1 Faglig kontakt under eksamen Navn: Tor Onshus Tlf: 73594388 Fakultet for informasjonsteknologi, matematikk og elektroteknikk. Institutt for teknisk kybernetikk EKSAMEN I TTK4175 INSTRUMENTERINGSSYSTEMER Tirsdag 5. juni 2012 Tid: kl 09.00-13.00 Totalt 4 timer Antall sider: 5 (inkludert forsiden og vedlegg) Bokmål Hjelpemidler: D Ingen trykte eller håndskrevne hjelpemidler tillatt. Bestemt enkel kalkulator tillatt (HP30S/Citizen SR-270X) Tallene i parantes 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 flere 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.
2 Oppgave 1 Diverse (12,5%) a) Forklar forskjellen mellom begrepene standby og votering. Standby vil si at en eller flere enheter jobber i parallell, og at begge enhetene driver konstant selvtesting. Resultatet av selvtesten avgjør hvilken enhet som brukes. (1,25%) Ved votering utføres en oppgave i flere enheter, og feil detekteres ved å se på avviket mellom resultatene fra de ulike enhetene. (1,25%) Besvarelser som korrekt beskriver den prinsipielle virkemåten med andre ord enn løsningsforslaget gis også full uttelling. For voteringsdelen godtas både digital og analog votering, både som prinsipp og med korrekt beskrevet eksempel. b) Hva er et typisk bruksområde for 3-veis ventiler? Deling eller blanding av strømning. F.eks for regulering av temperatur. (2,5%) Besvarelser som minst nevner en av disse gis full uttelling. Korrekt beskrevet eksempel godtas også. c) Gjelder produktsikkerhetsdirektivet for pakkemaskiner? Hvorfor/hvorfor ikke? Nei. (1%) Produktsikkerhetsdirektivet gjelder ikke for løsninger som omfattes av andre direktiver, og en pakkemaskin vil høre til under maskinsikkerhetsdirektivet. (1,5%) d) Innen prosessikring er det et krav om at en skal unngå «kaskadering». Forklar betydningen av begrepet og hvordan det kan unngås. Kaskadering betyr at en unormal prosesstilstand i en prosessdel overføres til et annet system der tilstanden vil føre til nedstenging av systemet. Det vil si at en stoler på at delsystemer lengre ut i prosessen oppdager den unormale situasjonen og dermed utfører en nedstenging. (1,25%) For å unngå at dette skjer, skal en ved første deteksjon av en unormal prosesstilstand stenge ned delsystemer som uansett vil bli påvirket av tilstanden. (1,25%) e) I områder med eksplosjonsfare benyttes utstyr med ulik beskyttelse. Disse klassifiseres i hovedgrupper basert på hvordan beskyttelsen er utført. Forklar beskyttelsesmåten som er brukt, samt godkjent Ex-sone for utstyr som er klassifisert som Ex(i) og Ex(e).
3 Ex(i): Egensikker utførelse. Det vil si at mengden energi som er opplagret i kretsen er lavere enn minste tennenergi. (1%) Sone 0-2. (0,25%) Ex(e): Tennsikker utførelse. Utstyr hvor det er benyttet spesielle metoder for å sikre mot overtemperatur eller dannelse av gnister og lysbuer inne i utstyr som under normal drift ikke selv danner gnister eller lysbuer. (1%) Sone 1-2. (0,25%) Oppgave 2 Bussystemer (7,5%) a) Hva er en feltbuss? (Instrumenteringssystemer, Tor Onshus, 2011) - Kap. 2.6 Feltbuss er et digitalt alternativ til 4-20 ma standarden for overføring av signaler. På en enkelt feltbuss kan signaler fra flere ulike instrumenter samles. Besvarelser som tar med hovedpoengene fra Kap. 2.6 gis full uttelling (2,5%) b) Hvilke egenskaper har feltbuss kontra 4-20 ma strømsløyfe? (Instrumenteringssystemer, Tor Onshus, 2011) - Kap. 2.6.3 (0,5% per. korrekt beskrevet egenskap) c) Beskriv hvordan Profisafe brukes, og hvilke tiltak som er implementert der for å få tilstrekkelig sikkerhet. Sikkerhetslag som bygger oppå Profibus. Bruker ekstra feildeteksjonsmekanismer for å øke sikkerhetsnivået. (Siemens Safety Systems - Arnt Olav Sveen, Siemens. 05.03.2012) For full uttelling kreves kun en enkel forklaring, men det må både nevnes at det bygger på Profibus, og at det gis en kort forklaring på hva som øker sikkerheten i Profisafe. (2,5%)
4 Oppgave 3 HIPPS (7,5%) a) Hva er et HIPPS-system og hva brukes det til? HIPPS (High Integrity Process/Pipeline/Pressure Protection System) er et alternativ til PSV (Process Safety Valve). (1,25%) Oppgaven til et HIPPS er å isolere en del av en prosess fra overtrykk fra en trykkilde. (1,25%) b) Tegn en skisse av et typisk HIPPS-system. (Instrumenteringssystemer, Tor Onshus, 2011) - Fig. 12.17 For å oppnå full uttelling må besvarelsen korrekt beskrive et typisk HIPPS system, ved skisse eller evt. en kombinasjon av en skisse og forklarende tekst. Besvarelser som også har tegnet inn systemet HIPPS skal beskytte godtas også uten trekk. Det er ikke et krav at besvarelsen skal være identisk med figur 12.17. Oppgave 4 Boreoperasjoner (7,5%) a) Beskriv kort den prinsipielle framgangsmåten ved borring av en ny havbunnsbrønn. Her godtas både forklaring av selve boreprosessen, og en lengre forklaring som tar med seismiske undersøkelser og leteboring. Se (Innføringskurs i Boring -Jo Erik Gjul, Oddfjell Drilling. 06.02.2012) Det kreves ingen inngående beskrivelse for å oppnå full uttelling. Besvarelser som tar med at en driller med stadig minkede diameter gis (2 %) Nevnes montering av BOP eller annen relevant ekstrainformasjon knyttet til selve boringen gis i tillegg (0,5%). b) Hva gjør en for å forhindre brønnspark og hvordan kan en kontrollere det hvis det først er konstatert? Se (Innføringskurs i Boring -Jo Erik Gjul, Oddfjell Drilling. 06.02.2012) Besvarelser som nevner kontrollering av trykk (2%) Beskrives metoder for å kontrollere trykk (overvåking, estimering, casing, mud) (2%) Ved beskrivelse av bruk av BOP for nedstenging (1%)
5 Oppgave 5 Selvtest (10%) a) Forklar kort virkemåten til en «watchdog» i et programmerbart sikringssystem. «Watchdogen» mottar regelmessige signaler fra CPU. (1,25%) Om det går for lang tid eller for kort tid mellom to signaler fra CPU er «watchdogens» oppgave å tvinge systemet over i sikker tilstand. (1,25%) b) Hvilke sikkerhetsfordeler oppnår vi ved å bruke analoge givere istedet for digitale brytere? Ved korrekt bruk av analoge givere er en i stand til å skille mellom åpen/lukket bryter og en rekke feiltilstander. Løsningen kan f.eks kobles slik at en kan detektere brudd og kortslutning. Besvarelser som enten beskriver mulighet for å skille mellom feiltilstander, eller kommer med eksempler (kortslutning/brudd) (2,5%) c) Hva er pulstest og hva brukes det til? Pulstesting er en metode hvor utgangen fra et system skifter polaritet i et kort tidsintervall, slik at en kan lese tilbake og kontrollere at utgangen faktisk endres. (1,5%) Dette brukes for å oppnå selvtesting. (1%) d) Hvordan får en realisert sløyfeovervåkning? (Instrumenteringssystemer, Tor Onshus, 2011) - Kap. 12.3.1 For full uttelling kreves komplett figur, eller tilsvarende beskrivelse (2,5%) Oppgave 6 Dokumentasjon (35%) Selskapet du arbeider for har fått i oppgave å prosjektere et anlegg for produksjon av biodiesel. Det er besluttet at det skal benyttes en reaktortype kalt CSTR (Continuous stirred-tank reactor), som er vist i figur 1. Du skal lage tegninger for systemene tilhørende én enkelt reaktor, men anlegget vil bestå av en samling av disse. Prosessen foregår ved at reaktoren mates med råstoffer, samt en katalysator som starter en kjemisk prosess. For å øke tempoet i prosessen har man valgt å operere med høy temperatur og overtrykk i tanken. Reaktoren er omsluttet av et rør hvor det strømmer en blanding av kaldt og varmt vann. Temperaturregulering gjøres ved å regulere blandingsforholdet fra to rør med hhv. kaldt og varmt vann. Du kan i denne oppgaven anta at råstoffer og katalysator kommer inn i flytende form gjennom to
6 separate rørledninger. For temperaturreguleringen kommer kaldt og varmt vann inn via egne rør som du kan koble deg på. Videre kan du anta at biodiesel tappes fra bunnen av reaktoren og at den derfra skal fraktes via rørledning til en oppbevaringstank. Kunden har listet en del krav til løsningen. Figur 1 Continuous stirred-tank reactor Nivået i tanken skal reguleres innenfor et gitt intervall, om nivået overstiger denne verdien må tilførsel av råstoff og katalysator stoppes. Blandingsforholdet mellom råstoff og katalysator må holdes konstant. Temperatur og trykk i tanken må holdes innenfor gitte grenseverdier. Tanken må ha en sikkerhetsløsning som raskt kan slippe ut trykket om det skulle overstige grenseverdien. Ved en eventuell utluftning av tanken skal ikke gassen ventileres ut i produksjonslokalet. Husk å skrive ned eventuelle forutsetninger du gjør som ikke er beskrevet i oppgaveteksten. a) Lag en overordnet skisse av systemet som viser nødvendige koblinger mellom pådragsorganer, måleapparater, ventiler, logikk, I/O, motorer osv.
7 Nivået i tanken skal reguleres innenfor et gitt intervall, om nivået overstiger denne verdien må tilførsel av råstoff og katalysator stoppes. (2,5 %) Blandingsforholdet mellom råstoff og katalysator må holdes konstant. (2,5%) Temperatur og trykk i tanken må holdes innenfor gitte grenseverdier. (2,5%) Tanken må ha en sikkerhetsløsning som raskt kan slippe ut trykket om det skulle overstige grenseverdien. (2,5%) Ved en eventuell utluftning av tanken skal ikke gassen ventileres ut i produksjonslokalet.(2,5%) b) Tegn et P&ID diagram for løsningen. Ta med alle nødvendige sensorer, ventiler osv. med full tag. Maks poeng : - Tags (5%) - Symboler (5%) - Forbindelser (2,5%) For full uttelling kreves korrekt, og konsekvent bruk av tags, symboler og forbindelser. Alt skal være numerert, og tags må gjenspeile riktig funksjon. c) Hele anlegget skal kunne overvåkes fra et sentralt kontrollrom. I rommet vil det til en hver tid være tilstede to operatører. Disse skal overvåke total 15 slike reaktorer på anlegget. Drøft hvilke hensyn til ergonomi, lyssetting, støy osv. som må taes ved utforming av kontrollrommet. (Instrumenteringssystemer, Tor Onshus, 2011) - Kap. 4 For full uttelling bør besvarelsen dekke alle de følgende momenter: - Utforming av arbeidsstasjoner. (Belastning, oversikt, alarmer, bevegelsesmønster) - Plassering av kontrollrommet i forhold til resten av prosessen. (Støy, lukt, sikkerhet, oversikt) - Plassering av operatører mtp. arbeidsfordeling. - Utforming av lyd/lys signaler for å unngå at operatøren overbelastes. - Lyssetting for å unngå at operatører blir utmattede eller sovner
8 Oppgave 7 Votering (20%) Det skal utformes et system hvor en sikkerhetsventil stenger tilførselen av gass inn til en tank ved for høyt trykk i tanken. Sikker tilstand for systemet ved for høyt trykk, er å stenge ventilen. Hele systemet blir funksjonstestet hver 6 måned. Trykktransmitterne er koblet til en PLS hvor logikken for kontroll av ventilen er implementert. Hver av trykktransmitterne gir ut et analogt signal som indikerer trykkets verdi. Signalene skal kobles sammen med digital logikk i PLS som åpner ventilen ved å sette ut høyt (1 i logikken) signal. a) Skisser sammenkoblingen av sensoren og logikken i en PLS for å realisere en 1oo2 votering av to trykktransmittere. For full uttelling kreves en korrekt implementert logikk internt i PLS. Inngangsverdiene fra begge trykktransmitterne må leses inn, og om en av de overstiger maksgrensen skal utgangssignalet settes lavt. (5%) b) Skisser en sammenkobling av utgangene fra to PLSer for å realisere en 2oo2 votering for ventilen For full uttelling skal PLS være koblet slik at det kreves lavt utgangssignal fra begge enheter for å stenge ventil. Det er tilstrekkelig med en trykktransmitter per PLS. Løsningen kan realiseres ved at PLSene kobles sammen med logikk slik at begge må ha utgangsverdien lav for å stenge ventilen. Besvarelser som inneholder skisse fra (Instrumenteringssystemer, Tor Onshus, 2011) - Fig. 8.4 (Sikker tilstand AV) godtas også. (5%) c) Beregn PFD for hver av løsningene ved å bruke β-modellen, samt tall fra tabell 1.
9 (Instrumenteringssystemer, Tor Onshus, 2011) - Kap. 8.4.5 Det viktigste i denne oppgaven er å forstå hvordan PFD påvirkes av parallelkobling av enheter når funksjonen til systemet er å stenge innløpsventilen ved for høyt trykk. For oppgave (a) beregnes PFD ved: PFDsys = PFD1oo2 + PFDPLS + PFDVentil For oppgave (b) beregnes PFD ved: PFDsys = PFDPT1 + PFDPLS1 + PFDPT2 + PFDPLS2 + PFDVentil Her er det svært store avvik mellom de ulike tallsvarene som er gitt i besvarelsene. For å oppnå full uttelling kreves derfor bare riktig metode, og ikke nødvendigvis riktig svar. Poengfordeling: Riktige PFD for enkeltkomponenter (2%) Riktig system i deloppgave 1 (4%) Riktig system i deloppgave 2 (4%) NB! Både β-modellen og tabell 1 finner du i vedlegg.