Pituusleikkurin turvaväylät ja koneturvallisuus

Turvallisuuteen liittyvän ohjausjärjestelmän tehtävänä on siirtää ja käsitellä turvallisuuskriittistä tietoa. Esimerkiksi anturin (turvalaitteen) havaitessa vaaravyöhykkeelle pyrkivän ihmisen tulee ensimmäisenä tiedon välittyä ohjausjärjestelmään. Ohjausjärjestelmän on muodostettava saapuneen tiedon perusteella käsky tehonohjauselimille. Tehonohjauselimillä säädellään koneen käyttöenergian syöttöä ja sitä kautta on mahdollista pysäyttää koneen liike ennen mahdollisen vahingon sattumista. Perinteiset turvaratkaisut ovat perustuneet pakkotoimintaisiin releisiin ja kahdennuksiin. Tällämenetelmällä on toteutettu varmatoimintaisia turvaratkaisuja, joissa yksittäiset viat ovat paljastuneet. Nykyisin on kuitenkin yhä enemmän tarvetta integroida turvatoiminnot automaatiojärjestelmään ja toteuttaa turvaratkaisut hajautetuillajärjestelmillä. Hajautetut järjestelmät sisältävät osittain ohjelmoitavien järjestelmien etuja ja haittoja, mutta tuovat mukanaan myös uudenlaisia vikoja. Työn tarkoitus oli selvittää, millaisia rajoituksia koneturvallisuus asettaa paperiteollisuuden pituusleikkurien turvallisuuteen liittyville ohjausjärjestelmille, sekä selvittää turvallisuuteen liittyvien järjestelmien rakennetta ja ominaisuuksia. Tässä työssä tutkittiin AS-i, EsaLan ja ProfiSafe turvajärjestelmiä teknisten tietojen perusteella. Tutkitut järjestelmät ovat erilaisia ja soveltuvat tämän vuoksi hieman erilaisiin kohteisiin. Kaikilla näillä järjestelmillä on kuitenkin mahdollista toteuttaa pituusleikkurin turvaväyläjärjestelmässä riittävä turvallisuuden taso koneturvallisuuden näkökulmasta. Tämä edellyttää oikein tehtyä riskianalyysiä ja oikeita suunnittelumenetelmiä. Teknisten tietojen perusteella otettiin testattavaksi AS-i safety at workja EsaLan:in Compact järjestelmät, joille suoritettiin sähkömagneettiseen yhteensopivuuteen (EMC) ja toiminnallisuuteen liittyviä testejä.

Uuden robottisolun ohjelmointitavan mahdollisuudet pienille ja keskisuurille yrityksille

Robotin ohjelmointi on aikaa vievää ja tarvitsee robotin ohjelmoinnin tuntevan operaattorin toimimaan robotin opettajana. Saadakseen robottisolun kustannustehokkaaksi operaattorilla olisi hyvä olla useampi solu hoidettavanaan samaan aikaan. Tämä ei ole suuri ongelma suurille yrityksille, joissa voi olla kymmeniä robottisoluja. Jos kyseessä on pieni tai keskisuuri yritys, automatisointi-investointi voi jäädä tekemättä ohjelmoinnin vaikeuden aiheuttaman ongelman vuoksi. Diplomityössä keskityttiin tutkimaan robotisointia pienten ja keskisuurten yritysten kannalta. Teoriaosassa on keskitytty robottisolun suunnittelun kannalta tarvittaviin perustietoihin robotin rakenteesta, ohjausjärjestelmästä, ohjelmoinnista sekä turvallisuudesta. Näiden perustietojen lisäksi on huomioitu hitsauksen automatisointia sekä taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun tekninen konsepti. Taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun konseptin käsittelyosassa on myös perehdytty taluttamalla ohjelmoinnin vaatimiin komponentteihin kuten voima/vääntö-anturi. Robottisolun suunnittelu on tehtävä koneasetuksen vaatimusten mukaan. Turvallisuus osiossa on käsitelty koneasetuksen vaatimuksia koneensuunnittelulle ja käytännön osassa on käsitelty Winnovan taluttamalla ohjelmoitavan robottisolun suunnittelua koneasetuksen ohjeiden mukaan. Käytännön osassa on tutkittu taluttamalla ohjelmoinnin tuomia etuja muihin ohjelmointimenetelmiin nähden sekä suoritettu investointilaskelmat taluttamalla ohjelmoitavasta ja opettamalla ohjelmoitavasta robottisolusta. Koetuloksista nähdään taluttamalla ohjelmoinnin olevan nopeampi ja yksinkertaisempi tapa ohjelmoida robottia kuin opettamalla ohjelmointi. Investointilaskelmien vertailusta nähdään taluttamalla ohjelmoinnin tulevan opettamalla ohjelmointia edullisemmaksi vaihtoehdoksi käyttökustannusten edullisuuden ansiosta.

Automation concept for an electrically excited synchronous motor: Setup and requirements specification

This bachelor’s thesis is a part of the research project realized in the summer 2011 in Lappeenranta University of Technology. The goal of the project was to create an automation concept for controlling an electrically excited synchronous motor. This thesis concentrates on the setup and requirements specification part of the concept. The setup consists of ABB AC500 as the PLC master device, DCS800 as an exciter and ACS800 as a frequency converter. The ACS800 frequency converter uses permanent magnet synchronous machine software to control the stator’s magnetic field, the DC drive handles the excitation and the AC500 PLC master controls the communication and functionality of the system. The requirements specification briefly explains the general over-view of the concept, the use and functionality of the PLC program and the requirements needed for the whole concept and the PLC program to work as intended.

Towards combining interactive mobile TV and smart spaces : architectures, tools and application development

Technological developments in microprocessors and ICT landscape have made a shift to a new era where computing power is embedded in numerous small distributed objects and devices in our everyday lives. These small computing devices are ne-tuned to perform a particular task and are increasingly reaching our society at every level. For example, home appliances such as programmable washing machines, microwave ovens etc., employ several sensors to improve performance and convenience. Similarly, cars have on-board computers that use information from many di erent sensors to control things such as fuel injectors, spark plug etc., to perform their tasks e ciently. These individual devices make life easy by helping in taking decisions and removing the burden from their users. All these objects and devices obtain some piece of information about the physical environment. Each of these devices is an island with no proper connectivity and information sharing between each other. Sharing of information between these heterogeneous devices could enable a whole new universe of innovative and intelligent applications. The information sharing between the devices is a diffcult task due to the heterogeneity and interoperability of devices. Smart Space vision is to overcome these issues of heterogeneity and interoperability so that the devices can understand each other and utilize services of each other by information sharing. This enables innovative local mashup applications based on shared data between heterogeneous devices. Smart homes are one such example of Smart Spaces which facilitate to bring the health care system to the patient, by intelligent interconnection of resources and their collective behavior, as opposed to bringing the patient into the health system. In addition, the use of mobile handheld devices has risen at a tremendous rate during the last few years and they have become an essential part of everyday life. Mobile phones o er a wide range of different services to their users including text and multimedia messages, Internet, audio, video, email applications and most recently TV services. The interactive TV provides a variety of applications for the viewers. The combination of interactive TV and the Smart Spaces could give innovative applications that are personalized, context-aware, ubiquitous and intelligent by enabling heterogeneous systems to collaborate each other by sharing information between them. There are many challenges in designing the frameworks and application development tools for rapid and easy development of these applications. The research work presented in this thesis addresses these issues. The original publications presented in the second part of this thesis propose architectures and methodologies for interactive and context-aware applications, and tools for the development of these applications. We demonstrated the suitability of our ontology-driven application development tools and rule basedapproach for the development of dynamic, context-aware ubiquitous iTV applications.

Flexible multibody dynamics and intelligent control of a hydraulically driven hybrid redundant robot machine

The assembly and maintenance of the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER) vacuum vessel (VV) is highly challenging since the tasks performed by the robot involve welding, material handling, and machine cutting from inside the VV. The VV is made of stainless steel, which has poor machinability and tends to work harden very rapidly, and all the machining operations need to be carried out from inside of the ITER VV. A general industrial robot cannot be used due to its poor stiffness in the heavy duty machining process, and this will cause many problems, such as poor surface quality, tool damage, low accuracy. Therefore, one of the most suitable options should be a light weight mobile robot which is able to move around inside of the VV and perform different machining tasks by replacing different cutting tools. Reducing the mass of the robot manipulators offers many advantages: reduced material costs, reduced power consumption, the possibility of using smaller actuators, and a higher payload-to-robot weight ratio. Offsetting these advantages, the lighter weight robot is more flexible, which makes it more difficult to control. To achieve good machining surface quality, the tracking of the end effector must be accurate, and an accurate model for a more flexible robot must be constructed. This thesis studies the dynamics and control of a 10 degree-of-freedom (DOF) redundant hybrid robot (4-DOF serial mechanism and 6-DOF 6-UPS hexapod parallel mechanisms) hydraulically driven with flexible rods under the influence of machining forces. Firstly, the flexibility of the bodies is described using the floating frame of reference method (FFRF). A finite element model (FEM) provided the Craig-Bampton (CB) modes needed for the FFRF. A dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using the constrained Lagrange equations and the Lagrange multiplier method. Subsequently, the reaction forces between the parallel and serial parts were used to study the dynamics of the serial robot. A PID control based on position predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders of the robot. Secondly, in machining, to achieve greater end effector trajectory tracking accuracy for surface quality, a robust control of the actuators for the flexible link has to be deduced. This thesis investigates the intelligent control of a hydraulically driven parallel robot part based on the dynamic model and two schemes of intelligent control for a hydraulically driven parallel mechanism based on the dynamic model: (1) a fuzzy-PID self-tuning controller composed of the conventional PID control and with fuzzy logic, and (2) adaptive neuro-fuzzy inference system-PID (ANFIS-PID) self-tuning of the gains of the PID controller, which are implemented independently to control each hydraulic cylinder of the parallel mechanism based on rod length predictions. The serial component of the hybrid robot can be analyzed using the equilibrium of reaction forces at the universal joint connections of the hexa-element. To achieve precise positional control of the end effector for maximum precision machining, the hydraulic cylinder should be controlled to hold the hexa-element. Thirdly, a finite element approach of multibody systems using the Special Euclidean group SE(3) framework is presented for a parallel mechanism with flexible piston rods under the influence of machining forces. The flexibility of the bodies is described using the nonlinear interpolation method with an exponential map. The equations of motion take the form of a differential algebraic equation on a Lie group, which is solved using a Lie group time integration scheme. The method relies on the local description of motions, so that it provides a singularity-free formulation, and no parameterization of the nodal variables needs to be introduced. The flexible slider constraint is formulated using a Lie group and used for modeling a flexible rod sliding inside a cylinder. The dynamic model of the system of six closed loop mechanisms was assembled using Hamilton’s principle and the Lagrange multiplier method. A linearized hydraulic control system based on rod length predictions was implemented independently to control the hydraulic cylinders. Consequently, the results of the simulations demonstrating the behavior of the robot machine are presented for each case study. In conclusion, this thesis studies the dynamic analysis of a special hybrid (serialparallel) robot for the above-mentioned special task involving the ITER and investigates different control algorithms that can significantly improve machining performance. These analyses and results provide valuable insight into the design and control of the parallel robot with flexible rods.

Analyzing and Computing the Sustainability Gains of Building Automation

Smart home implementation in residential buildings promises to optimize energy usage and save significant amount of energy simply due to a better understanding of user's energy usage profile. Apart from the energy optimisation prospects of this technology, it also aims to guarantee occupants significant amount of comfort and remote control over home appliances both at home locations and at remote places. However, smart home investment just like any other kind of investment requires an adequate measurement and justification of the economic gains it could proffer before its realization. These economic gains could differ for different occupants due to their inherent behaviours and tendencies. Thus it is pertinent to investigate the various behaviours and tendencies of occupants in different domain of interests and to measure the value of the energy savings accrued by smart home implementations in these domains of interest in order to justify such economic gains. This thesis investigates two domains of interests (the rented apartment and owned apartment) for primarily two behavioural tendencies (Finland and Germany) obtained from observation and corroborated by conducted interviews to measure the payback time and Return on Investment (ROI) of their smart home implementations. Also, similar measures are obtained for identified Australian use case. The research finding reveals that building automation for the Finnish behavioural tendencies seems to proffers a better ROI and payback time for smart home implementations.

Virtuaalinen käyttöönottoympäristö automaatiojärjestelmälle

Valmistavan teollisuuden kiristyvät vaatimukset suunnittelusta markkinoille -ajassa (engl. time-to-market), laadussa, kustannustehokkuudessa ja turvallisuudessa luovat paineita uusien toimintatapojen etsimisessä. Usein laitteiston ohjausalgoritmeja ei ole mahdollista testata todellisen laitteiston kanssa, vaan ainoaksi ennakoivaksi vaihtoehdoksi jää todellisen laitteiston virtuaalinen mallintaminen. Eräs uusista toimintavoista on virtuaalinen käyttöönotto, jossa tuotantolinja tai laitteisto mallinnetaan ja sen käyttäytymistä simuloidaan ohjausalgoritmien parantamista ja todentamista varten. Tämän diplomityön tavoitteena oli toteuttaa virtuaalinen käyttöönottoympäristö, jolla laitteiston 3D-mallinnettua virtuaalista mallia voidaan ohjata reaaliajassa todellisen laitteiston ohjauslaitteistolla. Käyttöönottoympäristön toteuttamisen lopullisena tavoitteena on tutkia, millaisia hyötyjä sillä voidaan saavuttaa Outotec (Finland) Oy:n automaatiojärjestelmien suunnittelussa ja käyttöönotossa kiristyvien vaatimusten täyttämiseksi. Työssä toteutetulla käyttöönottoympäristöllä pystytään simuloimaan 3D-mallinnetun laitteiston osan toimintaa reaaliajassa. Todellisen laitteiston ominaisuuksista määritettyjä vaatimuksia ei kustannussyistä täytetty, sillä ennen sitä haluttiin varmistua valitun alustan ominaisuuksista, toimivuudesta ja soveltuvuudesta. Toteutuksen katsotaan kuitenkin täyttävän pehmeän reaaliaikaisuuden kriteerin noin 40 ms aikatasolla ja 80 ms reaktioajalla. Toteutettu virtuaalinen käyttöönottoympäristö osoittautui toimivaksi ja soveltuvaksi, sekä sen todettiin tuovan potentiaalisia hyötyjä Outotec (Finland) Oy:lle, esimerkiksi kosketusnäyttöjen visualisoinnin parannus, hybridikäyttöönottomahdollisuus sekä automaatio-ohjauksien kehittäminen. Työn perusteella arvioidaan onko Outotec:lla tarvetta jatkaa valitulla alustalla todellisen laitteiston aikavaatimukset täyttävään reaaliaika-toteutukseen, jota työssä esitellään.

Specification of a smart meter/actuator description mechanism & development of a mobile application

Home Automation holds the potential of realizing cost savings for end users while reducing the carbon footprint of domestic energy consumption. Yet, adoption is still very low. High cost of vendor-supplied home automation systems is a major prohibiting factor. Open source systems such as FHEM, Domoticz, OpenHAB etc. are a cheaper alternative and can drive the adoption of home automation. Moreover, they have the advantage of not being limited to a single vendor or communication technology which gives end users flexibility in the choice of devices to include in their installation. However, interaction with devices having diverse communication technologies can be inconvenient for users thus limiting the utility they derive from it. For application developers, creating applications which interact with the several technologies in the home automation systems is not a consistent process. Hence, there is the need for a common description mechanism that makes interaction smooth for end users and which enables application developers to make home automation applications in a consistent and uniform way. This thesis proposes such a description mechanism within the context of an open source home automation system – FHEM, together with a system concept for its application. A mobile application was developed as a proof of concept of the proposed description mechanism and the results of the implementation are reflected upon.

Developing smart services by Internet of Things in manufacturing business

Manufacturing companies have passed from selling uniquely tangible products to adopting a service-oriented approach to generate steady and continuous revenue streams. Nowadays, equipment and machine manufacturers possess technologies to track and analyze product-related data for obtaining relevant information from customers’ use towards the product after it is sold. The Internet of Things on Industrial environments will allow manufacturers to leverage lifecycle product traceability for innovating towards an information-driven services approach, commonly referred as “Smart Services”, for achieving improvements in support, maintenance and usage processes. The aim of this study is to conduct a literature review and empirical analysis to present a framework that describes a customer-oriented approach for developing information-driven services leveraged by the Internet of Things in manufacturing companies. The empirical study employed tools for the assessment of customer needs for analyzing the case company in terms of information requirements and digital needs. The literature review supported the empirical analysis with a deep research on product lifecycle traceability and digitalization of product-related services within manufacturing value chains. As well as the role of simulation-based technologies on supporting the “Smart Service” development process. The results obtained from the case company analysis show that the customers mainly demand information that allow them to monitor machine conditions, machine behavior on different geographical conditions, machine-implement interactions, and resource and energy consumption. Put simply, information outputs that allow them to increase machine productivity for maximizing yields, save time and optimize resources in the most sustainable way. Based on customer needs assessment, this study presents a framework to describe the initial phases of a “Smart Service” development process, considering the requirements of Smart Engineering methodologies.

Impingement jet cooling of end windings in a high-speed electric machine

The rotational speed of high-speed electric machines is over 15 000 rpm. These machines are compact in size when compared to the power rate. As a consequence, the heat fluxes are at a high level and the adequacy of cooling becomes an important design criterion. In the high-speed machines, the air gap between the stator and rotor is a narrow flow channel. The cooling air is produced with a fan and the flow is then directed to the air gap. The flow in the gap does not provide sufficient cooling for the stator end windings, and therefore additional cooling is required. This study investigates the heat transfer and flow fields around the coil end windings when cooling jets are used. As a result, an innovative and new assembly is introduced for the cooling jets, with the benefits of a reduced amount of hot spots, a lower pressure drop, and hence a lower power need for the cooling fan. The gained information can also be applied to improve the cooling of electric machines through geometry modifications. The objective of the research is to determine the locations of the hot spots and to find out induced pressure losses with different jet alternatives. Several possibilities to arrange the extra cooling are considered. In the suggested approach cooling is provided by using a row of air jets. The air jets have three main tasks: to cool the coils effectively by direct impingement jets, to increase and cool down the flow that enters the coil end space through the air gap, and to ensure the correct distribution of the flow by forming an air curtain with additional jets. One important aim of this study is the arrangement of cooling jets in such manner that hot spots can be avoided to wide extent. This enables higher power density in high-speed motors. This cooling system can also be applied to the ordinary electric machines when efficient cooling is needed. The numerical calculations have been performed using a commercial Computational Fluid Dynamics software. Two geometries have been generated: cylindrical for the studied machine and Cartesian for the experimental model. The main parameters include the positions, arrangements and number of jets, the jet diameters, and the jet velocities. The investigated cases have been tested with two widely used turbulence models and using a computational grid of over 500 000 cells. The experimental tests have been made by using a simplified model for the end winding space with cooling jets. In the experiments, an emphasis has been given to flow visualisation. The computational analysis shows good agreement with the experimental results. Modelling of the cooling jet arrangement enables also a better understanding of the complex system of heat transfer at end winding space.

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.

Test automation in Basic Acceptance Testing of S60 platform

Perushyväksymistestaus on oleellinen osa S60 alustan julkaisukandidaatin maturiteetin seurannassa. Perushyväksymistestausta tehdään myös ohjelmiston julkistamiskelpoisuuden varmistamiseksi. Testaustulokset halutaan aina mahdollisimman nopeasti. Lisäksi testaustiimin työmäärä on hiljalleen kasvanut, koska projekteja onenemmän ja korjauksia sisältäviä ja räätälöityjä settejä testataan enemmän. Tässä diplomityössä tutkitaan lyhentäisikö testisetin osan automatisointi testien ajoaikaa ja helpottaisiko se testaajien työtaakkaa. Tarkastelu toteutetaan automatisoimalla osa testisetistä ja kokemuksia esitellään tässä lopputyössä.

Pulp Fractionation in a Pilot Paper Machine

Tämän diplomityön tarkoituksena on tutkia paperimassan jakautumiseen vaikuttavia tekijöitä paperinvalmistusprosessissa. Työn empiirisen osan tavoitteena on analysoida perälaatikon hienoainepitoisuuden ja paperimassan virtausnopeuden vaikutusta paperimassan jakautumiseen pilottipaperikoneessa, sekä selvittää voidaanko näitä prosessiparametreja optimoimalla saavuttaa merkittävää retention, vedenpoiston ja kaksipuolisuuden parantumista. Työn teoreettinen osa sisältää kirjallisuuskatsauksen märänpään kemiasta ja yhteenvedon aikaisemmasta tutkimuksesta koskien paperimassan jakautumista paperinvalmistusprosessissa. Työn empiirisessä osassa on tutkittu perälaatikon hienoainepitoisuuden ja paperimassan virtausnopeuden vaikutusta retentioon, vedenpoistoon ja paperimassan jakautumiseen Papricanin pilottipaperikoneessa. Analyysissä on käytetty yhteensovitettua dataa, joka on saatu kattavien pilottipaperikonekokeiden ja taulukkolaskentaohjelmalla toteutettujen staattisten simulointimallien avulla. Simulointimalleissa perälaatikon hienoainepitoisuus on 30-55%, sekä paperimassan virtausnopeudet ovat 2470 L/min, 3870 L/min ja 5230 L/min. Muut prosessiparametrit on vakioitu, eikä retentioainetta käytetty. Retentio pilottipaperikoneessa oli 55-82% riippuen perälaatikon hienoainepitoisuudesta ja paperimassan virtausnopeudesta. Perälaatikon hienoainepitoisuuden ja retention välillä oli voimakas negatiivinen korrelaatio. Myös paperimassan virtausnopeuden ja retention välillä oli negatiivinen korrelaatio. Mitä alhaisempi retentio, sitä enemmän hienoainesta kerääntyi systeemiin. Hienoaineen huuhtoutuminen paperirainasta korreloi vedenpoistoon: pienemmällä paperimassan virtausnopeudella enemmän sekä vettä että hienoainetta poistui viirapuolelta, ja suuremmalla paperimassan virtausnopeudella saman verran sekä vettä että hienoainetta poistui rainan molemmilta puolilta. Paras paperirainan kaksipuolisuus saavutettiin korkeilla perälaatikon hienoainepitoisuuksilla (50% ja 55%) suurilla paperimassan virtausnopeuksilla (3870 L/min ja 5230 L/min).

Repeatability ofthe recipe parameters of a corrugated board machine against warp

The warp of corrugated board is the most prevalent quality problem incorrugated board industry. Nowadays corrugators provide high quality board but there often occurs a warp problem within the production of some board grades. One of the main reasons for that are the humidity and the temperature levels of the raw materials. The goal of the research is to find out howthe adjusted corrugator recipe parameters required for appropriate running of the corrugated board are repeatable for the considered board grades, how the temperature and humidity imbalances of the raw material papers influence on the warpformation of the finished board. Furthermore, the solutions for preventing warpof corrugated board are presented in the thesis.