Tổng quan về giáo trình

Giáo trình môn học Cơ sở điều khiển quá trình (Mã mô đun: TĐH19MĐ11) được biên soạn theo chương trình đào tạo của Trường Cao đẳng Dầu khí (thuộc Tập đoàn Dầu khí Việt Nam), ban hành kèm theo Quyết định số 192/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 tại Bà Rịa – Vũng Tàu. Ban biên soạn giáo trình gồm ThS. Phạm Thị Thu Hường (Chủ biên) và kỹ sư Nguyễn Xuân Thịnh, cùng sự đóng góp chuyên môn từ tập thể giáo viên Tiểu ban môn Tự động hóa của nhà trường.

Trong cấu trúc chương trình đào tạo trình độ cao đẳng ngành Vận hành thiết bị khai thác dầu khí (tổng khối lượng 86 tín chỉ, 2025 giờ), mô đun Cơ sở điều khiển quá trình được xếp ở vị trí thứ 10 thuộc nhóm môn học/mô đun kỹ thuật cơ sở (sau các môn học chung như Giáo dục chính trị, Pháp luật, Tin học, Tiếng Anh và học song song/sau các môn kỹ thuật như Vẽ kỹ thuật, Điện kỹ thuật cơ bản). Thời lượng toàn khóa của mô đun là 45 giờ, bao gồm 15 giờ lý thuyết và 30 giờ thực hành/kiểm tra (tương đương 2 tín chỉ).

Mục tiêu học tập của giáo trình được xác lập theo ba nhóm chuẩn đầu ra cụ thể:

  • Về kiến thức (A1–A4): Người học trình bày được các định nghĩa về quá trình, điều khiển quá trình, cấu trúc vòng điều khiển; giải thích được tầm quan trọng của điều khiển quá trình đối với độ biến thiên, hiệu quả kinh tế và an toàn vận hành; mô tả được ba nhiệm vụ cốt lõi (đo lường, so sánh, điều chỉnh); nhận biết và thuyết minh được các thông số công nghệ trên bản vẽ sơ đồ đường ống và thiết bị đo lường (P&ID).
  • Về kỹ năng (B1): Vận hành và điều khiển thành thạo vòng điều khiển lưu lượng ở chế độ bằng tay (Manual), chế độ tự động (Automatic) và chế độ tầng (Cascade).
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1–C3): Rèn luyện tính cẩn thận, tuân thủ nghiêm ngặt quy định an toàn trong phòng điều khiển và khi vận hành hệ thống, thực hiện đúng quy trình vệ sinh công nghiệp sau ca thực hành.

Cấu trúc giáo trình tiếp cận theo mô hình tích hợp lý thuyết gắn liền với thực nghiệm mô phỏng, trang bị kiến thức chuẩn hóa về đo lường – điều khiển theo chuẩn ISA và chuyển giao trực tiếp sang kỹ năng vận hành trên hệ thống điều khiển phân tán DCS Centum VP của hãng Yokogawa.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được tổ chức thành 3 bài học chính với tiến trình phát triển từ nhận thức tổng quan, phân tích nguyên lý cấu trúc đến thao tác vận hành thiết bị thực tế:

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

    • Nội dung trọng tâm: Giới thiệu định nghĩa quá trình và biến quá trình (biến vào, biến ra, biến trạng thái theo mô hình nhân – quả).
    • Phân loại quá trình: Phân chia theo số lượng biến gồm hệ đơn biến SISO (Single-Input Single-Output) và hệ đa biến MIMO (Multi-Input Multi-Output); phân chia theo đặc tính đại lượng gồm quá trình liên tục, gián đoạn, rời rạc và quá trình mẻ.
    • Phân biệt nhiệm vụ điều khiển: Làm rõ sự khác biệt giữa bài toán điều chỉnh (duy trì giá trị đặt cố định trước tác động của nhiễu) và bài toán bám (tín hiệu ra bám theo tín hiệu chủ đạo thay đổi liên tục).
    • Mục tiêu cốt lõi: Xác lập 5 mục tiêu vận hành công nghiệp: ổn định hệ thống, đảm bảo năng suất/chất lượng sản phẩm, đảm bảo an toàn thiết bị/con người, bảo vệ môi trường và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế.

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

    • Cấu trúc vòng điều khiển: Phân tích sơ đồ khối chuẩn gồm 3 thành phần chính: thiết bị đo (cảm biến và bộ chuyển đổi đo chuẩn Transmitter), thiết bị điều khiển (Controller), và thiết bị chấp hành (Final Control Element – FCE, cơ cấu chấp hành và phần tử điều khiển như van điều khiển, bơm, quạt gió). Ba nhiệm vụ tương ứng gồm: đo lường, so sánh và điều chỉnh.
    • Hệ thống thuật ngữ chuyên ngành: Chuẩn hóa các khái niệm biến quá trình ($PV$), giá trị đặt ($SP/SV$), tín hiệu điều khiển ($CO$), biến điều khiển/thao tác ($MV$), biến được điều khiển ($CV$), biến được đo ($PV/PM$), sai số ($E = PV - SV$), độ lệch tĩnh ($Offset = PV - SP$) và nhiễu ($Disturbance$).
    • Các cấu trúc và sách lược điều khiển: So sánh chi tiết giữa điều khiển bằng tay (Manual), điều khiển tự động (Automatic), điều khiển vòng hở (Open Loop/điều khiển bù nhiễu), điều khiển vòng kín (Closed Loop) và điều khiển tầng (Cascade Control) với cấu trúc bộ điều khiển chủ Master/Primary ($TC$) thiết lập giá trị đặt cho bộ điều khiển tớ Slave/Secondary ($FC$) theo công thức $SP_{FC} = MV_{TC}$.
    • Bản vẽ P&ID: Hướng dẫn nhận dạng hệ thống biểu tượng thiết bị theo tiêu chuẩn ISA (Discrete Instrument, Shared Control, Shared Display, Computer Function, PLC), các loại đường liên kết (đường ống công nghệ, tín hiệu điện, khí nén), cấu trúc số thẻ thiết bị (Tag number) và bảng mã chữ cái nhận dạng biến đo lường.

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

    • Môi trường thực hành: Hệ thống điều khiển phân tán DCS Centum VP / CS3000 của hãng Yokogawa kết nối mô hình thực nghiệm gồm bơm P1, P2, van điều khiển CV-1, CV-2, bộ chuyển đổi I/P (tín hiệu điện 4–20 mA sang tín hiệu khí nén 3–15 PSI), và cáp tín hiệu KS-2, KS-9.
    • Vận hành các chế độ: Quy trình chuyển đổi và thiết lập thông số trên Faceplate và Tuning Panel ở các chế độ MAN, AUT, CAS.
    • Quy trình dò tìm tham số PID: Ứng dụng phương pháp dao động vòng kín – nhạy cảm tận cùng Ziegler – Nichols (1942) tại các điểm làm việc từ 20% đến 80% $SV$. Người học xác định chu kỳ dao động tới hạn $T_u$ và dải tỷ lệ tới hạn $PB_u$ từ đường cong đáp ứng dạng sóng sin biên độ không đổi, sau đó tính toán thông số $P$, $I$, $D$ theo bảng công thức quy chuẩn.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập hệ thống lý thuyết kỹ thuật vững chắc qua các nội dung:

  • Nguyên lý quan hệ nhân - quả trong động học quá trình: Phân tích các mối liên hệ giữa tác động đầu vào, trạng thái biến đổi vật lý/hóa học và đáp ứng đầu ra trong môi trường chất lỏng và chất khí.
  • Mô hình toán học cơ sở của thiết bị đo lường: Xây dựng công thức tính toán mức chất lỏng qua áp suất chênh lệch của cảm biến $\Delta P = \gamma \cdot h$ (trong đó $\gamma$ là trọng lượng riêng, $h$ là chiều cao cột chất lỏng).
  • Cơ sở toán học thuật toán điều khiển phản hồi PID: Phân tích bản chất của dải tỷ lệ $PB$ ($P%$), thời gian tích phân $T_I$ ($I$), thời gian vi phân $T_D$ ($D$) và nguyên lý triệt tiêu sai số xác lập của khâu tích phân.
  • Chuẩn hóa sơ đồ công nghệ theo tiêu chuẩn ISA: Cung cấp hệ thống quy ước biểu tượng, chữ cái nhận dạng chức năng và mã định danh khu vực lắp đặt thiết bị.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Thao tác chính xác trên giao diện trạm vận hành HIS và trạm điều khiển hiện trường FCS; đọc, phân tích và bóc tách dữ liệu kỹ thuật từ các bản vẽ sơ đồ dòng công nghệ PFD và sơ đồ thiết bị P&ID; kết nối phần cứng, cấu hình đường tín hiệu tương tự 4–20 mA và tín hiệu áp suất khí nén 0.2–1 bar (3–15 PSI).
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Đọc đồ thị xu hướng (Tuning Trend), phân loại các dạng đáp ứng quá trình (Overdamped, Underdamped, dao động không ổn định biên độ tăng dần, dao động sóng sin ổn định); tính toán chu kỳ $T_u$ và các hệ số PID tương ứng cho từng kiểu điều khiển P, PI, PID.
  • Kỹ năng thực hành an toàn và vận hành công nghiệp (Practical competencies): Thực hiện quy trình an toàn kiểm tra áp suất khí nén cấp cho van đạt $4\text{ kgf/cm}^2$, mở van xả/van cấp trước khi khởi động bơm để chống hiện tượng bơm chạy khô; thao tác xử lý chuyển mạch điều khiển tại tủ Mimic Panel và trên phần mềm DCS.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình quy định cụ thể phương pháp tổ chức giảng dạy và học tập nhằm đáp ứng đặc thù của môn học kỹ thuật thực hành:

  • Phương pháp giảng dạy của giảng viên: Giảng viên áp dụng các phương pháp giảng dạy tích cực như diễn giảng kết hợp trình chiếu mô phỏng, phương pháp nêu vấn đề (Problem-based learning) và vấn đáp trực tiếp trên hệ thống mô hình. Giáo án được thiết kế phân định rõ giữa giờ dạy lý thuyết tập trung và các ca thực hành chuyên môn hóa được chia nhóm nhỏ trong phòng DCS.
  • Phương pháp học tập của sinh viên:
    • Nghiên cứu trước bài học: Người học phải chuẩn bị tài liệu, nghiên cứu kỹ lý thuyết và quy trình thực hành trước khi vào phòng máy.
    • Làm việc nhóm: Áp dụng mô hình thảo luận nhóm từ 6–8 người. Mỗi nhóm được phân công chủ đề nghiên cứu (ví dụ: bóc tách sơ đồ P&ID, phân tích sách lược điều khiển vòng kín) trước khi thực hiện các bài lab trên thiết bị.
    • Kỷ luật học tập: Yêu cầu sinh viên tham dự tối thiểu 70% thời lượng các buổi giảng lý thuyết; trường hợp vắng quá 30% số tiết lý thuyết bắt buộc phải học lại mô đun mới đủ điều kiện dự thi.
  • Cơ sở vật chất và điều kiện thực hiện: Giảng dạy lý thuyết tại phòng học tiêu chuẩn trang bị máy chiếu; giảng dạy thực hành tại phòng DCS chuyên dụng gồm trạm điều khiển FCS, trạm vận hành HIS, mô hình nhà máy kết nối van điều khiển, bơm, bình tích áp khí nén, hệ thống dây nối tín hiệu KS-2/KS-9, bản vẽ P&ID thực tế từ Vietsovpetro và trang bị bảo hộ cá nhân (giày, găng tay cách điện, nón bảo hộ).
  • Quy trình kiểm tra và đánh giá:
    • Kiểm tra thường xuyên: 01 bài kiểm tra vấn đáp hoặc viết dưới 30 phút trong quá trình học.
    • Kiểm tra định kỳ: 02 bài kiểm tra gồm: Bài số 1 (Lý thuyết trắc nghiệm/tự luận, 45–60 phút, đánh giá chuẩn đầu ra A1–A4, C1) và Bài số 2 (Thực hành thao tác hệ thống bài 3, 60 phút, đánh giá chuẩn đầu ra B1, C1–C3).
    • Thi kết thúc mô đun: Kết hợp hai hình thức bắt buộc gồm thi trắc nghiệm lý thuyết (45–60 phút) và thi thực hành trực tiếp trên hệ thống DCS (60 phút) nhằm đánh giá toàn diện các chuẩn đầu ra A1–A4, B1, C1–C3.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Tích hợp thiết bị công nghiệp tiêu chuẩn thực tế: Giáo trình không dừng lại ở mô hình lý thuyết toán mà xây dựng toàn bộ bài thực hành trên nền tảng hệ thống điều khiển phân tán DCS Centum VP / CS3000 của hãng Yokogawa – dòng thiết bị DCS đang được vận hành chủ đạo tại các nhà máy chế biến khí, nhà máy lọc dầu và các giàn khai thác ngoài khơi tại Việt Nam.
  • Gắn kết trực tiếp với dữ liệu sản xuất của ngành Dầu khí: Giáo trình sử dụng trực tiếp các bản vẽ P&ID và quy trình công nghệ tham khảo từ Liên doanh Việt – Nga Vietsovpetro, giúp sinh viên làm quen trực tiếp với ngôn ngữ kỹ thuật, ký hiệu thiết bị và quy chuẩn thẻ tên (Tag name) thực tế của nhà máy công nghiệp dầu khí.
  • Chuẩn hóa quốc tế theo tiêu chuẩn ISA: Nội dung bản vẽ P&ID và thuật ngữ chuyên ngành đo lường điều khiển được biên soạn bám sát các tiêu chuẩn quốc tế của Hội Tự động hóa Quốc tế (ISA).
  • Kế thừa và tổng hợp nguồn tài liệu học thuật uy tín: Nội dung giáo trình được đối sánh và trích dẫn từ các tài liệu chuyên ngành:
    • Tài liệu tiếng Việt: Cơ sở hệ thống điều khiển quá trình của TS. Hoàng Minh Sơn (NXB Bách khoa Hà Nội, 2016).
    • Tài liệu tiếng Anh: Giáo trình đào tạo kỹ thuật quốc tế Instrumentation Level 1 (Tái bản lần 3, NXB Pearson/NCCER, 2015) và tài liệu Fundamentals of Process Control của PAControl (2006).

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Đối tượng đào tạo chính: Sinh viên trình độ cao đẳng và trung cấp thuộc các khối ngành kỹ thuật dầu khí, bao gồm:
    • Nghề Vận hành thiết bị khai thác dầu khí.
    • Nghề Vận hành thiết bị chế biến dầu khí.
    • Nghề Khoan khai thác dầu khí và Sửa chữa thiết bị tự động hóa.
  • Yêu cầu kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Trước khi tiếp cận giáo trình này, người học cần hoàn thành các môn học chung và một số mô đun kỹ thuật cơ sở trong chương trình đào tạo gồm:
    • Vẽ kỹ thuật (CK19MH01): Đọc hiểu các quy ước đường nét, bản vẽ cơ khí và sơ đồ nguyên lý.
    • Điện kỹ thuật cơ bản (KTĐ19MH11): Nắm vững các khái niệm dòng điện, điện áp, tín hiệu đo lường tiêu chuẩn.
    • An toàn vệ sinh lao động (ATMT19MH01): Nắm bắt các quy chuẩn an toàn trước khi vào trạm điện và phòng DCS.
  • Hướng dẫn sử dụng cho giảng viên: Giáo trình đóng vai trò là tài liệu khung pháp lý và học thuật chuẩn để giảng viên biên soạn đề cương bài giảng, thiết kế bài tập tình huống, xây dựng phiếu đánh giá kỹ năng thực hành và biên soạn ngân hàng đề thi trắc nghiệm – thực hành.
  • Hướng dẫn cho học viên tự học và tra cứu: Cung cấp hệ thống câu hỏi củng cố định lượng cuối mỗi bài học, bài tập đọc bản vẽ P&ID thực tế và quy trình thực hành chi tiết từng bước (Step-by-step) để sinh viên tự rèn luyện kỹ năng trước và sau ca vận hành phòng DCS.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình phù hợp với những đối tượng nào?
Giáo trình được thiết kế chuẩn hóa cho học sinh, sinh viên hệ 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, đồng thời là tài liệu tham khảo kỹ thuật cho nhân viên vận hành (Operator) tại các phòng điều khiển trung tâm DCS trong nhà máy công nghiệp.

2. Người học cần chuẩn bị kiến thức nền tảng nào trước khi học mô đun này?
Người học cần hoàn thành các môn học đại cương và các môn kỹ thuật cơ sở gồm Vẽ kỹ thuật (để nhận diện sơ đồ), Điện kỹ thuật cơ bản (để hiểu tín hiệu dòng 4–20 mA, điện áp 1–5 V) và An toàn vệ sinh lao động theo chương trình khung của nhà trường.

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 tập trung vào khía cạnh thực hành ứng dụng công nghiệp quá trình, giảm tải các chứng minh toán học phức tạp; thay vào đó, tập trung đào tạo kỹ năng đọc bản vẽ P&ID chuẩn ISA, nhận diện thiết bị công nghiệp và hướng dẫn quy trình chỉnh định PID trên hệ thống Yokogawa DCS Centum VP dựa trên bản vẽ thực tế của Vietsovpetro.

4. Phương pháp tự học giáo trình này như thế nào để đạt hiệu quả cao?
Sinh viên cần trả lời đầy đủ hệ thống câu hỏi củng cố cuối Bài 1 và Bài 2, tự luyện tập đọc thông số trên các sơ đồ P&ID mẫu, nắm vững thứ tự thao tác chuyển đổi chế độ MAN – AUT – CAS và thuộc bảng công thức tính toán thông số Ziegler – Nichols trước khi thực hiện bài đo trên phần mềm DCS.

5. Giáo trình có những tài liệu bổ trợ nào đi kèm?
Đi kèm giáo trình có hệ thống sơ đồ P&ID tham khảo thực tế từ Vietsovpetro, phiếu hướng dẫn thực hành các bài Lab trên DCS Centum VP, hệ thống câu hỏi trắc nghiệm ôn tập và danh mục tài liệu tham khảo chuyên sâu của TS. Hoàng Minh Sơn, tổ chức NCCER/Pearson và PAControl.

Kết luận

Giáo trình Cơ sở điều khiển quá trình (TĐH19MĐ11) của Trường Cao đẳng Dầu khí là tài liệu đào tạo chuyên môn kỹ thuật cơ sở hoàn chỉnh, kết hợp chặt chẽ giữa lý thuyết điều khiển quá trình tiêu chuẩn và kỹ năng vận hành công nghiệp. Giáo trình cung cấp lộ trình học tập logic: bắt đầu từ các khái niệm động học quá trình, chuẩn hóa nhận diện bản vẽ thiết bị P&ID theo chuẩn ISA, và hoàn thiện bằng kỹ năng cấu hình, vận hành, chỉnh định thuật toán PID trên hệ thống DCS Yokogawa Centum VP thực tế. Đây là tài liệu phục vụ trực tiếp cho quá trình đào tạo nhân lực kỹ thuật vận hành nhà máy dầu khí và là cơ sở để người học tiếp tục nghiên cứu các mô đun chuyên ngành nâng cao như Vận hành van, Vận hành bơm, Vận hành máy nén và Vận hành thiết bị tách dầu khí.