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Les P&ID (Piping and Instrumentation Diagram)
2e cours de GPA-668 : Capteurs et actionneurs© Guy Gauthier ing. Ph.D.
Mai 2011
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;
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Normes utilisées
– ISA-5.5-1985 : Graphic Symbols for Process Displays;
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Normes utilisées
– ISA-S20-1999 : Specification Forms for Process Measurement and Control Instruments, Primary Elements, and Control Valves;
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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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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
Cours #2 - GPA-668 45
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
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
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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 58
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.
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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 61
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 62
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 63
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 64
EXEMPLES DE PROCÉDÉS
Cours #2 - GPA-668 65
Refroidisseur de bière à l’ammoniac
Cours #2 - GPA-668 66
Cours #2 - GPA-668 67
On désire contrôler la température de sortie
Cours #2 - GPA-668 68
La température d’entrée peut changer
Réaction trop tardive
Cours #2 - GPA-668 69
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 70
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 71
Relation pression température
Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html
A chaque température correspond une pression, et vice-versa.
Cours #2 - GPA-668 72
Relation pression température
Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html
La pression permet de connaitre la température.
Cours #2 - GPA-668 73
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 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.
Boucle interne (rapide)
Boucle externe (lente)
Cours #2 - GPA-668 75
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 76
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 77
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 78
Cours #2 - GPA-668 79
Ces trois capteurs et enregistreurs permettent à l’opérateur de vérifier l’homogénéité de la température
Cours #2 - GPA-668 80
Au démarrage
• Mécanisme permettant un démarrage progressif…
Cours #2 - GPA-668 81
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 82
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 83
Vapeur saturée, table de température
Cours #2 - GPA-668 84
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 85
Procédé de fabrication de sirop de maïs
Cours #2 - GPA-668 86
Pâte amidon de maïs
acide chlorhydrique
carbonate de sodium
Cours #2 - GPA-668 87
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 88
Un peu de chimie
Cours #2 - GPA-668 89
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 90
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.