều điểm làm việc khác nhau (từ 20% đến 80% dải đo của SV), tiến hành thay đổi bước nhảy $\pm 5%$ hoặc $\pm 2%$ trên giá trị đặt để quan sát và ghi nhận đặc tính động học của hệ thống.

  • Phương pháp đánh giá kết quả học tập:

    • Kiểm tra thường xuyên (01 bài): Thực hiện bằng hình thức hỏi miệng vấn đáp hoặc bài kiểm tra viết dưới 30 phút trong quá trình học.
    • Kiểm tra định kỳ (02 bài):
      • Bài số 1: Lý thuyết (trắc nghiệm/tự luận, thời gian 45–60 phút), đánh giá các chuẩn đầu ra kiến thức A1, A2, A3, A4 và thái độ C1.
      • Bài số 2: Thực hành (thao tác trực tiếp trên trạm DCS, thời gian 60 phút), đánh giá chuẩn đầu ra kỹ năng B1 và năng lực tự chủ C1, C2, C3.
    • Thi kết thúc mô đun: Kết hợp hai phần bắt buộc: thi lý thuyết trắc nghiệm (45–60 phút) và thi thực hành thao tác vận hành trên hệ thống DCS (60 phút).

  • Quy định tự học và chuyên cần: Sinh viên phải nghiên cứu giáo trình và tài liệu tham khảo trước giờ học, tham dự tối thiểu 70% tổng thời lượng lý thuyết (vắng quá 30% số tiết lý thuyết bắt buộc phải học lại).

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Bám sát cấu hình DCS công nghiệp thực tế: Khác với các tài liệu thuần túy lý thuyết, giáo trình đưa toàn bộ giao diện và quy trình vận hành trên hệ thống điều khiển phân tán CENTUM VP / CS3000 của hãng Yokogawa – hệ thống đang được vận hành phổ biến tại các nhà máy chế biến khí, nhà máy lọc dầu và công trình dầu khí tại Việt Nam.
  • Tích hợp học liệu thực tế từ ngành Dầu khí: Giáo trình sử dụng trực tiếp các bản vẽ P&ID tham khảo từ Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro, giúp sinh viên làm quen với chuẩn ký hiệu, mã thẻ thiết bị và cách tổ chức hệ thống điều khiển đang áp dụng trong sản xuất thực tế.
  • Quy trình chuẩn hóa từng bước (SOP): Giáo trình xây dựng chi tiết từng bước thao tác (từ cấp nguồn 220 Vac, chỉnh áp suất khí nén 4 $\text{kgf/cm}^2$, cấu hình mẫu mở van Pattern Valve Panel đến đăng nhập HIS và vận hành Faceplate), kèm theo các lưu ý an toàn cụ thể như cảnh báo chống cháy bơm do chạy khô.
  • Tham khảo tài liệu tiêu chuẩn quốc tế và trong nước: Nội dung biên soạn được đối sánh và tham chiếu từ các tài liệu uy tín:
    • Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình (TS. Hoàng Minh Sơn, NXB Bách khoa Hà Nội, 2016).
    • Instrumentation Level 1, 3rd Edition (NCCER, Pearson, 2015).
    • Fundamentals of Process Control (PAControl, 2006).

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên và học viên:
    • Học sinh, sinh viên trình độ Trung cấp và Cao đẳng nghề thuộc các chuyên ngành: Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí, Khoan khai thác dầu khí.
    • Học viên ngành Sửa chữa thiết bị tự động hóa cần nắm vững nguyên lý vòng điều khiển và giao diện vận hành trạm DCS.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các môn học chung và các mô đun kỹ thuật cơ sở trong chương trình đào tạo:
    • An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01).
    • Vẽ kỹ thuật (CK19MH01).
    • Điện kỹ thuật (KTĐ19MH10).
  • Giảng viên và kỹ thuật viên: Dùng làm tài liệu chuẩn để thiết kế giáo án lý thuyết, giáo án thực hành, biên soạn đề thi trắc nghiệm, đề thi thực hành và xây dựng tiêu chí đánh giá trên phiếu chấm kỹ năng phòng DCS.
  • Kỹ thuật viên vận hành tự học: Dùng làm tài liệu tra cứu các thuật ngữ điều khiển quá trình, bảng ký hiệu viết tắt ISA, phương pháp chỉnh định PID Ziegler–Nichols và quy trình thao tác trên hệ thống DCS Centum VP.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng đào tạo nào?

Tài liệu được biên soạn phục vụ trực tiếp cho học sinh, sinh viên trình độ Trung cấp và Cao đẳng các nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí, Vận hành thiết bị khoan khai thác dầu khí, Khoan khai thác dầu khí, cũng như chuyên ngành kỹ thuật sửa chữa tự động hóa tại Trường Cao đẳng Dầu khí và các trường đào tạo khối kỹ thuật.

2. Người học cần có kiến thức nền tảng nào trước khi tiếp cận mô đun?

Sinh viên cần tích lũy các kiến thức kỹ thuật cơ sở thông qua các môn học tiên quyết bao gồm: An toàn vệ sinh lao động (nắm vững quy tắc an toàn điện và phòng điều khiển), Vẽ kỹ thuật (đọc hiểu quy ước nét vẽ, sơ đồ hình học) và Điện kỹ thuật (hiểu về tín hiệu dòng điện 4–20 mA, điện áp, tiếp điểm logic).

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

Giáo trình tập trung vào khía cạnh vận hành thực hành trong công nghiệp chế biến dầu khí. Hơn 64% thời lượng (29/45 giờ) là thực hành trên hệ thống DCS Centum VP (Yokogawa). Các bài toán điều khiển tập trung vào các biến công nghệ thực tế (lưu lượng, mức, áp suất, nhiệt độ) và sử dụng bản vẽ P&ID thực tế của Liên doanh Việt - Nga Vietsovpetro thay vì chỉ giải phương trình toán học lý thuyết.

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

Người học nên nghiên cứu trước các thuật ngữ tiếng Anh chuyên ngành (SP, PV, MV, CO, Offset), luyện tập kỹ năng bóc tách mã thẻ Tag number trên bản vẽ P&ID theo Bảng 2.1, hoàn thành hệ thống câu hỏi trắc nghiệm củng cố sau mỗi bài học, và tham gia thảo luận nhóm (6–8 người) để nắm chắc các bước thao tác trước khi vào phòng thực hành DCS.

5. Giáo trình có đi kèm các tài liệu bổ trợ nào không?

Giáo trình cung cấp danh mục tài liệu tham khảo trong nước và quốc tế (giáo trình của TS. Hoàng Minh Sơn, tài liệu NCCER, PAControl), các bản vẽ mẫu P&ID/PFD của Vietsovpetro, bảng tính toán thông số Ziegler–Nichols và hệ thống phiếu đánh giá kỹ năng thực hành phục vụ kiểm tra, thi kết thúc mô đun.

Kết luận

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (TĐH19MĐ11) hệ thống hóa toàn diện các kiến thức nền tảng về đo lường, cấu trúc vòng điều khiển kín/hở, điều khiển tầng, điều khiển tỷ số và chuẩn hóa ký hiệu bản vẽ P&ID theo chuẩn ISA. Tài liệu thiết lập cầu nối giữa lý thuyết điều khiển học và kỹ năng vận hành thực địa trên hệ thống DCS Centum VP / CS3000 của Yokogawa.

Sau khi hoàn thành mô đun này, người học có đủ năng lực để tiếp tục theo học các mô đun chuyên môn ngành chuyên sâu tiếp theo như: Vận hành hệ thống đường ống và bể chứa (CNH19MĐ17), Vận hành máy thủy khí (CNH19MĐ18), Vận hành lò gia nhiệt, thiết bị nhiệt (CNH19MĐ20), Vận hành phân xưởng chưng cất dầu thô (CNH19MĐ22), Vận hành phân xưởng chế biến dầu (CNH19MĐ23) và Vận hành các phân xưởng chế biến khí (CNH19MĐ25). Người học có thể mở rộng kiến thức chuyên sâu thông qua giáo trình Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình của TS. Hoàng Minh Sơn và bộ tài liệu Instrumentation Level 1 của NCCER.