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

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

Normes utilisées De la Société Internationale pour l’Automatisation (ISA). ANSI/ISA-5.1-2009 : Identification Symbols and Instrumentation; Cours #2 - GPA-668

Normes utilisées ANSI/ISA-5.2-1976 (R1992) : Binary Logic Diagrams for Process Operations; Cours #2 - GPA-668

Normes utilisées ISA-5.3-1983 : Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems; Cours #2 - GPA-668

Normes utilisées ANSI/ISA-5.4-1991 : Instrument Loop Diagrams; Cours #2 - GPA-668

Normes utilisées ISA-5.5-1985 : Graphic Symbols for Process Displays; Cours #2 - GPA-668

Normes utilisées ISA-S20-1999 : Specification Forms for Process Measurement and Control Instruments, Primary Elements, and Control Valves; Cours #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; Cours #2 - GPA-668

Normes utilisées SAMA: Ancienne norme d’instrumentation: Cours #2 - GPA-668

Composantes d’un schéma P&ID Cours #2 - GPA-668

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

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

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

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Zone identifiant les gros équipements [4] Généralement les équipements de plus de 1 000 $. Cours #2 - GPA-668

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

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Zone des révisions et changements du schéma [5] Cours #2 - GPA-668

Zone des notes [6] On y décrit les verrouillages des commandes (interlocks) du système. Cours #2 - GPA-668

Schémas d’instrumentation Cours #2 - GPA-668

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

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Identification des instruments Cours #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-668

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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-668

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Signaux et connections (1) Cours #2 - GPA-668

Signaux et connections (2) Cours #2 - GPA-668

Les bulles Cours #2 - GPA-668

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

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

Les bulles Cours #2 - GPA-668

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

Les actuateurs Cours #2 - GPA-668

Les actuateurs Cours #2 - GPA-668

Fonctions des équipements _Y Cours #2 - GPA-668

Fonctions des équipements _Y Cours #2 - GPA-668

Fonctions des équipements _Y Cours #2 - GPA-668

Fonctions des équipements _Y Cours #2 - GPA-668

Exemple Cours #2 - GPA-668

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

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Les interverrouillages Cours #2 - GPA-668

Les interverrouillages Cours #2 - GPA-668

Non Et Bascule SR ISA 5.2 Cours #2 - GPA-668

Ou ISA 5.2 Cours #2 - GPA-668

Niveaux de détail Diagramme simplifié: Cours #2 - GPA-668

Niveaux de détail Diagramme fonctionnel: Cours #2 - GPA-668

Niveaux de détail Diagramme détaillé: Cours #2 - GPA-668

Approches de contrôle Cours #2 - GPA-668

Exemple: Traitement des huiles lourdes Cours #2 - GPA-668

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

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

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

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

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

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

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

Schéma bloc du contrôle en cascade (et prédictive) Partie commande en cascade Meilleure résistance aux perturbations. Cours #2 - GPA-668

Exemples de procédés Cours #2 - GPA-668

Refroidisseur de bière à l’ammoniac Cours #2 - GPA-668

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On désire contrôler la température de sortie Cours #2 - GPA-668

La température d’entrée peut changer Réaction trop tardive La température d’entrée peut changer Cours #2 - GPA-668

Relation pression température Les vapeurs sont à la même température que le liquide. Ce sont donc des vapeurs saturantes. Cours #2 - GPA-668 Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html

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

Relation pression température A chaque température correspond une pression, et vice-versa. Cours #2 - GPA-668 Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html

Relation pression température La pression permet de connaitre la température. Cours #2 - GPA-668 Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html

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

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

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

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

Digesteur de copeaux de bois pour faire de la pâte de papier. Cours #2 - GPA-668 Photo, source: http://www.pulpandpaper-technology.com/contractors/steel/avesta/

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Ces trois capteurs et enregistreurs permettent à l’opérateur de vérifier l’homogénéité de la température Cours #2 - GPA-668

Au démarrage Mécanisme permettant un démarrage progressif… Cours #2 - GPA-668

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

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

Vapeur saturée, table de température Cours #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. Cours #2 - GPA-668

Procédé de fabrication de sirop de maïs Cours #2 - GPA-668

acide chlorhydrique carbonate de sodium Pâte amidon de maïs Cours #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 Cours #2 - GPA-668

Un peu de chimie Cours #2 - GPA-668

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

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