Fakultet for informasjonsteknologi, matematikk og elektroteknikk Institutt for teknisk kybernetikk Løsningsforslag til EKSAMEN VÅR 2011 I TTK4175 INSTRUMENTERINGSSYSTEMER Pensumbok: Instrumenteringssystemer, Tor Onshus, 2006. Bokmål Hjelpemidler: D Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Bestemt enkel kalkulator tillatt (HP30S) NB! Tallene i parantes angir den relative vekt oppgaven tillegges ved bedømmelse.
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. Poengfordeling Følgende poengfordeling skal benyttes Total 100 poeng som er 80% av total karakter, der eksamen teller 80%, prosjekt 15%, lab 5%) Oppgave Del Max poeng 1 (16 poeng) a b c d e f g h 2 2 2 2 2 2 2 2 2 (9 poeng) a b c 3 3 3 3 (27 poeng) a b c 9 9 9 4 (16 poeng) a b c d 4 4 4 4 5 (12 poeng) a b 2 10 6 (20 poeng) a b c d 5 5 5 5
Oppgave 1 Diverse. a ) [Relevant pensumlitteratur: HIMA laben eller 12-7 til 12-8 ] http://www.itk.ntnu.no/fag/ttk4175/lab/hima/2oo3_analog_votering.pdf Finn Median av de 3 signalene. Sammenlikn hvert av de 3 signalene med medianen og finn ut om SIGNAL MEDIAN > Delta. Viss en verdi er utenfor har vi single feil, viss to er utenfor har vi multippel feil. Figur som minner om denne er og god. Krav til full uttelling:må beskrive noe som ligner og som kan oppdage multiple feil. b ) [Relevant pensumlitteratur: Avsnitt 3.3 i pensumboka] 1. SFC Sequential Function chart 2. 2.LD Ladder diagram 3. ST Structured text 4. IL Instruction List 5. FDB Function block diagram Side 3-13 til 3-14 har grafisk beskrivelse av språkene og tekst. Krav til full uttelling: Alle 5 språk med rett navn og beskrivelse. c ) [Relevant pensumlitteratur: Avsnitt 17.2 og 17.3 i pensumboka] Se sider 17-2 til 17-7 i pensumboka. -Korrektivt vedlikehold -Periodisk vedlikehold
-Tilstandsbasert vedlikehold [-Pålitlitghetsbasert vedlikehold] [-forebyggende] Krav til full uttelling: Alle tre[fem] vedlikeholdstyper skal være prinsippielt korrekt beskrevet. Figur er og bra. d ) [Relevant pensumlitteratur: Autronica forelesning om SelfVerify og 17-2 til 17.7 i pensumboka] Lite profitt i for mye vedlikehold som koster penger. Feil vedlikeholdsprosedyre kan ødelegge utstyr. Menneskelig feil, som å glømme å skru på igjen utstyr etter vedlikehold kan ha sikkerhetskonsekvenser. Krav til full uttelling: Nevnt alle tre men det være andre gode grunnar her og. e ) [Relevant pensumlitteratur: 14.1 i pensumboka] Barrierer - Er bra å ha. Det er å ha flere barrierer som beskyttelse mot ulykker, fks dublering av målinger, skille pådragsorgan og sikkerhetsorgan. Å ha forskjellige system for regulering og sikring. Kaskadering - Må unngåast. Unormale tilstander i en prosessdel skal ikke overførest til en annen der det vil gi nedstengning. Mao steng ned alt som blir påvirket av den unormale tilstanden. Krav til full uttelling: Forklart begrepa godt og svart rett på om det er positive/negative begrep. Zenerbarriere er feil. f ) [Relevant pensumlitteratur: 14.6.2 i pensumboka] LCC er en beregningsmetode som skal beregne de totale kostnader for materiell over dets levetid, fra anskaffelse til utrangering. Innkjøpskostnader tar ikke med drift og vedlikeholds kostnader. Krav til full uttelling: Forklart begrepet. g) [Relevant pensumlitteratur: 14.6.2 i pensumboka] - Loop-test, test av reguleringsløyfer, på anlegg. - FAT factory acceptance test, test av system hos leverandør med kunden - IAT, internal acceptance test,intern test av system hos leverandør uten kunde - SAT, site acceptance test, siste test før overtagelse på anlegg. Krav til full uttelling: Forklart testane med lokasjon.
h) [Relevant pensumlitteratur: 14.2 i pensumboka] - Null feil - Mange gode egenskaper - Ryddig og godt dokumentert kode - Høy ytelse - Lavere utviklingskostnader - Rask utvikling - Brukervennlighet - JIT - Fornøyde kunder - Stor markedsandel Krav til full uttelling: Ha med 5 egenskapar/grunnar. Dette er grunnene i boken men her godtar vi og andre gode grunner. Oppgave 2 OPC a ) [Relevant pensumlitteratur: OPC forelesning] Lagde en standard for utveksling av data i prosessanlegg, mot å måtte programmere en driver for hver type utstyr. Krav til full uttelling: Må vise en forståelse av bruksområde b ) [Relevant pensumlitteratur: OPC forelesning] - Reduserte utviklingskostnader for produsenter - Hardware produsenter lager ett sett OPC drivere for deres produkter istedenfor utvikling og vedlikehold av multiple sett av drivere. - Produsentene konkurrerer da på verdien av deres løsninger istedenfor å låse kunden i proprietære teknologier. - Reduserte integrasjonskostnader for brukere. - Brukere fokuserer på verdiskapende aktiviteter istedenfor integrasjonsproblemer. Krav til full uttelling: Ha med 3 grunner. c ) [Relevant pensumlitteratur: OPC forelsning] Data Access, nåverdisdata. Alarms & Events, hendelser i systemet(3 typer; enkel, komponentfeil, betingelse, fks høghøg alarm, sporing, operatøraksjoner). Historical Data Access, historiske data. Krav til full uttelling: Navn og type data er godt nok, trenger ikke dele inn events.
Oppgave 3 Design av Operatørgrensesnitt a ) [Relevant pensumlitteratur: 4.2.2 side 4-5 til 4-6] [I følge Ødegård og Rasmussen består informasjonsbehandlingen av: Aktivering (beslutningstakeren blir oppmerksom på at noe skjer) Analyse (skaffer seg nødvendig innsikt i prosessens tilstand) Problemløsning (evaluerer situasjonen og velger målet for de påfølgende inngrep) Planlegging (planlegger de inngrep som er nødvendig for å nå målet) Aksjon (utfører de enkelte funksjonene)] De tre hovedmønstrene er: Ferdighetsbasert handling ( reagerer uten å tenke, når den lyser skal jeg trykke på den knappen, krever liten tankevirksomhet, må trenes på regelmessig, hendelser som ofte inntreffer blir ofte en del av et ferdighetsbasert handlingsmønster, problemet er godt visualisert, handlingen kan løses med få operasjoner; kort sagt enkel problemstillinger ) Regelbasert handling ( mønstergjenkjenning, en situasjon gjenkjennes og operatøren vet da at forutbestemt tiltak skal iverksett, operatøren kan nødvendigvis ikke disse utenat, men vet hvor disse tiltakene er beskrevet, denne form for handlingsmønster kan kun løse forutsette hendelser, krever gode og korrekte mentale modeller, litt mer mentalt krevende enn ferdighetsbasert handlingsmønster) Kunnskapsbasert handling (mye mer krevende enn de andre handlingsmønstrene, situasjonene som krever denne form for handling inntreffer sjeldent og krever svært god forståelse av prosessen, god vurderingsevne og evne til å ta korrekte avgjørelser basert på denne forståelsen, gir ny kunnskap om prosessen, langsomt handlingsmønster, inntreffer for uforutsette hendelser) Krav til full uttelling: Bør ha beskrive de tre mønstrene med grei forklaring. Figur er og bra. b) [Relevant pensumlitteratur: 4.1 til 4.7] Faktor som reduserer operatørens evne til å motta og tolke informasjon og handle korrekt ut i fra denne informasjonen er: Stress (antall oppgaver, erfaring, forventingspress, misstilpassning mellom trusselbilde og tilgjengelige virkemidler, tidspress, motstridende alternativer gir ambivalens, usikkerhet på seg selv og hva en kan og skal gjøre, uklare ansvarslinjer, dårlig opplæring, dårlig tilpasset arbeidsmiljø, motivasjon, personlig egnethet, evne til å håndtere stress, tilpassing av arbeidsoppgaver) Opplæring (med fokus på prosedyrehåndtering, gjenkjenning av kjente problemer og god/dyp kunnskap om prosessen som kontrolleres) Informasjonsmengde og presentasjonsform (presentasjonsmetoder etc.) Arbeidsmiljø (lys. lyd, arbeidsplass, arbeidsverktøy etc.) Personlige egenskaper (alle er ikke egnet til alle type oppgaver; noen liker rutinemessige oppgaver andre hater dem) Psykologiske og mentale modeller (det er viktig med kjennskap til hvordan mennesket bygger og benytter seg av psykologiske og mentale modell slik at man kan tilpasse opplæring, informasjonspresentasjon og arbeidsoppgaver etter dette) Fysisk og psykisk helse Krav til full uttelling: Nevnt alle 7, eventuelt andre gode poeng kan gi utelling og.
c ) [Relevant pensumlitteratur: 4-27 til 4-31] For mye stress er en av faktorene som er med på redusere operatørens evne til å utføre de korrekte handlingen. En av de viktigste årsakene til stress er tidspress, mange samtidige oppgaver, for mye og feil informasjon ( støy ). Dette gir operatøren en følelse av at det er en mistilpasning mellom trusselbildet og tilgjengelige virkemidler (får ikke oversikt, klarer ikke å prioritere oppgavene, liten støtte å få fra systemet). For å motvirke dette må informasjonen bearbeides slik at det blir lettere for operatøren å få oversikt og å prioritere, samtidig må systemet kunne selv sortere og prioritere informasjonen for operatøren. Alarmfiltrering er en måte i å implementere dette på. Alarmfiltrering er en viktig oppgave i systemer med mange mulig alarmer. Når en uønsket hendelse inntreffer vil det bli generert mange alarmer. Mange av disse er følgealarmer av rotårsaken. Følgealarmer er ikke interessante og kan skjules for operatøren. Kravet til alarmfilteringsystemet er at det skal være i stant til å holde antall alarmer på et slikt nivå at operatøren ikke blir overbelastet. På denne måten klarer systemet å gi en klarere og enklere presentasjon av situasjonen uten falske alarmer og uviktige alarmer. Alarmfiltreringsystemet skal også være i stand til å tilpasse seg operatørens behov ved å gi forskjellige muligheter for strukturering av informasjonen. Filteringsystemet skal aldri fjerne eller filtrere sikkerhetsalarmer for absolutte fysiske grenser i prosessen eller alarmer som varsler om farer for personer og utstyr. Krav til full uttelling: Minimumskrav er å ha med at i store system kan ein feil føre til mange alarmar og at filtrering hjelper med å finne rotårsak og gi rett informasjon til operatør. Oppgave 4 Store Ulykker a ) [Relevant pensumlitteratur: kapitel 7 i pensumboka] Kommunikasjonsfeil mellom mennesker, A330 Software som ikke takler uvanlige situasjoner, A330 Organisatoriske problemer, feil blir oppdaget men ikke utbedret, DC10 Økonomiske press, Apollo 13 Press på underleverandører, Challenger Organisasjonen blir vane til små problemer og oppdager dermed ikke større problemer, Columbia Naturlige årsaker, metan siver inn i pumpe eksploderer ved start, Abbeystead Avslått sikkerhetssystem, Bhopal Uvanlige temperaturer, Seveso Design feil, fks chernobyl der reaktoren var ustabil under 20% effekt men det var lov å kjøre den under 20% som ble gjort og katastrofe var et faktum Vise antatt tilstand og ikke faktisk tilstand i operatørpanel, Three Mile Island Dårlig informasjonsutveklsing mellom skift førte til lekkasje og brann, avslått brannsystem, Piper Alpha Ettermontering av instrumentering førte til svekkelser og kollaps, Alexander Kielland Mangel av oversikt over prosessen som gjør at faresignlar ikke blir oppdaget, BP texas Raffinery Tog kjørte forbi stopp signal, førte til innføring av ATC, automatisk topgstopp ved rødt signal, tretten Hadde ikke ATC, ingen lydalarm for overåkning for kollisjonskurs i kontrollrom og ingen
radiokommunikasjon mellom tog, Åsta Svikt i baugporter til RoRo ferger, estonia, herald of Free Enterprise Krav til full uttelling: 3 generelle eller spesifikke årsaker til store ulykker. Her ble det og nevnt ulykker utenom boka de ble og godkjent. b ) [Relevant pensumlitteratur: 7-1 og 9-23 i pensumboka] De er ofte sammenfall av flere uheldige omstendigheter, disse hendelsene er for seg selv ikke betydelige men sammen gir de en uventet effekt. Det er ofte ikke en enkelt årsak men mange. Krav til full uttelling: Bør ha sagt noe liknende c ) [Relevant pensumlitteratur: kapitel 9.6 i pensumboka] - Dårlig sikkerhetskultur(kvalitetsledelse) - Ineffektiv organisasjonstruktur(rapporteringsrutiner) - Inneffektiv tekniske aktiviteter(deteksjon av feil) Krav til full uttelling: Dette er de generelle erfaringene men visst det er oppgitt andre svar med god begrunnelse kan de gis full utelling for det. d) [Relevant pensumlitteratur: side 8-3 og 1-3 i pensumboka] i) Ved feil vil systemet automatisk gå til en sikker tilstand, fks visst sikker tilstand for en ventil er lukket vil den lukkest automatisk ved tap av strøm. ii) Hindre at noe kan skje før en betingelse er oppfylt(hindre at en får gjort noe galt) Krav til full uttelling: Mange måter å forklare det på men essensen av det de skriver bør være likt. Oppgave 5 NORSOK a ) [Relevant pensumlitteratur: Databasert Dokumentasjon forelesning] En P&ID inneholder informasjon fra mange disipliner og kan fort bli uoversiktlig mens en SCD gir instrumenterings/automasjon ingeniører den informasjonen de trenger for å få oversikt over kontrollogikken. Krav til full uttelling: Lik essens. b) [Relevant pensumlitteratur: Databasert Dokumentasjon forelesning]
Krav til full uttelling: Prinsippskisse skal være rett med plassering av inntak/uttak for gass, olje og vann. Skal ha med NORSOK blokk typer og tagnavn for alle ventiler og målinger, om målinger er koblet i lag med ventiler er det ok. Om de eventuelt har lagt til en MB eller LB blokk som tar måling fra vann nivå og som styrer strupningsventilen er det og bra. De skal ha med unike tags for alt utstyr og ha kunne oversatt utstyr til rette NORSOK blokker. Oppgave 6 Maskinsikkerhet a ) [Relevant pensumlitteratur: Maskinsikkerhet forelesning side 8] En teknisk standard som er laget for å oppfylle en spesfikasjon. Den innebærer at spesifikasjonen er oppfylt visst den harmoniske standarden er oppfylt. Eller viss en følger den harmoniserte standarden så er krava innenfor området oppfylt. Krav til full uttelling: Noe liknende. b ) [Relevant pensumlitteratur: Maskinsikkerhet forelesning side 51] Konstruksjon av system, reduserer konsekvens Vernetiltak(SIL,PL, kategori), reduserer frekvens Brukerinformasjon(opplæring, merking, instruksjosnbok), reduserer frekvens Krav til full uttelling: Alle tre c ) [Relevant pensumlitteratur: Maskinsikkerhet forelesning side 49]
1. Utføre risikovurdering 2. Fjerne risiko ved konstruksjon 3. Identifiser nødvendige sikkerhstfunksjoner og deres ytelse(pl) 4. Konstruer sikkerhetsfunksjonen 5. Vis at løsningen gir akseptabel riskiko Krav til full uttelling: Alle fem i rekkefølge. d ) [Relevant pensumlitteratur: Maskinsikkerhet forelesning] A = Nærhetsdetektor, B = Kontaktor Sjekk PFH. PFH = A λ D + B λ D = Sjekk struktur. Aλ TOT = = 0.1*n op /B 10 = AλDU = (1-DC)*0.1*n op / B 10d = SFF A = (Aλ TOT - AλDU)*100 / Aλ TOT Bλ TOT = = 0.1*n op /B 10 = BλDU = (1-DC)*0.1*n op / B 10d = SFF B = (Bλ TOT - BλDU) *100/ Bλ TOT = Sjekk løysning under. PFH er ok, A er ok mens B trenger HFT = 1. Trenger 1oo2 redundans for kontaktor for å oppfylle kravet. Krav til full uttelling: DC B10 b10d nop mttfd lambdad A 0,9 9000000 200000000 15 133333333 7,5E-09 B 0,7 5000000 20000000 15 13333333 7,5E-08 PFH= 8,3E-08 SIL3 Alambdatot= 1,7E-07 Alambdadu= 7,5E-10 ASFF= 99,6 % SIL3 blambdatot= 3,0E-07 blambdadu= 2,3E-08 BSFF= 93 % SIL2 treng HFT = 1 for å få SIl3