Les P&ID (Piping and Instrumentation Diagram)

2e cours de GPA-668 : Capteurs et actionneurs© Guy Gauthier ing. Ph.D.

Janvier 2009

Cours #2 - GPA-668 2

Cours #2 - GPA-668 3

Schémas de tuyauterie et d’instrumentation

• Parmi l’ensemble de la documentation d’un procédé industriel, on devrait retrouver des indications sur l’instrumentation raccordée au procédé.– Ce qui est utile pour la maintenance;– Ce qui permet de mieux comprendre le procédé

pour l’ingénieur de procédé.

Cours #2 - GPA-668 4

Normes utilisées

• De la Société Internationale pour l’Automatisation (ISA).– ANSI/ISA-5.1-2009 : Identification Symbols and

Instrumentation;

Cours #2 - GPA-668 5

Normes utilisées

– ANSI/ISA-5.2-1976 (R1992) : Binary Logic Diagrams for Process Operations;

Cours #2 - GPA-668 6

Normes utilisées

– ISA-5.3-1983 : Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems;

Cours #2 - GPA-668 7

Normes utilisées

– ANSI/ISA-5.4-1991 : Instrument Loop Diagrams;

Cours #2 - GPA-668 8

Normes utilisées

– ISA-5.5-1985 : Graphic Symbols for Process Displays;

Cours #2 - GPA-668 9

Normes utilisées

– ISA-S20-1999 : Specification Forms for Process Measurement and Control Instruments, Primary Elements, and Control Valves;

Cours #2 - GPA-668 10

Normes utilisées

• ISA-S20-1999 a été mis à jours avec:– ISA-TR20.00.01-2006: Specification Forms for

Process Measurement and Control Instruments Part 1: General Considerations;

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Normes utilisées

– SAMA: Ancienne norme d’instrumentation:

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Composantes d’un schéma P&ID

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Zone de titre [1]

Nom de la compagnie

Nom de l’usine et localisation

Titre du dessin

Description du procédé

Numéro de dessin

Version

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Zone du schéma P&ID [2]

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Zone identifiant la tuyauterie [3]

• Matériau de la conduite– TF = Téflon– SS = Stainless Steel– CS = Carbon Steel

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Zone identifiant les gros équipements [4]

• Généralement les équipements de plus de 1 000 $.

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Zone identifiant les gros équipements [4]

• Numéro 3-14R2:– 3 = 3e étage de l’usine– 14 = Aire (Bay) #14– R2 = Réacteur #2

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Zone des révisions et changements du schéma [5]

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Zone des notes [6]

• On y décrit les verrouillages des commandes (interlocks) du système.

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SCHÉMAS D’INSTRUMENTATION

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Éléments de base d’un schéma d’instrumentation

Bulle

IdentificationSignaux

Conduite

Débitmètre

Valve

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Identification des instruments6-FRC-1B

Préfixe

Variablemesurée

Fonctions

Numérode boucle

Suffixe

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1ères lettres de l’identification

• Variable mesurée ou de commande:– F : Flow (Débit)– T : Temperature (Température)– P : Pressure (Pression)– L : Level (Niveau)– Etc…

• Modificateur:– F : Fraction (Rapport)

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Lettres subséquentes

• Fonction passive ou indication:– A : Alarm (Alarme);– R : Recorder (Enregistreur);

• Fonction de sortie:– C : Control (Régulation);

• Modification:– H : High (Haut);

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Cours #2 - GPA-668 30

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Signaux et connections (1)

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Signaux et connections (2)

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Les bulles

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Les bulles

Une pièce d’équipement indépendante, comme un contrôleur ou un enregistreur

Instruments partagés: affichage, régulation, etc…(Instrumentation avec microcontrôleurs)

Une pièce de logiciel ou d’équipement qui réalise des calculs et/ou des opérations logiques et qui transmet

un ou plusieurs signaux de sortie

Commande logique et séquentielle(Automate programmable)

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Les bulles

Panneau auxiliaire de commande (accessible

à l’opérateur)

Panneau principal de commande (accessible

à l’opérateur)

Au site du procédé

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Les bulles

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Les robinets de régulation

Registre de tirage ou volet

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Les actuateurs

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Les actuateurs

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Fonctions des équipements _Y

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Fonctions des équipements _Y

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Fonctions des équipements _Y

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Fonctions des équipements _Y

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Exemple

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Réseau

Signal électrique

Signal pneumatique

Convertisseur courant/Pression

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Cours #2 - GPA-668 47

Les interverrouillages

Cours #2 - GPA-668 48

Les interverrouillages

Cours #2 - GPA-668 49ISA 5.2

Non Et

Bascule SR

Cours #2 - GPA-668 50ISA 5.2

Ou

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Niveaux de détail

• Diagramme simplifié:

Cours #2 - GPA-668 52

Niveaux de détail

• Diagramme fonctionnel:

Cours #2 - GPA-668 53

Niveaux de détail

• Diagramme détaillé:

Cours #2 - GPA-668 54

APPROCHES DE CONTRÔLE

Cours #2 - GPA-668 55

Cours #2 - GPA-668 56

Exemple:Traitement des huiles lourdes

Pétrole brut

Air Carburant

F, Ti

Fo, T

QA, Débit d’air QF, Débit de carburantPF, Pression du carburantlF, Contenu énergétique

Cours #2 - GPA-668 57

Contrôle en « feedback » (rétroaction)

Pétrole brut

Air Carburant

F, Ti

Fo, T

QA, Débit d’air QF, Débit de carburantPF, Pression du carburantlF, Contenu énergétique

TT

TC

TCVConsigne T*

Capteur de température

Contrôleur (ex.: PID)

Valve de débit de carburant

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Schéma bloc du contrôle en rétroaction

TC TCV G1(s)

TT

TempératureConsigne

Débit du carburant

Mais, assume que le débit de pétrole brut (F) reste constant.

Que se passe-t-il si ce débit (F) varie ?

Cours #2 - GPA-668 59

Contrôle en « feedforward »(commande prédictive)

Pétrole brut

Air Carburant

F, Ti

Fo, T

QA, Débit d’air QF, Débit de carburantPF, Pression du carburantlF, Contenu énergétique

FT

FFC

FFCV

Capteur de débit

Calcul de ratio de débit

Valve de débit de carburant

Mais, c’est la température

qui nous intéresse

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Schéma bloc de la commande prédictive

FFC FFCV G2(s)

FT

Température

Débit du carburant

Débit du pétrole brut

Assume que la pression du carburant (PF) et la conversion de chaleur (lF) restent constants. Assume la linéarité du système.

Cours #2 - GPA-668 61

Commande en rétroaction et prédictive

Pétrole brut

Air Carburant

F, Ti

Fo, T

QA, Débit d’air QF, Débit de carburantPF, Pression du carburantlF, Contenu énergétique

TT

TC

TCV

Consigne T*FT

FFC

TY

SSomme des commandes

Cours #2 - GPA-668 62

Schéma bloc la commande en rétroaction et prédictive

TC TCV G2(s)

TT

TempératureConsigne

Débit du carburant

TY

FFC

FT

Débit du pétrole brut

Mais, assume que la pression du carburant (PF) reste constant.

Cours #2 - GPA-668 63

Contrôle en « cascade » (et prédictive)

Pétrole brut

Air Carburant

F, Ti

Fo, T

QA, Débit d’air QF, Débit de carburantPF, Pression du carburantlF, Contenu énergétique

TT

TC

FCV

Consigne T*FT1

FFC

TY

S

FT2

FC SP

Cours #2 - GPA-668 64

Schéma bloc du contrôle en cascade (et prédictive)

TC G3(s) G2(s)

TT

TempératureConsigne

Débit du carburant

TY

FFC

FT1

Débit du pétrole brut

FC FCV

FT2

Meilleure résistance aux perturbations.

Partie commande en cascade

Cours #2 - GPA-668 65

EXEMPLES DE PROCÉDÉS

Cours #2 - GPA-668 66

Refroidisseur de bière à l’ammoniac

Cours #2 - GPA-668 67

Cours #2 - GPA-668 68

On désire contrôler la température de sortie

Cours #2 - GPA-668 69

La température d’entrée peut changer

Réaction trop tardive

Cours #2 - GPA-668 70

Relation pression température

Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html

Les vapeurs sont à la même température que le liquide. Ce sont donc des vapeurs saturantes.

Cours #2 - GPA-668 71

Relation pression température

Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html

Si on met la bouteille de R22 dans une ambiance où il fait 30 °C, au bout de quelques heures le liquide est également à 30 °C.

Cours #2 - GPA-668 72

Relation pression température

Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html

A chaque température correspond une pression, et vice-versa.

Cours #2 - GPA-668 73

Relation pression température

Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html

La pression permet de connaitre la température.

Cours #2 - GPA-668 74

Contrôle de la température de la bière

Le contrôleur de température TIC-1 ajuste la consigne du contrôleur de la pression de vapeur d’ammoniac PIC-1.

Le changement de température de la bière a un grand effet sur la pression de vapeur. Correction quasi-immédiate. Contrôle de température s’occupe des changements plus lents.

Cours #2 - GPA-668 75

Contrôle de la température de la bière

Le contrôleur de température TIC-1 ajuste la consigne du contrôleur de la pression de vapeur d’ammoniac PIC-1.

Le changement de température de la bière a un grand effet sur la pression de vapeur. Correction quasi-immédiate. Contrôle de température s’occupe des changements plus lents.

Boucle interne (rapide)

Boucle externe (lente)

Cours #2 - GPA-668 76

Contrôle du niveau d’ammoniac

L’ammoniac liquide devient gazeux et retire de la chaleur de la bière, la refroidissant. Le niveau baisse…

Alors, il faut maintenir le niveau d’ammoniac liquide pour que la tubulure de bière reste immergée.

Cours #2 - GPA-668 77

Système de contrôle global

Mode NORMAL: la bière coule dans le système de refroidissement et est maintenue à la température correcte.

Mode STANDBY: FSL-1 détecte un débit trop bas ou aucun débit. Il faut cesser le refroidissement, sinon la bière risque de geler.

Mode NETTOYAGE: L’opérateur arrête le système pour le nettoyage des conduites (CIP). Ne pas refroidir.

Consigne manuelle de pression de vapeur élevée.

Cours #2 - GPA-668 78

Digesteur de copeaux de bois pour faire de la pâte de papier.

Photo, source: http://www.pulpandpaper-technology.com/contractors/steel/avesta/

Cours #2 - GPA-668 79

Cours #2 - GPA-668 80

Ces trois capteurs et enregistreurs permettent à l’opérateur de vérifier l’homogénéité de la température

Cours #2 - GPA-668 81

Au démarrage

• Mécanisme permettant un démarrage progressif…

Cours #2 - GPA-668 82

Cooking by indirect streaming

On augmente selon une rampe à la pression/ température de cuisson avec FIC-1 (durée fixée par KI-1)

PIC-1 maintien la pression de cuisson.

La pression est un paramètre clé pour le contrôle de la cuisson (représente la température du “digesteur”)

Cours #2 - GPA-668 83

Relief control system

Maintenir la pression à la pression de vapeur saturée équivalente à la mesure de température faite par TT-4.

La sortie de TT-4 est calibrée pour suivre la courbe de température de la vapeur saturée vs la pression. Consigne de PIC-2

Cours #2 - GPA-668 84

Vapeur saturée, table de température

Cours #2 - GPA-668 85

Blowback control system

Pour éviter le blocage du filtre sur le tuyau de dégagement (relief line), on envoie de la vapeur sous pression au filtre.

PDSH-2 et temporisateur KI-2 ouvre FCV-5 et ferme PCV-2 pour déboucher le filtre.

Cours #2 - GPA-668 86

Procédé de fabrication de sirop de maïs

Cours #2 - GPA-668 87

Pâte amidon de maïs

acide chlorhydrique

carbonate de sodium

Cours #2 - GPA-668 88

Un peu de chimie

• L’amidon (starch) est une chaîne de molécules proche du sucre (ressemble à un polymère).– (C6H10O5)n

• En présence d’acide chlorydrique, il y a hydrolyse:– (C6H10O5)n + nH2O – catalyse acide nC6H12O6

Cours #2 - GPA-668 89

Un peu de chimie

Cours #2 - GPA-668 90

Contrôle de l’acidité

Pour que le mélange eau-amidon hydrolyse. Il faut injecter de l’acide chlorhydrique (concentration de 0.1N)

Contrôle de proportion avec FT-2 et FY-1.

Contrôle en cascade du débit de l’acide (pHC-1 et FC-1).

Contrôle du débit du mélange eau-aminon par FC-2

Cours #2 - GPA-668 91

Contrôle de l’acidité

En sortant de LCV-1, on a un mélange eau, acide et glucose.

Le refroidisseur (flash cooler) permet le refroidissement du mélange et retire l’eau qui se transforme en vapeur.

Contrôle du débit de la base avec pHC-2 pour ramener le pH autour de 7. Le sirop est un mélange de glucose et de sel.