Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén (Mã mô đun: TĐH19MĐ13) là tài liệu đào tạo chuyên môn nghề được ban hành theo Quyết định số 198/QĐ-CĐDK ngày 25 tháng 03 năm 2020 của Hiệu trưởng Trường Cao đẳng Dầu khí (Tập đoàn Dầu khí Việt Nam). Giáo trình do ThS. Nguyễn Xuân Thịnh làm chủ biên cùng các tác giả Ngô Trí Tùng và Nguyễn Thái Bảo biên soạn, lưu hành nội bộ phục vụ công tác đào tạo tại Bà Rịa - Vũng Tàu.

Trong chương trình đào tạo nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (SCTBTĐH) trình độ Cao đẳng (tổng thời lượng toàn khóa 2.190 giờ, 97 tín chỉ), mô đun TĐH19MĐ13 có khối lượng 04 tín chỉ với thời lượng 90 giờ (28 giờ lý thuyết, 58 giờ thực hành và 4 giờ kiểm tra). Mô đun thuộc nhóm môn học chuyên môn nghề (nhóm II.2), được bố trí giảng dạy sau khi sinh viên đã hoàn thành các môn học cơ sở ngành và chuyên môn nền tảng như Đo lường điện (KTĐ19MĐ08), Khí cụ điện (KTĐ19MĐ13), Kỹ thuật số (TĐH19MĐ04), Điện kỹ thuật 1 (KTĐ19MĐ05) và Điện tử cơ bản (TĐH19MĐ02).

Mục tiêu đào tạo của giáo trình hướng tới 3 nhóm chuẩn đầu ra:

  • Về kiến thức (A1): Trình bày cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các phần tử thủy lực, khí nén, điện khí nén; phân tích nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển; giải thích chính xác hệ thống ký hiệu quy ước kỹ thuật.
  • Về kỹ năng (B1): Thiết kế sơ đồ mạch điều khiển thủy lực - khí nén; thực hiện lắp đặt, đấu nối các phần tử cơ khí - điện và vận hành mạch theo đúng sơ đồ công nghệ; phát hiện và khắc phục các sự cố kỹ thuật cơ bản.
  • Về năng lực tự chủ và trách nhiệm (C1): Rèn luyện ý thức chấp hành nghiêm ngặt quy định an toàn lao động trong môi trường áp suất cao, chủ động làm việc độc lập và phối hợp nhóm, bảo quản trang thiết bị thực hành.

Giáo trình được tiếp cận theo hướng mô đun hóa tích hợp lý thuyết với thực hành, đi từ việc khảo sát thông số vật lý và phần tử phần cứng đến phương pháp thiết kế mạch logic tuần tự công nghiệp (điều khiển theo tầng và theo nhịp). Điểm đặc sắc của tài liệu là tích hợp trực tiếp hướng dẫn khai báo, nhận dạng phần tử trên phần mềm mô phỏng chuyên dụng song song với quy trình lắp ráp trên bàn gá thí nghiệm thực tế.

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Nội dung giáo trình được cấu trúc thành 05 bài học chuyên đề có tính liên kết chặt chẽ:

  • Bài 1: Tổng quan hệ thống thủy lực khí nén (2 giờ lý thuyết): Trang bị kiến thức về các đại lượng vật lý cơ bản gồm áp suất ($P = F/A$), đơn vị đo trong hệ SI (Pascal - Pa) và bảng quy đổi tương đương giữa Pa, bar, kG/cm², atm, mmH₂O, mmHg, psi (Bảng 1.1). Phân loại áp suất tương đối (psig), áp suất tuyệt đối (psia), áp suất chênh áp; dải áp suất công nghiệp từ chân không đến áp suất cao (Hình 1.2). Khái niệm lực ($F$), công cơ học ($A = F \cdot \cos\alpha$) tính bằng Joule (J), công suất ($P = A/t$) tính bằng Watt (W). So sánh ưu điểm và hạn chế của hệ thống truyền động khí nén (truyền xa tốt, độ nhớt thấp, sạch, an toàn nhưng tải trọng thấp, nén đàn hồi lớn) và hệ thống thủy lực (công suất lớn, định vị chính xác, làm việc êm dưới tải nặng nhưng dễ rò rỉ, nguy cơ ô nhiễm, hiệu suất giảm qua đường ống).

  • Bài 2: Các phần tử cơ bản trong hệ thống điều khiển thủy lực khí nén (22 giờ: 12 LT, 9 TH, 1 KT): Khảo sát chi tiết 5 nhóm phần tử trong mạch điều khiển (Hình 2.1):

    1. Phần tử cung cấp năng lượng: Máy nén khí phân loại theo áp suất (thấp $\le 15\text{ bar}$, cao $> 15\text{ bar}$, siêu cao áp $\ge 300\text{ bar}$) và theo nguyên lý (thay đổi thể tích: piston, cánh gạt, root, trục vít; thay đổi động năng: ly tâm); Bộ nguồn thủy lực (Hình 2.7 gồm bơm thủy lực E, động cơ điện M, van an toàn, đồng hồ đo áp A, bồn dầu C, đường cấp P và hồi T); Bộ xử lý khí nén gồm van lọc khí (màng lọc $20\text{--}50,\mu\text{m}$), van điều áp và van tra dầu.
    2. Phần tử tín hiệu vào: Nhóm giao tiếp người - máy (nút nhấn thường đóng/thường hở, công tắc); Nhóm giao tiếp trong hệ thống (công tắc hành trình 1 chiều/2 chiều, cảm biến tiệm cận điện cảm phát hiện sắt từ cự ly $0{,}8\text{--}10\text{ mm}$, cảm biến tiệm cận điện dung phát hiện đa vật liệu, cảm biến quang phản hồi/1 chiều).
    3. Phần tử xử lý tín hiệu: Van áp suất (van an toàn kiểu bi, van tràn, van giảm áp), van logic AND (Hình 2.20), van logic OR (Hình 2.21), timer định thời khí nén T-ON (Hình 2.44), rơ le điện (đóng mạch, điều khiển đóng cắt $1\text{--}10\text{ ms}$, rơ le thời gian đóng chậm/mở chậm).
    4. Phần tử điều khiển: Van đảo chiều khí nén và van điện từ solenoid 3/2, 4/2, 5/2 (loại không duy trì dùng lò xo hồi vị và loại duy trì 2 đầu điều khiển 12/14); cơ cấu tác động bằng tay, bằng cơ, khí nén hoặc cuộn hút điện từ.
    5. Phần tử chấp hành: Chuyển động thẳng gồm xi lanh tác động đơn, xi lanh tác động kép, xi lanh màng, xi lanh lồng, xi lanh quay, xi lanh giảm chấn, xi lanh vị trí trung gian; Chuyển động quay gồm động cơ khí nén bánh răng (thẳng, nghiêng, chữ V), cánh gạt, piston (hướng kính, hướng trục) và trục vít.
    6. Quy trình khai báo: Hướng dẫn chi tiết cách khai báo và gán thông số cho từng phần tử khí nén và điện khí nén trên phần mềm thiết kế chuyên dụng (Hình 2.54 đến 2.69).

  • Bài 3: Phương pháp điều khiển theo nhịp (24 giờ: 5 LT, 18 TH, 1 KT): Sử dụng các công cụ biểu diễn quy trình công nghệ gồm biểu đồ chuyển động, biểu đồ hành trình - thời gian, biểu đồ điều khiển, biểu đồ chức năng và biểu đồ hành trình - bước (HTB). Thiết kế mạch logic điều khiển tuần tự bằng các module điều khiển theo nhịp chuyên dụng (kiểu A, B, C); triển khai thuật toán điều khiển theo nhịp cho chu trình đơn, chu trình nhịp nhảy cóc và chu trình lặp lại trên hệ thống thuần khí nén và điện khí nén (mạch 5 nhịp - Hình 3.15).

  • Bài 4: Phương pháp điều khiển theo tầng hệ thống thủy lực, khí nén (22 giờ: 5 LT, 17 TH): Nguyên lý phân chia tầng trực tiếp trên sơ đồ hành trình - bước (HTB), kỹ thuật gộp tầng và chu trình kín. Thiết lập phương trình phân tầng logic nhằm triệt tiêu hiện tượng trùng tín hiệu điều khiển. Cung cấp sơ đồ mạch mẫu điều khiển khí nén 2 tầng, 3 tầng, 4 tầng và xử lý trường hợp trùng hành trình của các cơ cấu chấp hành.

  • Bài 5: Phương pháp điều khiển theo tầng trong hệ thống điện khí nén (20 giờ: 4 LT, 14 TH, 1 KT LT, 1 KT TH): Ứng dụng phương pháp phân tầng vào mạch điện điều khiển khí nén sử dụng rơ le trung gian và cuộn dây van điện từ. Thiết lập phương trình đóng/cắt cuộn hút, xây dựng sơ đồ mạch điện điều khiển đa tầng (2 tầng, 3 tầng, 4 tầng) cho các cơ cấu/máy công nghiệp tự động thực tế.

Progression logic của giáo trình đi từ Thông số vật lý & Phần tử phần cứng (Bài 1, 2) $\rightarrow$ Công cụ mô tả & Điều khiển theo nhịp (Bài 3) $\rightarrow$ Thiết kế mạch tuần tự thuần khí nén/thủy lực theo tầng (Bài 4) $\rightarrow$ Thiết kế mạch điều khiển điện khí nén theo tầng (Bài 5).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

  • Lý thuyết nhiệt động lực học và thủy khí: Phương trình trạng thái nhiệt động ($P_1V_1/T_1 = P_2V_2/T_2$), định luật Pascal về áp suất tĩnh trong chất lỏng, nguyên lý nén khí thay đổi thể tích và động năng, tổn thất áp suất và lưu lượng qua màng lọc, ống dẫn và tiết lưu.
  • Nguyên lý chuyển đổi và điều khiển năng lượng: Chu trình tích lũy áp năng từ bơm thủy lực/máy nén khí, biến đổi năng lượng sang động năng tịnh tiến (xi lanh) hoặc động năng quay (động cơ), nguyên lý xả khí nhanh và điều khiển vận tốc bằng van tiết lưu một chiều.
  • Đại số logic và điều khiển tuần tự: Biểu diễn các hàm logic AND, OR, NOT trong môi trường khí nén; nguyên lý nhớ trạng thái của van đảo chiều duy trì/relay duy trì; kỹ thuật khử tín hiệu đối kháng bằng cách chia tầng (Cascade control) hoặc chia nhịp (Shift-register control) trên biểu đồ trạng thái.

Kỹ năng phát triển

  • Kỹ năng kỹ thuật (Technical skills): Tra cứu và vẽ chuẩn xác các ký hiệu tiêu chuẩn IEC/ISO của thiết bị khí nén, thủy lực và điện khí nén; khai báo cấu hình phần tử trên phần mềm mô phỏng; tính toán lực ép, lưu lượng khí và áp suất làm việc định mức; thao tác lắp ráp đường ống, đấu nối dây dẫn điện 24VDC vào rơ le và van solenoid an toàn.
  • Kỹ năng phân tích (Analytical skills): Phân tích lưu trình công nghệ của máy móc tự động; chuyển đổi yêu cầu hoạt động sang biểu đồ hành trình - bước; lập phương trình logic điều khiển phân tầng và phân nhịp; phát hiện lỗi trùng tín hiệu điều khiển trong sơ đồ mạch.
  • Kỹ năng thực hành chuyên môn (Practical competencies): Lắp đặt hoàn chỉnh mạch điều khiển thực tế trên bàn gá; vận hành chạy thử hệ thống đơn bước và liên tục; sử dụng dụng cụ đo (đồng hồ đo áp, đồng hồ vạn năng) để kiểm tra, chẩn đoán và khắc phục sự cố rò rỉ áp suất, nghẽn van, kẹt cơ khí hoặc hỏng cảm biến tiệm cận.

Phương pháp giảng dạy và học tập

  • Tiếp cận sư phạm (Pedagogical approach): Mô đun áp dụng phương pháp dạy học tích hợp lấy người học làm trung tâm. Giảng viên triển khai giảng dạy tích cực qua thuyết trình kỹ thuật kết hợp minh họa sơ đồ nguyên lý trên máy chiếu, đặt vấn đề kỹ thuật (Problem-based learning) và hướng dẫn giải quyết các bài toán thiết kế hệ thống chấp hành thực tế.
  • Tổ chức thực hành và bài tập tình huống:
    • Thực hành chiếm 64,4% thời lượng (58/90 giờ), được tổ chức tập trung tại Phòng thực hành Thủy lực - Khí nén thuộc Trường Cao đẳng Dầu khí.
    • Sinh viên được chia ca, thao tác trực tiếp trên các bàn gá thiết bị chuyên dụng, sử dụng dụng cụ cơ khí (cờ lê, kìm cắt), thiết bị đo (đồng hồ số, áp kế) và hệ thống ống nối tiêu chuẩn.
    • Sinh viên thực hiện các bài tập tình huống mô phỏng dây chuyền sản xuất: máy kẹp chi tiết, cơ cấu cấp phôi tự động, hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước.
  • Phương pháp đánh giá (Assessment methods): Cấu trúc đánh giá kết hợp liên tục trong suốt tiến trình học tập:
    • Kiểm tra thường xuyên: 02 đầu điểm thực hiện bất kỳ trong quá trình học qua vấn đáp chuyên môn, kiểm tra viết dưới 30 phút hoặc chấm điểm thao tác thực hành/bài tập cá nhân.
    • Kiểm tra định kỳ: 04 bài kiểm tra bắt buộc:
      • Bài 1 (Lý thuyết, 45-60 phút): Đánh giá Bài 1, 2 (Đáp ứng chuẩn A1, A2).
      • Bài 2 (Thực hành, 90-120 phút): Đánh giá Bài 2, 3 (Đáp ứng chuẩn B1, B2, C1, C2, C3, C4).
      • Bài 3 (Lý thuyết, 45-60 phút): Đánh giá Bài 3, 4, 5 (Đáp ứng chuẩn A2, A3).
      • Bài 4 (Thực hành, 90-120 phút): Đánh giá Bài 4, 5 (Đáp ứng chuẩn B1, B2, B3, C1, C2, C3, C4).
    • Thi kết thúc mô đun: Hình thức tích hợp giữa trắc nghiệm lý thuyết và thực hành thao tác trên bàn máy (thời gian 90-120 phút), đánh giá toàn diện các chuẩn đầu ra A1-A3, B1-B3, C1-C4.
  • Hướng dẫn tự học (Self-study guidelines):
    • Sinh viên phải nghiên cứu giáo trình và tài liệu tham khảo trước khi đến lớp; chuẩn bị đầy đủ bài tập và câu hỏi củng cố cuối mỗi bài.
    • Yêu cầu chuyên cần: Phải tham dự tối thiểu 70% số tiết lý thuyết (vắng quá 30% phải học lại toàn bộ môn học mới được dự thi).
    • Hoạt động nhóm: Thành lập nhóm 6-8 người, nhận chủ đề thảo luận kỹ thuật trước buổi học, phân công từng thành viên chịu trách nhiệm nghiên cứu từng phần tử hoặc từng nhánh sơ đồ mạch.

Điểm nổi bật và cập nhật

  • Cập nhật theo khung chương trình đào tạo 2020: Giáo trình được biên soạn và chuẩn hóa theo Quyết định số 198/QĐ-CĐDK ngày 25/03/2020 của Trường Cao đẳng Dầu khí, kế thừa và cập nhật từ khung bài giảng năm 2013 (tác giả Bùi Minh Thảo) nhằm đáp ứng nhu cầu bảo dưỡng, sửa chữa thiết bị tự động hóa trong các cơ sở công nghiệp dầu khí và sản xuất hiện đại.
  • Chuẩn hóa học liệu theo tiêu chuẩn công nghiệp quốc tế: Nội dung giáo trình trích dẫn và đối sánh trực tiếp với các tài liệu chuẩn hóa quốc tế của hãng Festo Didactic GmbH & Co. (Đức) bao gồm:
    • Fundamentals of pneumatic control engineering (Kobler)
    • Pneumatics Basic level (Doris Schwarzenberger)
    • Electropneumatics Basic level (Scharf)
    • Electropneumatics Advanced level (Weber)
    • Pneumatische Grundsteuerungen (FESTO Didactic) Đồng thời tích hợp các tiêu chuẩn từ Mechanical and Metal Trades Handbook (Europa Lehrmittel), Sổ tay cơ khí (NXB Thế giới, 2018) và bộ sách Chuyên ngành Cơ điện tử (Tủ sách Nhất nghệ tinh - NXB Trẻ, 2017).
  • Giải quyết triệt để bài toán công nghệ thực tế: Tài liệu tập trung sâu vào các giải pháp triệt tiêu tín hiệu đối kháng (trùng tín hiệu) trong mạch điều khiển tự động nhiều cơ cấu chấp hành - vấn đề kỹ thuật thường gặp tại các nhà máy chế biến khí, lọc hóa dầu và dây chuyền đóng gói công nghiệp. Giáo trình hướng dẫn chi tiết quy trình thiết kế mạch phân tầng (từ 2 đến 4 tầng) và mạch phân nhịp bằng module phần cứng kết hợp sơ đồ điện khí nén.

Đối tượng sử dụng giáo trình

  • Sinh viên và bậc đào tạo:
    • Sinh viên học kỳ chuyên ngành thuộc trình độ Cao đẳng nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa (mã mô đun TĐH19MĐ13).
    • Áp dụng làm tài liệu đào tạo cho học viên trình độ Trung cấp nghề tự động hóa và các ngành liên quan như Cơ điện tử, Vận hành thiết bị chế biến dầu khí.
  • Điều kiện tiên quyết (Prerequisites):
    • Học viên bắt buộc phải hoàn thành các mô đun nền tảng kỹ thuật trước khi học: Điện kỹ thuật 1 (KTĐ19MĐ05), Điện tử cơ bản (TĐH19MĐ02), Khí cụ điện (KTĐ19MĐ13), Đo lường điện (KTĐ19MĐ08), Kỹ thuật số (TĐH19MĐ04), An toàn Tự động hóa (TĐH19MH01).
  • Đối với giảng viên:
    • Làm tài liệu cơ sở để thiết kế giáo án lý thuyết, giáo án tích hợp và giáo án thực hành theo từng ca học.
    • Sử dụng khung đánh giá, bảng câu hỏi trắc nghiệm/tự luận và danh mục chuẩn đầu ra (A1-A3, B1-B3, C1-C4) để xây dựng ngân hàng đề thi định kỳ và thi tốt nghiệp.
  • Tự học và tài liệu tham khảo:
    • Dành cho học viên tự học, nghiên cứu trước quy trình công nghệ và cấu tạo van, xi lanh trước giờ thực hành.
    • Tài liệu tham khảo kỹ thuật cho kỹ sư, kỹ thuật viên làm công tác bảo dưỡng, chẩn đoán sự cố hệ thống khí nén - thủy lực tại các trạm nén khí, giàn khoan và nhà máy công nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với ai?

Giáo trình được thiết kế chuyên biệt cho sinh viên Cao đẳng và Trung cấp nghề Sửa chữa thiết bị tự động hóa, kỹ thuật viên bảo trì hệ thống điều khiển tự động tại các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp.

2. Cần kiến thức nền nào trước khi học mô đun này?

Người học cần hoàn thành các môn học cơ sở: Đo lường điện, Khí cụ điện, Kỹ thuật số, Điện kỹ thuật 1, Điện tử cơ bản và quy chuẩn An toàn Tự động hóa.

3. Điểm khác biệt của giáo trình so với các tài liệu khác là gì?

Giáo trình xây dựng phương pháp thiết kế mạch tuần tự chuẩn mực (điều khiển theo tầng 2-4 tầng và điều khiển theo nhịp module A, B, C) bằng sơ đồ hành trình - bước, tích hợp quy trình khai báo phần tử mô phỏng và tham chiếu hệ thống tài liệu chuẩn của Festo Didactic.

4. Làm sao để tự học và tiếp thu tốt mô đun này?

Sinh viên cần đọc trước nội dung từng bài trước khi lên lớp, hoàn thành các câu hỏi củng cố cuối chương, tích cực tham gia thảo luận nhóm (6-8 người) và đảm bảo thời lượng thực hành tối thiểu 58 giờ tại xưởng.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo giáo trình?

Tài liệu đi kèm các bản vẽ cấu tạo thiết bị, phiếu đánh giá thực hành, phần mềm khai báo/mô phỏng mạch và danh mục 14 tài liệu tham khảo chuyên ngành từ các NXB Đại học Quốc gia, Festo Didactic, Europa Lehrmittel.

Kết luận

Giáo trình Hệ thống điều khiển thủy lực - khí nén (TĐH19MĐ13) do Trường Cao đẳng Dầu khí ban hành năm 2020 cung cấp cấu trúc kiến thức hoàn chỉnh từ thông số vật lý, đặc tính phần tử đến phương pháp luận thiết kế mạch điều khiển theo tầng và theo nhịp.

Lộ trình học tập đề xuất cho sinh viên: Nắm vững đại lượng và cấu tạo phần tử (Bài 1, 2) $\rightarrow$ Thiết lập biểu đồ chức năng và mạch điều khiển theo nhịp (Bài 3) $\rightarrow$ Hoàn thiện kỹ năng phân tầng mạch khí nén (Bài 4) $\rightarrow$ Làm chủ thiết kế mạch điện khí nén đa tầng (Bài 5) $\rightarrow$ Ứng dụng liên kết với các học phần nâng cao tiếp theo như PLC (TĐH19MĐ15) và Hệ thống điều khiển phân tán DCS (TĐH19MĐ17).

Để mở rộng kiến thức, người học có thể tham khảo thêm các tài liệu của Festo Didactic (Weber, Kobler, Scharf), giáo trình Công nghệ thủy lực và khí nén (Lê Hiếu Giang, Nguyễn Hồng Hạnh - NXB ĐHQG) và Sổ tay cơ khí (NXB Thế giới).