Les P&ID (Piping and Instrumentation Diagram)

Les P&ID (Piping and Instrumentation Diagram) 2 e cours de GPA 668 : Capteurs et actionneurs Guy Gauthier ing. Ph.D. Janvier 2009 2 Schémas de tuyauterie et d instrumentation Normes utilisées 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. De la Société Internationale pour l Automatisation (ISA). ANSI/ISA 5.1 2009 : Identification Symbols and Instrumentation; 3 4 1

Normes utilisées ANSI/ISA 5.2 1976 (R1992) : Binary Logic Diagrams for Process Operations; Normes utilisées ISA 5.3 1983 : Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems; 5 6 Normes utilisées Normes utilisées ANSI/ISA 5.4 1991 : Instrument Loop Diagrams; ISA 5.5 1985 : Graphic Symbols for Process Displays; 7 8 2

Normes utilisées Normes utilisées ISA S20 1999 : Specification Forms for Process Measurement and Control Instruments, Primary Elements, and Control Valves; 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; 9 10 Normes utilisées Composantes d un schéma P&ID SAMA: Ancienne norme d instrumentation: 11 12 3

Zone de titre [1] Zone du schéma P&ID [2] Nom de la compagnie Nom de l usine et localisation Titre du dessin Description du procédé Numéro de dessin Version 13 14 Zone identifiant la tuyauterie [3] Matériau de la conduite TF = Téflon SS = Stainless Steel CS = Carbon Steel 15 16 4

Zone identifiant les gros équipements [4] Généralement les équipements de plus de 1 000 $. Zone identifiant les gros équipements [4] Numéro 3 14R2: 3 = 3 e étage de l usine 14 = Aire (Bay) #14 R2 = Réacteur #2 17 18 Zone des révisions et changements du schéma [5] 19 20 5

Zone des notes [6] On y décrit les verrouillages des commandes (interlocks) du système. SCHÉMAS D INSTRUMENTATION 21 22 Éléments de base d un schéma d instrumentation Bulle Identification Signaux Débitmètre Conduite Valve 23 24 6

Identification des instruments Préfixe Variable mesurée Fonctions Numéro de boucle Suffixe 6-FRC-1B 1 ères 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) 25 26 Lettres subséquentes Fonction passive ou indication: A : Alarm (Alarme); R : Recorder (Enregistreur); Fonction de sortie: C : Control (Régulation); Modification: H : High (Haut); 27 28 7

29 30 Signaux et connections (1) Signaux et connections (2) 31 32 8

Les bulles 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) 33 34 Les bulles Les bulles Panneau principal de commande (accessible à l opérateur) Au site du procédé Panneau auxiliaire de commande (accessible à l opérateur) 35 36 9

Les robinets de régulation Les actuateurs Registre de tirage ou volet 37 38 Les actuateurs Fonctions des équipements _Y 39 40 10

Fonctions des équipements _Y Fonctions des équipements _Y 41 42 Fonctions des équipements _Y Exemple 43 44 11

Réseau Signal électrique Convertisseur courant/pression Signal pneumatique 45 46 Les interverrouillages Les interverrouillages 47 48 12

Non Et Bascule SR Ou ISA 5.2 49 ISA 5.2 50 Niveaux de détail Niveaux de détail Diagramme simplifié: Diagramme fonctionnel: 51 52 13

Niveaux de détail Diagramme détaillé: APPROCHES DE CONTRÔLE 53 54 Exemple: Traitement des huiles lourdes 55 56 14

Contrôle en «feedback» (rétroaction) 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? 57 58 Contrôle en «feedforward» (commande prédictive) Schéma bloc de la commande prédictive Assume que la pression du carburant (P F ) et la conversion de chaleur (λ F ) restent constants. Assume la linéarité du système. 59 60 15

Commande en rétroaction et prédictive Schéma bloc la commande en rétroaction et prédictive Mais, assume que la pression du carburant (P F ) reste constant. 61 62 Contrôle en «cascade» (et prédictive) Schéma bloc du contrôle en cascade (et prédictive) Partie commande en cascade Meilleure résistance aux perturbations. 63 64 16

Refroidisseur de bière à l ammoniac EXEMPLES DE PROCÉDÉS 65 66 On désire contrôler la température de sortie 67 68 17

Relation pression température Réaction trop tardive Les vapeurs sont à la même température que le liquide. Ce sont donc des vapeurs saturantes. La température d entrée peut changer 69 Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/cours.html 70 Relation pression température Relation pression température Si on met la bouteille de R22 dans une ambiance où il fait 30 C, au bout de quelques heures le liquide id est également à 30 C. A chaque température correspond une pression, et vice versa. Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/cours.html 71 Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/cours.html 72 18

Relation pression température Contrôle de la température de la bière La pression permet de connaitre la température. 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. Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/cours.html 73 74 Boucle externe (lente) Contrôle de la température de la bière Boucle interne (rapide) Contrôle du niveau d ammoniac 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. 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. 75 76 19

Système de contrôle global Consigne manuelle de pression de vapeur élevée. Mode NORMAL: la bière coule dans le système de refroidissement et est maintenue à la température correcte. Digesteur de copeaux de bois pour faire de la pâte de papier. 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. 77 Photo, source: http://www.pulpandpaper technology.com/contractors/steel/avesta/ 78 Ces trois capteurs et enregistreurs permettent à l opérateur de vérifier l homogénéité de la température 79 80 20

Au démarrage Mécanisme permettant un démarrage progressif 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 ) 81 82 Relief control system Vapeur saturée, table de température 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 83 84 21

Blowback control system Procédé de fabrication de sirop de maïs 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. 85 86 Pâte amidon de maïs acide chlorhydrique carbonate de sodium Un peu de chimie L amidon (starch) est une chaîne de molécules proche du sucre (ressemble à un polymère). (C 6 H 10 O 5 ) n En présence d acide chlorydrique, il y a hydrolyse: (C 6 H 10 O 5 ) n + nh 2 O catalyse acide nc 6 H 12 O 6 87 88 22

Un peu de chimie 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 eauaminon par FC 2 89 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. 91 23