Effect of data acquisition accuracy on timing of stand harvests and expected net present value

Abstract

Trigger and data link system for CMS Resistive Plate Chambers at the LHC accelerator

The purpose of the work was to realize a high-speed digital data transfer system for RPC muon chambers in the CMS experiment on CERN’s new LHC accelerator. This large scale system took many years and many stages of prototyping to develop, and required the participation of tens of people. The system interfaces to Frontend Boards (FEB) at the 200,000-channel detector and to the trigger and readout electronics in the control room of the experiment. The distance between these two is about 80 metres and the speed required for the optic links was pushing the limits of available technology when the project was started. Here, as in many other aspects of the design, it was assumed that the features of readily available commercial components would develop in the course of the design work, just as they did. By choosing a high speed it was possible to multiplex the data from some the chambers into the same fibres to reduce the number of links needed. Further reduction was achieved by employing zero suppression and data compression, and a total of only 660 optical links were needed. Another requirement, which conflicted somewhat with choosing the components a late as possible was that the design needed to be radiation tolerant to an ionizing dose of 100 Gy and to a have a moderate tolerance to Single Event Effects (SEEs). This required some radiation test campaigns, and eventually led to ASICs being chosen for some of the critical parts. The system was made to be as reconfigurable as possible. The reconfiguration needs to be done from a distance as the electronics is not accessible except for some short and rare service breaks once the accelerator starts running. Therefore reconfigurable logic is extensively used, and the firmware development for the FPGAs constituted a sizable part of the work. Some special techniques needed to be used there too, to achieve the required radiation tolerance. The system has been demonstrated to work in several laboratory and beam tests, and now we are waiting to see it in action when the LHC will start running in the autumn 2008.

LANGATTOMAN MITTAUS- JA VALVONTAJÄRJESTELMÄN PROTOKOLLAKEHITYS

Tässä diplomityössä esitellään langattoman mittaus- ja valvontajärjestelmän protokollakehitys. Työssä selvitetään protokollakehityksessä huomioon otettavat asiat ja esitetään langattoman tilavalvontaan perustuvan pilottijärjestelmän toteutus. Pilottijärjestelmänä käytetään Ensto Busch-Jaeger Oy:n Jussi-kosteusvahtijärjestelmää, joka muutetaan langattomaksi. Järjestelmän tiedonsiirto on yksisuuntaista ja tapahtuu radioyhteydellä. Käytetty taajuus on 433,92 MHz. Tavoitteena työssä oli kehittää yksinkertainen, mutta luotettava signalointijärjestelmä. Siihen toteutettu protokolla koodaa lähetettävän datan NRZ-L -koodauksen tapaisesti. Virheenkorjaus tehdään pariteettibittiä ja Hamming-etäisyyttä hyväksi käyttäen. Lisäksi tiedonsiirron yhteyskäytäntöön on lisätty rinnakkaisuutta yksisuuntaisen tiedonsiirron varmistamiseksi. Kehitetylle protokollalle tehdyt testit osoittavat sen olevan luotettava valitussa tiedonsiirtoympäristössä.

Moottoriajoneuvon suorituskyvyn mittausjärjestelmä

Työn tarkoituksena oli toteuttaa moottoriajoneuvon suorituskyvyn mittaukseen käytettävä järjestelmä. Järjestelmä koostuu sylinterin muotoisesta rullasta ja tiedonkeruujärjestelmästä. Rullaa, jonka hitausmomentti tunnetaan kiihdytetään ajoneuvon vetopyörien välityksellä ja mitatuista arvoista lasketaan teho ja vääntömomenttiarvot moottorin kierrosluvun funktiona. Tiedonkeruu tapahtuu PC-mikrotietokoneen avulla, johon on liitetty tiedonkeruukortti. PC-mikrotietokone muodostaa käyttöliittymän, jonka avulla saadut tulokset esitetään kuvaajien avulla käyttäjälle. Käyttöliittymän avulla suoritetaan myös tulosten talletus ja raportin tulostus. Teoriaosassa tarkastellaan suorituskyvyn mittaamiseen käytettyjä menetelmiä ja laitteistoja, sekä tiedonkeruujärjestelmän rakennetta ja sen valintaan vaikuttavia tekijöitä. Käytännön osassa suunnitellaan muokkainkortti, jonka avulla erilaisilta antureilta saadut signaalit voidaan sovittaa tiedonkeruukortin tuloalueelle sopiviksi. Myös käyttöliittymän toimintaa ja sen rakentamiseen käytettyjä työkaluja tarkastellaan.

Sähköverkkojen käytöntuki- ja käytönvalvontajärjestelmien käyttöönotto

Käytöntuki- ja käytönvalvontajärjestelmät, eli käytönhallintajärjestelmät ovat osana sähköverkkoyhtiöiden arkea ja ilman niiden tuomaa apua sähkön jakelun valvonta ja hallinta olisi hyvin haastava tehtävä. Lisäksi käytönhallintajärjestelmät moitteeton toi-miminen tarjoaa hyvän alustan kehittää tulevaisuuden tärkeitä hankkeita kuten Smart Grid konseptia. Tässä työssä tarkastellaan käytönhallintajärjestelmien käyttöönottoa, kuinka se voidaan toteuttaa ja mitä asioita pitää ottaa huomioon käyttöönoton eri vaiheissa. Käytönhallintajärjestelmien käyttöönotto suoritettiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston sähkömarkkinalaboratoriossa sijaitsevalla verkkosimulaattorille, johon asennettiin MicroSCADA SYS 600 9.1 käytönvalvontajärjestelmä sekä DMS 600 4.2 käytöntukijärjestelmä.

Tiedonkeruujärjestelmän kehittäminen voimalaitoksen toiminnan tehostamisessa

Diplomityössä kehitetään tiedonkeruujärjestelmää voimalaitoksen toiminnan tehostamiseksi. Aihetta käsitellään tiedonkeruujärjestelmän käyttäjän ja ylläpitäjän näkökulmasta. Tiedonkeruujärjestelmällä kerätään prosessitietoa automaatiojärjestelmästä ja tallennetaan prosessitieto tietokantaan. Työssä on kuvattu sekä automaatio- että tiedonkeruujärjestelmää prosessitiedon keruun, tallentamisen ja hallinnan ymmärtämiseksi. Prosessitiedon merkitystä voimalaitoksen toiminnan kannalta on myös pohdittu. Diplomityö tehtiin Mertaniemen voimalaitoksella, jossa käytännön kehityskohteina olivat laskenta- ja raportointisovellukset. Lisäksi tarkistettiin tietokantamuuttujia. Tiedonkeruujärjestelmää kehitetään ja päivitetään voimalaitoksen laitteisto- ja toimintamuutosten takia. Kehityksellä pyritään tarjoamaan oikeampaa ja luotettavampaa tietoa, korjaamaan virheitä sekä kartoittamaan mahdollisia puutteita.

Modeling and Simulation ofReal-Time System as a Tool to Improve Capacity Management - Case Fenix

Tämän tutkimustyön kohteena on TietoEnator Oy:n kehittämän Fenix-tietojärjestelmän kapasiteettitarpeen ennustaminen. Työn tavoitteena on tutustua Fenix-järjestelmän eri osa-alueisiin, löytää tapa eritellä ja mallintaa eri osa-alueiden vaikutus järjestelmän kuormitukseen ja selvittää alustavasti mitkä parametrit vaikuttavat kyseisten osa-alueiden luomaan kuormitukseen. Osa tätä työtä on tutkia eri vaihtoehtoja simuloinnille ja selvittää eri vaihtoehtojen soveltuvuus monimutkaisten järjestelmien mallintamiseen. Kerätyn tiedon pohjaltaluodaan järjestelmäntietovaraston kuormitusta kuvaava simulaatiomalli. Hyödyntämällä mallista saatua tietoa ja tuotantojärjestelmästä mitattua tietoa mallia kehitetään vastaamaan yhä lähemmin todellisen järjestelmän toimintaa. Mallista tarkastellaan esimerkiksi simuloitua järjestelmäkuormaa ja jonojen käyttäytymistä. Tuotantojärjestelmästä mitataan eri kuormalähteiden käytösmuutoksia esimerkiksi käyttäjämäärän ja kellonajan suhteessa. Tämän työn tulosten on tarkoitus toimia pohjana myöhemmin tehtävälle jatkotutkimukselle, jossa osa-alueiden parametrisointia tarkennetaan lisää, mallin kykyä kuvata todellista järjestelmää tehostetaanja mallin laajuutta kasvatetaan.

Laiteohjauksessamuodostuvan informaation jalostamisen mahdollisuudet

Teollisuuden automaatiojärjestelmät digitalisoituvat, samalla niiden tuottaman reaaliaikaisen datan määrä kasvaa ja etenkin sen saatavuus helpottuu. Samanaikaisesti laitevalmistajan liiketoimintamallit ovat muuttumassa perinteisestä konevalmistuksesta kohti palveluntarjontaa. Muuttuneessa tilanteessa laitteiden ohjauksessa käytettäviltä järjestelmiltä vaaditaan uusia ominaisuuksia. Informaation käsittely ja jalostaminen muodostuvat tärkeiksi kilpailu-tekijöiksi. Kirjallisuusosassa on tarkasteltu, miten data jalostuu informaatioksi ja siitä edelleen tietämykseksi. Työssä myös selvitetään, miten niitä voidaan hyödyntää liiketoiminnassa. Samalla perehdytään teollisuudesta löytyviin informaatio- ja tietämysjärjestelmiin. Kokeellisessa osassa esitellään toimiva tiedonkeruu- ja raportointijärjestelmä ja tutkitaan, miten sitä tulisi kehittää, jotta se sopisi paremmin muuttuviin liiketoimintamalleihin. Lopputuloksena kehitettiin mallijärjestelmä, jolla pystytään täyttämään laitevalmistajan ja loppukäyttäjän muuttuneet informaatiotarpeet osana laiteohjausta.

Applicability of Power-Line Communications to Data Transfer of On-line Condition Monitoring of Electrical Drives

The research of power-line communications has been concentrated on home automation, broadband indoor communications and broadband data transfer in a low voltage distribution network between home andtransformer station. There has not been carried out much research work that is focused on the high frequency characteristics of industrial low voltage distribution networks. The industrial low voltage distribution network may be utilised as a communication channel to data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors. The advantage of using power-line data transfer is that it does not require the installing of new cables. In the first part of this work, the characteristics of industrial low voltage distribution network components and the pilot distribution network are measured and modelled with respect topower-line communications frequencies up to 30 MHz. The distributed inductances, capacitances and attenuation of MCMK type low voltage power cables are measured in the frequency band 100 kHz - 30 MHz and an attenuation formula for the cables is formed based on the measurements. The input impedances of electric motors (15-250 kW) are measured using several signal couplings and measurement based input impedance model for electric motor with a slotted stator is formed. The model is designed for the frequency band 10 kHz - 30 MHz. Next, the effect of DC (direct current) voltage link inverter on power line data transfer is briefly analysed. Finally, a pilot distribution network is formed and signal attenuation in communication channels in the pilot environment is measured. The results are compared with the simulations that are carried out utilising the developed models and measured parameters for cables and motors. In the second part of this work, a narrowband power-line data transfer system is developed for the data transfer ofon-line condition monitoring of electric motors. It is developed using standardintegrated circuits. The system is tested in the pilot environment and the applicability of the system for the data transfer required by the on-line condition monitoring of electric motors is analysed.

Mittausjärjestelmä IGBT:n lämpötilan määrittämiseen

Tässä diplomityössä tutustutaan IGBT:n ja tehodiodin rakenteisiin, lämmön muodostumiseen kyseisissä komponenteissa sekä menetelmiin, joilla komponenttien lämpötilat voidaan määrittää. Työssä suunnitellaan ja rakennetaan mittausjärjestelmä, jolla IGBT:n ja tehodiodin lämpötilat voidaan määrittää suoraan mittaamalla sekä matemaattisten mallien avulla. Mittausjärjestelmä koostuu DC-chopper -kytkennästä, kuormavirran, välipiirin jännitteen sekä lämpötilan mittauksista. Lämpötilan mittauksissa käytettiin komponenttien pintoihin liitettyjä termopareja. Matemaattisia malleja varten mittausjärjestelmään lisättiin välipiirin jännitteen sekä kuormavirran mittaus. Laitteiston ohjaus sekä mittaustulosten tallentaminen toteutettiin dSPACE -laitteistolla. Mittausjärjestelmän toimivuus testattiin Lappeenrannan teknillisen yliopiston Säätötekniikan laboratoriossa tehdyillä mittauksilla.

Data collection and criticality analysis for cost effective maintenance during the life cycle of a flue gas line

Työn tarkoituksena oli kerätä käyttövarmuustietoa savukaasulinjasta kahdelta suomalaiselta sellutehtaalta niiden käyttöönotosta aina tähän päivään asti. Käyttövarmuustieto koostuu luotettavuustiedoista sekä kunnossapitotiedoista. Kerätyn tiedon avulla on mahdollista kuvata tarkasti laitoksen käyttövarmuutta seuraavilla tunnusluvuilla: suunnittelemattomien häiriöiden lukumäärä ja korjausajat, laitteiden seisokkiaika, vikojen todennäköisyys ja korjaavan kunnossapidon kustannukset suhteessa savukaasulinjan korjaavan kunnossapidon kokonaiskustannuksiin. Käyttövarmuustiedon keräysmetodi on esitelty. Savukaasulinjan kriittisten laitteiden määrittelyyn käytetty metodi on yhdistelmä kyselytutkimuksesta ja muunnellusta vian vaikutus- ja kriittisyysanalyysistä. Laitteiden valitsemiskriteerit lopulliseen kriittisyysanalyysiin päätettiin käyttövarmuustietojen sekä kyselytutkimuksen perusteella. Kriittisten laitteiden määrittämisen tarkoitus on löytää savukaasulinjasta ne laitteet, joiden odottamaton vikaantuminen aiheuttaa vakavimmat seuraukset savukaasulinjan luotettavuuteen, tuotantoon, turvallisuuteen, päästöihin ja kustannuksiin. Tiedon avulla rajoitetut kunnossapidon resurssit voidaan suunnata oikein. Kriittisten laitteiden määrittämisen tuloksena todetaan, että kolme kriittisintä laitetta savukaasulinjassa ovat molemmille sellutehtaille yhteisesti: savukaasupuhaltimet, laahakuljettimet sekä ketjukuljettimet. Käyttövarmuustieto osoittaa, että laitteiden luotettavuus on tehdaskohtaista, mutta periaatteessa samat päälinjat voidaan nähdä suunnittelemattomien vikojen todennäköisyyttä esittävissä kuvissa. Kustannukset, jotka esitetään laitteen suunnittelemattomien kunnossapitokustannusten suhteena savukaasulinjan kokonaiskustannuksiin, noudattelevat hyvin pitkälle luotettavuuskäyrää, joka on laskettu laitteen seisokkiajan suhteena käyttötunteihin. Käyttövarmuustiedon keräys yhdistettynä kriittisten laitteiden määrittämiseen mahdollistavat ennakoivan kunnossapidon oikean kohdistamisen ja ajoittamisen laitteiston elinaikana siten, että luotettavuus- ja kustannustehokkuusvaatimukset saavutetaan.

Development of Servo Hydraulics of Veneer Lathe

Diplomityö tehtiin kansainväliseen, mekaanisen puunjalostusteollisuuden koneita, tuotantojärjestelmiä ja tehtaita toimittavaan yritykseen. Diplomityön tarkoituksena oli kartoittaa syitä viilusorvin teräpenkin asemoinnissa esiintyneisiin värähtelyongelmiin ja tutkia ratkaisuja niiden voittamiseksi, sekä sorvausvoimien määrittäminen. Diplomityön teoreettisessa osassa tutustuttiin viilusorvin, erityisesti sen hydraulisten servojärjestelmien rakenteeseen ja toimintaan sekä viilunsorvaukseen. Teräpenkin syötön servojärjestelmää tutkittiin teoreettisesti johtamalla suljetun piirin siirtofunktiot “asema/käsky” ja “virhe/voima” ja tulostamalla niiden taajuusvaste-kuvaajat, joista tutkittiin parametrien vaikutuksia järjestelmän toimintaan. Tulokset vahvistettiin simuloimalla. Todettiin nykyisen järjestelmän värähtelyongelmien johtuvan pääasiassa hydrauliöljyn joustosta sylinterissä. Parannuksina ehdotettiin suurempaa sylinterin halkaisijaa ja viskoosikitkakertoimen suurentamista. Diplomityön kokeellisessa osassa mitattiin viilusorvin servojärjestelmien toimilaitteissa esiintyviä voimia ja niiden perusteella laskettiin varsinaiset sorvausvoimat. Lisäksi tutkittiin teräpenkin syötön ja muiden servojärjestelmien asemointitarkkuutta sorvauksen aikana. Mittauksia varten diplomityössä suunniteltiin ja hankittiin kannettava mittausjärjestelmä.

Tiedonkeruujärjestelmän hyödyntäminen voimalaitoksen diagnostiikassa

Tämä diplomityö on osa laajempaa Foster Wheeler Energia Oy:n kehitys- ja tuotteistamisprojektia. Projektin tavoitteena on saada enemmän informaatiota toimitetuilta kattila- ja voimalaitoksilta ja kehittää voimalaitoksiin liittyviä laskentaohjelmia. Laitoksilta kerättyä prosessitietoa jalostetaan erilaisilla työkaluilla. Työkalujen antama tieto auttaa laitoksen omistajaa ja henkilökuntaa laitoksen ajamisessa ja kunnossapidossa. Laitokselta saatava lisäinformaatio on hyödyksi myös Foster Wheeler Energia Oy:n tuotekehityksessä, seuraavissa projekteissa ja Service-toiminnassa. Työssä esitellään yleisimpiä tietokantoja ja vertaillaan niiden soveltuvuutta teollisuuden tiedonkeruuseen. Voimalaitokselle otetaan käyttöön tietokantapalvelin, joka kerää tietoa laitoksen automaatiojärjestelmästä ja lähettää sitä keskuspalvelimelle. Laitoksen tiedonkeruupalvelimelle valittu InSQL-tietokanta soveltuu hyvin voimalaitoksen prosessitiedon keräämiseen ja tallentamiseen. Myös koko laitospalvelimien ja keskuspalvelimen muodostamaa järjestelmää kehitetään. Lisäksi luodaan katsaus Foster Wheeler Energia Oy:n erilaisiin analysointiohjelmiin, niiden toimintaan ja pohditaan miten ne voivat käyttää tiedonkeruuta hyödyksi. Lopuksi suunnitellaan projektin tulevaisuutta ja kehittämisen eri osa-alueita sekä kartoitetaan projektiin liittyviä riskejä.

Tuotannon kehitysinvestointiprojektien läpivientimalli

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia ja etsiä kehityskohteita kohdeyrityksen kehitysinvestointiprojektien toimintamallissa. Diplomityön tavoitteena oli tutkia nykyistä investointikäytäntöä ja luoda eri linjastoissa tehtäville kehitysinvestointiesityksille edellytykset tukea yhteisesti yrityksen tulevia suhdannenäkymiä ja strategiaa. Työn tavoitteena oli myös pyrkiä välillisesti kasvattamaan investointiin sijoitettavan pääoman tuottoprosenttia pienentämällä kustannuksia huolellisen valmistelun keinoin jo investointiprojektin kehityksen alkuvaiheessa. Työkaluksi tähän todettiin olevan läpivientimalli. Tutkimusmenetelminä käytettiin kvantitatiivisia ja kvalitatiivisia tiedonkeruumenenelmiä. Näistä ylemmän johdon ja keskijohdon haastattelut, sekä omat kokemukset yrityksen käytännöistä vuosilta 2004-2008 näyttelivät pääroolia. Työn tuotoksena laadittiin aiheeseen liittyvä ohjeistus ja läpivientimalli osaksi yrityksen laatujärjestelmää. Malli sijoitettiin template tyyppisesti dokumentinhallinnointiohjelmistoon. Työn tuloksena on esitetty kehitysinvestointiprojektien läpivientimalli siten, että se tukee yrityksen strategiaa kestävän kehityksen ympäröimänä. Työlle asetetut tavoitteet saavutettiin sille tarkoitetussa aikavälissä.

The Detector Control Systems for the CMS Resistive Plate Chamber at LHC

The RPC Detector Control System (RCS) is the main subject of this PhD work. The project, involving the Lappeenranta University of Technology, the Warsaw University and INFN of Naples, is aimed to integrate the different subsystems for the RPC detector and its trigger chain in order to develop a common framework to control and monitoring the different parts. In this project, I have been strongly involved during the last three years on the hardware and software development, construction and commissioning as main responsible and coordinator. The CMS Resistive Plate Chambers (RPC) system consists of 912 double-gap chambers at its start-up in middle of 2008. A continuous control and monitoring of the detector, the trigger and all the ancillary sub-systems (high voltages, low voltages, environmental, gas, and cooling), is required to achieve the operational stability and reliability of a so large and complex detector and trigger system. Role of the RPC Detector Control System is to monitor the detector conditions and performance, control and monitor all subsystems related to RPC and their electronics and store all the information in a dedicated database, called Condition DB. Therefore the RPC DCS system has to assure the safe and correct operation of the sub-detectors during all CMS life time (more than 10 year), detect abnormal and harmful situations and take protective and automatic actions to minimize consequential damages. The analysis of the requirements and project challenges, the architecture design and its development as well as the calibration and commissioning phases represent themain tasks of the work developed for this PhD thesis. Different technologies, middleware and solutions has been studied and adopted in the design and development of the different components and a big challenging consisted in the integration of these different parts each other and in the general CMS control system and data acquisition framework. Therefore, the RCS installation and commissioning phase as well as its performance and the first results, obtained during the last three years CMS cosmic runs, will be