cours_gpa668_e11_022

06/05/2011

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Les P&ID (Piping and Instrumentation Diagram)

2e cours de GPA‐668 : Capteurs et actionneursactionneurs

© Guy Gauthier ing. Ph.D.Mai 2011

2Cours #2 ‐ GPA‐668

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Schémas de tuyauterie et d’instrumentation

• Parmi l’ensemble de la documentation d’un édé i d t i l d it t dprocédé 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 q p p ppour l’ingénieur de procédé.


Normes utilisées

• De la Société Internationale pour l’A t ti ti (ISA)l’Automatisation (ISA).– ANSI/ISA‐5.1‐2009 : Identification Symbols and Instrumentation;


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Normes utilisées

– ANSI/ISA‐5.2‐1976 (R1992) : Binary Logic Diagrams for Process Operations;Diagrams for Process Operations;


Normes utilisées

– ISA‐5.3‐1983 : Graphic Symbols for Distributed Control/Shared Display Instrumentation Logic andControl/Shared Display Instrumentation, Logic and Computer Systems;


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Normes utilisées

– ANSI/ISA‐5.4‐1991 : Instrument Loop Diagrams;


Normes utilisées

– ISA‐5.5‐1985 : Graphic Symbols for Process Displays;Displays;


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Normes utilisées

– ISA‐S20‐1999 : Specification Forms for Process Measurement and Control Instruments PrimaryMeasurement and Control Instruments, Primary Elements, and Control Valves;


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;


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Normes utilisées

– SAMA: Ancienne norme d’instrumentation:


Composantes d’un schéma P&ID


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Zone de titre [1]

Nom de la compagnie

Nom de l’usine et localisation

Titre du dessin

Description du procédé

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Numéro de dessin

Version

Zone du schéma P&ID [2]

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Zone identifiant la tuyauterie [3]

• Matériau de la conduite– TF = Téflon

– SS = Stainless Steel

– CS = Carbon Steel

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Zone identifiant les gros équipements [4]

• Généralement les équipements d l d 1 000 $de plus de 1 000 $.

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Zone identifiant les gros équipements [4]

• Numéro 3‐14R2:– 3 = 3e étage de l’usine

– 14 = Aire (Bay) #14

– R2 = Réacteur #2

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Cours #2 ‐ GPA‐668 19

Zone des révisions et changements du schéma [5]

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Zone des notes [6]

• On y décrit les verrouillages des commandes (i t l k ) d tè(interlocks) du système.

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ÉSCHÉMAS D’INSTRUMENTATION

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Éléments de base d’un schéma d’instrumentation

Bulle

Identification

Signaux

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Conduite

Débitmètre

Valve

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Identification des instruments

6-FRC-1BPréfixe

Variablemesurée

Fonctions

Numérode boucle

Suffixe25Cours #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…Etc…

• Modificateur:– F : Fraction (Rapport)

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Cours #2 ‐ GPA‐668 27

Lettres subséquentes

• Fonction passive ou indication:– A : Alarm (Alarme);

– R : Recorder (Enregistreur);

• Fonction de sortie:– C : Control (Régulation);

• Modification:• Modification:– H : High (Haut);

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Cours #2 ‐ GPA‐668 29

Cours #2 ‐ GPA‐668 30

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Signaux et connections (1)

Cours #2 ‐ GPA‐668 31

Signaux et connections (2)

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Les bulles

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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 l l / d é l

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calculs et/ou des opérations logiques et qui transmet un ou plusieurs signaux de sortie

Commande logique et séquentielle(Automate programmable)

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Les bulles

Panneau principal de commande (accessible

à l’opérateur)

Au site du procédé

Cours #2 ‐ GPA‐668 35

Panneau auxiliaire de commande (accessible

à l’opérateur)

Les bulles


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Les robinets de régulation

Registre de tirage ou volet


Les actuateurs


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Les actuateurs


Fonctions des équipements _Y


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Exemple

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Réseau

Signal électrique

Convertisseur courant/Pression

Signal pneumatique



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Les interverrouillages


Les interverrouillages


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Non Et

Bascule SR

ISA 5.249Cours #2 ‐ GPA‐668

Ou

ISA 5.250Cours #2 ‐ GPA‐668

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Niveaux de détail

• Diagramme simplifié:


Niveaux de détail

• Diagramme fonctionnel:


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Niveaux de détail

• Diagramme détaillé:


ÔAPPROCHES DE CONTRÔLE

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Exemple:Traitement des huiles lourdes


Contrôle en « feedback » (rétroaction)

TT

Pétrole brut

F, Ti

Fo, T

TT

TCTCV

Consigne T*


Air CarburantQA, Débit d’air QF, Débit de carburant

PF, Pression du carburantF, Contenu énergétique

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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)


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Schéma bloc de la commande prédictive

Assume que la pression du carburant (PF) et la conversion de chaleur (λF) restent constants. Assume la linéarité du système.


Commande en rétroaction et prédictive

Pétrole brut

F, Ti

Fo, T

TT

TC

TCV

Consigne T*FT

TY



FFC


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Schéma bloc la commande en rétroaction et prédictive

Mais, assume que la pression du carburant (PF) reste constant.


Contrôle en « cascade » (et prédictive)

TT

Pétrole brut

F, Ti

Fo, T

TC

FCV

Consigne T*FT1

TY

FT2

FC SP



FFC


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Schéma bloc du contrôle en cascade (et prédictive)

Meilleure résistance aux perturbations.

Partie commande en cascade


É ÉEXEMPLES DE PROCÉDÉS

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Refroidisseur de bière à l’ammoniac



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On désire contrôler la température de sortie


La température d’entrée peut changer

Réaction trop tardive


p g

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Relation pression température

Les vapeurs sont à laLes vapeurs sont à la même température que le liquide. Ce sont donc des vapeurs saturantes.

Source: http://wg038.lerelaisinternet.com/Cours.html 69Cours #2 ‐ GPA‐668


Si on met la bouteille deSi 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.


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A chaque températureA chaque température correspond une pression, et vice‐versa.



La pression permet deLa pression permet de connaitre la température.


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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.


Contrôle de la température de la bière

Boucle interne (rapide)

B l t (l t )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.


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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.


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.


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Digesteur de copeaux de bois pour faire de la pâte de papier.

Photo, source: http://www.pulpandpaper‐technology.com/contractors/steel/avesta/ 77Cours #2 ‐ GPA‐668


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Ces trois capteurs et enregistreurs permettent à l’opérateur de


vérifier l’homogénéité de la température

Au démarrage

• Mécanisme permettant un démarrage ifprogressif…


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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”)


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


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Vapeur saturée, table de température


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.


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Procédé de fabrication de sirop de maïs


acide chlorhydrique

carbonate de sodium

Pâte amidon de maïs


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Un peu de chimie

• L’amidon (starch) est une chaîne de molécules h d ( bl à l è )proche du sucre (ressemble à un polymère).

– (C6H10O5)n

• En présence d’acide chlorydrique, il y a hydrolyse:hydrolyse:– (C6H10O5)n + nH2O – catalyse acide nC6H12O6


Un peu de chimie


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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


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.

C t ôl d débit d l bContrôle 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.


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