Les PID Piping and Instrumentation Diagram 2 e

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

2 C o u r s # 2 G P A 6 6 8

3 C o u r s # 2 G P A 6 6 8 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.

4 C o u r s # 2 G P A 6 6 8 Normes utilisées • De la Société Internationale pour l’Automatisation (ISA). – ANSI/ISA-5. 1 -2009 : Identification Symbols and Instrumentation;

5 C o u r s # 2 G P A 6 6 8 Normes utilisées – ANSI/ISA-5. 2 -1976 (R 1992) : Binary Logic Diagrams for Process Operations;

6 C o u r s # 2 G P A 6 6 8 Normes utilisées – ISA-5. 3 -1983 : Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems;

7 C o u r s # 2 G P A 6 6 8 Normes utilisées – ANSI/ISA-5. 4 -1991 : Instrument Loop Diagrams;

8 C o u r s # 2 G P A 6 6 8 Normes utilisées – ISA-5. 5 -1985 : Graphic Symbols for Process Displays;

9 C o u r s # 2 G P A 6 6 8 Normes utilisées – ISA-S 20 -1999 : Specification Forms for Process Measurement and Control Instruments, Primary Elements, and Control Valves;

C 1 0 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Normes utilisées • ISA-S 20 -1999 a été mis à jours avec: – ISA-TR 20. 01 -2006: Specification Forms for Process Measurement and Control Instruments Part 1: General Considerations;

C 1 1 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Normes utilisées – SAMA: Ancienne norme d’instrumentation:

C 1 2 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Composantes d’un schéma P&ID

1 C o 3 u r s # 2 G P A 6 6 8 Zone de titre [1] Nom de la compagnie Nom de l’usine et localisation Titre du dessin Description du procédé Numéro de dessin Version

1 C o 4 u r s # 2 G P A 6 6 8 Zone du schéma P&ID [2]

1 C o 5 u r s # 2 G P A 6 6 8 Zone identifiant la tuyauterie [3] • Matériau de la conduite – TF = Téflon – SS = Stainless Steel

1 C o 6 u r s # 2 G P A 6 6 8

1 C o 7 u r s # 2 G P A 6 6 8 Zone identifiant les gros équipements [4] • Généralement les équipements de plus de 1 000 $.

1 C o 8 u r s # 2 G P A 6 6 8 Zone identifiant les gros équipements [4] • Numéro 3 -14 R 2: – 3 = 3 e étage de l’usine – 14 = Aire (Bay) #14 – R 2 = Réacteur #2

1 C o 9 u r s # 2 G P A 6 6 8

2 C o 0 u r s # 2 G P A 6 6 8 Zone des révisions et changements du schéma [5]

2 C o 1 u r s # 2 G P A 6 6 8 Zone des notes [6] • On y décrit les verrouillages des commandes (interlocks) du système.

2 C o 2 u r s # 2 G P A 6 6 8 Schémas d’instrumentation

2 C o 3 u r s # 2 G P A 6 6 8 Éléments de base d’un schéma d’instrumentation Bulle Signaux Identification Débitmètre Conduite Valve

2 C o 4 u r s # 2 G P A 6 6 8

C 2 5 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Identification des instruments

2 C o 6 u r s # 2 G P A 6 6 8 1ères lettres de l’identification • Variable mesurée ou de commande: – F : Flow (Débit) – T : Temperature (Température) – P : Pressure (Pression) – L : Level (Niveau) – Etc… • Modificateur:

2 C o 7 u r s # 2 G P A 6 6 8

2 C o 8 u r s # 2 G P A 6 6 8 Lettres subséquentes • Fonction passive ou indication: – A : Alarm (Alarme); – R : Recorder (Enregistreur); • Fonction de sortie: – C : Control (Régulation); • Modification: – H : High (Haut);

2 C o 9 u r s # 2 G P A 6 6 8

3 C o 0 u r s # 2 G P A 6 6 8

3 C o 1 u r s # 2 G P A 6 6 8 Signaux et connections (1)

3 C o 2 u r s # 2 G P A 6 6 8 Signaux et connections (2)

3 C o 3 u r s # 2 G P A 6 6 8 Les bulles

3 C o 4 u r s # 2 G P A 6 6 8 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)

3 C o 5 u r s # 2 G P A 6 6 8 Les bulles Panneau principal de commande (accessible à l’opérateur) Au site du procédé Panneau auxiliaire de commande (accessible à l’opérateur)

C 3 6 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Les bulles

L e s r o b i n e t C 3 7 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Registre de tirage ou volet

L e s a c t u a t e C 3 8 o u r s # 2 G P A 6 6 8

L e s a c t u a t e C 3 9 o u r s # 2 G P A 6 6 8

C 4 0 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Fonctions des équipements _Y

C 4 1 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Fonctions des équipements _Y

C 4 2 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Fonctions des équipements _Y

C 4 3 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Fonctions des équipements _Y

4 C o 4 u r s # 2 G P A 6 6 8 Exemple

C 4 5 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Réseau Signal électrique Convertisseur courant/Pression Signal pneumatique

C 4 6 o u r s # 2 G P A 6 6 8

C 4 7 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Les interverrouillages

C 4 8 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Les interverrouillages

C 4 9 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Non Bascule SR ISA 5. 2 Et

C 5 0 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Ou ISA 5. 2

C 5 1 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Niveaux de détail • Diagramme simplifié:

C 5 2 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Niveaux de détail • Diagramme fonctionnel:

C 5 3 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Niveaux de détail • Diagramme détaillé:

5 C o 4 u r s # 2 G P A 6 6 8 Approches de contrôle

C 5 5 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Exemple: Traitement des huiles lourdes

C 5 6 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Contrôle en « feedback » (rétroaction) p em t e d ur te Cap nt ura b r ca e v l a V de t i éb d e d ) D I P ex. : Con r ( u e l trô re tu éra

C 5 7 o u r s # 2 G P A 6 6 8 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 ?

C 5 8 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Contrôle en « feedforward » (commande prédictive) eur t p Ca bit é d de i qu e r tu éra p tem esse a l st intér e ’ c is, nous a M ant r u arb c e d t i b bit é é d d de de e o i v l t Va ra e d ul c l a C

C 5 9 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Schéma bloc de la commande prédictive Assume que la pression du carburant (PF) et la conversion de chaleur (l. F) restent constants. Assume la linéarité du système.

C 6 0 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Commande en rétroaction et prédictive s om de n a m Som m c s e d e

C 6 1 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Schéma bloc la commande en rétroaction et prédictive Mais, assume que la pression du carburant (PF) reste constant.

C 6 2 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Contrôle en « cascade » (et prédictive)

C 6 3 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Schéma bloc du contrôle en cascade (et prédictive) Partie commande en cascade Meilleure résistance aux perturbations.

6 C o 4 u r s # 2 G P A 6 6 8 Exemples de procédés

C 6 5 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Refroidisseur de bière à l’ammoniac

C 6 6 o u r s # 2 G P A 6 6 8

C 6 7 o u r s # 2 G P A 6 6 8 On désire contrôler la température de sortie

C 6 8 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Réaction trop tardive La température d’entrée peut changer

C 6 9 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Relation pression température Les vapeurs sont à la même température que le liquide. Ce sont donc des vapeurs saturantes. Source: http: //wg 038. lerelaisinternet. com/Cours. html

C 7 0 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Relation pression température Si on met la bouteille de R 22 dans une ambiance où il fait 30 °C, au bout de quelques heures le liquide est également à 30 °C. Source: http: //wg 038. lerelaisinternet. com/Cours. html

C 7 1 o u r s # 2 A chaque température - correspond une pression, et vice-versa. G P A 6 6 8 Relation pression température Source: http: //wg 038. lerelaisinternet. com/Cours. html

C 7 2 o u r s # 2 La pression permet de - connaitre la température. G P A 6 6 8 Relation pression température Source: http: //wg 038. lerelaisinternet. com/Cours. html

C 7 3 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Le contrôleur de température TIC-1 ajuste la consigne du contrôleur de la pression de vapeur d’ammoniac PIC-1. Contrôle de la température de la bière 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.

C 7 4 o u r s # 2 Boucle externe (lente) G P A 6 6 8 Le contrôleur de température TIC-1 ajuste la consigne du contrôleur de la pression de vapeur d’ammoniac PIC-1. Contrôle de la température de la bière Boucle interne (rapide) 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.

C 7 Contrôle du niveau d’ammoniac 5 o u r s # 2 G P A 6 6 8 L’ammoniac liquide devient gazeux Alors, il faut maintenir le niveau et retire de la chaleur de la bière, la refroidissant. Le niveau baisse… d’ammoniac liquide pour que la tubulure de bière reste immergée.

C 7 6 o u r s #Consigne manuelle de pression de vapeur élevée. 2 - Mode NORMAL: la bière coule dans le système de refroidissement et est G maintenue à la température correcte. P A 6 6 8 Mode STANDBY: FSL-1 détecte un débit trop bas ou aucun débit. Il faut cesser le refroidissement, sinon la bière risque de geler. Système de contrôle global Mode NETTOYAGE: L’opérateur arrête le système pour le nettoyage des conduites (CIP). Ne pas refroidir.

C 7 7 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Digesteur de copeaux de bois pour faire de la pâte de papier. Photo, source: http: //www. pulpandpaper-technology. com/contractors/steel/avesta/

C 7 8 o u r s # 2 G P A 6 6 8

C 7 9 o u r s # 2 G P Ces trois capteurs A et enregistreurs permettent à 6 l’opérateur de 6 vérifier 8 l’homogénéité de la température

C 8 0 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Au démarrage • Mécanisme permettant un démarrage progressif…

C 8 2 o u r s # 2 G P A 6 6 Maintenir la pression à la pression de 8 vapeur saturée équivalente à la mesure de température faite par TT-4. Relief control system La sortie de TT-4 est calibrée pour suivre la courbe de température de la vapeur saturée vs la pression. Consigne de PIC-2

C 8 3 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Vapeur saturée, table de température

C 8 4 o u r s # 2 G P A 6 6 Pour éviter le blocage du filtre sur le 8 tuyau de dégagement (relief line), on envoie de la vapeur sous pression au filtre. Blowback control system PDSH-2 et temporisateur KI-2 ouvre FCV-5 et ferme PCV-2 pour déboucher le filtre.

C 8 5 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Procédé de fabrication de sirop de maïs

C 8 6 o u r s # 2 G P Pâte amidon A de maïs 6 6 8 acide chlorhydrique carbonate de sodium

C 8 7 o u r s # 2 G P A 6 6 8 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 + n. H 2 O – catalyse acide n. C 6 H 12 O 6

C 8 8 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Un peu de chimie

C 8 9 o u r s # 2 G P A 6 6 8 Contrôle de l’acidité Pour que le mélange eau-amidon hydrolyse. Il faut injecter de l’acide chlorhydrique (concentration de 0. 1 N) Contrôle de proportion avec FT-2 et FY-1. Contrôle en cascade du débit de l’acide (p. HC-1 et FC-1). Contrôle du débit du mélange eauaminon par FC-2

C 9 0 o u r s # 2 G P A 6 6 8 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 p. HC-2 pour ramener le p. H autour de 7. Le sirop est un mélange de glucose et de sel.