Les P&ID (Piping and Instrumentation Diagram)

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1 Les P&ID (Piping and Instrumentation Diagram)
2e cours de GPA-668 : Capteurs et actionneurs © Guy Gauthier ing. Ph.D. Mai 2011

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 : Identification Symbols and Instrumentation; Cours #2 - GPA-668

5 Normes utilisées ANSI/ISA (R1992) : Binary Logic Diagrams for Process Operations; Cours #2 - GPA-668

6 Normes utilisées ISA : 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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8 Normes utilisées ISA-5.5-1985 : Graphic Symbols for Process Displays;
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9 Normes utilisées ISA-S : 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-TR : Specification Forms for Process Measurement and Control Instruments Part 1: General Considerations; Cours #2 - GPA-668

11 Normes utilisées SAMA: Ancienne norme d’instrumentation:
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12 Composantes d’un schéma P&ID
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13 Zone de titre [1] Nom de la compagnie Nom de l’usine et localisation
Titre du dessin Description du procédé Numéro de dessin Version Cours #2 - GPA-668

14 Zone du schéma P&ID [2] Cours #2 - GPA-668

15 Zone identifiant la tuyauterie [3]
Matériau de la conduite TF = Téflon SS = Stainless Steel CS = Carbon Steel Cours #2 - GPA-668

16 Cours #2 - GPA-668

17 Zone identifiant les gros équipements [4]
Généralement les équipements de plus de $. Cours #2 - GPA-668

18 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-668

19 Cours #2 - GPA-668

20 Zone des révisions et changements du schéma [5]
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21 Zone des notes [6] On y décrit les verrouillages des commandes (interlocks) du système. Cours #2 - GPA-668

22 Schémas d’instrumentation
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23 Éléments de base d’un schéma d’instrumentation
Bulle Signaux Identification Débitmètre Conduite Valve Cours #2 - GPA-668

24 Cours #2 - GPA-668

25 Identification des instruments
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26 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-668

27 Cours #2 - GPA-668

28 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-668

29 Cours #2 - GPA-668

30 Cours #2 - GPA-668

31 Signaux et connections (1)
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32 Signaux et connections (2)
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33 Les bulles Cours #2 - GPA-668

34 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) Cours #2 - GPA-668

35 Les bulles Panneau principal de commande (accessible à l’opérateur)
Au site du procédé Panneau auxiliaire de commande (accessible à l’opérateur) Cours #2 - GPA-668

36 Les bulles Cours #2 - GPA-668

37 Les robinets de régulation
Registre de tirage ou volet Cours #2 - GPA-668

38 Les actuateurs Cours #2 - GPA-668

39 Les actuateurs Cours #2 - GPA-668

40 Fonctions des équipements _Y
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41 Fonctions des équipements _Y
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42 Fonctions des équipements _Y
Cours #2 - GPA-668

43 Fonctions des équipements _Y
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44 Exemple Cours #2 - GPA-668

45 Convertisseur courant/Pression
Réseau Signal électrique Convertisseur courant/Pression Signal pneumatique Cours #2 - GPA-668

46 Cours #2 - GPA-668

47 Les interverrouillages
Cours #2 - GPA-668

48 Les interverrouillages
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49 Non Et Bascule SR ISA 5.2 Cours #2 - GPA-668

50 Ou ISA 5.2 Cours #2 - GPA-668

51 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
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56 Contrôle en « feedback » (rétroaction)
Capteur de température Valve de débit de carburant Contrôleur (ex.: PID) Cours #2 - GPA-668

57 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 ? Cours #2 - GPA-668

58 Contrôle en « feedforward » (commande prédictive)
Mais, c’est la température qui nous intéresse Capteur de débit Valve de débit de carburant Calcul de ratio de débit Cours #2 - GPA-668

59 Schéma bloc de la commande prédictive
Assume que la pression du carburant (PF) et la conversion de chaleur (lF) restent constants. Assume la linéarité du système. Cours #2 - GPA-668

60 Commande en rétroaction et prédictive
Somme des commandes Cours #2 - GPA-668

61 Schéma bloc la commande en rétroaction et prédictive
Mais, assume que la pression du carburant (PF) reste constant. Cours #2 - GPA-668

62 Contrôle en « cascade » (et prédictive)
Cours #2 - GPA-668

63 Schéma bloc du contrôle en cascade (et prédictive)
Partie commande en cascade Meilleure résistance aux perturbations. 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
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68 La température d’entrée peut changer
Réaction trop tardive La température d’entrée peut changer Cours #2 - GPA-668

69 Relation pression température
Les vapeurs sont à la même température que le liquide. Ce sont donc des vapeurs saturantes. Cours #2 - GPA-668 Source:

70 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 est également à 30 °C. Cours #2 - GPA-668 Source:

71 Relation pression température
A chaque température correspond une pression, et vice-versa. Cours #2 - GPA-668 Source:

72 Relation pression température
La pression permet de connaitre la température. Cours #2 - GPA-668 Source:

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 Boucle interne (rapide)
Contrôle de la température de la bière Boucle interne (rapide) Boucle externe (lente) 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 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
Consigne manuelle de pression de vapeur élevée. 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. Cours #2 - GPA-668

77 Digesteur de copeaux de bois pour faire de la pâte de papier.
Cours #2 - GPA-668 Photo, source:

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…
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81 PIC-1 maintien la pression de cuisson.
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
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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
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86 acide chlorhydrique carbonate de sodium Pâte amidon de maïs
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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 proportion avec FT-2 et FY-1.
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 En sortant de LCV-1, on a un mélange eau, acide et glucose.
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. Cours #2 - GPA-668