کاربرد P&ID و PFD در سیستم کنترل (فرایندی 3)

نمودارهای P&ID (Piping and Instrumentation Diagram) و PFD (Process Flow Diagram) ابزارهای حیاتی تحلیل و طراحی سیستم‌های کنترل در مهندسی فرآیند هستند. PFD نمای کلی از جریان‌های اصلی مواد و انرژی در یک فرآیند ارائه می‌دهد، در حالی که P&ID جزئیات دقیقی از لوله‌کشی، تجهیزات و اجزای کنترلی را به نمایش می‌گذارد. در این مقاله سعی کردیم نمونه نقشه P&ID و نمونه نقشه PFD را برای اینکه که بتوانید دیدگاه بهتری از کاربرد این نقشه‌های فرآیندی پیدا کنید، بررسی می‌کنیم. کاربرد P&ID و PFD در سیستم‌ کنترل به مهندسان کمک می‌کنند تا طراحی مؤثرتری داشته باشند، و بتوانند مشکلات را شناسایی و بهینه‌سازی کنند. 

در صورتی که میخواهید با راهنمایی های لازم جهت دریافت اطلاعات و داده های مورد نیاز مهندسان ابزار دقیق و کنترل آشنا شوید مقاله مرتبط با “مدارک مهندسی کنترل و ابزار دقیق” را بخوانیدو در صورتی که میخواهید با علائم اختصاری P&ID و PFD آشنا شوید مقاله مرتبط با “علائم اختصاری نقشه های P&ID و نقشه های PFD” را مطالعه نمایید.

کاربرد P&ID و PFD در سیستم کنترل

در این بخش از مطلب آشنایی با P&ID، به شرح مختصری از یک نمونه P&ID پرداخته می شود تا بتواند زمینه فکری جهت ابزار دقیق (Instrumentation) های پیچیده تری در واحدها را فراهم نماید.

نمونه نقشه p&id

در شکل (1)، یک KO (Knock out Drum) به صورت خام و استاندارد مشاهده می شود. شرکت Total در هر واحدی که Knock out Drum لازم داشته باشد از این سیستم استفاده می کند:

شکل (1) Knock out Drum خام و استاندارد

در شکل (2)، P&ID تکمیل شده چنین واحدی را نمایش داده می شود. تمامی ابزاردقیق ها Tag خورده و بسته به پروتکل کنترلی، علائم و خطوط سیگنالی آن انتخاب شده است:

شکل (2) نمونه یک نقشه P&ID تکمیل شده

چهار گروه از ابزاردقیق (که به تبع آن، سیستم کنترل تعریف می شود)، در نقشه قابل مشاهده است:

1. ابزار اندازه گیری که نمایشگری در محل ندارد اما مقادیر اندازه گیری شده را در سیستم HMI واحد کنترل می توان مشاهده کرد. این دسته از ابزار، هیچ فرمان الکتریکی به صورت اتوماتیک ندارند.
2. ابزار اندازه گیری که در محل، نمایشگر دارد و علاوه بر آن مقادیر اندازه گیری شده نیز در HMI واحد کنترل قابل مشاهده بوده، هم چنین فرمان الکتریکی برای اجرای اتوماتیک فرایند نیز وجود خواهد داشت.
3. اندازه کنترلی جریان (شیرهای کنترلی) که نحوه کنترل آن ها به وسیله سیگنال صادر شده از ابزاردقیق گروه 2 صورت می پذیرد. چگونگی کنترل این شیرها به صورت Typical در کنار هر یک از آن ها آورده شده است.
4. ابزار کنترلی متغیر (پارامتر) های فیزیکی که بدون هیچ گونه نمایشگری، کنترل جریان را تنها در شرایطی خاص به صورت اتوماتیک انجام می دهند.

Typical Signalization Index

هر مجموعه عملگر (موتور، شیر و …)، نمایش های متعددی در سطوح مختلف کنترلی دارد. به همین علت است که از نمایش دادن تمامی سیگنال ها و تقاطع ها (اینتر لاک: InterLock) بر روی نقشه P&ID حذر می شود تا از تراکم بیش از حد اطلاعات و پیچیدگی منجر به سر در گمی، کاسته شود.

مدل 11 (Model-11)، نقشه های Typical Signalization Index را تنها برای پنج Type، نشان می دهد:

برای هر سری از P&ID، این Typical تهیه شده و در جدول کنار “سیگنالینگ لیست” کلیه ابزاری که در آن P&ID، شامل این Type می شود؛ لیست می شود. یادآوری می شود این نوع از رسم P&ID در واحدهای پیچیده فرایندی مانند نفت و پتروشیمی انجام می شود و برای واحدهای ساده صنایع گوناگون، لازم و یا امکان پذیر نیست.

برای آن که علائم و اختصارات کنترلی نشان داده شده در Signalization قابل درک باشند، قسمت اصلی Legend که مربوط به Instrumentation می باشد. بررسی می گردد:

شکل (3)، صفحه Legend یک پروژه پتروشیمی مربوط به ابزاردقیق و کنترل را نشان می دهد (برای موارد تکمیلی می بایست به استانداردهای Total و یا IPS مراجعه نمود):

شکل (3) صفحه Legend یک پروژه پتروشیمی

خدمات نیکسا: تهیه مدارک فرآیندی و طراحی تجهیزات فرآیندی نیکسا 

نقشه راهنما شامل عناوین اصلی زیر می باشد:

1. Instrumentation Symbols: علائم ابزاردقیق
2. InterLock Logic Symbols: علائم مقاطع منطقی
3. General Instrument or Function Symbols: علائم عمومی ابزاردقیق یا توابع آن ها
4. Function Identification: نمایه های توابع
5. Function Blocks – Function Designation: علائم روابط ریاضی توابع
6. Identification Letters: نمایه های حروفی
7. Special Abbreviation: اختصارات خاص

در بخش Instrumentation Symbols، علائم، نشان دهنده انواع ابزاردقیق هستند. انواع کنترل ولو که دارای عملگرهای برقی (V 220, 24 VDC و …) و یا عملگرهای پنوماتیک هستند؛ کنترل ولوهای اتوماتیک که با درایو فشار سیال عمل می کنند؛ سولنوئیدها؛ شیرهای کنترل مقدار جریان که بر پایه خودتنظیمی ساخته می شوند (Self-Actuated Regulators) و دیگر موارد که المان هایی از اجزاء ابزاردقیق هستند، توضیح داده شده است.

به صورت مثال:

• علامت Vortex برای المان اندازه گیری جریان به روش Vortex استفاده می شود.
• D. Meter المان اندازه گیری جریان بر اساس اختلاف فشار در طول خط می باشد: Pressure Differential Meter
• کاهش دهنده فشار (تنظیم کننده فشار) بر اساس خودتنظیمی: Pressure- Reducing Regulator Self-Contained
• برای تخلیه فشار: Rupture Disc

موارد بیان شده، نمونه هایی از ابزاردقیق کنترلی و ابزار اضطراری هستند که به صورت خودکار، مکانیکی عمل می کنند.

در قسمت نمایه ها و علائم منطق کنترل، به دو وجه می بایست توجه شود. نخست آن که ابزاردقیق ها کنترل کننده هستند و یا پایش انجام می دهند. دوم آن که آیا ابزاردقیق در سیستم کنترل ظاهر خواهد شد و یا با منطقی خاص به سایر ابزار فرمان خواهد داد.

با وجود این توضیح، به شکل (2) باز می گردیم تا نمونه هایی از سیگنالینگ ابزاردقیق را مرور کنیم که درک بهتری بیابیم.

بالای درام بر روی خط 6”-OSD-16-031-B24-P نمایش زیر را می بینیم:

شکل (3) نمایش سیگنالینگ ابزاردقیق در P&ID

معنی این ابزاردقیق به این صورت است (با توجه به Legend):

1. المان فشار که بر روی لوله نصب شده است با کد: 16009 PE-16009
2. ترانسمیتر فشار با کد: 16009 PT-16009
3. علامت دایره (ساده) برای المان و ترانسمیتر، نشان دهنده محلی می باشد.
4. خط ممتد بین PE و PT به معنی آن است که المان و ترانسمیتر یکپارچه می باشند.
5. خط چین (سیگنال الکتریکی به صورت معمول 0-20 میلی آمپر) به HMI واحد کنترل ارتباط دارد.
6. در HMI واحد کنترل، فشار نمایش داده شده و حدود بالا و پایین (High & Low) به صورت آلارم خواهد بود : PIA-16009

در تصویر زیر، مثال دیگری از بخش دیگر شکل (2) بررسی می شود:

شکل (4) نمایش سیگنالینگ ابزاردقیق  و شیر کنترلی در P&ID

که تفسیر نمودار اصلی به شرح زیر است:

1. ابزار نمایش و ترانسمیتر سطح با کد 16022: LIT-16022
2. علامت دایره ساده: در محل رول تجهیز
3. خط چین بین فلنج و شیرهای گیت “2: محدود کار بین و IN. می باشد (مرز بین Instrumentation و Piping).
4. با خط چین (سیگنال الکتریکی) به HMI واحد کنترل ارتباط دارد.
5. در HMI واحد کنترل، سطح درام نمایش (Indicator)، مقادیر ضمن انتگرال گیری جهت کنترل تجمیع می گردد (QC): LIQC-16022

نکته: برای پیدا کردن تعاریف اختصارات باید به جدول Typical Letter Combination مراجعه شود.

6. آلارم H و L روی HMI ظاهر می شود (High & Low)
7. ارتباط LIT با کنترل ولو به وسیله PLC با I-16015 انجام می شود.
8. کنترل شیر به وسیله I-16015 و با جریان 5-20 ma انجام می شود.
9. شیر کنترلی سطح با کد 16015 از نوع گلاب و با عملگر پنوماتیک روی خط 3”-OWA-16-1071-B50-N و با سایز “2 : LCV-16015
10. تایپ سیگنالینگ شیرکنترلی از نوع 5A: Typical 5A

خدمات نیکسا: نصب و راه اندازی تجهیزات ابزار دقیق

در این مرحله، مدل 11 (Model-11) برای بررسی بسیار مناسب است. در صفحه 2: Typical 5 و با توجه به Legend، برای این شیر می بایست چراغ هایی برای باز یا بسته بودن، چراغ هایی برای High و Low روی HMI و هم چنین میکروسوئیچ برای تشخیص باز و بسته بودن شیر، در مدار این ابزار طراحی شده باشد.

به این دلیل که بحث مفصل Instrumentation and Control در P&ID، تنها در دو مقاله میسر نمی باشد، بنابراین با مثالی دیگر، مقاله به پایان برده می شود.

در این مثال، باید به مدل 15 (Model-15) رجوع شود. این P&ID، ذخیره و پمپ های انتقال آب کندانس برگشتی از واحدهای مختلف را به نمایش می گذارد. بر هر یک از مخزن های TK-2601 A/B، دو ابزاردقیق سنجش سطح LIT-26002 و LIT-26001، هم چنین LIT-26003 و LIT-26004 نصب شده است. با دنبال کردن یکی از مخازن، اطلاعات مخزن دیگر، تکرار خواهد شد. بر روی شیر تخلیه BFV-26011 نیز، میکروسوئیچ 75-26011، جهت نمایش این که آیا شیر باز است یا بسته بر روی HMI واحد کنترل نصب شده است.

LIT-26001، سیگنال 0-20 ma را به PLC و در آن جا بر روی HMI می فرستد. روی HMI (LIT-26001) مقادیر LL، L، H، HH نمایش داده می شود (High High and High، Low و Low Low). PLC، LIT-26001 جریان کنترلی 0-20 ma را به مدار رله LY-260B ارسال و با دو سوئیچ (که در HMI قابل مشاهده است HS-260B)، جهت فرمان به مدار اصلی پمپ ها ارسال می کند. LIT- 26002 نیز هم چون LIT اول، مقادیر خود را به LY-260B و LIA-26002 را به LY-26020 ارسال می کند. مدار فرمان LY-26020 ضمن سوئیچ بین دو مخزن HS-26021، فرامین روشن و یا خاموش شدن را به پمپ های P-2601 A/B با اینترلاک I- 26018 A/B صادر می کند.

پس هنگام طراحی تابلو PLC بخصوص برنامه‌ نویسی PLC بر روی پمپ ها چهار پارامتر، فرمانروایی می کند:

1. سطح آب مخازن که High موجب روشن شدن و Low فرمان خاموشی را صادر می کند.
2. FIA- 26009 که در صورت جریان L، پمپ دوم را در مدار قرار می دهد و اگر هم چنان جریان ناکافی باشد، نشان از خرابی پمپ ها است.
3. I- 261006 A~F که سیگنال فرمان روشن شدن از پایین دست پمپ می باشد.
4. بر اساس Typical 2A چنان چه Fail در برق (ولتاژ) موتور رخ دهد، کارکرد پمپ ها جا به جا خواهد شد. به این معنا که موتور روشن، خاموش و موتور خاموش با مجوزهای اتاق کنترل، روشن می گردد.

تفاوت P&ID و PFD

P&ID و PFD دو نوع دیاگرام مهم در مهندسی فرآیند هستند که برای نمایش اطلاعات مختلف در مورد یک سیستم استفاده می‌شوند.

نقشه PFD (Process Flow Diagram) یک دیاگرام جریان فرآیند است که نمای کلی از یک سیستم را نشان می‌دهد هدف این نقشه نمایش مسیر مواد اولیه از طریق تجهیزات اصلی، بدون جزئیات دقیق می‌باشد. در حالی که نقشه P&ID (Piping and Instrumentation Diagram) یک دیاگرام لوله کشی و ابزار دقیق است که جزئیات کامل یک سیستم را نشان می‌دهد و هدف آن نمایش دقیق تجهیزات، لوله کشی، ابزار دقیق و کنترل‌هاست. نقشه PFD شامل تجهیزات اصلی، جریان مواد، دما، فشار و دبی است در حالی که نقشه P&ID شامل تمام تجهیزات، لوله ها، شیرآلات، ابزار دقیق، شماره شناسایی، مشخصات فنی و اطلاعات کنترلی می‌باشد.

در حالی که به تفاوت‌های اساسی بین P&IDها و PFDها پرداختیم، درک نقش آن‌ها در چرخه کلی یک فرآیند ضروری است. PFDها معمولاً در مراحل اولیه یک پروژه ایجاد می‌شوند. آن‌ها نمای کلی‌ای از فرآیند ارائه می‌دهند و به شناسایی تجهیزات اصلی و واحدهای فرآیندی کمک می‌کند. از سوی دیگر، P&IDها پس از PFD توسعه می‌یابند و اطلاعات دقیقی را برای مواردی همچون طراحی سیستم ابزار دقیق و کنترل، طراحی تجهیزات و لوله کشی و ساخت و نصب فراهم می‌کنند.

سخن پایانی

در این مقاله به بررسی یک نمونه نقشه P&ID پرداخته شد. همچنین سعی کردیم تا کاربرد دو نقشه P&ID و PFD به عنوان عناصر کلیدی در طراحی سیستم‌ کنترل در مهندسی فرآیند را بیشتر بررسی کنیم. هم چنین تحلیل نقشه‌های آن ها در سیستم کنترل به مهندسان کمک می‌کند تا فرآیندها را به طور جامع‌تری درک کرده و طراحی‌های مؤثرتری ارائه دهند. این تحلیل‌ها نه تنها به بهینه‌سازی عملکرد سیستم‌های کنترلی کمک می‌کنند، بلکه به شناسایی و حل مشکلات نیز می‌انجامند. در نتیجه، کاربرد صحیح این نقشه‌ها در مهندسی فرآیند از اهمیت بالایی برخوردار خواهد بود.