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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
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2Cours #2 - GPA-668
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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.
3Cours #2 - GPA-668
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Normes utilisées
• De la Société Internationale pour l’Automatisation (ISA).
– ANSI/ISA-5.1-2009 : Identification Symbols and Instrumentation;
4Cours #2 - GPA-668
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Normes utilisées
– ANSI/ISA-5.2-1976 (R1992) : Binary Logic Diagrams for Process Operations;
5Cours #2 - GPA-668
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Normes utilisées
– ISA-5.3-1983 : Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems;
6Cours #2 - GPA-668
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Normes utilisées
– ANSI/ISA-5.4-1991 : Instrument Loop Diagrams;
7Cours #2 - GPA-668
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Normes utilisées
– ISA-5.5-1985 : Graphic Symbols for Process Displays;
8Cours #2 - GPA-668
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Normes utilisées
– ISA-S20-1999 : Specification Forms for Process Measurement and Control Instruments, Primary Elements, and Control Valves;
9Cours #2 - GPA-668
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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;
10Cours #2 - GPA-668
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Normes utilisées
– SAMA: Ancienne norme d’instrumentation:
11Cours #2 - GPA-668
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Composantes d’un schéma P&ID
12Cours #2 - GPA-668
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Zone de titre [1]
Cours #2 - GPA-66813
Nom de la compagnie
Nom de l’usine et localisation
Titre du dessinDescription du procédé
Numéro de dessin
Version
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Zone du schéma P&ID [2]
Cours #2 - GPA-66814
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Zone identifiant la tuyauterie [3]
• Matériau de la conduite
– TF = Téflon
– SS = Stainless Steel
– CS = Carbon Steel
Cours #2 - GPA-66815
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Cours #2 - GPA-66816
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Zone identifiant les gros équipements [4]
• Généralement les équipements de plus de 1 000 $.
Cours #2 - GPA-66817
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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
Cours #2 - GPA-66818
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Cours #2 - GPA-66819
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Zone des révisions et changements du schéma [5]
Cours #2 - GPA-66820
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Zone des notes [6]
• On y décrit les verrouillages des commandes (interlocks) du système.
Cours #2 - GPA-66821
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Schémas d’instrumentation
Cours #2 - GPA-66822
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Éléments de base d’un schéma d’instrumentation
Cours #2 - GPA-66823
Bulle
Identification
Signaux
Conduite
Débitmètre
Valve
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Cours #2 - GPA-66824
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Identification des instruments
6-FRC-1BPréfixe
Variablemesurée
Fonctions
Numérode boucle
Suffixe
25Cours #2 - GPA-668
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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)
Cours #2 - GPA-66826
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Cours #2 - GPA-66827
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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);
Cours #2 - GPA-66828
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Cours #2 - GPA-66829
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Cours #2 - GPA-66830
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Signaux et connections (1)
Cours #2 - GPA-66831
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Signaux et connections (2)
Cours #2 - GPA-66832
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Les bulles
Cours #2 - GPA-66833
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Les bulles
Cours #2 - GPA-66834
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
Cours #2 - GPA-66835
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
36Cours #2 - GPA-668
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Les robinets de régulation
Registre de tirage ou volet
37Cours #2 - GPA-668
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Les actuateurs38Cours #2 - GPA-668
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Les actuateurs39Cours #2 - GPA-668
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Fonctions des équipements _Y
40Cours #2 - GPA-668
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Fonctions des équipements _Y
41Cours #2 - GPA-668
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Fonctions des équipements _Y
42Cours #2 - GPA-668
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Fonctions des équipements _Y
43Cours #2 - GPA-668
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Exemple
Cours #2 - GPA-66844
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Réseau
Signal électrique
Signal pneumatique
Convertisseur courant/Pression
45Cours #2 - GPA-668
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46Cours #2 - GPA-668
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Les interverrouillages
47Cours #2 - GPA-668
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Les interverrouillages
48Cours #2 - GPA-668
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ISA 5.2
Non Et
Bascule SR
49Cours #2 - GPA-668
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ISA 5.2
Ou
50Cours #2 - GPA-668
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Niveaux de détail
• Diagramme simplifié:
51Cours #2 - GPA-668
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Niveaux de détail
• Diagramme fonctionnel:
52Cours #2 - GPA-668
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Niveaux de détail
• Diagramme détaillé:
53Cours #2 - GPA-668
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Approches de contrôle
Cours #2 - GPA-66854
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Exemple:Traitement des huiles lourdes
55Cours #2 - GPA-668
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Contrôle en « feedback » (rétroaction)
56Cours #2 - GPA-668
Capteur de
température
Contrôleur (ex.: P
ID)
Valve de débit de
carburant
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Schéma bloc du contrôle en rétroaction
Mais, assume que le débit de pétrole brut (F) reste constant.
Que se passe-t-il si ce débit (F) varie ?
57Cours #2 - GPA-668
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Contrôle en « feedforward »(commande prédictive)
Capteur de débit
Calcul de ratio de
débitValve de débit d
e
carburant
Mais, c’est la
température qui nous
intéresse
58Cours #2 - GPA-668
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Schéma bloc de la commande prédictive
Assume que la pression du carburant (PF) et la conversion de chaleur (λF) restent constants. Assume la linéarité du système.
59Cours #2 - GPA-668
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Commande en rétroaction et prédictive
Somme des
commandes
60Cours #2 - GPA-668
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Schéma bloc la commande en rétroaction et prédictive
Mais, assume que la pression du carburant (PF) reste constant.
61Cours #2 - GPA-668
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Contrôle en « cascade » (et prédictive)
62Cours #2 - GPA-668
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Schéma bloc du contrôle en cascade (et prédictive)
Meilleure résistance aux perturbations.
Partie commande en cascade
63Cours #2 - GPA-668
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Exemples de procédés
Cours #2 - GPA-66864
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Refroidisseur de bière à l’ammoniac
65Cours #2 - GPA-668
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66Cours #2 - GPA-668
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67Cours #2 - GPA-668
On désire contrôler la température de
sortie
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68Cours #2 - GPA-668
La température d’entrée peut
changer
Réaction trop
tardive
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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.
69Cours #2 - GPA-668
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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.
70Cours #2 - GPA-668
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Relation pression température
Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html
A chaque température correspond une pression, et vice-versa.
71Cours #2 - GPA-668
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Relation pression température
Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html
La pression permet de connaitre la température.
72Cours #2 - GPA-668
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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.
73Cours #2 - GPA-668
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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)
74Cours #2 - GPA-668
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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.
75Cours #2 - GPA-668
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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.
76Cours #2 - GPA-668
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Digesteur de copeaux de bois pour faire de la pâte de papier.
Photo, source: http://www.pulpandpaper-technology.com/contractors/steel/avesta/
77Cours #2 - GPA-668
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78Cours #2 - GPA-668
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79Cours #2 - GPA-668
Ces trois capteurs et enregistreurs permettent à l’opérateur de vérifier l’homogénéité de la température
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Au démarrage
• Mécanisme permettant un démarrage progressif…
80Cours #2 - GPA-668
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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
82Cours #2 - GPA-668
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Vapeur saturée, table de température
83Cours #2 - GPA-668
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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.
84Cours #2 - GPA-668
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Procédé de fabrication de sirop de maïs
85Cours #2 - GPA-668
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Pâte amidon de maïs
acide chlorhydrique
carbonate de sodium
86Cours #2 - GPA-668
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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
87Cours #2 - GPA-668
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Un peu de chimie
88Cours #2 - GPA-668
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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
89Cours #2 - GPA-668
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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.
90Cours #2 - GPA-668