Løsningsforslag til EKSAMEN VÅR 2010

Transkript

1 Fakultet for informasjonsteknologi matematikk og elektronikk Institutt for teknisk kybernetikk Skrevet av KRS. Løsningsforslag til EKSAMEN VÅR 2010 I TTK4175 INSTRUMENTERINGSSYSTEMER Pensumbok: Instrumenteringssystemer, Prof. Tor Onshus. Bokmål Hjelpemidler: D Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Bestemt enkel kalkulator tillatt (HP30S/Citizen SR-270X). Tallene i parentes angir den relative vekt oppgaven tillegges ved bedømmelse. Deloppgaver som krever mer omfattende besvarelse veier tyngre ved sensur. Dersom du mener at det er nødvendig med fler opplysninger i en oppgaveformulering, gjør kort rede for de antagelser og forutsetninger som du finner nødvendig. Generelt: Det presiseres at alle besvarelser bør være korte og konsise. Kommentarer til løsningsforslag: Løsningsforslagene gir en pekepinn på hva svarene skal inneholde og må ikke ses på som maksimale svar. For mer utfyllende informasjon må man slå opp på de referanser som det er gitt til pensumstoffet. Der svaret finnes direkte ved oppslag i pensumstoffet, refereres det kun til dette.

2 Poengfordeling Følgende poengfordeling skal benyttes: Oppgave 1 24p 2 28p 3 16p 4 12p Del Max poeng a 3 b 4 c 4 d 3 e 5 f 5 a 5 b 5 c 4 d 5 e 5 f 4 a 4 b 4 c 4 d 4 a 4 b 4 c 4 Total 80 poeng (av totalt 100, der eksamen teller 80%, prosjekt 15%, lab 5%).

3 Oppgave 1. Diverse (25%) a) Elektrisk (strøm på anlegget, statisk, lyn), mekanisk (friksjon, slag) atmosfæriske forstyrrelser, kjemisk reaksjon. Krav til full uttelling: Fem av totalt syv punkter nevnt, eller de 4 hovedpunktene. b) Zenerbarriere er skissert i boken(10-12). Begrenser strøm og spenning ut i Ex område. Tennenergi blir dermed for lav til antennelse. Alternativet er en trafobarriere. Krav til full uttelling: Korrekt skisse, kort forklaring og trafobarriere nevnt. c) Forklaring i boken(12-17) - (12-21) BD - blow down (trykkavlastningssystem). Forhindrer overtykk, og dermed forhindrer man at tanker / rør revner eller eksploderer. Uavhengig av nedstengning. Kontrollert trykkavlasting. Ofte egen ventil til atmosfære, eller fakling. NAS/ ESD (Nødavstengningssystem) (emergency shutdown system). System med helt egen separat logikk som stenger av / går til sikker modus ved nødssituasjoner. Isolerer prosessavsnittene. Kan ta imot signaler fra prosessen (for eksempel brann og gass deteksjon), manuelle meldere. Bruker ikke alltid egne aktuatorer av økonomiske hensyn. BD er i de aller fleste sammenhenger et manuelt system som brukes etter at ESD har seksjonert installasjonen i passe store volumer som kan enten sekvensielt eller samtidig trykkavlastes. Behovet for BD er primært ved brann for å hindre at trykksatt utstyr blir overopphetet og eksploderer / lekker ukontrollert ettersom stålet blir svakere ved oppvarming og kan briste uten at PSV utløses da trykket i utstyret ikke behøver å komme over settrykket til PSV. I verste tilfelle kan dette føre til en BLEVE. Krav til full uttelling: Kort korrekt forklaring på begge punktene. d) Forklaring i boken(8-21). λ = Total sviktintensitet λ^f = Del av den totale feilraten som gir alvorlige feil T = Midlere reparasjonstid τ = Tid mellom funksjonstest

4 Krav til full uttelling: 3 av 4 korrekt forklart. e) Forklaring i boken(5-31) OPC = OLE for process control. OLE = Object linking and embedding. Spesielt tilpasset reguleringsformål. Felles system på tvers av produsenter og produkter som muliggjør enkel informasjonsutveksling. Kan skrive og lese verdier fra utstyr og samle informasjon på ett sted. (For eksempel kontrollrom). OPC bruker åpne standarder ++ Krav til full uttelling: 1p for forkortelsen, + 4p for utfyllende svar. f) Forklaring i boken(2-25) Profibus PA har et visst nivå av Ex sikring, buss / stjerne / ringtopologi, overføring via tvunnet trådpar eller fiber, maks 127 noder på en buss, 9.6 kbit/s til 12 Mbit/s overføring, opp til 24km rekkevidde (med fiber, hastighetavhengig), master / slave eller peer to peer, bussarbitrering via token passing, HD4 CRC feilsjekk. Krav til full uttelling: Minst 5 punkter nevnt. Oppgave 2. Instrumentering, votering, sikring(30%) a) Flere godkjente løsninger. Sentralt er det at det er 3 nivåsensorer () (+en egen for reguleringen). Det må også være 2 logikkenheter (PLS / PLC / PC) der alle 3 signalene fra de 3 sensorene går til begge enhetene. Det må også være to ventiler i serie på innløpet til tanken i tillegg til reguleringsventilen. -Gjerne indikert at disse ventilene har fjærstenging slik at de lukkes hvis strøm eller ev. trykkluft forsvinner. Systemet skal være failsafe.

5 luft V230-24V V PLS PLS PLS SV1 SV2 LV1 Krav til full uttelling: 4 sensorer, 2 logikkenheter, 2 ventiler i serie+1 (reguleringsventilen), 3 signaler til hver logikkenhet og inntegnet kobling mellom alle enhetene. b) Se boken for eksempel (16-13). En P&ID tegning må indikere plassering og navngiving av alle sentrale komponenter i systemet. I likhet med forrige oppgave, (3+1)*() plassert på tanken, to logikkenheter med navn: LC / LIC. (level indicator controller). Finner studenten på andre navn som stemmer overens med listen i boken (A1 & A2) og er korrekte gir dette full uttelling. Alle enhetene må ha en form for nummerering (f.eks. 1, 2 osv.).

6 4 SC 1 SC LC 1 1 SV1 SV2 LV1 Krav til full uttelling: 3+1 sensorer korrekt plassert, 3 logikkenheter og 3 ventiler. (Enheter knyttet til reguleringen er ikke like sentrale som sikkerhetsenheter). Korrekt navngiving iht. Boken(A-1 til A-3) samt nummerering av enheter. c) Ex soner (0- steder der gass er kontinuerlig tilstede, 1-utslipp av gass skjer periodisk eller tilfeldig under normal drift, 2-utslipp forventes ikke å skje under normal drift). Det bør indikeres sone 0 inne i rør og tank, sone 1 i en radius rundt ventilene og sone 2 i en periferi rundt hele systemet. Krav til full uttelling: Alle 3 soner korrekt plassert. d) Se boken(11-18 til 11-23) Så lenge studenten resonerer, gjør brukbare antagelser om systemet (temperaturer ute, vær og vind, økonomi) og deretter velger korrekt gassdetektor er svaret godkjent. Det beste valget etter mitt skjønn er en akustisk detektor (11-22). Noen fordeler med denne er at den detekterer utendørs -selv i vind, gassen må ikke være i kontakt med detektoren, og oppløsningen av gass i luft er ikke relevant. Systemet er utendørs, noe som medfører at gass som har lekket vil blåse bort. Dette så godt som utelukker katalytiske og optiske detektorer. (Man kan kanskje argumentere for bruk av en linjedetektor). Studenten kan også få en liten uttelling ved å argumentere med at gasslekkasje utendørs utenfor prosessområde ikke utgjør nevneverdig risiko.

7 Krav til full uttelling: Valg av en detektor basert på sannsynlige antakelser om systemet og god begrunnelse. e) Optisk røykdetektor basert på spredning. Bør inneholde en kort forklaring og/ eller en skisse som tilsvarer den i boken (fig side 11-13). Nok en gang er utendørs plassering noe som bør forhindre valg av en optisk eller ionisk detektor. Studenten kan argumentere for UV, IR eller UV / IR i henhold til boken (11-6 til 11-8). Krav til full uttelling: Studenten får 2 poeng for en korrekt skisse og kort forklaring på del 1. 3p for valg og begrunnelse av detektor. f) Studenten bør tegne en graf som tilsvarer den i boken(10-3 fig 10.1), med korrekt plassering av LEL på 1% og UEL på 10%. Det trygge området er til venstre for LEL. Krav til full uttelling: Korrekt skisse med område til venstre for LEL skravert.. Pluss for korrekt indikering av aksene, der X-aksen er blandingsprosenten av gass i luft og Y-aksen er tennenergi. Oppgave 3. Drift, vedlikehold og informasjonspresentasjon(25%) a) Her er det ønskelig å få skissert opp den klassiske badekarskurven. Tid langs X- aksen og feilrate langs Y. Den første tiden når systemet settes i drift er det mange barndomssykdommer og derfor en høy feilrate. Kurven synker deretter raskt nedover og flater ut. Etterhvert som årene går, stiger kurven sakte opp igjen etter som slitasje, rust, elektriske feil osv. trer inn. Man bør konkludere med periodisk funksjons verifisering, se (17-6). Svar med forklaring i sammenheng med figur 17.3 er også godkjent. Krav til full uttelling: Korrekt skisse 1p. 3 poeng for vedlikehold basert på gode antagelser om systemet. b) Se boken (4-11) Her finnes det mange svar som kan godtas. Som regel er det gunstig å ha en dedikert skjerm til hvert av elementene som skal vises. Det bør nevnes elementer som informasjonsmengde, korrekt og intuitiv fargebruk, basere informasjon rundt en P&ID liknende skisse av systemet på skjermen, alarmer osv. I tillegg til nå-tilstanden bør produksjonsmål, begrensinger, historikk og fremtidsprediksjon vises frem.

8 Krav til full uttelling: Minst 4 punkter nevnt i første del og 2 i andre del. c) Se boken (4-2). Her bør studenten komme inn på en del av disse punktene: Informasjonsmengde og presentasjon, arbeidsmengde, lyd, lys, luft, medarbeidere, sitteposisjon, trygghetsfølelse. Studenten kan også nevne hovedpunktene som står listet opp på side 4-2 Krav til full uttelling: Minst 5 punkter nevn og kort begrunnet. d) Se boken (4-23, 4.7.2) Analytisk: Bruke matematiske modeller for å skape seg en komplett modell av systemet. Med en fullstendig analytisk modell kan man finne alle feil og konsekvenser av disse. Dermed kan man identifisere og lokalisere alle feil, feilårsaker og prosesstilstander. Dette er veldig kostbart og ikke minst vanskelig og tidkrevende. Resultatene må også valideres mot tester og måledata senere. En black box metode baserer seg på måledata fra systemet. Man kan da benytte en algoritme for å bygge seg opp en modell. Dette vil også være tidkrevende, gå gjennom alle systemmodi for å skaffe seg måledata. Man vil heller ikke benytte den a priori kunnskapen som finnes om systemet. Hybridmodeller som er en kombinasjon av de to ovennevnte bør også komme frem i besvarelsen. Krav til full uttelling: Begge metodene forklart. Fordeler og ulemper nevnt ved begge, eller en sammenlikning mellom dem med begrunnelse. Oppgave 4. Prosjektstruktur, dokumentasjon (20%) a) Se boken (14-2). Hoveddokumentet heter FDS / FS (Functional design specification / Functional specification). Dette dokumentet beskriver for leverandøren spesifikasjon av funksjoner og ytelsen som er ønsket av systemet. Dokumentet inneholder ikke detaljspesifikasjon om hvordan funksjonene skal realiseres (f.eks. hvilket språk koden skal skrives i). Dette er opp til leverandør. b) Se boken (14-13) LCC er alle kostnadene som er forbundet med et produkt helt fra planleggingsfasen til produktet er kastet/avviklet. Svaret bør inneholde så mange punkter som mulig fra side (14-13 til 14-14). For å holde LCC så lave som mulig: Kjøpe inn produkter som krever lite vedlikehold, har lave installasjonskostnader, lang levetid, kan vedlikeholdes uten produksjonsstopp.

9 Krav til full uttelling: Alle 4 hovedmomentene fra LCC nevnt, ev. flere undermoment fra hvert hovedmoment. Minst 3 punkter nevnt for å holde LCC så lav som mulig. c) P&ID Fokuserer på instrumentering, aktuatorer, rør, fysiske dimensjoner. Brukes av mange fagdisipliner. SCD System control diagram. Forteller hvordan funksjoner skal utføres. Poeng kan også gis for andre sentrale dokumenter som blir nevnt og begrunnet.