管道和仪表图(P&ID)、流程图(PFD)和块状流程图(BFD)记录化工制程的重要的基本工具，并促进跨化工制程相关诸专业的理解和沟通。

有效的工厂设计、建设和运营是团队的整体工作。在这种环境下，确保团队成员之间清晰而简明的沟通，尤其是当他们来自不同的专业时，可能是一个持续的挑战。

在工程师可用的许多沟通工具中，管道和仪表图(P&ID，Piping & Instrumentation Diagrams 有些人称为工艺和仪表图 Process & Instrumentation Diagrams)在促进沟通和理解方面发挥着重要作用。P&ID是一种工程图，它提供了一个化工制程的概述，它的物理组件，以及它是如何被控制的。P&ID是一个化工制程的图形表示，显示管道、容器、阀门、泵、仪表和其他制程设备。

P&IDs, Block Flow Diagram(BFDs), and Process Flow Diagram(PFDs)是不同类型的流程图，用于推进工厂设计，支持建设，并促进参与建设和运营筛选工厂的所有各方之间的互动。这些图纸的术语各不相同；根据它们所使用的化学加工工业(CPI)领域，它们可能被称为流程图(flowd diagrams)、工艺示意图(process schematics)或工艺表(process sheet)。尽管不同的行业部门和不同的术语有差异，但这三种类型的图纸的内容是相对一致的。本文概述了什么是BFD、PFD和P&ID，谁在使用它们，有什么用途，以及如何有效起草它们。

项目的生命周期，从预先设计到施工，有大量不同背景的人。负责设计的专家是来自不同学科的工程师。业主公司(即设施所有者)的项目团队可以包括来自运营和维护、合规事务、质量控制、信息技术(IT)和高层管理的人员，以及健康、安全和环境专家。项目人员可以进一步扩大，包括来自运营公司、上游和下游运营商、供应商、各种服务提供商和设备供应商的代表。

由于参与工厂设计、建设和运营的工人人数众多，P&IDs有效地沟通了工厂的内部运作，并作为所有相关方的参考工具，然后各个学科可以根据一套共同的P&IDs制定自己的详细文件、图纸和规范。

1、块状流程图 Block Flow Diagrams
BFDs(有时也被称为方框图)以矩形、箭头和尖角矩形的集合形式分别显示单元操作、材料和能量流以及输入和输出(Figure 1)，只显示主要的能量和材料流，而省略个别容器、泵和阀门等细节。


遵循这些准则来绘制一个有效的块状流程图BFD：
①不要使用复杂的符号。用简单的矩形框表示设备或单元操作，用箭头表示材料或能量流，用连接器表示与其他系统的输入和输出。
②对于以流动为导向的BFD，显示流程从左到右和从上到下。对于基于密度的设备，如柱子或分离器，显示密集的产品从底部离开，较轻的或气体的产品从顶部离开。
③对于面向现场的BFD，将大型设备放置在现场的大致物理位置，用箭头表示它们之间的流动。
④在代表主要设备或单元操作的矩形上用简单的英语并在矩形内标注。
⑤标明代表主要能源和材料流动的线条，并清楚显示其方向。
⑥清楚地标明上下游下关图纸外连接器的矩形。
⑦保持简单，并尽可能避免不必要的细节。
⑧一个好的BFD可以快速创建，也同样容易理解。

【BFD通常是不需要的，因为对工程师而言实在过于简单。但却是向高级管理人员汇报使用的非常有用的Executive Summary，画出一张有足够可理解的内容。足够简单且足够优雅的BFD，也不是一件容易的事。“如果你不能简单说清楚，就是你没完全明白。If you can't explain it simply, you don't understand it well enough.”--爱因斯坦】

2、PFD工艺流程图
PFDs显示了比块BFD更多的细节，但比P&IDs更少的细节。PFDs显示了主要的设备、重要的泵和阀门、主要的流动路径和关键的仪器设备(Figure 2)。工艺细节，如流量、物料组成、能量和质量平衡通常包括在内，但仪器设备的细节、公用设施的细节和较小的二级管道很少显示。



PFD工艺流程图是有用的交流工具，因为它不像P&ID那样复杂，而且创建PFD所需的时间要少得多；当工厂的设计还没有最终确定，多次绘制和重绘详细的P&ID成本太高时，这一点尤其有用。在化工流程工业的许多部门，PFD工艺流程图也被用于政府相关部门使用的监管文件、安全研讨以及新建筑和改造项目的预算编制。PFD流程图也可以成为进行可行性研究和做出"继续不是停止 go/no-go” 决定的有力工具。

遵循这些准则来起草一份有效的PFD
①用简单的P&ID符号表示主要设备，如容器、热交换器、大型泵和重要的控制阀(稍后讨论)。
②用基于P&ID标准的简化标签来标记设备(仅用于讨论方案，不用于施工)。
③显示主要流动路径的工艺管道，以及相关的旁路和再循环管道，并清楚地标明流动条件和方向，不要显示辅助或子系统的管道。
③包括管道、容器和热交换器的压力和温度等级，以及泵的容量、压头、泵的额定马力和预期控制阀的流量系数。
④简化显示用于正常稳态过程控制和停车时的主要仪器设备的主要部分。
⑤对于非常复杂的过程，不要显示公共设施的运行或相互连接。
⑥如果还没有工艺控制说明或功能规范，则添加解释性说明，描述工艺在正常稳态条件下的功能。
⑦在工艺设计的迭代专业中，PFDs在高层次的BFDs和注重细节的P&lDs之间填补了一个重要的空白。

【PFD对于化工工艺开发的工程师至关重要，事实上，化工流程模拟软件--尤其是动态模拟需要带有关键控制阀的PFD，跨专业的讨论从PFD开始也要比立即深入细节的P&ID图效率更高。从政府监管的要求也不需要含有商业秘密的详尽的P&ID。有些工程师为了“炫技”，在PFD上加了很多细节不必要的，最关键的还是HMB！】

3、P&ID管道和仪表图
P&ID提供了三种流程图中最高级别的细节。一个精心绘制的P&ID(或一组P&IDs)将显示工厂内的每个管道、阀门、泵、容器和仪器。P&IDs还将显示所有与工艺相连接的设备和成套橇装设备，以及关键的输入、输出和接口细节(Figure 3)。P&IDs不显示具体信息，如建筑结构用的材料材料、设备具体物理布局、管壁厚度和电缆接线连接；这些细节存在于其他图纸和规范文件中。即使新的仪表技术被开发出来，P&IDs上使用的基本概念、符号和线条类型也保持相对稳定。

【多数公司在P&ID图上是标明管道材质及等级的，甚至是管线等级的改变位置，但不会特别只标明管道厚度】

P&IDs包含了大量的信息，被项目团队中的许多不同的人使用，在许多行业中，P&lD也是工作场所安全、环境和危险分析的强制性要求。

【P&ID绝对是管理体系受控文件，PSM管理必须的】

遵循这些准则来准备一个有效的P&ID。
①使用一致的布局，区分现场安装、控制面板和计算机化功能。-
②使用一个完整的位号标签(tagging)方案，其中每件工厂设备、仪器、控制元件和仪表功能都有一个唯一分配的位号标签。
③用标准化的符号表示设备，如容器、热交换器、阀门和泵。
④用简单的线图表示更复杂的设备，如输送机、混合器、澄清器等。-用线条表示输送工艺材料或气体和液体的管道、导管和流道。
⑤用小圆圈或带标签的方框表示仪表、控制和自动化设备。
⑥使用虚线和其他专门的线型来表示仪器设备的连接(例如，电气线路、携带控制信号到阀门的气动管、网络总线连接等)。
⑦应使用表外连接器来显示与外部系统的过程或公共设施连接。
⑧还应显示有关正常工艺条件、工艺管线中的预期流量、设计压力/温度、设备和管道尺寸以及撬装成套工艺边界的各种其他关键摘要信息。

4、同时使用PFDs和P&IDs
对于大型的、复杂的工艺，如果不能用单一的P&ID来表示，将BFD图或工艺PFD流程图与一组P&ID结合起来，往往会有帮助。BFD或PFD可以作为一组P&ID的概述。一个经过深思熟虑的PFD流程图可以作为一组详细的P&ID的一个很好的视觉索引。一些起草者会在PFD流程图上画上虚线和P&ID图纸参考，以帮助引导读者在P&ID图纸集中找到正确的图纸。

【一个优雅的PFD，也可以成为DCS HMI的Level 1及Level 2界面绝好的参考】

5、P&ID绘图风格
符号和管道在P&ID上的排列方式在化工流程工业的不同部门而有很大的不同。一些部门显示仪表、电机控制和计算机功能在整个图纸中排列，而另一些部门则将图纸分割，使过程显示在底部，控制面板和计算机功能显示为单独的层。Figure 3中的P&ID采用了分层的方法：底层描述工艺设备(FIELD)，下一层显示本地控制面板和电机控制中心(LCP/MCC)，顶层显示计算机控制系统(SCADA/PLC/DCS)。P&ID布局方法取决于特定行业的规范和公司的P&ID绘图标准。举例来说Figure 3中的P&ID布局通常用于市政污水处理部门。


6、良好的绘图实践
为了促进团队成员之间的有效沟通，工程师必须确保他们的图纸能被其他人轻易理解。项目团队中的一些人可能不熟悉图纸编号方案、采用的标记标准或使用的符号和线条类型。在图纸集的开始，起草人应提供
①一张主导图，说明图纸是用于什么设施和项目的
②一张索引图，列出图集中的每张图和其对应的图号
③一套标准化的图例图，定义了图集中使用的符号、缩写、线条类型和标记方案。

为了避免潜在的昂贵的沟通误解，减少错误的机会，每张图纸都必须。
①有一个独特的号码，可以很容易地被引用
②有一个修订号和修订日期；如果一张图纸是正在进行的工作或初步的工作，要清楚地标明它，并包括正在进行的印刷日期。
③使用标准的标题栏，以便读者能够迅速确定每张图的用途。
④大小一致--大小不一的图纸往往会丢失或放错位置
⑤遵守通用的图纸标准(例如，计算机辅助设计[CAD]的细节，如标准化的标题块、线条类型和层等)。

7、Tagging位号、标签
为确保工厂特定部分或功能的精确交流，P&ID上的每件重要设备、管道和仪器都应带有一个独特的位号标签。由于其简单的图形性质，P&ID作为协调文件，以易于阅读的方式显示整个工厂的所有位号标签。位号标签由字母数字代码组成，应以合乎逻辑、面向流程的方式分配，这样读者就可以很容易地在各个流程中跟踪位号标签。

重要的是，标签应遵循一致和标准化的格式。对于设备和管道标签，通常使用建筑工业协会的PIP PIC001标准，或类似的公司内部标准。对于仪表标签，最常见的是ANSI/SA-5.1标准，或其某种变体。本文采用了常用的PIC001和ANSI/ISA-5.1标签方案的组合。这两个标准也为P&IDs定义了一套流行的符号和线条类型。

无论哪种标记方案，标记通常由几个片段组成，这些片段组合在一起就形成了一个完整的标记。在某些方案中，标签片段用破折号隔开；在其他方案中，不使用破折号。一个广泛使用的方案是：设施代码-现场区域代码-设备或仪器代码。在一些标记方案中，增加了额外的片段，以显示仪器设备与设备的父件相关联。在单独的P&ID图纸上，可以显示整个标签或只显示最后一个标签片段(在图纸上注明假设的前缀)。

8、设备符号和标签
图4显示了一些常见的设备符号和标签。设备符号通常是简单的线图，设备标签有字母标识和一个数字。例如，在一个字母加数字的标签方案中，一个罐子是TK101，一个热交换器是HE56，一个泵是P103，一个隔离阀是XV117，等等。在另一个标签方案中，服务类型也可以纳入标签中；标签V-30560由V代表阀门，30代表工艺气体服务，560代表独特的阀门编号。



为不同类型的泵(图5)和阀门(图6)开发符号需要一些独创性。在每一种情况下，符号的基准集合都要稍加修改，以显示该设备类别中可能的变化。对于更复杂的设备，如传送带、筛子和蒸馏塔，简单的线图(图7)通常就足够了。







9、仪表符号
仪表符号以及与之配套的标签，对不熟悉的人来说可能会感到困惑，但一旦掌握了这些符号，读者就可以快速、轻松地阅读P&ID。圆圈，通常被称为气泡或气球，代表单个仪器的功能，而正方形和菱形通常代表面板安装和计算机化功能。图8显示了一些最常见的仪器仪表的圆形、方形和菱形符号。图9显示了一条4英寸的管道，其中有一个压力控制阀、压力控制器和压力变送器，以及一个无关的压力表。压力控制阀用一个球阀符号表示(两个三角形，中间有一个黑点)，并标有PV102的气泡。



压力控制阀由压力控制器(PIC102)控制，一条虚线表示两者之间的关系。压力控制器PIC102显示为正方形内的一个圆圈，表示它是一个组合的显示器和控制器；正方形内的一条水平线表示它是安装在控制室的面板上的(没有这样的线表示它位于现场)。PIC102标签上的字母代表指示--也就是说，它有一个读出显示。压力控制器从压力变送器(PT102)接收其过程变量，如它们之间的虚线所示。
PT102标签旁边显示的压力变送器的量程是0至150psi。压力变送器的标签上没有I，因为该设备没有本地压力读数。旁边的压力计被标记为PI104，表明它是一个压力指示器。

图9中的压力控制器PIC102旁边有两个符号-一个标为PAH，另一个标为PAL。这说明压力控制器有一个高压报警(PAH)和一个低压报警(PAL)。在P&IDs上对报警的描述可能因CPI的不同部分而不同；在一些部门，报警的细节在工厂的功能规范文件中列出，而不是在P&IDs上显示




10、仪器仪表位号标签
仪表标签有两部分：一连串的字母代码和一个回路编号。当一个仪器在P&ID上被标记为仪器圈时，字母代码出现在最上面一行，回路编号出现在最下面。例如，一个压力指示变送器将被标记为PIT201-PIT在圆圈的最上面一行，201在最下面一行。循环编号(有时称为序列号)在每个过程区域都是唯一的。

仪表标签的字母部分由几个部分组成，每个部分包含一个或多个字母。表1显示了一些更常用的字母代码。一个仪表标签可以包括：被测或启动变量，一个可选的变量修饰符，一个可选的读出/被动功能，输出功能，以及一个可选的功能修饰符。

测量或启动变量：被测变量或启动变量代表仪器执行的测量类型。例如，在标签PIT中，首选是压力。其他可能的第一个变量包括T代表温度，F代表流量，L代表液位。对于化学分析仪，通常使用A作为第一个字母，并且经常在仪器圈中添加一个标志，以显示它是哪种分析仪。因此，一个包含文字AIT101的仪器圈，旁边有一个pH标志，代表一个有本地指示并将信号传回分布式控制系统(DCS)的pH分析仪。

可选变量修饰符：当一个基本的测量值被应用于积分、微分或数学函数时，就会使用可选变量修饰符。例如，标签中的第二个字母D代表微分。因此，一个测量两点之间温差的仪器可以被标记为TDIT745(其中745是循环编号)。其他可能的第二个字母包括F代表比率，K代表变化率，Q代表累计。

可选的读出或无源功能：最常见的可选无源功能是指示，用字母I表示。其他无源功能包括E代表感应器，G代表视镜，R代表记录器。例如，一个标记为PIR201的设备将是201回路的压力指示记录器。

输出功能和修改器：这些结束语序列可以有几种形式。以A开头的结束语序列代表一个报警，通常有一个后缀来指示它是什么类型的报警。例如，标签FAH224表示流量报警-高，而LALL305表示电平报警-低-低。在被测变量或启动变量之后以S开头的终止序列通常表示一个开关。因此，FSL205是一个低流量开关，TSH341是一个高温开关。

本文不打算成为仪表标记的详细教程，但这些例子应使读者了解仪表标记的工作方式。

11、管线类型和接头
过程和公共设施的管道：在P&IDs上，管道通常被描述为线条。线条的粗细，有时是线条的颜色，用来表示管道是用于主流道还是次级连接(Figure 10)。流动方向通常用箭头表示，管道尺寸通常用管道标签或小标签表示。P&ID上的管道也可以在图纸上每隔一段距离插入三个字符的缩写，以表示管道承载的内容。



在化工流程工业的某些部分，管道标签沿着管道放置，以传达有关管道的额外信息，如其服务、尺寸、管道材料、壁厚和其他物理特征。这些标签通常由各种字母数字片段组成，以破折号隔开。例如，管道标签18-PG-60456-D2A-P1可以解释为18=管道直径(英寸)，PG=工艺气体，60=气体子系统标识符，456=线路标识符，D2A=管道规格代码，P=P级聚乙烯绝缘，1=绝缘厚度(英寸)。这些代码的含义将在与工厂相关的其他规范文件中描述。管道标签通常是针对行业和现场的。

P&IDs上的线条不一定只局限于管道。特殊的线型可用于表示其他输送手段，如明渠、管道、长输送管和永久连接的软管。

仪表和控制信号：其他特殊的线型，如Figure 11中的线型，用于仪表和控制信号。在精心绘制的P&ID上，仪表和控制信号的类型将在一套相应的标准化图例中明确显示和定义。现代控制系统通常包括电气、气动和其他各种类型的工业网络通信的组合，为了避免兼容性问题，所有这些都必须被明确定义。



表外连通器：表外连接器将管道从一张图连接到另一张图，图12显示了一个例子。



表外连接器是小的、开放的、矩形块状的箭头，通常包含表明它们所链接的图纸的文字，以及一个唯一的标识符，以表明它们在另一个图纸上的对应过程连接。唯一的标识符通常是所涉及的流动路径的管道标签和过程标签。

12、使用和维护图纸标准
对每个组织来说，建立良好的标签、符号学和绘图标准是很重要的。标准可以有多种形式。这包括参考外部标准文件，制定典型图纸(即典型)，创建一套标准化的图例图纸，或制定书面规范。只有在整个组织内制定明确的标准，并使项目组的所有成员都能获得这些标准，才能充分实现P&IDs、BFDs和PFDs的沟通优势。

13、绘制P&IDs的软件
今天，P&IDs和PFDs几乎都是在CAD软件的帮助下绘制的。这种软件的范围可以从简单的二维绘图工具到完全集成的三维工厂设计套件。大多数二维绘图软件的优点是价格相对便宜，而且相当容易使用。许多软件包还拥有可重复使用的图块库，大大减少了绘图时间。此外，工业标准的商用绘图文件格式现在使交换二维绘图文件成为相对常规的工作。对于大型工艺设计项目或整个工厂的设计，更复杂的绘图工具往往值得投资。有了这些先进的工具，P&ID上的符号可以被赋予属性，设备和管道可以被输入到工厂设计软件包中的实时数据库。然后，这个数据库可以用来生成材料清单，创建仪器数据表，协助三维管道布线，并自动创建仪器回路图。复杂的工厂设计工具通常具有自动检查常见设计错误的宏。这些先进的软件设计工具的功能和灵活性继续增加。

14、作为活的文件的P&IDs
为了使P&ID成为真正有用的工具，必须对其进行更新。每次工厂的设备被修改，无论是在计划的升级过程中，还是由于维护或操作活动，相应的P&IDs也必须被审查和修改。过时的P&IDs会导致错误的沟通，操作错误，甚至是事故，因为项目人员可能被误导，不知道工厂是如何运作的。为了成为有效的沟通工具和可行的资源，P&IDs必须始终保持更新，以反映工厂的当前状态。

15、好的图纸有利更好的沟通
BFDs、PFDs和P&IDs是强大的工具，在工厂的整个生命周期中都会用到。从设计师和施工人员到运营和维护人员，这些图纸是重要的沟通工具，帮助每个团队成员了解工厂的工作内容和工作方式。P&ID也是用于设计、建造、运行和维护工厂的更大的工程规范和图纸中的一个关键组成部分。通过牢记项目团队及其许多不同的成员，今天的工艺设计师和仪表专家可以为整个工厂创建一个有价值的协调文件。
作者：Graham Nasby

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