管道和儀表圖(P&ID)、流程圖(PFD)和塊狀流程圖(BFD)記錄化工制程的重要的基本工具，并促進跨化工制程相關諸專業的理解和溝通。

有效的工廠設計、建設和運營是團隊的整體工作。在這種環境下，確保團隊成員之間清晰而簡明的溝通，尤其是當他們來自不同的專業時，可能是一個持續的挑戰。

在工程師可用的許多溝通工具中，管道和儀表圖(P&ID，Piping & Instrumentation Diagrams 有些人稱為工藝和儀表圖 Process & Instrumentation Diagrams)在促進溝通和理解方面發揮著重要作用。P&ID是一種工程圖，它提供了一個化工制程的概述，它的物理組件，以及它是如何被控制的。P&ID是一個化工制程的圖形表示，顯示管道、容器、閥門、泵、儀表和其他制程設備。

P&IDs, Block Flow Diagram(BFDs), and Process Flow Diagram(PFDs)是不同類型的流程圖，用于推進工廠設計，支持建設，并促進參與建設和運營篩選工廠的所有各方之間的互動。這些圖紙的術語各不相同；根據它們所使用的化學加工工業(CPI)領域，它們可能被稱為流程圖(flowd diagrams)、工藝示意圖(process schematics)或工藝表(process sheet)。盡管不同的行業部門和不同的術語有差異，但這三種類型的圖紙的內容是相對一致的。本文概述了什么是BFD、PFD和P&ID，誰在使用它們，有什么用途，以及如何有效起草它們。

項目的生命周期，從預先設計到施工，有大量不同背景的人。負責設計的專家是來自不同學科的工程師。業主公司(即設施所有者)的項目團隊可以包括來自運營和維護、合規事務、質量控制、信息技術(IT)和高層管理的人員，以及健康、安全和環境專家。項目人員可以進一步擴大，包括來自運營公司、上游和下游運營商、供應商、各種服務提供商和設備供應商的代表。

由于參與工廠設計、建設和運營的工人人數眾多，P&IDs有效地溝通了工廠的內部運作，并作為所有相關方的參考工具，然后各個學科可以根據一套共同的P&IDs制定自己的詳細文件、圖紙和規范。

1、塊狀流程圖 Block Flow Diagrams
BFDs(有時也被稱為方框圖)以矩形、箭頭和尖角矩形的集合形式分別顯示單元操作、材料和能量流以及輸入和輸出(Figure 1)，只顯示主要的能量和材料流，而省略個別容器、泵和閥門等細節。


遵循這些準則來繪制一個有效的塊狀流程圖BFD：
①不要使用復雜的符號。用簡單的矩形框表示設備或單元操作，用箭頭表示材料或能量流，用連接器表示與其他系統的輸入和輸出。
②對于以流動為導向的BFD，顯示流程從左到右和從上到下。對于基于密度的設備，如柱子或分離器，顯示密集的產品從底部離開，較輕的或氣體的產品從頂部離開。
③對于面向現場的BFD，將大型設備放置在現場的大致物理位置，用箭頭表示它們之間的流動。
④在代表主要設備或單元操作的矩形上用簡單的英語并在矩形內標注。
⑤標明代表主要能源和材料流動的線條，并清楚顯示其方向。
⑥清楚地標明上下游下關圖紙外連接器的矩形。
⑦保持簡單，并盡可能避免不必要的細節。
⑧一個好的BFD可以快速創建，也同樣容易理解。

【BFD通常是不需要的，因為對工程師而言實在過于簡單。但卻是向高級管理人員匯報使用的非常有用的Executive Summary，畫出一張有足夠可理解的內容。足夠簡單且足夠優雅的BFD，也不是一件容易的事。“如果你不能簡單說清楚，就是你沒完全明白。If you can't explain it simply, you don't understand it well enough.”--愛因斯坦】

2、PFD工藝流程圖
PFDs顯示了比塊BFD更多的細節，但比P&IDs更少的細節。PFDs顯示了主要的設備、重要的泵和閥門、主要的流動路徑和關鍵的儀器設備(Figure 2)。工藝細節，如流量、物料組成、能量和質量平衡通常包括在內，但儀器設備的細節、公用設施的細節和較小的二級管道很少顯示。



PFD工藝流程圖是有用的交流工具，因為它不像P&ID那樣復雜，而且創建PFD所需的時間要少得多；當工廠的設計還沒有最終確定，多次繪制和重繪詳細的P&ID成本太高時，這一點尤其有用。在化工流程工業的許多部門，PFD工藝流程圖也被用于政府相關部門使用的監管文件、安全研討以及新建筑和改造項目的預算編制。PFD流程圖也可以成為進行可行性研究和做出"繼續不是停止 go/no-go” 決定的有力工具。

遵循這些準則來起草一份有效的PFD
①用簡單的P&ID符號表示主要設備，如容器、熱交換器、大型泵和重要的控制閥(稍后討論)。
②用基于P&ID標準的簡化標簽來標記設備(僅用于討論方案，不用于施工)。
③顯示主要流動路徑的工藝管道，以及相關的旁路和再循環管道，并清楚地標明流動條件和方向，不要顯示輔助或子系統的管道。
③包括管道、容器和熱交換器的壓力和溫度等級，以及泵的容量、壓頭、泵的額定馬力和預期控制閥的流量系數。
④簡化顯示用于正常穩態過程控制和停車時的主要儀器設備的主要部分。
⑤對于非常復雜的過程，不要顯示公共設施的運行或相互連接。
⑥如果還沒有工藝控制說明或功能規范，則添加解釋性說明，描述工藝在正常穩態條件下的功能。
⑦在工藝設計的迭代專業中，PFDs在高層次的BFDs和注重細節的P&lDs之間填補了一個重要的空白。

【PFD對于化工工藝開發的工程師至關重要，事實上，化工流程模擬軟件--尤其是動態模擬需要帶有關鍵控制閥的PFD，跨專業的討論從PFD開始也要比立即深入細節的P&ID圖效率更高。從政府監管的要求也不需要含有商業秘密的詳盡的P&ID。有些工程師為了“炫技”，在PFD上加了很多細節不必要的，最關鍵的還是HMB！】

3、P&ID管道和儀表圖
P&ID提供了三種流程圖中最高級別的細節。一個精心繪制的P&ID(或一組P&IDs)將顯示工廠內的每個管道、閥門、泵、容器和儀器。P&IDs還將顯示所有與工藝相連接的設備和成套橇裝設備，以及關鍵的輸入、輸出和接口細節(Figure 3)。P&IDs不顯示具體信息，如建筑結構用的材料材料、設備具體物理布局、管壁厚度和電纜接線連接；這些細節存在于其他圖紙和規范文件中。即使新的儀表技術被開發出來，P&IDs上使用的基本概念、符號和線條類型也保持相對穩定。

【多數公司在P&ID圖上是標明管道材質及等級的，甚至是管線等級的改變位置，但不會特別只標明管道厚度】

P&IDs包含了大量的信息，被項目團隊中的許多不同的人使用，在許多行業中，P&lD也是工作場所安全、環境和危險分析的強制性要求。

【P&ID絕對是管理體系受控文件，PSM管理必須的】

遵循這些準則來準備一個有效的P&ID。
①使用一致的布局，區分現場安裝、控制面板和計算機化功能。-
②使用一個完整的位號標簽(tagging)方案，其中每件工廠設備、儀器、控制元件和儀表功能都有一個唯一分配的位號標簽。
③用標準化的符號表示設備，如容器、熱交換器、閥門和泵。
④用簡單的線圖表示更復雜的設備，如輸送機、混合器、澄清器等。-用線條表示輸送工藝材料或氣體和液體的管道、導管和流道。
⑤用小圓圈或帶標簽的方框表示儀表、控制和自動化設備。
⑥使用虛線和其他專門的線型來表示儀器設備的連接(例如，電氣線路、攜帶控制信號到閥門的氣動管、網絡總線連接等)。
⑦應使用表外連接器來顯示與外部系統的過程或公共設施連接。
⑧還應顯示有關正常工藝條件、工藝管線中的預期流量、設計壓力/溫度、設備和管道尺寸以及撬裝成套工藝邊界的各種其他關鍵摘要信息。

4、同時使用PFDs和P&IDs
對于大型的、復雜的工藝，如果不能用單一的P&ID來表示，將BFD圖或工藝PFD流程圖與一組P&ID結合起來，往往會有幫助。BFD或PFD可以作為一組P&ID的概述。一個經過深思熟慮的PFD流程圖可以作為一組詳細的P&ID的一個很好的視覺索引。一些起草者會在PFD流程圖上畫上虛線和P&ID圖紙參考，以幫助引導讀者在P&ID圖紙集中找到正確的圖紙。

【一個優雅的PFD，也可以成為DCS HMI的Level 1及Level 2界面絕好的參考】

5、P&ID繪圖風格
符號和管道在P&ID上的排列方式在化工流程工業的不同部門而有很大的不同。一些部門顯示儀表、電機控制和計算機功能在整個圖紙中排列，而另一些部門則將圖紙分割，使過程顯示在底部，控制面板和計算機功能顯示為單獨的層。Figure 3中的P&ID采用了分層的方法：底層描述工藝設備(FIELD)，下一層顯示本地控制面板和電機控制中心(LCP/MCC)，頂層顯示計算機控制系統(SCADA/PLC/DCS)。P&ID布局方法取決于特定行業的規范和公司的P&ID繪圖標準。舉例來說Figure 3中的P&ID布局通常用于市政污水處理部門。


6、良好的繪圖實踐
為了促進團隊成員之間的有效溝通，工程師必須確保他們的圖紙能被其他人輕易理解。項目團隊中的一些人可能不熟悉圖紙編號方案、采用的標記標準或使用的符號和線條類型。在圖紙集的開始，起草人應提供
①一張主導圖，說明圖紙是用于什么設施和項目的
②一張索引圖，列出圖集中的每張圖和其對應的圖號
③一套標準化的圖例圖，定義了圖集中使用的符號、縮寫、線條類型和標記方案。

為了避免潛在的昂貴的溝通誤解，減少錯誤的機會，每張圖紙都必須。
①有一個獨特的號碼，可以很容易地被引用
②有一個修訂號和修訂日期；如果一張圖紙是正在進行的工作或初步的工作，要清楚地標明它，并包括正在進行的印刷日期。
③使用標準的標題欄，以便讀者能夠迅速確定每張圖的用途。
④大小一致--大小不一的圖紙往往會丟失或放錯位置
⑤遵守通用的圖紙標準(例如，計算機輔助設計[CAD]的細節，如標準化的標題塊、線條類型和層等)。

7、Tagging位號、標簽
為確保工廠特定部分或功能的精確交流，P&ID上的每件重要設備、管道和儀器都應帶有一個獨特的位號標簽。由于其簡單的圖形性質，P&ID作為協調文件，以易于閱讀的方式顯示整個工廠的所有位號標簽。位號標簽由字母數字代碼組成，應以合乎邏輯、面向流程的方式分配，這樣讀者就可以很容易地在各個流程中跟蹤位號標簽。

重要的是，標簽應遵循一致和標準化的格式。對于設備和管道標簽，通常使用建筑工業協會的PIP PIC001標準，或類似的公司內部標準。對于儀表標簽，最常見的是ANSI/SA-5.1標準，或其某種變體。本文采用了常用的PIC001和ANSI/ISA-5.1標簽方案的組合。這兩個標準也為P&IDs定義了一套流行的符號和線條類型。

無論哪種標記方案，標記通常由幾個片段組成，這些片段組合在一起就形成了一個完整的標記。在某些方案中，標簽片段用破折號隔開；在其他方案中，不使用破折號。一個廣泛使用的方案是：設施代碼-現場區域代碼-設備或儀器代碼。在一些標記方案中，增加了額外的片段，以顯示儀器設備與設備的父件相關聯。在單獨的P&ID圖紙上，可以顯示整個標簽或只顯示最后一個標簽片段(在圖紙上注明假設的前綴)。

8、設備符號和標簽
圖4顯示了一些常見的設備符號和標簽。設備符號通常是簡單的線圖，設備標簽有字母標識和一個數字。例如，在一個字母加數字的標簽方案中，一個罐子是TK101，一個熱交換器是HE56，一個泵是P103，一個隔離閥是XV117，等等。在另一個標簽方案中，服務類型也可以納入標簽中；標簽V-30560由V代表閥門，30代表工藝氣體服務，560代表獨特的閥門編號。



為不同類型的泵(圖5)和閥門(圖6)開發符號需要一些獨創性。在每一種情況下，符號的基準集合都要稍加修改，以顯示該設備類別中可能的變化。對于更復雜的設備，如傳送帶、篩子和蒸餾塔，簡單的線圖(圖7)通常就足夠了。







9、儀表符號
儀表符號以及與之配套的標簽，對不熟悉的人來說可能會感到困惑，但一旦掌握了這些符號，讀者就可以快速、輕松地閱讀P&ID。圓圈，通常被稱為氣泡或氣球，代表單個儀器的功能，而正方形和菱形通常代表面板安裝和計算機化功能。圖8顯示了一些最常見的儀器儀表的圓形、方形和菱形符號。圖9顯示了一條4英寸的管道，其中有一個壓力控制閥、壓力控制器和壓力變送器，以及一個無關的壓力表。壓力控制閥用一個球閥符號表示(兩個三角形，中間有一個黑點)，并標有PV102的氣泡。



壓力控制閥由壓力控制器(PIC102)控制，一條虛線表示兩者之間的關系。壓力控制器PIC102顯示為正方形內的一個圓圈，表示它是一個組合的顯示器和控制器；正方形內的一條水平線表示它是安裝在控制室的面板上的(沒有這樣的線表示它位于現場)。PIC102標簽上的字母代表指示--也就是說，它有一個讀出顯示。壓力控制器從壓力變送器(PT102)接收其過程變量，如它們之間的虛線所示。
PT102標簽旁邊顯示的壓力變送器的量程是0至150psi。壓力變送器的標簽上沒有I，因為該設備沒有本地壓力讀數。旁邊的壓力計被標記為PI104，表明它是一個壓力指示器。

圖9中的壓力控制器PIC102旁邊有兩個符號-一個標為PAH，另一個標為PAL。這說明壓力控制器有一個高壓報警(PAH)和一個低壓報警(PAL)。在P&IDs上對報警的描述可能因CPI的不同部分而不同；在一些部門，報警的細節在工廠的功能規范文件中列出，而不是在P&IDs上顯示




10、儀器儀表位號標簽
儀表標簽有兩部分：一連串的字母代碼和一個回路編號。當一個儀器在P&ID上被標記為儀器圈時，字母代碼出現在最上面一行，回路編號出現在最下面。例如，一個壓力指示變送器將被標記為PIT201-PIT在圓圈的最上面一行，201在最下面一行。循環編號(有時稱為序列號)在每個過程區域都是唯一的。

儀表標簽的字母部分由幾個部分組成，每個部分包含一個或多個字母。表1顯示了一些更常用的字母代碼。一個儀表標簽可以包括：被測或啟動變量，一個可選的變量修飾符，一個可選的讀出/被動功能，輸出功能，以及一個可選的功能修飾符。

測量或啟動變量：被測變量或啟動變量代表儀器執行的測量類型。例如，在標簽PIT中，首選是壓力。其他可能的第一個變量包括T代表溫度，F代表流量，L代表液位。對于化學分析儀，通常使用A作為第一個字母，并且經常在儀器圈中添加一個標志，以顯示它是哪種分析儀。因此，一個包含文字AIT101的儀器圈，旁邊有一個pH標志，代表一個有本地指示并將信號傳回分布式控制系統(DCS)的pH分析儀。

可選變量修飾符：當一個基本的測量值被應用于積分、微分或數學函數時，就會使用可選變量修飾符。例如，標簽中的第二個字母D代表微分。因此，一個測量兩點之間溫差的儀器可以被標記為TDIT745(其中745是循環編號)。其他可能的第二個字母包括F代表比率，K代表變化率，Q代表累計。

可選的讀出或無源功能：最常見的可選無源功能是指示，用字母I表示。其他無源功能包括E代表感應器，G代表視鏡，R代表記錄器。例如，一個標記為PIR201的設備將是201回路的壓力指示記錄器。

輸出功能和修改器：這些結束語序列可以有幾種形式。以A開頭的結束語序列代表一個報警，通常有一個后綴來指示它是什么類型的報警。例如，標簽FAH224表示流量報警-高，而LALL305表示電平報警-低-低。在被測變量或啟動變量之后以S開頭的終止序列通常表示一個開關。因此，FSL205是一個低流量開關，TSH341是一個高溫開關。

本文不打算成為儀表標記的詳細教程，但這些例子應使讀者了解儀表標記的工作方式。

11、管線類型和接頭
過程和公共設施的管道：在P&IDs上，管道通常被描述為線條。線條的粗細，有時是線條的顏色，用來表示管道是用于主流道還是次級連接(Figure 10)。流動方向通常用箭頭表示，管道尺寸通常用管道標簽或小標簽表示。P&ID上的管道也可以在圖紙上每隔一段距離插入三個字符的縮寫，以表示管道承載的內容。



在化工流程工業的某些部分，管道標簽沿著管道放置，以傳達有關管道的額外信息，如其服務、尺寸、管道材料、壁厚和其他物理特征。這些標簽通常由各種字母數字片段組成，以破折號隔開。例如，管道標簽18-PG-60456-D2A-P1可以解釋為18=管道直徑(英寸)，PG=工藝氣體，60=氣體子系統標識符，456=線路標識符，D2A=管道規格代碼，P=P級聚乙烯絕緣，1=絕緣厚度(英寸)。這些代碼的含義將在與工廠相關的其他規范文件中描述。管道標簽通常是針對行業和現場的。

P&IDs上的線條不一定只局限于管道。特殊的線型可用于表示其他輸送手段，如明渠、管道、長輸送管和永久連接的軟管。

儀表和控制信號：其他特殊的線型，如Figure 11中的線型，用于儀表和控制信號。在精心繪制的P&ID上，儀表和控制信號的類型將在一套相應的標準化圖例中明確顯示和定義。現代控制系統通常包括電氣、氣動和其他各種類型的工業網絡通信的組合，為了避免兼容性問題，所有這些都必須被明確定義。



表外連通器：表外連接器將管道從一張圖連接到另一張圖，圖12顯示了一個例子。



表外連接器是小的、開放的、矩形塊狀的箭頭，通常包含表明它們所鏈接的圖紙的文字，以及一個唯一的標識符，以表明它們在另一個圖紙上的對應過程連接。唯一的標識符通常是所涉及的流動路徑的管道標簽和過程標簽。

12、使用和維護圖紙標準
對每個組織來說，建立良好的標簽、符號學和繪圖標準是很重要的。標準可以有多種形式。這包括參考外部標準文件，制定典型圖紙(即典型)，創建一套標準化的圖例圖紙，或制定書面規范。只有在整個組織內制定明確的標準，并使項目組的所有成員都能獲得這些標準，才能充分實現P&IDs、BFDs和PFDs的溝通優勢。

13、繪制P&IDs的軟件
今天，P&IDs和PFDs幾乎都是在CAD軟件的幫助下繪制的。這種軟件的范圍可以從簡單的二維繪圖工具到完全集成的三維工廠設計套件。大多數二維繪圖軟件的優點是價格相對便宜，而且相當容易使用。許多軟件包還擁有可重復使用的圖塊庫，大大減少了繪圖時間。此外，工業標準的商用繪圖文件格式現在使交換二維繪圖文件成為相對常規的工作。對于大型工藝設計項目或整個工廠的設計，更復雜的繪圖工具往往值得投資。有了這些先進的工具，P&ID上的符號可以被賦予屬性，設備和管道可以被輸入到工廠設計軟件包中的實時數據庫。然后，這個數據庫可以用來生成材料清單，創建儀器數據表，協助三維管道布線，并自動創建儀器回路圖。復雜的工廠設計工具通常具有自動檢查常見設計錯誤的宏。這些先進的軟件設計工具的功能和靈活性繼續增加。

14、作為活的文件的P&IDs
為了使P&ID成為真正有用的工具，必須對其進行更新。每次工廠的設備被修改，無論是在計劃的升級過程中，還是由于維護或操作活動，相應的P&IDs也必須被審查和修改。過時的P&IDs會導致錯誤的溝通，操作錯誤，甚至是事故，因為項目人員可能被誤導，不知道工廠是如何運作的。為了成為有效的溝通工具和可行的資源，P&IDs必須始終保持更新，以反映工廠的當前狀態。

15、好的圖紙有利更好的溝通
BFDs、PFDs和P&IDs是強大的工具，在工廠的整個生命周期中都會用到。從設計師和施工人員到運營和維護人員，這些圖紙是重要的溝通工具，幫助每個團隊成員了解工廠的工作內容和工作方式。P&ID也是用于設計、建造、運行和維護工廠的更大的工程規范和圖紙中的一個關鍵組成部分。通過牢記項目團隊及其許多不同的成員，今天的工藝設計師和儀表專家可以為整個工廠創建一個有價值的協調文件。
作者：Graham Nasby

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