Les P&ID (Piping and Instrumentation...

Les P&ID (Piping and Instrumentation Diagram)

2e cours de GPA-668 : Capteurs et actionneurs

© Guy Gauthier ing. Ph.D.Mai 2011

2Cours #2 - GPA-668

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

Normes utilisées

• De la Société Internationale pour l’Automatisation (ISA).

– ANSI/ISA-5.1-2009 : Identification Symbols and Instrumentation;

4Cours #2 - GPA-668

Normes utilisées

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

5Cours #2 - GPA-668

Normes utilisées

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

6Cours #2 - GPA-668

Normes utilisées

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

7Cours #2 - GPA-668

Normes utilisées

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

8Cours #2 - GPA-668

Normes utilisées

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

9Cours #2 - GPA-668

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

Normes utilisées

– SAMA: Ancienne norme d’instrumentation:

11Cours #2 - GPA-668

Composantes d’un schéma P&ID

12Cours #2 - GPA-668

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

Zone du schéma P&ID [2]

Cours #2 - GPA-66814

Zone identifiant la tuyauterie [3]

• Matériau de la conduite

– TF = Téflon

– SS = Stainless Steel

– CS = Carbon Steel

Cours #2 - GPA-66815

Cours #2 - GPA-66816

Zone identifiant les gros équipements [4]

• Généralement les équipements de plus de 1 000 $.

Cours #2 - GPA-66817

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

Cours #2 - GPA-66819

Zone des révisions et changements du schéma [5]

Cours #2 - GPA-66820

Zone des notes [6]

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

Cours #2 - GPA-66821

Schémas d’instrumentation

Cours #2 - GPA-66822

Éléments de base d’un schéma d’instrumentation

Cours #2 - GPA-66823

Bulle

Identification

Signaux

Conduite

Débitmètre

Valve

Cours #2 - GPA-66824

Identification des instruments

6-FRC-1BPréfixe

Variablemesurée

Fonctions

Numérode boucle

Suffixe

25Cours #2 - GPA-668

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

Cours #2 - GPA-66827

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

Cours #2 - GPA-66829

Cours #2 - GPA-66830

Signaux et connections (1)

Cours #2 - GPA-66831

Signaux et connections (2)

Cours #2 - GPA-66832

Les bulles

Cours #2 - GPA-66833

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)

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

Les bulles

36Cours #2 - GPA-668

Les robinets de régulation

Registre de tirage ou volet

37Cours #2 - GPA-668

Les actuateurs38Cours #2 - GPA-668

Les actuateurs39Cours #2 - GPA-668

Fonctions des équipements _Y

40Cours #2 - GPA-668

Fonctions des équipements _Y

41Cours #2 - GPA-668

Fonctions des équipements _Y

42Cours #2 - GPA-668

Fonctions des équipements _Y

43Cours #2 - GPA-668

Exemple

Cours #2 - GPA-66844

Réseau

Signal électrique

Signal pneumatique

Convertisseur courant/Pression

45Cours #2 - GPA-668

46Cours #2 - GPA-668

Les interverrouillages

47Cours #2 - GPA-668

Les interverrouillages

48Cours #2 - GPA-668

ISA 5.2

Non Et

Bascule SR

49Cours #2 - GPA-668

ISA 5.2

Ou

50Cours #2 - GPA-668

Niveaux de détail

• Diagramme simplifié:

51Cours #2 - GPA-668

Niveaux de détail

• Diagramme fonctionnel:

52Cours #2 - GPA-668

Niveaux de détail

• Diagramme détaillé:

53Cours #2 - GPA-668

Approches de contrôle

Cours #2 - GPA-66854

Exemple:Traitement des huiles lourdes

55Cours #2 - GPA-668

Contrôle en « feedback » (rétroaction)

56Cours #2 - GPA-668

Capteur de

température

Contrôleur (ex.: P

ID)

Valve de débit de

carburant

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

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

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

Commande en rétroaction et prédictive

Somme des

commandes

60Cours #2 - GPA-668

Schéma bloc la commande en rétroaction et prédictive

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

61Cours #2 - GPA-668

Contrôle en « cascade » (et prédictive)

62Cours #2 - GPA-668

Schéma bloc du contrôle en cascade (et prédictive)

Meilleure résistance aux perturbations.

Partie commande en cascade

63Cours #2 - GPA-668

Exemples de procédés

Cours #2 - GPA-66864

Refroidisseur de bière à l’ammoniac

65Cours #2 - GPA-668

66Cours #2 - GPA-668

67Cours #2 - GPA-668

On désire contrôler la température de

sortie

68Cours #2 - GPA-668

La température d’entrée peut

changer

Réaction trop

tardive

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

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

Relation pression température

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

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

71Cours #2 - GPA-668

Relation pression température

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

La pression permet de connaitre la température.

72Cours #2 - GPA-668

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

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

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

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

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

78Cours #2 - GPA-668

79Cours #2 - GPA-668

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

Au démarrage

• Mécanisme permettant un démarrage progressif…

80Cours #2 - GPA-668

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

Vapeur saturée, table de température

83Cours #2 - GPA-668

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

Procédé de fabrication de sirop de maïs

85Cours #2 - GPA-668

Pâte amidon de maïs 

acide chlorhydrique

carbonate de sodium

86Cours #2 - GPA-668

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

Un peu de chimie

88Cours #2 - GPA-668

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

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.

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