Variable speed drive in fan system monitoring

Fan systems are responsible for approximately 10% of the electricity consumption in industrial and municipal sectors, and it has been found that there is energy-saving potential in these systems. To this end, variable speed drives (VSDs) are used to enhance the efficiency of fan systems. Usually, fan system operation is optimized based on measurements of the system, but there are seldom readily installed meters in the system that can be used for the purpose. Thus, sensorless methods are needed for the optimization of fan system operation. In this thesis, methods for the fan operating point estimation with a variable speed drive are studied and discussed. These methods can be used for the energy efficient control of the fan system without additional measurements. The operation of these methods is validated by laboratory measurements and data from an industrial fan system. In addition to their energy consumption, condition monitoring of fan systems is a key issue as fans are an integral part of various production processes. Fan system condition monitoring is usually carried out with vibration measurements, which again increase the system complexity. However, variable speed drives can already be used for pumping system condition monitoring. Therefore, it would add to the usability of a variablespeed- driven fan system if the variable speed drive could be used as a condition monitoring device. In this thesis, sensorless detection methods for three lifetime-reducing phenomena are suggested: these are detection of the fan contamination build-up, the correct rotational direction, and the fan surge. The methods use the variable speed drive monitoring and control options for the detection along with simple signal processing methods, such as power spectrum density estimates. The methods have been validated by laboratory measurements. The key finding of this doctoral thesis is that a variable speed drive can be used on its own as a monitoring and control device for the fan system energy efficiency, and it can also be used in the detection of certain lifetime-reducing phenomena.

Elintarviketehtaan tuotantolinjan kunnonvalvonnan kehittäminen

Tutkimuksen tavoitteena oli kunnonvalvontajärjestelmän kehittäminen nykyaikaiselle elintarviketeollisuuden tuotantolinjalle. Työssä etsittiin olemassa olevia kunnonvalvontamenetelmiä ja -sovelluksia erityisesti jäätelötuotantolaitteiden tarpeisiin. Kirjallisuudesta löydettiin sovelluksia lähinnä yksittäisille komponenteille ja kone-elimille. Tutkimuksen kohteena oleva tuotantolinja käytiin läpi toimintojen ja komponenttien osalta. Tehtaan laitekantaa ja valmiutta kunnonvalvonnan käyttöönotolle käsiteltiin yleisellä tasolla. Kunnonvalvontajärjestelmää kehitettäessä käytettiin hyväksi kirjallisuudesta löytyneitä menetelmiä, joista soveltuvimpia käytettiin kunnonvalvontametodien kartoittamiseen. Kunnonvalvontametodit muodostettiin toiminnanohjausjärjestelmästä ja linjan käyttöönotosta saatujen tietojen avulla. Tietoja käytettiin vika-vaikutusanalyysissä, joka oli pohjana komponentti- ja menetelmäkohtaisessa analyysissa. Kriittisiä ja tuotannon tehokkuuteen vaikuttavia koneenosia ja kokonaisuuksia tarkasteltiin kunnonvalvontamenetelmien soveltuvuuden avulla. Tutkimuksen edetessä kehitettiin kokonaisvaltaiset toiminnanohjausjärjestelmän avulla toimivat eritasoiset kunnonvalvontahypoteesit, joiden avulla linjan yksittäisten komponenttien kuntoa voidaan valvoa. Lisäksi tutkimuksessa kehitettiin uusia kunnonvalvontasovelluksia, joita on mahdollista käyttää myös tehtaan muilla linjoilla. Kunnonvalvontahypoteeseja käytettiin kokonaisen kunnonvalvontajärjestelmän luomiseen. Tehtaalla on mahdollisuus valita käyttöönotettavan kunnonvalvonnan taso hypoteesien sekä kunnossapitostrategian avulla.

Paalinmuodostajien hydraulijärjestelmissä esiintyvien dynaamisten ongelmien ratkaiseminen

Diplomityön tehtävänä oli tutkia paalinmuodostajassa esiintyvien vikojen aiheuttajia ja antaa mahdollinen korjausehdotus vian aiheuttajan poistamiseksi. Tämä työ jakaantuu kolmeen osa-alueeseen: 1. hydraulisen toiminnan selvittäminen, 2. mittausten tekeminen, tulosten tulkinta ja vikahistoriatietojen tarkasteleminen, 3. ongelmakohtien selvittäminen ja parannusehdotuksien esittäminen ongelmien ratkaisemiseksi. Diplomityön pohjana käytettiinpiirustuksia sekä CMT-Solutionin ja Metson tekemiä kunnonvalvontamittauksia. Patruunatekniikalla toteutetun hydraulijärjestelmän vian perussyytä etsittäessä onselvitettävä komponenttien ja järjestelmän toiminta kunnonvalvontamittausten avulla. Paalinmuodostajien hydraulijärjestelmien tulisi olla toimivia, luotettaviaja taloudellisia. Hydraulijärjestelmässa käytettävien komponenttien tulisi ollamyös keskenään yhteensopivia, turvallisia ja luotettavia toiminnaltaan, helposti huollettavia sekä vaivattomasti saatavilla olevia. Komponenttien, joita mahdollisesti vaihdetaan on oltava yhteensopivia M-realin jo varastossa olevien komponenttien kanssa. Näin vältetään varastoon muodostumasta useita erilaisia komponenttiyhdistelmiä, jotka turhaan kuormittavat varastomääriä ja lisäävät sitoutuneenpääoman määrää. Työssäni pyrin myös parannusehdotuksia antaessani mahdollisimman yksinkertaiseen ja taloudelliseen ratkaisuun M-realin kannalta. Diplomityön tulosten pohjalta kokeiltiin muutamia muutoksia eri kohtiin hydraulijärjestelmässä. Osa alustavista muutoksista toteutettiin Metson ja STH-Service/Simo Suppasen toimesta. Nähtäväksi jää onko näillä toimenpiteillä ollut vaikutusta hydraulijärjestelmän luotettavuuteen.

Kunnossapidon kehitysmalli sanomalehtipainon tuotannon luotettavuuden, tuottavuuden ja tuotteen laadun turvaamiseksi

Diplomityössä käsitellään ne toimet, jotka Esa Lehtipaino Oy:ssä tarvitsee tehdä kunnossapidon kehittämiseksi sanomalehtipainoprosessin kunnossapidossa. Työssä käytettiin luotettavuuskeskeisen ja kokonaisvaltaisen tuottavuuskeskeisen kunnossapidon strategioiden osia sekä PSK Standardisoinnin PSK 5705:2006standardin mukaista menetelmää määrittämään kunnossapidon kannalta tärkeimmät kohteet ja osa-alueet. PSK 5705:2006 on kunnonvalvonnan värähtelymittausten mittaustoiminnan suunnitteluun luotu standardi, jonka perusteella rakennettiin sanomalehtipainoprosessiin sopiva tuotantolaitteiston luokitusjärjestelmä. Luokituksenperusteella kohdennetaan kunnossapidon resurssit tuotantojärjestelmän luotettavuuden kannalta oikeisiin, tuottavimpiin kohteisiin. Tuotantohenkilöstön kunnossapitohenkilökunnalle tekemien vikailmoitusten välitykseen rakennettiin Microsoft Access -pohjainen Vikaloki-lomake. Kunnossapitotoiminnan kehityksen tuloksien seuraamiseksi määritettiin PSK 6201:2003 standardin mukainen tuotannon kokonaistehokkuutta kuvaava KNL-luku. KNL-luvusta luotiin ennuste kunnossapidon kehittämistarpeista regressioanalyysin avulla. Kehitysmalli esittää, että kohdeyrityksessä tulee toiminnan kehittäminen aloittaa päivittämällä tietokonepohjainen toiminnanohjausjärjestelmä, johon lisätään ennakoivat suunnitellut kunnossapitotoimet. Toimet määriteltiin yllämainitun kriittisyysluokituksen perusteella.

Development of the Acoustic Emission Based Diagnostics Concept for the Rotary Lime Kiln

Reaaliaikainen, ennakoiva kunnonvalvonta on erittäin tärkeä osa modernin tehtaan tai tuotantolinjan toimintaa. Diplomityön teettäjä haluaa edelleen kehittää akustiseen emissioon perustuvaa kunnonvalvonta järjestelmäänsä, jotta siitä olisi enemmän hyötyä asiakkaalle. Diplomityö sisältää johdannonakustiseen emissioon ja akustisiin emissio sensoreihin. Työn tavoitteena oli kehittää päätöksentekojärjestelmä, jota käytettäisiin työn teettäjän valmistamien sensoreiden antaman tiedon automatisoituun analysointiin. Työssä on vertailtu kolmea eri ohjelmistotoimittajaa ja heidän ohjelmiaan, ja tehty ehdotus hankittavasta ohjelmistosta. Lisäksi työssä on kehitetty ohjeita, joiden avulla ohjelmisto ohjelmoidaan tuottamaan reaaliaikaista tietoa ja huolto-ohjeita sen käyttäjille. Lisäksi työssä annetaan ehdotuksia kunnonvalvonta- ja päätöksentekojärjestelmän edelleen kehittämiseen.

Sähkökoneiden etädiagnostiikan kenttätason tiedonsiirtotarpeen arviointi ja instrumentoinnin kehittäminen

Tässä diplomityössä tarkastellaan sähkökoneiden tyypillisiä vikoja ja joitain näiden havaitsemiseen käytettäviä mittauksia ja analyysejä; mittausten tuottamaa tietomäärää arvioidaan. Muutamia teollisuuslaitoksissa käytettyjä väyliä ja tiedonsiirtoprotokollia esitellään, ja analysoidaan kunnonvalvonnan mittauksien siirtämisen näillä väylillä vaatimaa väylän datansiirtonopeutta. Valvottavien sähkökoneiden määrän ylärajaa arvioidaan kunkin väylän/protokollan tapauksessa. Työssä esitellään ratkaisuja sähkökoneiden etädiagnostiikan tiedonsiirron toteuttamiseksi ja arvioidaan valvottavien sähkökoneiden määrän ylärajaa kussakin tapauksessa. Lisäksi työssä suunnitellaan ja toteutetaan kunnonvalvonnan mitta-antureiden kanssa käytettävä mittaustiedon keräily-yksikkö. Keräily-yksikön sisältävä kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan tiedonkeruu- ja tiedonsiirtojärjestelmä asennetaan kahteen pilot-kohteeseen: sellutehtaalle ja pienvesivoimalaan.

Lyhyen kantaman radiolähettimien soveltuvuus sähkökäyttöjen kunnon-valvonnan ja etädiagnostiikan tiedonsiirtotarpeisiin

Lyhyen kantaman radiolähettimien käyttö on kasvanut muutaman viime vuoden aikana huomattavasti. Osaltaan tähän on vaikuttanut uusien taajuusalueiden allokointi lupavapaiden radiolähettimien käyttöön, standardoitujen tekniikoiden yleistyminen ja laitteiden parempi saatavuus. Tässä työssä tarkastellaan lyhyen kantaman radiolähettimien soveltuvuutta sähkökäyttöjen kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan tiedonsiirtotarpeisiin. Työssä luodaan katsaus teollisuusympäristön vaikutuksiin langattomassa tiedonsiirrossa ja tarkastellaan sähkökäyttöjen kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan vaatimuksia tiedonsiirrolle ja tiedonsiirtojärjestelmälle. Työssä käydään läpi lyhyen kantaman radiolähettimiin liittyvät säädökset ja luodaan katsaus standardoituihin sekä valmistajakohtaisiin lyhyen kantaman radiotekniikoihin. Tiedonsiirtojärjestelmän suunnittelun kannalta tarkastellaan tiedonsiirtojärjestelmän topologiaa, protokollaa ja saatavilla olevia tekniikoita ja niiden implementoimista järjestelmään. Valmistajakohtaisia lyhyen kantaman radiomoduulien toimintaa ja Bluetoothin sisältävää älypuhelinta tutkitaan laboratoriomittauksin. Lopuksi kootaan yhteen langattoman tiedonsiirron ja eri tekniikoiden soveltuvuus sähkökäyttöjen kunnonvalvonnan ja etädiagnostiikan sovelluksiin.

Venttiilien kunnossapidon optimointi

Tässä työssä tarkastellaan venttiilien kunnossapitoa ja erityisesti niiden kunnonvalvontaa. Työssä on kerrottu perusteita venttiileiden kunnonvalvonnan suorittamiseksi, venttiili- ja toimilaitevikojen perussyistä ja niiden havaitsemisesta. Työn pääpaino on kuitenkin kunnonvalvontamenetelmissä ja niiden käytössä. Mittauksia venttiilivuodon havaitsemiseksi suoritettiin akustisen emission, ultraäänen ja lämpötilan pistemittauksen avulla. Venttiilien yleistä kuntoa määritettiin värähtelyn, venymäliuskojen ja laitoksella jo toimivan moottoritoimilaitteen virtamittauksen avulla. Työssä on annettu suuntaviivat tulosten tulkitsemiselle, mutta yksityiskohtainen ja tarkempi tulosten tulkinnan määrittäminen jätetään laitoksen henkilökunnasta sille henkilölle joka mittauksia tulee tekemään tai jonka työnkuvaan muuten kuuluu kyseisten tulosten tulkitseminen.

Voimalaitoksen tasemallinnus kunnonvalvonnassa

Diplomityössä mallinnettiin Vattenfallin Myllykosken vastapainevoimalaitos staattisella voimalaitossimulaattoriohjelmalla. Mallinnuksessa käytettiin PROSIM simulaattorioh-jelmaa, jolla on mahdollista suorittaa taselaskentaa sekä online että offline tilassa. Laaditun mallin avulla suoritettiin voimalaitoksen offline simulointia erilaisissa ajotilanteissa. Simulointitulosten avulla suoritettiin voimalaitoksen kokonaishyötysuhteen ja höyryn tuotantokustannusten tarkastelua. Tarkastelun avulla pyrittiin saavuttamaan voimalaitoksen taloudellisin ajotapa kaikissa tarkastelutilanteissa. Lisäksi työssä määritettiin laadittuun voimalaitosmalliin perustuvan kunnonvalvontajärjestelmän laajuus. Järjestelmä hyödyntää PROSIM:n online simulointia sekä automaatiojärjestelmän reaaliaikaisia prosessimittauksia. Kunnonvalvontajärjestelmän (CMS Condition Monitoring System) avulla voidaan suorittaa prosessin optimointia reaaliajassa. Lisäksi järjestelmän avulla voidaan suorittaa voimalaitostaseen raportointia ja seurata voimalaitoskomponenttien toiminnan heikkenemistä. Kunnonvalvontajärjestelmän laajuuden määrittämiseksi rajattiin järjestelmään syötettävät kustannustekijät, kunnonseurantaan asetettavat komponentit ja taselaskennassa käytettävät mittaukset.

Sähkökoneiden kunnonvalvonta-antureiden kehitys vaativiin ympäristöolosuhteisiin

Diplomityössä kerrotaan sähkökoneiden on-line kunnonvalvontaan käytettävistä mittauksista ja analyyseistä sekä antureista, joilla näitä mittauksia voidaan suorittaa. Työssä pohditaan anturielektroniikan suunnittelua ja rakentamista vaativiin ympäristöolosuhteisiin, joita ovat muun muassa korkea lämpötila, kosteus, paine ja voimakkaat magneettikentät. Testataan analogisen lämpötila-anturin toimivuutta taajuusmuuttajakäytön läheisyydessä. Häiriöpiikkien suodattamista varten tehdään mediaanisuodatusohjelma. Lisäksi työssä suunnitellaan kunnonvalvontapilotit pumppuun sellutehtaalle sekä generaattorikäyttöön vesivoimalaan. Pilotit muodostuvat anturoinnista, anturitason tiedonsiirrosta ja mittaustiedon keruusta. Järjestelmää testataan lievästi sisäkehävaurioisella laakerilla. Työssä kerrotaan myös kunnonvalvontajärjestelmän pilotoinnista sellutehtaalle ja analysoidaan sieltä saatuja tuloksia.

Methods of Design and Testing of Real Time Systems

Teollusuussovelluksissa vaaditaan nykyisin yhä useammin reaaliaikaista tiedon käsittelyä. Luotettavuus on yksi tärkeimmistä reaaliaikaiseen tiedonkäsittelyyn kykenevän järjestelmän ominaisuuksista. Sen saavuttamiseksi on sekä laitteisto, että ohjelmisto testattava. Tämän työn päätavoitteena on laitteiston testaaminen ja laitteiston testattavuus, koska luotettava laitteistoalusta on perusta tulevaisuuden reaaliaikajärjestelmille. Diplomityössä esitetään digitaaliseen signaalinkäsittelyyn soveltuvan prosessorikortin suunnittelu. Prosessorikortti on tarkoitettu sähkökoneiden ennakoivaa kunnonvalvontaa varten. Uusimmat DFT (Desing for Testability) menetelmät esitellään ja niitä sovelletaan prosessorikortin sunnittelussa yhdessä vanhempien menetelmien kanssa. Kokemukset ja huomiot menetelmien soveltuvuudesta raportoidaan työn lopussa. Työn tavoitteena on kehittää osakomponentti web -pohjaiseen valvontajärjestelmään, jota on kehitetty Sähkötekniikan osastolla Lappeenrannan teknillisellä korkeakoululla.

PGW-linjan käyttövarmuuden ja kunnossapidon tehokuuden parantaminen kiinteällä kunnonvalvonnalla

Tämän diplomityön lähtökohtana on tutkia kiinteän kunnonvalvonnan ja ehkäisevän kunnossapidon edellytyksiä ja mahdollisuuksia Anjalan Paperitehtaan painehiomossa. Työn tavoitteena on kunnossapidon kustannustehokkuuden parantaminen ja häiriöaikojen vähentäminen ja sitä kautta koko tuotantoprosessin tuottavuuden nostaminen. Työn alussa tarkastellaan tämänhetkisiä prosessilaitteiston häiriötekijöitä ja kunnossapidon vaikutusmahdollisuuksia häiriöiden korjaukseen ja kustannuksiin. Tarkastelun perusteella päädyttiin painehiomossa ehkäisevän kunnossapidon määrän nostamiseen ja kiinteän kunnonvalvontajärjestelmän käyttöönottoon H4-linjalla. Jatkuvatoimisen kunnonvalvonnan edut tutkimuksen ja teorian perusteella ovat laitteiden käyttövarmuuden olennainen paraneminen ja kunnossapitokustannusten aleneminen. Työn kokeellisen osan perusteella kunnossapitokustannukset alenivat noin 24 % ja käytettävyyden tehostumisen johdosta laitehäiriöt alenivat 50 %:lla. Tulokset saatiin aikaan toteuttamalla suunnitellut ehkäisevät huollot kriittisille laitteille. Kiinteä kunnonvalvonta antoi kunnossapidolle tiedon laitteiden oikea-aikaisesta huoltovälistä. Investoinnin hyödyt saatiin täysmääräisesti käyttöön jo laitteiston ensimmäisen käyttövuoden aikana. Henkilöstön osaamiskapasiteetin nosto tulee vielä lisäämään edellä mainittuja hyötyjä.

Puunjalostuskonsernin voiteluhuollon analysoiminen ja kehittäminen

Diplomityön tarkoituksena on analysoida ja kehittää erään puunjalostuskonsernin voiteluhuoltoa. Tutkimuksen kirjallisessa osassa on selvitetty voitelun perusteet, voiteluaineet sekä voiteluhuoltoon liittyviä yleisiä käsitteitä ja termejä. Työssä on selvitetty ohjeita voiteluaineiden valintaan ja voiteluöljyjen kunnonvalvontamenetelmiin sekä selvitetty voiteluaineiden puhtauden merkitystä. Lisäksi on esitetty katselmus eri voitelumekanismista. Näiden sovellusesimerkkinä on laskettu paperikoneen kuivaussylinterin laakerin voitelukalvon ominaispaksuus. Osan lopussa on tutkittu voiteluaineiden varastoinnin ja käytettyjen voiteluaineiden jatkokäsittelyn merkitystä ympäristöasiat huomioiden. Soveltavassa osassa on edellistä hyödyntäen analysoitu puunjalostuskonsernin yksitoista eri paikkakuntaa voiteluhuollon toimivuuden kannalta. Tämä tilastollinen tieto on kerätty sekä kyselykaavakkeen avulla että haastattelemalla jokaisen paikkakunnan voiteluhuollon asiantuntijoita. Lopputuloksena on saatu voiteluhuollon kehityskohteet ja SWOT-analyysit paikkakunnittain sekä yhteenveto voiteluhuollon eri toimintojen parhaimmista käytännöistä. Lisäksi analyysin perusteella laadittiin konsernin voiteluhuollon kehityssuunnitelma.

Paperikoneen hyötysuhteen parantaminen kunnossapidon keinoin

Stora Enson Kotkan tehtaiden paperikone yksi on pieni erikoislaatuja tekevä paperikone, jonka hy6tysuhteen parantamiseen on etsitty keinoja kunnossapidon toimesta. Kansainvälisen kilpailun kiristyessä sekä raaka aineiden ja energian kallistuessa paperikoneen hy6tysuhteen tulee olla korkealla tasolla. Tämän diplomity6n kirjallisuusosassa on perehdytty yleisesti kunnossapidon käsitteisiin ja toimintatapoihin. Vikaantumisen osiossa on pyritty l6ytamaan mekanismi laakereiden vikaantumiseen ja kunnonvalvonnalla keinot laakereiden vikaantumisen ehkäisyyn. Työn käytännön osiossa tutkittiin paperikoneen häiriökirjauksia vuosilta 2006 ja 2007 tehtaan toiminnanohjausjärjestelmistä. Samanaikaisesti selvitettiin toimenpidekirjauksia ja tehtyjä korjauksia samoihin kohteisiin, joissa vikaantumista tapahtuu. Tavoitteena oli selvittää syyt suuriin hairi6seisokkiaikoihin sekä analysoida suunniteltujen ja suunnittelemattomien seisokkien suhdetta. Tutkimuksessa havaittiin häiriökirjauksien puutteellisuus ja kirjauksien merkitys häiriöiden ennaltaehkäisyssä.

Kunnonvalvonnan uudelleen organisointi

Tutkimuksen tavoitteena oli tarkastella nykyinen kunnonvalvonnan toimintomalli Eforan kunnossapitopaikkakunnilla. Tarkastelun pohjalta tutkimuksessa organisoidaan kunnonvalvonta uudelleen näissä kohteissa. Kohteena ovat Eforan paikkakunnat Heinola, Imatra, Oulu, Varkaus, Veitsiluoto is Uimaharju. Teoriaosiossa käsitellään strategista johtamista yrityksen perustamisen näkökulmasta, Perustamista lähestytään myös analyysien kautta, sekä organisaation liiketoimintamallien ja prosessien kautta. Empiirisessä osiossa tehtiin organisaation hahmottamisen kautta portfolio-analyysi, markkinatarkastelu is toimintasuunnitelma. Ne loivat perustan uudelleen organisoitumiselle. Osioon sisältyvät myös toiminnan käynnistämiseen, järjestäytymiseen, mittaamiseen, seurantaan ja raportointiin liittyvät toimet.