Tasapainotettu tuloskortti energiayhtiön strategisena työvälineenä

Tutkimuksen tavoitteena oli suunnitella ja toteuttaa tasapainotetun mittariston rakentamisprojekti Kotkan Energia Oy:ssä. Mittaristosta oli tarkoitus luoda ylimmän johdon käyttöön työväline, jota voidaan hyödyntää suorituskyvyn seuraamisen lisäksi myös organisaation strategisessa ohjauksessa. Rakennetun mittariston perustana käytettiin Kaplanin ja Nortonin kehittämää Balanced Scorecardia, jossa strategista suorituskykyä tarkastellaan talouden, asiakkaiden, sisäisten prosessien sekä innovatiivisuuden ja oppimisen näkökulmista. Tutkimusmetodologiana käytettiin konstruktiivista lähestymistapaa. Mittaristoprojektin tuloksena Kotkan Energia Oy:lle luotiin tasapainotettu tuloskortti, joka pohjautuu yhtiön missioon, visioon ja strategiaan. Tuloskortin näkökulmiin määritettiin kriittisten menestystekijöiden perusteella mittarit, jotka jaoteltiin varsinaisiin mittareihin, seurantamittareihin ja valmisteilla oleviin mittareihin. Varsinaisille mittareille asetettiin sekä lyhyen että pitkän tähtäimen tavoitteet. Mittaristoa ja mittareita analysoitiin useista näkökulmista projektin eri vaiheissa. Mittareihin liittyvät tiedot dokumentoitiin mittarikuvauksiin. Mittareille määritettiin raportointitaajuudet ja –ajankohdat. Lisäksi tutkittiin mittaritietojen vertailtavuutta muihin organisaatioihin. Projektin osana yhtiön intranet-sivuille luotiin käyttöliittymä, jonka avulla yhtiön koko henkilöstö pystyy hyödyntämään mittariston tietoja. Mittariston viimeistelyyn ja kehittämiseen liittyvät ideat muotoiltiin jatkosuunnitelmiksi.

Sähköisen liikkeenohjauskäytön mitoitus, käyttöönoton dokumentointi ja pakkauslinjasovellukset

Frequency converters have started to gain new market areas in the field of motion control applications. The communication and control properties of frequency converters have reached the properties of traditional servo amplifiers during the past few years. In this thesis a motion control system was examined. This particular system consists of frequency converters, permanent magnet synchronous motors and linear belt drives. The properties and prerequisites for packing are discussed. A test setup was build and measurement sets were done to examine the performance of the system. Speed and accuracy measurements were done in all three dimensions. Based on the measurement results applicability of the system for packing industry was evaluated.

Competitor comparison: variable speed drives in pumping applications

As the world’s energy demand is increasing, a durable solution to control it is to improve the energy efficiency of the processes. It has been estimated that pumping applications have a significant potential for energy savings trough equipment or control system changes. For many pumping application the use of a variable speed drive as a process control element is the most energy efficient solution. The main target of this study is to examine the energy efficiency of a drive system that moves the pump. In a larger scale the purpose of this study is to examine how the different manufacturers’ variable speed drives are functioning as a control device of a pumping process. The idea is to compare the drives from a normal pump user’s point of view. The things that are mattering for the pump user are the efficiency gained in the process and the easiness of the use of the VSD. So some thought is given also on valuating the user-friendliness of the VSDs. The VSDs are compared to each other also on the basis of their life cycle energy costs in different kind of pumping cases. The comparison is made between ACS800 from ABB, VLT AQUA Drive from Danfoss, NX-drive from Vacon and Micromaster 430 from Siemens. The efficiencies are measured in power electronics laboratory in the Lappeenranta University of Technology with a system that consists of a variable speed drive, an induction motor with dc-machine, two power analyzers and a torque transducer. The efficiencies are measured as a function of a load at different frequencies. According to measurement results the differences between the measured system efficiencies on the actual working area of pumping are on average few percent units. When examining efficiencies at the whole range of different loads and frequencies, the differences get bigger. At low frequencies and loads the differences between the most efficient and the least efficient systems are at the most about ten percent units. At the most of the tested points ABB’s drive seem to have slightly better efficiencies than the other drives.

Tunkeuman hallinta MIG/MAG-hitsauksessa

MIG/MAG-hitsaukselle tyypillinen ominaispiirre, valokaaren itsesäätyvyys, saavutetaan vakiojännitelähdettä käyttämällä. Valokaaren sisäisen säätömekanismin ansiosta kaarenpituus pysyy vakiona, vaikka hitsauspolttimen ja työkappaleen välinen etäisyys vaihtelisi hitsauksen aikana. Vakiojännitelähteen käyttäminen aiheuttaa kuitenkin kaaritehon vaihtelua vapaalankapituuden muuttuessa. Vapaalangan kasvaessa liian pitkäksi kaariteho laskee niin alas, ettei se enää riitä sulattamaan tarpeeksi perusainetta railon kyljissä. Tämän seurauksena hitsausliitokseen syntyy erilaisia liittymävirheitä. Käsinhitsauksessa vapaalangan pituus saattaa polttimen epävakaasta kuljetuksesta johtuen vaihdella erityisesti kokemattomilla hitsaajilla. Mekanisoidussa ja automatisoidussa hitsauksessa railojen mitta- ja muotopoikkeamat aiheuttavat vapaalankapituuden vaihtelua. Poikkeamia syntyy kaikissa hitsausrailojen esivalmistusvaiheissa. Lisäksi lämmöntuonnin aiheuttamat muodonmuutokset kappaleissa lisäävät poikkeamia railonsovituksessa hitsauksen aikana. Ongelma on useimmiten ratkaistavissa railonseurantaa käyttämällä. Railonseurantajärjestelmät ovat kuitenkin kalliita, eivätkä ne toimi luotettavasti kaikissa olosuhteissa. Diplomityössä tutkittiin uutta MIG/MAG-hitsauksen reaaliaikaiseen tunkeuman hallintaan kehitettyä säätöjärjestelmää. Työn tavoitteina olivat säätöjärjestelmän luotettavan toiminnan takaavien reunaehtojen ja kosketussuutinetäisyyden suositusrajojen määrittäminen. Tavoitteiden täyttämiseksi työn kokeellisessa osiossa suoritettiin laaja hitsauskokeiden sarja, jossa hitsattavina materiaaleina käytettiin seostamatonta ja runsasseosteista terästä.

Automaatiojärjestelmän kenttäväyläratkaisun modernisointi

Diplomityössä suunniteltiin menetelmä automaatiojärjestelmän kenttäväylän modernisoimiseksi. Kenttäväylä on Honeywellin arkkitehtuuria ja uuden ratkaisun tulee olla yhteensopiva vanhan kanssa. Uudessa suunnitelmassa kenttäväylän sanomaliikenne toteutetaan FPGA-piiriin sulautettavalla sarjaliikenne-IP-lohkolla aikaisemman diskreetin sarjaliikennepiirin sijaan. Työssä määritettiin kenttäväyläarkkitehtuurille uudet rajapinnat ja osakokonaisuudet, jotka tulevat käyttöön uudessa kenttäväylässä. Työssä osoitettiin että kenttäväylän toiminnot voidaan suorittaa kaupallisella sarjaliikenne-IP-lohkolla ja että se voidaan sulauttaa osaksi kenttäväylälaitetta.

Yksiköiden toimintatapojen mittaus ja yhtenäistäminen sahayrityksessä

Diplomityön tarkoituksena oli selvittää uuden tuotannonsuunnitteluohjelman vaatimukset käyttäjien näkökulmasta sekä pyrkiä laatimaan ehdotus yhtenäisestä toimintatavasta eri tuotantoyksiköille. Aluksi esiteltiin tietojärjestelmien hankkimisessa huomioitavia seikkoja, jonka jälkeen kuvattiin uudelle tuotannonsuunnitteluohjelmalle asetettuja vaatimuksia. Vaatimukset oli selvitetty haastattelemalla yksiköiden henkilöstöä ja havainnoimalla heidän päivittäistä työskentelyään. Haastattelun ja havainnoinnin avulla tutustuttiin myös yksiköiden nykyisiin toimintatapoihin. Tämän jälkeen käsiteltiin työn tuottavuuden teoriaa ja mitattiin tuotantoyksiköiden eri henkilöstöryhmien työn tuottavuuksia. Mittaamisen tarkoituksena oli auttaa selvittämään yhdessä toimintatapojen vertailun kanssa parhaita tapoja toimia. Tutkimuksessa havaittiin selkeitä eroja työn tuottavuuksissa eri tuotantoyksiköiden välillä. Todettiin, että erojen syihin tulee kiinnittää huomiota ja pyrkiä pienentämään niitä esimerkiksi omaksumalla paremman työn tuottavuuden omaavan tuotantoyksikön toimintatavat. Todettiin myös, että uuden tuotannonsuunnitteluohjelman käyttöönotto on selkein keino yhtenäistää tuotantoyksiköiden toimintatapoja. Työn tuloksena laadittiin määrittely tuotannonsuunnitteluohjelmalle asetettavista vaatimuksista, joka tulee toimimaan jatkossa ohjelman kehittämisen pohjana. Työssä luotiin myös ehdotus yhtenäisestä tavasta toimia, jota tulee kuitenkin vielä työstää ja keskustella sen sisällöstä eri tuotantolaitosten edustajien kanssa

Mikrokontrolleriohjaus led-ryhmälle

Luonnonvarojen ehtyminen ja ympäristön saastuminen on luonut kysyntää uusille, energiaa säästäville ja ympäristöystävällisille teknologioille. Valaistuksessa tällainen teknologia on led-tekniikka. Led-tekniikalla on useita etuja verrattuna kilpaileviin tekniikoihin kuten pitkä elinikä, ympäristöystävällisyys ja mekaaninen kestävyys. Ledejä käytetään nykyään laajalti erilaisissa erikoissovelluksissa, erityisesti jos vaatimuksena on valon värillisyys. Näihin päiviin asti ledien hinta ja heikko valontuotto ovat rajoittaneet led-valaisimien yleistymistä hehkulamppujen ja muiden valaisintyyppien korvaajina. Tekniikan nopea kehittyminen on tehnyt led-tekniikasta varteenotettavan vaihtoehdon myös yleisvalaistukseen. Uusimpien valkoisten ledien valotehokkuus on 2 - 5 -kertainen hehkulamppuun verrattuna. Led-tekniikassa on vielä paljon käyttämätöntä potentiaalia, tulevaisuudessa päästäneen 10 - 15 -kertaiseen valotehokkuuteen hehkulamppuun verrattuna. Työssä suunnitellaan mikrokontrolleripohjainen ohjausjärjestelmä valkoista valoa tuottavalle led-valaisimelle, jonka värisävyä ja kirkkautta käyttäjä voi säätää. Valkoinen valo synnytetään sekoittamalla neljän erivärisen led-rivin valoa. Mikrokontrolleri ohjaa kutakin led-riviä väriensekoitusteoriaan perustuen. Mikrokontrolleriohjaus huomioi myös ledien optisten ominaisuuksien muutokset lämpötilan suhteen. Mikrokontrolleriohjauksen suorituskyky todetaan käytännön mittauksilla.

Jakelulogistiikan kustannustehokkuuden kehittäminen

Tämän diplomityön päätavoite on selvittää keinoja Woikoski Oy:n jakelulogistiikan kustannustehokkuuden kehittämiseksi. Päätavoite voidaan jakaa osatavoitteisiin, joita ovat varastonohjauksen kehittäminen ja jakelun kuljetustoimintojen tehostaminen. Varastoinnin nykytilaa arvioitiin ABC-analyysin avulla. Saatujen tulosten pohjalta määritettiin luokkakohtaiset varastonohjaussäännöt ja kiertonopeustavoitteet, jotka yhdessä muodostavat yritykselle varastopolitiikan. Havaitut ongelmat kulminoituivat jatkuvan varastoseurannan puuttumiseen, suuriin varastotasoihin sekä kysynnänhallinnan puutteisiin. Toimenpidesuosituksina yrityksen tulee investoida tehokkaaseen varastonhallintajärjestelmään sekä aloittaa systemaattinen kysynnän ennustaminen. Kuljetuksiin liittyviksi toimenpiteiksi ehdotetaan runko- ja jakelukuljetusten reittien sekä jakelualueiden optimointia ja tuloksena saadun jakelumallin käyttöönottoa. Nykyistä jakelurahtien hinnoittelua suositellaan tarkennettavaksi siten, että jakelukustannuksia ja toimitusmääriä eritellään nykyistä tarkemmin ja asiakkaille kohdistetaan rahtikustannuksia todenmukaisin perustein. Lisäksi logistiikkatoimintaa tulee yhtenäistää eri toimipaikkojen kesken ja toimintojen mittaamista on tehostettava organisaatiossa.

Robottihitsauksen kokonaisvaltainen tehostaminen

Diplomityö on osa KaskiTec 2010 projektia. Työn tavoitteena oli tehostaa Lametal Oy:n hitsausrobotin käyttöä. Tehostamisella pyrittiin robotin käyttöasteen ja tuottavuuden kohottamiseen ja sitä kautta parantamaan investoinnin kannattavuutta. Työ on jaettu teoriaosaan ja soveltavaan osaan. Teoriaosassa käsitellään yleisesti robottihitsausta ja hitsauksen tuottavuutta. Lähdeaineistona on käytetty alan kirjallisuutta. Soveltavassa osassa käsitellään työn käytännön osuutta yrityksessä. Työn alkuvaiheessa kartoitettiin yrityksen lähtötilanne, selvitettiin pahimmat ongelmakohdat ja etsittiin ongelmiin parannuskeinoja. Tutkimusmenetelminä yrityksessä käytettiin havainnointia, henkilöhaastatteluita sekä tilastollisia ja laskennallisia menetelmiä. Seurattavaksi valittiin tuottavuuden tunnuslukuja, joiden perusteella voitiin arvioida tehostamistoimenpiteiden vaikutuksia. Yrityksessä kartoitettujen ongelmien perusteella ryhdyttiin nostamaan robotin käyttöastetta, kehittämään tuotannonohjausta, robotin materiaalivirtoja ja layoutia. Käyttöastetta nostettiin viemällä robotille uusia hitsattavia tuotteita. Työssä selvitettiin yrityksessä jo olemassa oleva tuotannonohjausjärjestelmän soveltuvuus hitsausrobotin ohjaukseen. Materiaalivirtojen sujuvuutta ja layoutia kehitettiin yhdessä muiden KaskiTec- projektin osapuolten kanssa.

Kalman Filtering in Online Paper Quality Assessment

Controlling the quality variables (such as basis weight, moisture etc.) is a vital part of making top quality paper or board. In this thesis, an advanced data assimilation tool is applied to the quality control system (QCS) of a paper or board machine. The functionality of the QCS is based on quality observations that are measured with a traversing scanner making a zigzag path. The basic idea is the following: The measured quality variable has to be separated into its machine direction (MD) and cross direction (CD) variations due to the fact that the QCS works separately in MD and CD. Traditionally this is done simply by assuming one scan of the zigzag path to be the CD profile and its mean value to be one point of the MD trend. In this thesis, a more advanced method is introduced. The fundamental idea is to use the signals’ frequency components to represent the variation in both CD and MD. To be able to get to the frequency domain, the Fourier transform is utilized. The frequency domain, that is, the Fourier components are then used as a state vector in a Kalman filter. The Kalman filter is a widely used data assimilation tool to combine noisy observations with a model. The observations here refer to the quality measurements and the model to the Fourier frequency components. By implementing the two dimensional Fourier transform into the Kalman filter, we get an advanced tool for the separation of CD and MD components in total variation or, to be more general, for data assimilation. A piece of a paper roll is analyzed and this tool is applied to model the dataset. As a result, it is clear that the Kalman filter algorithm is able to reconstruct the main features of the dataset from a zigzag path. Although the results are made with a very short sample of paper roll, it seems that this method has great potential to be used later on as a part of the quality control system.

Salient Pole Synchronous Machine Modelling in an Industrial Direct Torque Controlled Drive Application

Synchronous motors are used mainly in large drives, for example in ship propulsion systems and in steel factories' rolling mills because of their high efficiency, high overload capacity and good performance in the field weakening range. This, however, requires an extremely good torque control system. A fast torque response and a torque accuracy are basic requirements for such a drive. For large power, high dynamic performance drives the commonly known principle of field oriented vector control has been used solely hitherto, but nowadays it is not the only way to implement such a drive. A new control method Direct Torque Control (DTC) has also emerged. The performance of such a high quality torque control as DTC in dynamically demanding industrial applications is mainly based on the accurate estimate of the various flux linkages' space vectors. Nowadays industrial motor control systems are real time applications with restricted calculation capacity. At the same time the control system requires a simple, fast calculable and reasonably accurate motor model. In this work a method to handle these problems in a Direct Torque Controlled (DTC) salient pole synchronous motor drive is proposed. A motor model which combines the induction law based "voltage model" and motor inductance parameters based "current model" is presented. The voltage model operates as a main model and is calculated at a very fast sampling rate (for example 40 kHz). The stator flux linkage calculated via integration from the stator voltages is corrected using the stator flux linkage computed from the current model. The current model acts as a supervisor that prevents only the motor stator flux linkage from drifting erroneous during longer time intervals. At very low speeds the role of the current model is emphasised but, nevertheless, the voltage model always stays the main model. At higher speeds the function of the current model correction is to act as a stabiliser of the control system. The current model contains a set of inductance parameters which must be known. The validation of the current model in steady state is not self evident. It depends on the accuracy of the saturated value of the inductances. Parameter measurement of the motor model where the supply inverter is used as a measurement signal generator is presented. This so called identification run can be performed prior to delivery or during drive commissioning. A derivation method for the inductance models used for the representation of the saturation effects is proposed. The performance of the electrically excited synchronous motor supplied with the DTC inverter is proven with experimental results. It is shown that it is possible to obtain a good static accuracy of the DTC's torque controller for an electrically excited synchronous motor. The dynamic response is fast and a new operation point is achieved without oscillation. The operation is stable throughout the speed range. The modelling of the magnetising inductance saturation is essential and cross saturation has to be considered as well. The effect of cross saturation is very significant. A DTC inverter can be used as a measuring equipment and the parameters needed for the motor model can be defined by the inverter itself. The main advantage is that the parameters defined are measured in similar magnetic operation conditions and no disagreement between the parameters will exist. The inductance models generated are adequate to meet the requirements of dynamically demanding drives.

Improving Cross Direction Basis Weight Profile in a Fourdrinier Paper Machine

The purpose of this study was to improve PM7’s basis weight CD profile in Stora Enso’s Berghuizer mill and to search mechanical defects which affect to the formation of the basis weight CD profile. In the theoretical part PM7’s structure was presented and the formation of the basis weight and caliper CD profiles was examined as well as disturbances which are affecting to the formation. The function of the control system was scrutinised for the side of CD profiles as well as the formation of the measured CD profiles. Tuning of the control system was examined through the response model and filtering. Specification of the response model and filtering was explained and how to determine 2sigma statistical number. In the end of the theoretical part ATPA hardware and a new profile browser were introduced. In the experimental part focus was in the beginning to search and remove mechanical defects which are affecting to CD profiles. The next step was to verify the reliability of the online measurements, to study the stability of the basis weight CD profile and to find out so called fingerprint, a basis weight CD profile which is unique for each paper machine. New response model and filtering value for basis weight CD profile was determined by bump tests. After a follow up period the affect of the new response model and filtering was analysed.

Tiedon hajautus johtamisjärjestelmässä ja DDS-teknologia

Verkostokeskeisessä sodankäynnissä tietojärjestelmien suurimpana haasteena on oikean tiedon hajauttaminen oikeaan paikkaan ja aikaan. Tietojärjestelmissä esitettävän ilmatilannekuvan tulee vastata reaalimaailman tilannetta parhaalla mahdollisella tavalla. Ilmatorjunnassa reaaliaikaisuus nousee erityisen suureen rooliin nopeasti liikkuvien kohteiden takia. Tämä diplomityö on tehty Insta DefSec Oy:ssä liittyen johtamisjärjestelmän uudistamishankkeeseen. Työn vaatimuksina olivat standardeihin perustuvat ratkaisut, joista keskeisimmäksi nousi Data Distribution Service -standardi (DDS) ja sen hyödyntäminen osana johtamisjärjestelmän tiedon hajautusta. Työssä esitellään johtamisjärjestelmien tiedon hajautukseen liittyviä haasteita sekä paikallisessa että maantieteellisesti hajautetussa toimintaympäristössä. Työssä toteutettiin liityntäohjelmisto nykyisen ja uuden johtamisjärjestelmän välille. Liityntäohjelmiston tehtävänä on tuottaa reaaliaikaista ilmatilannekuvaa nykyisestä johtamisjärjestelmästä uuteen johtamisjärjestelmään. DDS-standardin toteuttavana välikerrosarkkitehtuurina käytettiin OpenSplice DDS -tuotetta. Valittu teknologia tarjoaa edistykselliset julkaisija–tilaaja-mallin mukaiset menetelmät tiedon reaaliaikaiseen hajauttamiseen. DDS:n arkkitehtuuri ja palvelun laadun mekanismit mahdollistavat tiedon hajautuksen sodanajan johtamisjärjestelmille.

Robottisolun servotekniikan kehittäminen

Työn kehityksen kohteena toimii CIRB 500i –robottisolu, jonka sisällä työskentelee korkeaan tuotantokapasiteettiin kehitetty näköjärjestelmällä ohjattu sähköservomanipulaattori. Kokonaisuutena ajatellen työ tekee servotekniikan osalta poikkileikkauksen CIRB 500i –robottisolun matkasta prototyypistä tuotteeksi erilaisine kehitysvaiheineen. Työn alkutaipaleella perehdytään pitkälle pelkkään teoriaan nojautuen mitä on servotekniikka, miten se toimii ja kuinka se viritetään. Tämän jälkeen edellä opitut teoriat konkretisoidaan CIRB 500i –robottisoluun ja siinä käytettävään servotekniikkaan. Robottisolun komponenttien ja laitteistojen tullessa tutuiksi mietitään ja kehitetään kuinka robottisolusta saataisiin entistä kehittyneempi ja käytännöllisempi teknillisestä näkökulmasta katsoen kuitenkaan valmistamisen kustannustehokkuutta unohtamatta. Loppupuolella analysoidaan miten edellä tehdyt kehitystoimenpiteet ovat vaikuttaneet robottisolun toimintaan ja valmistamiseen. Lopuksi sovelletaan teoriaosuuden virityskeinoja servojen virittämiseen käytännössä ja analysoidaan saavutettuja kehittämistyön tuloksia. Lisäksi tehdään katsaus CIRB 500i –robottisolun tulevaisuuden näkymiin.