Tổng quan về giáo trình

Giáo trình môn học/mô đun Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén (mã số: TĐH19MĐ13) được ban hành 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). Giáo trình do tập thể tác giả gồm ThS. Nguyễn Xuân Thịnh (Chủ biên), cùng các thành viên Ngô Trí Tùng và Nguyễn Thái Bảo biên soạn.

Về vị trí đào tạo, mô đun TĐH19MĐ13 nằm trong nhóm môn học/mô đun chuyên môn ngành (nhóm II.2), dành cho sinh viên trình độ Cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH), được giảng dạy sau khi sinh viên hoàn thành các môn học cơ sở như Đo lường điện, Kỹ thuật số, Khí cụ điện và Điện tử cơ bản. Thời lượng đào tạo của mô đun là 90 giờ (tương đương 04 tín chỉ), trong đó bao gồm 28 giờ lý thuyết, 58 giờ thực hành/thực tập/bài tập/thảo luận và 04 giờ kiểm tra (02 giờ lý thuyết, 02 giờ thực hành).

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

  • Kiến thức (A1): Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các phần tử thủy lực - khí nén; phân tích nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển; thuyết minh và nhận diện chính xác các ký hiệu kỹ thuật theo tiêu chuẩn.
  • Kỹ năng (B1): Thiết kế được sơ đồ mạch điều khiển thủy lực, khí nén và điện khí nén; thực hiện lắp đặt, đấu nối phần tử và vận hành hệ thống theo đúng yêu cầu công nghệ; phát hiện và khắc phục các lỗi kỹ thuật cơ bản.
  • Năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Hình thành tác phong làm việc an toàn, tuân thủ nghiêm ngặt quy trình vệ sinh công nghiệp trong môi trường áp suất cao, phối hợp làm việc nhóm và có ý thức bảo quản thiết bị xưởng.

Giáo trình có cấu trúc gồm 05 bài học chuyên đề, phân bổ thời lượng thực hành chiếm tới 64,4% (58/90 giờ), tập trung giải quyết các bài toán thiết kế mạch tự động hóa thực tế thông qua các thuật toán điều khiển tuần tự.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được triển khai qua 05 bài học với tiến trình logic từ đại lượng cơ sở, nhận diện phần tử phần cứng đến các giải pháp thiết kế mạch điều khiển nâng cao:

  • Bài 1: Tổng quan hệ thống thủy lực khí nén (Thời lượng: 02 giờ lý thuyết) Cung cấp các khái niệm cơ bản về áp suất ($P = F/A$), đơn vị đo lường và bảng quy đổi chuẩn giữa $Pa, bar, kG/cm^2, atm, mmH_2O, mmHg, psi$ (Bảng 1.1). Phân loại áp suất theo áp suất tương đối ($psig$), áp suất tuyệt đối ($psia$) và chênh áp ($\Delta P$). Thiết lập các công thức tính lực tác dụng ($F = P \cdot A$), công cơ học ($A = F \cdot s \cdot \cos\alpha$) và công suất ($P = A/t$). Đánh giá ưu nhược điểm kỹ thuật của hệ thống khí nén (độ nhớt thấp, truyền dẫn nhanh, sạch nhưng lực truyền tải thấp, chịu nén lớn) so với hệ thống thủy lực (công suất lớn, điều khiển vị trí chính xác, chất lỏng không chịu nén nhưng nguy cơ rò rỉ và tổn thất đường ống cao).
  • Bài 2: Các phần tử cơ bản trong hệ thống điều khiển thủy lực khí nén (Thời lượng: 22 giờ: 12 LT, 9 TH, 1 KT) Phân tích cấu trúc hệ thống gồm 5 khối chức năng theo Hình 2.1:
    1. Khối cung cấp năng lượng: Khảo sát các dòng máy nén khí (piston, cánh gạt, Root, trục vít, ly tâm) theo dải áp suất công nghiệp ($\le 15\text{ bar}, > 15\text{ bar}, \ge 300\text{ bar}$); hệ thống bể dầu và bơm thủy lực biến đổi cơ năng thành áp năng; cụm xử lý khí nén FRL (van lọc $20\div 50,\mu m$, van điều áp, van tra dầu).
    2. Khối tín hiệu vào: Nút nhấn, công tắc hành trình cơ khí, cảm biến tiệm cận điện cảm (phát hiện kim loại sắt từ khoảng cách $0,8\div 10\text{ mm}$), cảm biến điện dung, cảm biến quang điện.
    3. Khối xử lý tín hiệu: Van áp suất (van tràn, van an toàn kiểu bi, van giảm áp), van logic AND và van logic OR.
    4. Khối điều khiển: Van đảo chiều khí nén và van điện từ solenoid (3/2, 4/2, 5/2 dạng duy trì hoặc không duy trì; tác động bằng tay, cơ khí, khí nén hoặc cuộn hút điện từ).
    5. Khối chấp hành và phụ trợ: Xi lanh (tác động đơn, tác động kép, xilanh màng, xilanh quay, xilanh lồng, xilanh giảm chấn, xilanh vị trí trung gian); động cơ thủy lực/khí nén (bánh răng chữ V, cánh gạt, pit-tông hướng trục/hướng kính, trục vít); các phần tử phụ trợ như bộ định thời khí nén (Timer T-ON), bộ đếm (Counter), van một chiều, van tiết lưu một chiều, van xả nhanh, van áp suất tuần tự, bộ ổn tốc và rơle điện (rơle điều khiển thời gian đóng cắt $1\div 10\text{ ms}$, rơle thời gian đóng chậm/mở chậm). Đi kèm là quy trình khai báo thông số phần tử trên phần mềm chuyên dụng (Hình 2.54 đến 2.69).
  • Bài 3: Phương pháp điều khiển theo tầng hệ thống thủy lực, khí nén (Thời lượng: 22 giờ) Trình bày phương pháp biểu diễn chu trình hoạt động của cơ cấu chấp hành thông qua biểu đồ hành trình bước (HTB), biểu đồ hành trình - thời gian, biểu đồ điều khiển, biểu đồ chức năng và biểu đồ trạng thái. Thiết kế mạch loại trừ triệt tiêu tín hiệu đảo bằng kỹ thuật chia tầng trực tiếp trên sơ đồ HTB, gộp tầng và chia tầng chu trình kín cho mạch 2 tầng, 3 tầng và 4 tầng thuần khí nén/thủy lực.
  • Bài 4: Phương pháp điều khiển theo tầng trong hệ thống điện khí nén (Thời lượng: 20 giờ) Ứng dụng công tắc hành trình điện, rơle trung gian và cuộn dây van điện từ để thành lập phương trình logic điều khiển chia tầng trên mạch điện khí nén. Phân tích sơ đồ mạch điều khiển 2 tầng, 3 tầng và 4 tầng có trùng hoặc không trùng hành trình.
  • Bài 5: Phương pháp điều khiển theo nhịp (Thời lượng: 24 giờ) Giới thiệu nguyên lý điều khiển theo chuỗi bước tuần tự bằng các module bước khí nén (Module kiểu A, kiểu B, kiểu C) và mạch logic tuần tự bằng điện khí nén. Phân tích quy trình điều khiển chu trình chuẩn, chu trình nhịp nhảy cóc và chu trình nhịp lặp lại.

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình xây dựng hệ thống cơ sở lý thuyết bao gồm:

  • Cơ học chất lưu và nhiệt động lực học: Các phương trình trạng thái khí, quy luật biến thiên áp suất, tính chất nén được của chất khí và tính không chịu nén của dầu khoáng thủy lực.
  • Nguyên lý chuyển đổi năng lượng: Cơ chế biến đổi từ cơ năng sang năng lượng áp suất (qua bơm, máy nén) và chuyển đổi ngược thành cơ năng tịnh tiến hoặc cơ năng quay tại cơ cấu chấp hành.
  • Lý thuyết điều khiển logic tuần tự: Phương pháp lập bảng trạng thái, phương pháp chia tầng (Cascade method) và phương pháp nhịp (Step counter method) nhằm xử lý hiện tượng trùng tín hiệu điều khiển trong các mạch tự động hóa.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Đọc hiểu, phân tích và vẽ sơ đồ mạch theo tiêu chuẩn ký hiệu quốc tế; cấu hình và khai báo chính xác các thông số van, xilanh, rơle trên phần mềm mô phỏng; thiết lập bộ bôi trơn và điều chỉnh áp suất làm việc của hệ thống.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích biểu đồ hành trình bước (HTB), xác định điểm chuyển trạng thái, lập phương trình logic và chia nhóm tín hiệu điều khiển để tối ưu hóa số lượng phần tử van đảo chiều hoặc rơle trung gian.
  • Kỹ năng thực hành nghề nghiệp (Practical competencies): Thao tác gá đặt thiết bị trên bàn thực hành; cắt nối ống khí nén, đấu nối dây điện điều khiển 24VDC/cuộn solenoid an toàn; kiểm tra độ kín khít, cân chỉnh van tiết lưu để đồng bộ tốc độ xilanh; đo áp suất và khắc phục các sự cố tắc nghẽn, rò rỉ áp suất.

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình được thiết kế bám sát phương pháp tiếp cận tích hợp giữa lý thuyết và thực hành nghề nghiệp:

  • Phương pháp sư phạm: Giảng viên áp dụng phương pháp dạy học tích cực, bao gồm diễn giảng kết hợp trình chiếu hình ảnh cấu tạo thiết bị, giải quyết vấn đề (Problem-based learning) qua các bài tập tình huống mạch điều khiển công nghiệp và hướng dẫn thực hành theo ca tại xưởng.
  • Tổ chức học tập nhóm: Sinh viên được phân chia thành các nhóm nhỏ từ 6 đến 8 người. Mỗi nhóm nhận chủ đề kỹ thuật trước buổi học, phân công từng thành viên nghiên cứu độc lập cấu tạo hoặc nguyên lý của từng phần tử, sau đó thảo luận tập trung để xây dựng giải pháp thiết kế mạch.
  • Cơ sở vật chất và bài tập thực hành: Môn học diễn ra tại phòng thực hành Thủy lực - Khí nén chuyên dụng của Trường Cao Đẳng Dầu Khí, trang bị đồng bộ bàn gá thiết bị, cụm nguồn nén khí, bộ nguồn bơm dầu thủy lực, van đảo chiều, công tắc hành trình, cảm biến tiệm cận, kìm cắt, cờ lê, đồng hồ số và phần mềm mô phỏng chuyên ngành.
  • Phương pháp kiểm tra và đánh giá: Hệ thống đánh giá kết quả học tập được lượng hóa qua các hình thức:
    • Kiểm tra thường xuyên: Gồm 02 bài do giáo viên thực hiện bất kỳ trong quá trình học (vấn đáp, kiểm tra viết dưới 30 phút hoặc đánh giá kỹ năng thao tác).
    • Kiểm tra định kỳ: Gồm 04 bài (02 bài lý thuyết thời gian 45 đến 60 phút và 02 bài thực hành thời gian 90 đến 120 phút). Cụ thể: Bài 1 kiểm tra lý thuyết Bài 1-2; Bài 2 kiểm tra thực hành Bài 2-3; Bài 3 kiểm tra lý thuyết Bài 3-4-5; Bài 4 kiểm tra thực hành Bài 4-5.
    • Thi kết thúc mô đun: Kết hợp lý thuyết (trắc nghiệm) và thực hành đấu nối mạch thực tế trong thời gian 90 đến 120 phút, đánh giá toàn diện các chuẩn đầu ra A1-A3, B1-B3, C1-C4.
  • Hướng dẫn tự học: Sinh viên có trách nhiệm chuẩn bị bài trước khi đến lớp, hoàn thành bài tập tình huống và tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết (trường hợp vắng quá 30% phải học lại mô đun).

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Chuẩn hóa theo tài liệu công nghiệp quốc tế: Giáo trình kế thừa và viện dẫn trực tiếp hệ thống tiêu chuẩn ký hiệu, cấu trúc mạch từ các tài liệu đào tạo của hãng FESTO Didactic GmbH & Co. (Đức) như: Electropneumatics Basic/Advanced level (Weber, Scharf), Pneumatics Basic level (Doris Schwarzenberger), Fundamentals of pneumatic control engineering (Kobler) và sổ tay kỹ thuật cơ khí Europa Lehrmittel (Mechanical and Metal Trades Handbook).
  • Cập nhật ứng dụng tự động hóa thực tế: Ban hành năm 2020 trên cơ sở quá trình giảng dạy thực tế từ năm 2018 tại Trường Cao Đẳng Dầu Khí, tài liệu cập nhật sát với quy trình bảo trì hệ thống truyền động và điều khiển trong các nhà máy lọc hóa dầu, công nghiệp chế biến khí và dây chuyền tự động.
  • Hệ thống hóa hai phương pháp điều khiển nâng cao: So với các giáo trình khí nén cơ bản chỉ dừng lại ở mạch điều khiển trực tiếp hoặc mạch tùy biến theo kinh nghiệm, tài liệu này chuẩn hóa quy trình thiết kế mạch tuần tự phức tạp thông qua hai thuật toán: Phương pháp chia tầng (Bài 3, Bài 4) và Phương pháp điều khiển theo nhịp (Bài 5) áp dụng cho cả môi trường thuần khí và môi trường điện khí nén.
  • Tích hợp hướng dẫn mô phỏng phần mềm: Giáo trình cung cấp hệ thống hình vẽ chi tiết hướng dẫn cách thức khai báo các phần tử logic, cảm biến, công tắc áp suất, rơle, timer, counter trên phần mềm máy tính (từ Hình 2.54 đến Hình 2.69), tạo điều kiện cho người học kiểm chứng thuật toán trước khi lắp ráp phần cứng.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên đào tạo chính quy: Sinh viên trình độ Cao đẳng và Trung cấp nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH), học tập tại học kỳ chuyên ngành năm thứ hai.
  • Yêu cầu điều kiện tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các học phần nền tảng trong chương trình đào tạo gồm: An toàn Tự động hóa (TĐH19MH01), Điện kỹ thuật 1 (KTĐ19MĐ05), Điện tử cơ bản (TĐH19MĐ02), Khí cụ điện (KTĐ19MĐ13), Đo lường điện (KTĐ19MĐ08) và Kỹ thuật số (TĐH19MĐ04).
  • Giảng viên chuyên ngành: Sử dụng làm căn cứ biên soạn giáo án lý thuyết, giáo án tích hợp, phiếu đánh giá kỹ năng thực hành và ngân hàng đề thi định kỳ, đề thi tốt nghiệp mô đun.
  • Kỹ thuật viên và bạn đọc tự học: Tài liệu hỗ trợ kỹ sư bảo dưỡng, kỹ thuật viên vận hành hệ thống điều khiển tự động tại các nhà máy công nghiệp tra cứu ký hiệu, cấu tạo thiết bị và phương pháp phân tích sự cố mạch khí nén - thủy lực.

Câu hỏi thường gặp

  1. Giáo trình này phục vụ cho đối tượng người học nào? Giáo trình được ban hành chính thức cho người học nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa trình độ Cao đẳng và Trung cấp, đồng thời phù hợp làm tài liệu tham khảo cho các ngành kỹ thuật liên quan như Điện tự động hóa, Cơ điện tử và Cơ khí chế tạo.

  2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền tảng nào trước khi học mô đun này? Người học phải hoàn thành các môn học cơ sở gồm Đo lường điện, Khí cụ điện, Điện tử cơ bản và Kỹ thuật số để nắm vững nguyên lý hoạt động của rơle, tiếp điểm, tín hiệu điện áp và các cổng logic cơ bản.

  3. Điểm khác biệt về nội dung của giáo trình so với các tài liệu khí nén cơ bản là gì? Giáo trình tập trung vào việc giải quyết triệt để bài toán trùng tín hiệu trong các mạch điều khiển tuần tự công nghiệp phức tạp thông qua hai phương pháp thiết kế: phương pháp điều khiển theo tầng (Cascade) và phương pháp điều khiển theo nhịp (Step counter), đồng thời kết hợp cả khí nén thuần túy và điện khí nén.

  4. Làm thế nào để tự học và thực hành hiệu quả theo giáo trình? Người học cần đọc kỹ lý thuyết đại lượng và nhận diện ký hiệu phần tử (Bài 1, Bài 2), làm các bài tập trắc nghiệm củng cố, sau đó tiến hành lập biểu đồ hành trình bước (HTB) và khai báo chạy thử trên phần mềm mô phỏng trước khi thao tác đấu nối trên bàn gá thực hành.

  5. Giáo trình tham khảo từ những nguồn tài liệu chuẩn mực nào? Nội dung giáo trình được trích dẫn và tổng hợp từ các tài liệu chuyên ngành của Đại học Quốc gia, Đại học Sư phạm Kỹ thuật, hệ thống giáo trình chuyên ngành của FESTO Didactic GmbH & Co. và sổ tay tiêu chuẩn kỹ thuật Châu Âu Europa Lehrmittel.

Kết luận

Giáo trình môn học/mô đun Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén (TĐH19MĐ13) của Trường Cao Đẳng Dầu Khí cung cấp hệ thống kiến thức toàn diện từ cấu tạo phần tử, tính toán đại lượng đến phương pháp thiết kế các mạch điều khiển tự động hóa khí nén, thủy lực và điện khí nén. Lộ trình học tập được cấu trúc chặt chẽ theo 05 bài học, tạo tiền đề chuyên môn vững chắc để sinh viên tiếp tục học các mô đun chuyên sâu tiếp theo như Điều khiển lập trình PLC (TĐH19MĐ15), Hệ thống điều khiển phân tán DCS (TĐH19MĐ17) và Kiểm tra, chạy thử và xử lý lỗi vòng điều khiển (TĐH19MĐ19). Việc kết hợp giữa giáo trình, hệ thống phiếu đánh giá thực hành và thiết bị xưởng chuyên dụng đảm bảo đáp ứng đầy đủ chuẩn đầu ra theo yêu cầu đào tạo kỹ thuật viên tự động hóa công nghiệp.