SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for...

56
SAFETY INSTRUMENTED SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR PROCESS SYSTEM (SIS) FOR PROCESS OPERATION BASED ON REAL OPERATION BASED ON REAL - - TIME MONITORING TIME MONITORING by Cen Kelvin Nan by Cen Kelvin Nan

Transcript of SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for...

Page 1: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

SAFETY INSTRUMENTED SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR PROCESS SYSTEM (SIS) FOR PROCESS

OPERATION BASED ON REALOPERATION BASED ON REAL--TIME MONITORINGTIME MONITORING

by Cen Kelvin Nanby Cen Kelvin Nan

Page 2: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

����������������

�� BackgroundBackground�� Research ContributionsResearch Contributions�� Proposed MethodologyProposed Methodology�� Case StudyCase Study�� ConclusionsConclusions�� Future WorksFuture Works�� AcknowledgementsAcknowledgements

Page 3: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

����� ������� ��

��������������������������

�� A system independent of Basic Process Control A system independent of Basic Process Control System (BPCS), is designed to take action to System (BPCS), is designed to take action to maintain the process safety in the event of maintain the process safety in the event of malfunctionmalfunction

�� ““a system composed of sensors, logic solvers and a system composed of sensors, logic solvers and finalfinal--control elements for the purpose of taking the control elements for the purpose of taking the process to a safe state, when predetermined process to a safe state, when predetermined conditions are violatedconditions are violated”” IEC 61508 (2000)IEC 61508 (2000)

���������������� �� ����������� ��������������������������� �� ����������� �����������

Safety Instrumented System (SIS)Safety Instrumented System (SIS)

Operating Process

Safety Instrumented

System(SIS)

Basic ProcessControl System(BPCS)

SIS VS BPCSSIS VS BPCS

Page 4: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

����� ������������ �������

What Happen if no operator notice the alarm ???

An example of SIS An example of SIS

�� ������������������������������� �������������������� ���������������������������� ������������������� ���������������� ���������������� ������������!����!

�� �"������������"��������������������������#������������������#���������$�������������$�������

�� %����������������%�������������������#����������� ������#����������� �����#�������������������#��������������������&�������'���&�������'

�� %���(�������������%���(�����������������������������#�������������������#����������������������)��������������������)��������������������������������������� ���������� ��

Page 5: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

����� ������������ �������

An example of SIS An example of SIS

�� %����*�����������%����*�������������������� ���������������� ��������)��������������)�������������

�� ������������������� ���������)������� ���������)������#��#���+#��#���+,,�����������������������)����������)���������

�� %��������� ���*�%��������� ���*��������)��������������������)��������������� ������� ������� ������� ��������������������-������������������-����������-����������-���

Page 6: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

����� ������������ �������

�������������)�. ��������������������)�. �������

�� ““Function to be implemented by a SIS, other Function to be implemented by a SIS, other technology safetytechnology safety--related system or external risk, related system or external risk, reduction facilities, which is intended to achieve or reduction facilities, which is intended to achieve or maintain a safe state for the process, with respect to a maintain a safe state for the process, with respect to a specific hazardous eventspecific hazardous event”” ((IEC 61508 , 2003IEC 61508 , 2003))

�� A set of specific actions to be taken under specific A set of specific actions to be taken under specific circumstances, which will move the chemical process circumstances, which will move the chemical process from a potentially unsafe state to a safe statefrom a potentially unsafe state to a safe state((Edward and Kevin, 2003Edward and Kevin, 2003))

Safety Function (SF)Safety Function (SF)

�� %������������������%����������������������� ������������� ����������������������������������������������������� �������� �� ������ �������� �� ���������������

�� /�#��������������/�#�����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������)�� �����������)�� ������

Page 7: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

����� ������������ �������

Fault Diagnosis Function:Fault Diagnosis Function:�� is among the objectives of the monitoring and falls is among the objectives of the monitoring and falls

under a total process of supervisionunder a total process of supervision((SharifSharif and and GrosvenorGrosvenor, 1998), 1998)

�� is to monitor the process through the realis to monitor the process through the real--time time information from the lower level (sensors) and take information from the lower level (sensors) and take actions on higher level (controllers)actions on higher level (controllers)

�� a common approach which can be applied to detect a common approach which can be applied to detect overover--all faults and even faults in componentsall faults and even faults in components

Developing a safety instrumented system can be regarded as designing one or more corresponding safety functions. One general safety function which can be considered as a principal part of each SIS. This function is called fault diagnosis diagnosis functionfunction.

Goal: Propose a general methodology to develop the SIS through designing fault diagnosis function, which can be used in various process systems

Page 8: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

0�������������� �����0�������������� �����

�� Propose a methodology for realPropose a methodology for real--time fault time fault diagnosis in process system and its use in diagnosis in process system and its use in developing realdeveloping real--time SIStime SIS

�� Implement the proposed methodology by Implement the proposed methodology by developing a computer based tooldeveloping a computer based tool

�� Study and evaluate the performance of the Study and evaluate the performance of the proposed methodology using developed toolproposed methodology using developed tool. .

Page 9: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

"��������1���������)"��������1���������)

The proposed methodology implementation is divided into three The proposed methodology implementation is divided into three stagesstages

Stage 1

System Simulation

Stage 2

Knowledge-based Fault Diagnosis

Stage 3

G2 Application Development

Page 10: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

�������2��)�����1�������������������2��)�����1������������

��� ��������� ������

�� It is It is ���������������������������� �������������������������������� ����������������������������������������������������������������������������������������������

�� More flexible and applicable for a developer to More flexible and applicable for a developer to have a complete system simulator as a platform have a complete system simulator as a platform rather than trying to apply any extra system into rather than trying to apply any extra system into real process system real process system

�� ���������������� ����������������������������������������� �������������������������������������������������������������

Why use system modeling and simulation ?Why use system modeling and simulation ?

Page 11: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

�������2��)�����1��������������� ��������������2��)�����1��������������� �������

��������

System Selection: Micro Steam Power Unit in Thermal LabSystem Selection: Micro Steam Power Unit in Thermal Lab

Page 12: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

�������2��)�����1��������������� ��������������2��)�����1��������������� �������

��������

System Selection: Micro Steam Power Unit in Thermal LabSystem Selection: Micro Steam Power Unit in Thermal Lab

�������������� ���2�������������� ���2�� ������������ ���������������������� ��� ���������� ��������� ���������������� ������������������������ �� ��� ��� ���������������� ����������������� �� ������� ������

Page 13: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

�������2��)�����1��������������� ��������������2��)�����1��������������� �������

��������System ModelingSystem Modeling

������3����2������3����2�� ��� ������������������� ������������������ ��� �� ������������������ �� ����������������� ��� ������������ ���������.�����3����2�.�����3����2��� ������ ����������� ������� ����!��� � ����!��� ��� �������������� ��������������� ���

�'�' �������)�������������������������)������������������

��������������������������

����������������������

��������������)������������������)����

�� "������+������������1����"������+������������1����

������"� ������"#����������"� ������"#����

$��$��

�� 4�)�+����������������)����4�)�+����������������)����

��� ���������������������� �������������������

Trend Chart of Steam Pressure in Boiler

Page 14: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

�������2��)�����1��������������� ��������������2��)�����1��������������� �������

��������System ModelingSystem Modeling

5'5' /���������������/���������������

����������������������������������������

����������������������������������������

������������

�� 3�������)�����3�������)�����

��������������)�����)-������������������)�����)-����

��������������������������������

Simulated steam pressure in boiler by Mat lab

Page 15: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

�������2��)�����1��������������� ��������������2��)�����1��������������� �������

��������

System Simulation by G2System Simulation by G2

����%�����%�

&'&'()���*��!��������()���*��!��������

)')'()�+��������!��������()�+��������!��������

,','()��������!���� ��()��������!���� ��

-'-'()�$���!��������()�$���!��������

Page 16: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

�������2��)�����1��������������� ��������������2��)�����1��������������� �������

��������System Simulation by G2System Simulation by G2

Page 17: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

�������2��)�����1��������������� ��������������2��)�����1��������������� �������

��������

System Verification : Daily OperationsSystem Verification : Daily Operations

Boiler Steam Pressure (kPa)

Turbine Power (W)

Steam Flow Rate (kg/h)

Page 18: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

�������2��)�����1��������������� ��������������2��)�����1��������������� �������

��������

System Verification: NonSystem Verification: Non--Daily OperationsDaily Operations

Boiler Steam Pressure (kPa)

Turbine Power (W)

Steam Flow Rate (kg/h)

Unexpected Events

Reduce Power Load

Page 19: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

�������2��)�����1��������������� ��������������2��)�����1��������������� �������

��������

SummarySummary

�� ������������ ��������������������� ���������

•• ���������� ������������� ��������������� ������������� �����

•• ����������()�������������������������������������()���������������������������

�� ��������������������������������������������������������������������������������������

��������'��������'

Page 20: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������52�4��������������52�4��������,,������0���������0���,,�����.� ��������.� ���

/���������1�����/���������1�����

�� Also referredAlso referred ��������������� ������������������������������������� �������������������������� ������ ����� ������ �

�� ��������������� ���������������.���������������������� ���������������.�������� ������.����������������������� ���� ������.����������������������� ���

�� ���������������������������� ��������������������������������������������� �����������������

What is Fault ?What is Fault ?

�� ��������������������������������������������������������������������������������������

���� ��������������������������� �����������������������

�� #��������������� ��������� �� �����������/����#��������������� ��������� �� �����������/����

��������������������������������������������������������������������������������

������ �������� ������ ��������

Page 21: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������52�4��������������52�4��������,,������0���������0���,,�����.� ��������.� ���

/���������1����������/���������1����������

�� 0���������������� ����� �������������������� ����0���������������� ����� �������������������� ��������������� �������������������������������� ���������������������112� ���2� ��� 3�3�0����� 0����� .�)44)�5.�)44)�5

�� 6������6������77��������������������� ������������������������������� ����������������������������������������������77���� ������������������������� ����������������������������������������������� �������������������������������������������� ��������������������� �������������� �����������

118����8��������'.�&99:5����'.�&99:5

�� ����������������������������������������;;����������������������������������������������������������� ������ �� ���������������������������� ������ �� ���������������������������������

Why use KnowledgeWhy use Knowledge--based approach ?based approach ?

Page 22: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������52�4��������������52�4��������,,������0���������0���,,�����.� ��������.� ���

/���������1����������/���������1����������

��������%���������%�

&'<��������&'<��������

0���� �����0���� �����

)'�8������)'�8������

0�����0�����

,'�������<�����,'�������<�����

Proposed knowledgeProposed knowledge--based realbased real--time fault diagnosis time fault diagnosis methodmethod

Page 23: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������52�4��������������52�4��������,,������0���������0���,,�����.� ��������.� ���

/���������1����������/���������1����������

Step1 : Acquiring InformationStep1 : Acquiring Information

�� ����� ������������������������������������������������*����������� ������������������������������������������������*������

����������� �������������#�������������)��������������� �������������#�������������)����

�� "�������������������#�� �������������������� �����������*�"�������������������#�� �������������������� �����������*�

���������*���������#�����������������������*�������������������������*���������#�����������������������*����������������

��������������#��������������������������������������#������������������������

���� ������ ���������'*�5 6!�����'*�5 6!

�� %������������� �����������������������(���������%������������� �����������������������(���������

�������� �����������������������������#�� ������������������ �����������������������������#�� ����������,,����������

����������������������

�� "����������������)��������� ��� ������������� ����-������"����������������)��������� ��� ������������� ����-������,,

��������������������������������������������

Page 24: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������52�4��������������52�4��������,,������0���������0���,,�����.� ��������.� ���

/���������1����������/���������1����������

Step1 : Acquiring InformationStep1 : Acquiring Information

������"�������0����������%������������"�������0����������%������

�� A trend is represented as a sequence (combination) of these seveA trend is represented as a sequence (combination) of these seven primitivesn primitives�� Primitive is the fundamental element of trend description proposPrimitive is the fundamental element of trend description proposed by ed by JanuszJanusz and and

VenkatasubramanianVenkatasubramanian (1991) (1991) �� Seven Primitives : A(0,0), B(+,+), C(+,0), D(+,Seven Primitives : A(0,0), B(+,+), C(+,0), D(+,--), E(), E(--,+),F(,+),F(--,0),G(,0),G(--,,--) ,where the signs ) ,where the signs

are of the first and second derivative respectivelyare of the first and second derivative respectively

#���� ������ �����������%���� ������1������� ����'.�)44,5 <���� �������!+�����

Page 25: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������52�4��������������52�4��������,,������0���������0���,,�����.� ��������.� ���

/���������1����������/���������1����������

Step1 : Acquiring InformationStep1 : Acquiring Information

"������#���������������"������#���������������

�� Use Fix Window Discrete Data Use Fix Window Discrete Data Primitive Identification ApproachPrimitive Identification Approach

�� The discrete sensor data is collected by The discrete sensor data is collected by the fixed window and fitted by third the fixed window and fitted by third order polynomialsorder polynomials

�� The instantaneous first discrete The instantaneous first discrete derivative (FDD) and second discrete derivative (FDD) and second discrete derivative (SDD) are computed using derivative (SDD) are computed using general least squares fit methodgeneral least squares fit method

�� The fixed window size is specified as The fixed window size is specified as five and the computation is based on the five and the computation is based on the new sensor data value and four most new sensor data value and four most recent data valuerecent data value

���������������������������������

��������������������

Page 26: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������52�4��������������52�4��������,,������0���������0���,,�����.� ��������.� ���

/���������1����������/���������1����������

Step1 : Acquiring InformationStep1 : Acquiring Information

0�� �������������#����������������

������ �)

�� �������������������������������

������������������������� ����

�����������������

Page 27: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������52�4��������������52�4��������,,������0���������0���,,�����.� ��������.� ���

/���������1����������/���������1����������

Step1 : Acquiring InformationStep1 : Acquiring Information

������0���������������0���������

�� Process trend is used to capture the pattern of fault event for Process trend is used to capture the pattern of fault event for future analysisfuture analysis�� Similarity Index (SI) (Similarity Index (SI) (SourabhSourabh et al., 2003) is used to quantify the process trends and et al., 2003) is used to quantify the process trends and

represent the similar extent of two process trends represent the similar extent of two process trends

For example: Trend DG, CG are similar to some extentsince the shape of primitive D and primitive C are alike

Page 28: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������52�4��������������52�4��������,,������0���������0���,,�����.� ��������.� ���

/���������1����������/���������1����������

Step1 : Acquiring InformationStep1 : Acquiring Information

������� ������������� ������

�� The SI between two trends can be calculated by the equation beloThe SI between two trends can be calculated by the equation beloww�� Table below shows the preTable below shows the pre--defined similarity matrix between each primitivedefined similarity matrix between each primitive

*ii PP

S

Page 29: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������52�4��������������52�4��������,,������0���������0���,,�����.� ��������.� ���

/���������1����������/���������1����������

Step1 : Acquiring InformationStep1 : Acquiring Information

%���������������� �������%���������������� �������

�� First, knowledgeFirst, knowledge--based trend must be based trend must be determined, which includes the number determined, which includes the number and type of primitivesand type of primitives

�� Then similarity value is decided after Then similarity value is decided after comparing each received primitive with comparing each received primitive with corresponding knowledgecorresponding knowledge--based based primitive primitive

�� If similarity value is not equal to zero, If similarity value is not equal to zero, the current SI is calculatedthe current SI is calculated

�� The SI computation ends when either The SI computation ends when either index is equal to N or the next similarity index is equal to N or the next similarity value is zero. value is zero.

Page 30: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������52�4��������������52�4��������,,������0���������0���,,�����.� ��������.� ���

/���������1����������/���������1����������

Step1 : Acquiring InformationStep1 : Acquiring Information

0���������������03�!0���������������03�!

�� In addition to SI, the Rate of Change (ROC) is also used as the In addition to SI, the Rate of Change (ROC) is also used as the input of the input of the analysisanalysis

�� Represents the discrete rate of change Represents the discrete rate of change �� Is obtained through computing the instantaneous slope for five iIs obtained through computing the instantaneous slope for five individual input ndividual input

data using general least squares fit methoddata using general least squares fit method�� Characterizes the input sensor data by determining whether and aCharacterizes the input sensor data by determining whether and at what rate the t what rate the

input is increasing or decreasinginput is increasing or decreasing�� Comparing with SI, ROC is capable of quantifying the temporal paComparing with SI, ROC is capable of quantifying the temporal pattern of ttern of

sensor datasensor data

Page 31: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������52�4��������������52�4��������,,������0���������0���,,�����.� ��������.� ���

/���������1����������/���������1����������

Step2 : Making InferencesStep2 : Making Inferences

. --)�����������)������.��!. --)�����������)������.��!

�� An inference system based on both expert knowledge and fuzzy An inference system based on both expert knowledge and fuzzy logiclogic

�� Has the capability of converting the numeric data into linguistiHas the capability of converting the numeric data into linguistic c variablesvariables

�� Be able to handle the impreciseness of process trendBe able to handle the impreciseness of process trend�� Have been successfully applied in fields such as automatic contrHave been successfully applied in fields such as automatic control, ol,

data classification, decision analysis, etcdata classification, decision analysis, etc (Marcellus, 1997)(Marcellus, 1997)

For detail information about Fuzzy Logic, please refer to

a paper (Zadeh, 1988) by Dr.Zadeh.

Page 32: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������52�4��������������52�4��������,,������0���������0���,,�����.� ��������.� ���

/���������1����������/���������1����������

Step2 : Making InferencesStep2 : Making Inferences

%�������������. --)�����������)�����%�������������. --)�����������)�����

�� Expert knowledge is mapped with the knowledgeExpert knowledge is mapped with the knowledge--based fault based fault process trend (pattern) in the form of fuzzy ifprocess trend (pattern) in the form of fuzzy if--then rulesthen rules

�� For example a rule might read :For example a rule might read :If sensor S1 shows Tr1 AND ROC of sensor S1 is large, then the If sensor S1 shows Tr1 AND ROC of sensor S1 is large, then the fault F1 is most likely to happenfault F1 is most likely to happen

�� This rule implies that if sensor S1 has been observed with proceThis rule implies that if sensor S1 has been observed with process ss trend Tr1 and at the same time its value increases significantlytrend Tr1 and at the same time its value increases significantly, , then the possibility of F1 fault event occurring is extremely hithen the possibility of F1 fault event occurring is extremely highgh

�� Tr1 is knowledgeTr1 is knowledge--based process trend, which has been recognized based process trend, which has been recognized as a fact by the experts based on their experiencesas a fact by the experts based on their experiences

Page 33: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������52�4��������������52�4��������,,������0���������0���,,�����.� ��������.� ���

/���������1����������/���������1����������

Step 3 : Taking ActionsStep 3 : Taking Actions

�� The objective of this step is to guide the The objective of this step is to guide the process back to normal in the case of process back to normal in the case of abnormal conditions.abnormal conditions.

�� Can be achieved by developing set of Can be achieved by developing set of actions which include activating safety actions which include activating safety measures and higher layer of protectionmeasures and higher layer of protection

Page 34: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������72�85�%����������/�#��������������72�85�%����������/�#��������

The aims of developing The aims of developing computer application iscomputer application is::

�� �������������������� ������������������������� ������������������������������������� ���������� ����������

�� ���������������� ������������������� ������������������� ����������������� �

�� ������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

Developed computer Developed computer application should have application should have following capabilities: following capabilities:

�� $��$��77��������������������������

�� +����������+����������

�� !�������������������!�������������������

�� ��������������������

�� 0������������������0������������������������������������

G2 software is chosen as the developing platform

Page 35: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������72�85�%����������/�#�������������������72�85�%����������/�#�������������

G2 RealG2 Real--time expert system from Gensymtime expert system from Gensym

�� Gensym Corporation is a leading Gensym Corporation is a leading provider of rule engine software and provider of rule engine software and services for missionservices for mission--critical solutions critical solutions that automate decisions in real timethat automate decisions in real time

�� Gensym'sGensym's flagship G2 software applies flagship G2 software applies realreal--time rule technology for decisions time rule technology for decisions that optimize operations and detect, that optimize operations and detect, diagnose, and resolve costly problemsdiagnose, and resolve costly problems

�� G2 is the worldG2 is the world’’s leading reals leading real--time time engine platform and uniquely combined engine platform and uniquely combined realreal--time reasoning technologies time reasoning technologies including rules, object modeling including rules, object modeling simulation, and procedures in a single simulation, and procedures in a single development and deployment development and deployment environment environment

���� ��������������������5

For more information , please go to For more information , please go to www.gensym.comwww.gensym.com

Page 36: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������72�85�%����������/�#�������������������72�85�%����������/�#�������������

GDA : G2 Diagnosis AssistantGDA : G2 Diagnosis Assistant

GDAGDA�� 0����������� �������0����������� �������������������������������������������������������������������������������������������������������������

�� 0������������� ������0������������� ����������������������������������������������������������������������������������������� ��������������� ��������������������������������� �������������������� �����������������

A GDA application contains A GDA application contains various schematic various schematic diagrams, which have diagrams, which have capability of :capability of :

�� <���������������� ����<���������������� ����77�� ��������� �������

�� 8���������������������8�����������������������������������

�� �������������������������������������������������������������.�������������������.�������������������� �.�������������������� �.�������� �����������������.���� �����������������.����������������������������������������������

Page 37: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������72�85�%����������/�#�������������������72�85�%����������/�#�������������

Developing GDA ApplicationDeveloping GDA Application

"������#����������������

���������)����� ������

Page 38: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������72�85�%����������/�#�������������������72�85�%����������/�#�������������

Developing GDA ApplicationDeveloping GDA Application

. --)�9�����)�����

��������������

. --)�9����.�����

3 �� �

Page 39: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������72�85�%����������/�#�������������������72�85�%����������/�#�������������

Developing GDA ApplicationDeveloping GDA Application

�� ()�(���������������()�(���������������0������1(�05���*��0������1(�05���*�������������������������������������������(!<����������(!<������������������������������ ������������ �������������������������������������������������

�� ““CC”” compiled compiled application is created application is created in monitor workstation in monitor workstation to obtain realto obtain real--time time sensor readingsensor reading

Page 40: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������� �)�������� �)�

�� 0�������������������0����������������������������������������������������������������������������������������� ���������.�������� ���������.����������������������� ���������������� �

�� ����������(!<�����������(!<���������������������������������������������������������������������������� ��������������� ������������������������������������������������������

�� ����������&%�#���������������&%�#�����+����!�����������+����!�����������8������� ������8������� ������=����=������� ������=����=������� ������!���!���

�� ����������)%�����������)%�<���� ���8�������<���� ���8�������� �������!����� �������!����1���1���77�� �������������� ����������������5����5

Page 41: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������� �)������������ �)�����

�� ������������������������������������������������������������������� ����������� ������� ������������� ����������

�� ���������������������������������������������������������������������������������� �������������� ����������������(!<�����������(!<������������������������������������������������������������������������������������� ����������

Case Study 1Case Study 1

1)1) The trend pattern of steam The trend pattern of steam pressure in boiler during this pressure in boiler during this specific event can be recognized specific event can be recognized as BBG as BBG

2)2) Steam pressure suddenly increase Steam pressure suddenly increase or decrease significantlyor decrease significantly

Fault Event DefinitionFault Event Definition

Critical Operation Condition Critical Operation Condition

1)1) FIS output threshold is set to FIS output threshold is set to 0.850.85

2)2) The number of recurring outputs The number of recurring outputs beyond threshold in 3 minutes is beyond threshold in 3 minutes is set to 3set to 3

Page 42: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������� �)������������ �)�����

Case Study 1: Testing ResultsCase Study 1: Testing Results

�� Micro steam power unit simulator is activated under normal proceMicro steam power unit simulator is activated under normal process ss conditionsconditions

�� The identified fault event is also generated during the simulatiThe identified fault event is also generated during the simulationon

When it starts…..

Page 43: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������� �)������������ �)�����

Case Study 1: Testing ResultsCase Study 1: Testing Results

When fault event happen

Page 44: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������� �)������������ �)�����

Case Study 1: Testing ResultsCase Study 1: Testing Results

Event Detection

Critical OperationCondition

System Critical Condition

Page 45: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������� �)������������ �)�����

�� ����������(!<�������������������������������������������(!<������������������������������������� ����

�� ����������� ������ ��������������������������������� ������ ����������������������������������

�� >���� �������������������&44������������.�>���� �������������������&44������������.�����������������������������������������������������������������

�� !�������������������������.����� ����������!�������������������������.����� ����������������� ���������������������������������� ���������� ���������������������������������� ���������������������������

�� ��������������� ��������<������$��������� ���������������� ��������<������$��������� �������������1<$���������������1<$���??5����5����

Case Study 2Case Study 2

Page 46: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������� �)������������ �)�����

ARSST ARSST �� ��������������� ������������������������ �������������������������������������������������������������������� �����/�������������.�������� �����/�������������.��������������������������.��������������������������.����������������/����������������������/���������������������������������������

�� ���������������@����.����������������������@����.�����������$����+���������2����������$����+���������2���������0���0���������������������0���0������������������8 ������=����������������8 ������=����������������������������������������������������������������������������� ���������������������� ���

Case Study 2Case Study 2

�������� �����!"##������������������������ �������� �����!"##������������������������

Page 47: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������� �)������������ �)�����

Three chemical samples, Three chemical samples, which are used in this which are used in this case study arecase study are

�� >����1@>����1@))�5�5

�� ����� ��������������� ����������������������������11A��@A��@.�&'B4� �" �5.�&'B4� �" �5

�� 8�������8�������1�&C@&CA,�).�4'&D51�&C@&CA,�).�4'&D5

Case Study 2Case Study 2

1)1) Trend pattern of sample Trend pattern of sample temperature during this specific temperature during this specific event can be recognized as GGB event can be recognized as GGB

2)2) Sample temperature suddenly Sample temperature suddenly decreases significantlydecreases significantly

Fault Event DefinitionFault Event Definition

Critical Operation Condition Critical Operation Condition

1)1) FIS output threshold is set to FIS output threshold is set to 0.880.88

2)2) The number of recurring outputs The number of recurring outputs beyond threshold in 5 minutes is beyond threshold in 5 minutes is set to 4set to 4

Page 48: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������� �)������������ �)�����

Case Study 2: Testing ResultsCase Study 2: Testing Results�� Three chemical samples are heated at a rate of 2 degrees CelsiusThree chemical samples are heated at a rate of 2 degrees Celsius per minute under pressure of per minute under pressure of

120 120 PsiPsi using ARSST containmentusing ARSST containment�� The output of thermal couple TCThe output of thermal couple TC--1 is obtained through a DAS (Data Acquisition) card installed 1 is obtained through a DAS (Data Acquisition) card installed

on the system monitor workstationon the system monitor workstation�� the heater is turned off when sample temperature reached around the heater is turned off when sample temperature reached around 100 degrees Celsius100 degrees Celsius

When it starts…..

Page 49: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������� �)������������ �)�����

Case Study 2: Testing ResultsCase Study 2: Testing Results

When fault event happen

Page 50: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������� �)������������ �)�����

Case Study 2: Testing ResultsCase Study 2: Testing Results

Page 51: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

������� �)������������ �)�����

Case Study 2: Testing ResultsCase Study 2: Testing Results

Page 52: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

���� ��������� �����

�� #����������������������������� ���������#����������������������������� ����������������.��������������������������������������������.��������������������������������������������0����������������������������� ���������0����������������������������� ��

�� ��������8������������������������� ���������������8������������������������� ��������� ������������������ �������������� ���� ������������������ �������������� ���������� ��������������������� ������������ ��������������������� ����

�� 0��������������������.�������.������������������0��������������������.�������.��������������������������������������������

�� �������� ������������������������������������ ����������������������������

Page 53: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

. � �������. � �������

�� ��������������� �������������������������������������� ������������������������ �������������������������������� �*������� �������������������������������� �*����������������� %��������������� %����77������77����77����1)��,5����1)��,5

�� #0�� ������������� ����������������� ���#0�� ������������� ����������������� ���������������������������

�� <���������<���������77��������������������� ��������������������������������� ������������77�����.��������� ��������������������������������.��������� ���������������������������������������������������������������������������������������������������������'�����������������������������������������'���������������������������������������������������������������������������77������ �������������� ��������� �������������� ��� ��� ���77����� ��������� ����

Page 54: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

" ���������" ���������

�� A��.��'.�A��.��'.�0����0����.�8'�'.�3�6���.�#'0'�1)44B5'�.�8'�'.�3�6���.�#'0'�1)44B5'�8�����������8������������� ���������� ������� �����������������()������ ���������� ������� �����������������()����77�� ��� ���������� ��������� '�����������0+++�A+�+��)44B�.�'�����������0+++�A+�+��)44B�.���'E������'E����.�A����������'�.�A����������'�

�� A��.��'.�6���.�#'0'.�3�A��.��'.�6���.�#'0'.�3�0����0����.�8'�'1)44:5'�.�8'�'1)44:5'�<���� ���<���� ���������������������������1���������������5�������()�������������������������1���������������5�������()������������������������� '���������������������������������'�������������������������������������������+������������� �����+�������������������+������������� �����+��������� �������)44:' �������)44:'

�� A��.��'.�6���.�#'0'.�3�A��.��'.�6���.�#'0'.�3�0����0����.�8'�'1)44:5'�.�8'�'1)44:5'�$��$��77�� ��� �����������������������������������������������������������77�������������� �������������� '�1���'�1��������5�����5

Page 55: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

%�������������%�������������

The Author would like to express sincere The Author would like to express sincere appreciations toappreciations to

�� Dr.FaisalDr.Faisal Khan and Khan and Dr.M.TariqDr.M.Tariq IqbalIqbal for the for the financial supports and guidance financial supports and guidance

�� Faculty of Engineering and Applied Science Faculty of Engineering and Applied Science �� Natural Science and Engineering Research Natural Science and Engineering Research

Council of Canada (NSERC) / AIF Inco Project Council of Canada (NSERC) / AIF Inco Project for the fundingfor the funding

Page 56: SAFETY INSTRUMENTED SYSTEM (SIS) FOR …tariq/cen.pdf · safety instrumented system (sis) for process operation based on real-time monitoring by cen kelvin nan

:�����%��:�����%��

�����;� �<�����;� �<