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

Schémas de tuyauterie et d’instrumentation 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-5.1-2009 : Identification Symbols and Instrumentation;

Cours #2 - GPA-668 5 Normes utilisées ANSI/ISA-5.2-1976 (R1992) : Binary Logic Diagrams for Process Operations;

Cours #2 - GPA-668 6 Normes utilisées ISA-5.3-1983 : Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems;

Normes utilisées ANSI/ISA-5.4-1991 : Instrument Loop Diagrams; Cours #2 - GPA-668 7 Normes utilisées ANSI/ISA-5.4-1991 : Instrument Loop Diagrams;

Normes utilisées ISA-5.5-1985 : Graphic Symbols for Process Displays; Cours #2 - GPA-668 8 Normes utilisées ISA-5.5-1985 : Graphic Symbols for Process Displays;

Cours #2 - GPA-668 9 Normes utilisées ISA-S20-1999 : Specification Forms for Process Measurement and Control Instruments, Primary Elements, and Control Valves;

Normes utilisées ISA-S20-1999 a été mis à jours avec: Cours #2 - GPA-668 1010 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;

Normes utilisées SAMA: Ancienne norme d’instrumentation: Cours #2 - GPA-668 1111 Normes utilisées SAMA: Ancienne norme d’instrumentation:

Composantes d’un schéma P&ID Cours #2 - GPA-668 1212 Composantes d’un schéma P&ID

Zone de titre [1] 1313 Cours #2 - GPA-668 Nom de la compagnie Nom de l’usine et localisation Titre du dessin Description du procédé Numéro de dessin Version

1414 Cours #2 - GPA-668 Zone du schéma P&ID [2]

Zone identifiant la tuyauterie [3] 1515 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 1616

Zone identifiant les gros équipements [4] 1717 Cours #2 - GPA-668 Zone identifiant les gros équipements [4] Généralement les équipements de plus de 1 000 $.

Zone identifiant les gros équipements [4] 1818 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 1919

Zone des révisions et changements du schéma [5] 2020 Cours #2 - GPA-668 Zone des révisions et changements du schéma [5]

2121 Cours #2 - GPA-668 Zone des notes [6] On y décrit les verrouillages des commandes (interlocks) du système.

Schémas d’instrumentation 2222 Cours #2 - GPA-668 Schémas d’instrumentation

Éléments de base d’un schéma d’instrumentation Cours #2 - GPA-668 2323 Éléments de base d’un schéma d’instrumentation Bulle Signaux Identification Débitmètre Conduite Valve

Cours #2 - GPA-668 2424

Identification des instruments Cours #2 - GPA-668 2525 Identification des instruments

1ères lettres de l’identification 2626 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 2727

Lettres subséquentes Fonction passive ou indication: 2828 Cours #2 - GPA-668 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 2929

Cours #2 - GPA-668 3030

Signaux et connections (1) 3131 Cours #2 - GPA-668 Signaux et connections (1)

Signaux et connections (2) 3232 Cours #2 - GPA-668 Signaux et connections (2)

3333 Cours #2 - GPA-668 Les bulles

Les bulles 3434 Cours #2 - GPA-668 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-668 3535 Panneau principal de commande (accessible à l’opérateur) Au site du procédé Panneau auxiliaire de commande (accessible à l’opérateur)

Cours #2 - GPA-668 3636 Les bulles

Les robinets de régulation 3737 Les robinets de régulation Cours #2 - GPA-668 Registre de tirage ou volet

Les actuateurs 3838 Cours #2 - GPA-668

Les actuateurs 3939 Cours #2 - GPA-668

Fonctions des équipements _Y Cours #2 - GPA-668 4040 Fonctions des équipements _Y

Fonctions des équipements _Y Cours #2 - GPA-668 4141 Fonctions des équipements _Y

Fonctions des équipements _Y Cours #2 - GPA-668 4242 Fonctions des équipements _Y

Fonctions des équipements _Y Cours #2 - GPA-668 4343 Fonctions des équipements _Y

4444 Cours #2 - GPA-668 Exemple

4545 Cours #2 - GPA-668 Réseau Signal électrique Convertisseur courant/Pression Signal pneumatique

4646 Cours #2 - GPA-668 4646

Les interverrouillages 4747 Cours #2 - GPA-668 4747 Les interverrouillages

Les interverrouillages 4848 Cours #2 - GPA-668 4848 Les interverrouillages

Cours #2 - GPA-668 4949 4949 Non Et Bascule SR ISA 5.2

5050 Cours #2 - GPA-668 5050 Ou ISA 5.2

Cours #2 - GPA-668 5151 Niveaux de détail Diagramme simplifié:

Cours #2 - GPA-668 5252 Niveaux de détail Diagramme fonctionnel:

Cours #2 - GPA-668 5353 Niveaux de détail Diagramme détaillé:

5454 Cours #2 - GPA-668 Approches de contrôle

Exemple: Traitement des huiles lourdes Cours #2 - GPA-668 5555 Exemple: Traitement des huiles lourdes

Contrôle en « feedback » (rétroaction) 5656 Cours #2 - GPA-668 Contrôle en « feedback » (rétroaction) Capteur de température Valve de débit de carburant Contrôleur (ex.: PID)

Schéma bloc du contrôle en rétroaction Cours #2 - GPA-668 5757 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 ?

Contrôle en « feedforward » (commande prédictive) 5858 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

Schéma bloc de la commande prédictive Cours #2 - GPA-668 5959 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.

Commande en rétroaction et prédictive Cours #2 - GPA-668 6060 Commande en rétroaction et prédictive Somme des commandes

Schéma bloc la commande en rétroaction et prédictive Cours #2 - GPA-668 6161 Schéma bloc la commande en rétroaction et prédictive Mais, assume que la pression du carburant (PF) reste constant.

Contrôle en « cascade » (et prédictive) Cours #2 - GPA-668 6262 Contrôle en « cascade » (et prédictive)

Schéma bloc du contrôle en cascade (et prédictive) 6363 Cours #2 - GPA-668 Schéma bloc du contrôle en cascade (et prédictive) Partie commande en cascade Meilleure résistance aux perturbations.

6464 Cours #2 - GPA-668 Exemples de procédés

Refroidisseur de bière à l’ammoniac Cours #2 - GPA-668 6565 Refroidisseur de bière à l’ammoniac

6666 Cours #2 - GPA-668

On désire contrôler la température de sortie 6767 Cours #2 - GPA-668 On désire contrôler la température de sortie

La température d’entrée peut changer 6868 Cours #2 - GPA-668 Réaction trop tardive La température d’entrée peut changer

Relation pression température 6969 Cours #2 - GPA-668 Relation pression température Les vapeurs sont à la même température que le liquide. Ce sont donc des vapeurs saturantes. Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html

Relation pression température 7070 Cours #2 - GPA-668 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. Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html

Relation pression température 7171 Cours #2 - GPA-668 Relation pression température A chaque température correspond une pression, et vice-versa. Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html

Relation pression température 7272 Cours #2 - GPA-668 Relation pression température La pression permet de connaitre la température. Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html

7373 Cours #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) 7474 Cours #2 - GPA-668 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.

7575 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.

7676 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.

Digesteur de copeaux de bois pour faire de la pâte de papier. Cours #2 - GPA-668 7777 Digesteur de copeaux de bois pour faire de la pâte de papier. Photo, source: http://www.pulpandpaper-technology.com/contractors/steel/avesta/

7878 Cours #2 - GPA-668

7979 Cours #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… Cours #2 - GPA-668 8080 Au démarrage Mécanisme permettant un démarrage progressif…

PIC-1 maintien la pression de cuisson. Cours #2 - GPA-668 8181 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”)

8282 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

Vapeur saturée, table de température Cours #2 - GPA-668 8383 Vapeur saturée, table de température

8484 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.

Procédé de fabrication de sirop de maïs Cours #2 - GPA-668 8585 Procédé de fabrication de sirop de maïs

acide chlorhydrique 8686 Cours #2 - GPA-668 carbonate de sodium Pâte amidon de maïs 

Cours #2 - GPA-668 8787 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 8888 Un peu de chimie

Contrôle de proportion avec FT-2 et FY-1. 8989 Cours #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

En sortant de LCV-1, on a un mélange eau, acide et glucose. Cours #2 - GPA-668 9090 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.