USER'S GUIDE FOR ADVANCED PROCESS SIMULATION SOFTWARE APROS 5

Tässä diplomityössä tehtiin käyttäjän opas kehittyneelle prosessisimulointiohjelmistolle APROS 5. Opas on osa VTT Energialle tehtävää APROS 5 käyttäjän koulutuspakettia, joka julkaistaan myöhemmin CD-ROM -muotoisena. Prosessisimulointiohjelmistoa AAPROS 5 voidaan käyttää termohydraulisten prosessien, automaatiopiirien ja sähköjärjestelmien mallinnuksessa. Ohjelma sisältää myös neutroniikkamallin ydinreaktorin käyttäytymisen mallintamiseksi. APROS:in aikaisemmilla UNIX-ympäristössä toimivilla versioilla on toteutettu useita ydinvoimalaitosten turvallisuustutkimukseen liittyviä analyysejä ja sekä ydinvoimalaitosten että konventionaalisten voimalaitosten koulutussimulaattoreita. APROS 5 toimii Windows NT -ympäristössä ja on oleellisesti erilainen käyttää kuin aikaisemmat versiot. Tämän myötä syntyi tarve uudelle käyttäjän oppaalle. Käyttäjän oppaassa esitetään APROS 5:n tärkeimmät toiminnot, mallinnuksen periaatteet ja termohydraulisten ja neutroniikan ratkaisumallit. Lisäksi oppaassa esitetään esimerkki, jossa mallinnetaan yksinkertaistettu VVER-440 -tyyppisen ydinvoimalaitoksen primääripiiri. Yksityiskohtaisempaa tietoa ohjelmistosta on saatavilla APROS 5 -dokumentaatiosta.

Tutorials for MeVEA Simulation Software

The objective of the thesis was to create three tutorials for MeVEA Simulation Software to instruct the new users to the modeling methodology used in the MeVEA Simulation Software. MeVEA Simulation Software is a real-time simulation software based on multibody dynamics. The simulation software is designed to create simulation models of complete mechatronical system. The thesis begins with a more detail description of the MeVEA Simulation Software and its components. The thesis presents the three simulation models and written theory of the steps of model creation. The first tutorial introduces the basic features which are used in most simulation models. The basic features include bodies, constrains, forces, basic hydraulics and motors. The second tutorial introduces the power transmission components, tyres and user input definitions for the different components in power transmission systems. The third tutorial introduces the definitions of two different types of collisions and collision graphics used in MeVEA Simulation Software.

Simulation Supported Robot Programming using XML

The main objective of this master's thesis is to study robot programming using simulation software, and also how to embed the simulation software into company's own robot controlling software. The further goal is to study a new communication interface to the assembly line's components -more precisely how to connect the robot cell into this new communication system. Conveyor lines are already available where the conveyors use the new communication standard. The robot cell is not yet capable of communicating with to other devices using the new communication protocols. The main problem among robot manufacturers is that they all have their own communication systems and programming languages. There has not been any common programming language to program all the different robot manufacturers robots, until the RRS (Realistic Robot Simulation) standards were developed. The RRS - II makes it possible to create the robot programs in the simulation software and it gives a common user interface for different robot manufacturers robots. This thesis will present the RRS - II standard and the robot manufacturers situation for the RRS - II support. Thesis presents how the simulation software can be embedded into company's own robot controlling software and also how the robot cell can be connected to the CAMX (Computer Aided Manufacturing using XML) communication system.

Induction Motor Drive Energy Efficiency - Simulation and Analysis

A coupled system simulator, based on analytical circuit equations and a finite element method (FEM) model of the motor has been developed and it is used to analyse a frequency-converterfed industrial squirrel-cage induction motor. Two control systems that emulate the behaviour of commercial direct-torque-controlled (DTC) and vector-controlled industrial frequency converters have been studied, implemented in the simulation software and verified by extensive laboratory tests. Numerous factors that affect the operation of a variable speed drive (VSD) and its energy efficiency have been investigated, and their significance in the simulation of the VSD results has been studied. The dependency of the frequency converter, induction motor and system losses on the switching frequency is investigated by simulations and measurements at different speeds for both the vector control and the DTC. Intensive laboratory measurements have been carried out to verify the simulation results.

Methods and Models for Accelerating Dynamic Simulation of Fluid Power Circuits

The objective of this dissertation is to improve the dynamic simulation of fluid power circuits. A fluid power circuit is a typical way to implement power transmission in mobile working machines, e.g. cranes, excavators etc. Dynamic simulation is an essential tool in developing controllability and energy-efficient solutions for mobile machines. Efficient dynamic simulation is the basic requirement for the real-time simulation. In the real-time simulation of fluid power circuits there exist numerical problems due to the software and methods used for modelling and integration. A simulation model of a fluid power circuit is typically created using differential and algebraic equations. Efficient numerical methods are required since differential equations must be solved in real time. Unfortunately, simulation software packages offer only a limited selection of numerical solvers. Numerical problems cause noise to the results, which in many cases leads the simulation run to fail. Mathematically the fluid power circuit models are stiff systems of ordinary differential equations. Numerical solution of the stiff systems can be improved by two alternative approaches. The first is to develop numerical solvers suitable for solving stiff systems. The second is to decrease the model stiffness itself by introducing models and algorithms that either decrease the highest eigenvalues or neglect them by introducing steady-state solutions of the stiff parts of the models. The thesis proposes novel methods using the latter approach. The study aims to develop practical methods usable in dynamic simulation of fluid power circuits using explicit fixed-step integration algorithms. In this thesis, twomechanisms whichmake the systemstiff are studied. These are the pressure drop approaching zero in the turbulent orifice model and the volume approaching zero in the equation of pressure build-up. These are the critical areas to which alternative methods for modelling and numerical simulation are proposed. Generally, in hydraulic power transmission systems the orifice flow is clearly in the turbulent area. The flow becomes laminar as the pressure drop over the orifice approaches zero only in rare situations. These are e.g. when a valve is closed, or an actuator is driven against an end stopper, or external force makes actuator to switch its direction during operation. This means that in terms of accuracy, the description of laminar flow is not necessary. But, unfortunately, when a purely turbulent description of the orifice is used, numerical problems occur when the pressure drop comes close to zero since the first derivative of flow with respect to the pressure drop approaches infinity when the pressure drop approaches zero. Furthermore, the second derivative becomes discontinuous, which causes numerical noise and an infinitely small integration step when a variable step integrator is used. A numerically efficient model for the orifice flow is proposed using a cubic spline function to describe the flow in the laminar and transition areas. Parameters for the cubic spline function are selected such that its first derivative is equal to the first derivative of the pure turbulent orifice flow model in the boundary condition. In the dynamic simulation of fluid power circuits, a tradeoff exists between accuracy and calculation speed. This investigation is made for the two-regime flow orifice model. Especially inside of many types of valves, as well as between them, there exist very small volumes. The integration of pressures in small fluid volumes causes numerical problems in fluid power circuit simulation. Particularly in realtime simulation, these numerical problems are a great weakness. The system stiffness approaches infinity as the fluid volume approaches zero. If fixed step explicit algorithms for solving ordinary differential equations (ODE) are used, the system stability would easily be lost when integrating pressures in small volumes. To solve the problem caused by small fluid volumes, a pseudo-dynamic solver is proposed. Instead of integration of the pressure in a small volume, the pressure is solved as a steady-state pressure created in a separate cascade loop by numerical integration. The hydraulic capacitance V/Be of the parts of the circuit whose pressures are solved by the pseudo-dynamic method should be orders of magnitude smaller than that of those partswhose pressures are integrated. The key advantage of this novel method is that the numerical problems caused by the small volumes are completely avoided. Also, the method is freely applicable regardless of the integration routine applied. The superiority of both above-mentioned methods is that they are suited for use together with the semi-empirical modelling method which necessarily does not require any geometrical data of the valves and actuators to be modelled. In this modelling method, most of the needed component information can be taken from the manufacturer’s nominal graphs. This thesis introduces the methods and shows several numerical examples to demonstrate how the proposed methods improve the dynamic simulation of various hydraulic circuits.

Simulation of Solid Processes by Aspen Plus

Solid processes are used for obtaining the valuable minerals. Due to their worth, it is obligatory to perform different experiments to determine the different values of these minerals. With the passage of time, it is becoming more difficult to carry out these experiments for each mineral for different characteristics due to high labor costs and consumption of time. Therefore, scientists and engineers have tried to overcome this issue. They made different software to handle this problem. Aspen is one of those software for the calculation of different parameters. Therefore, the aim of this report was to do simulation for solid processes to observe different effect for minerals. Different solid processes like crushing, screening; filtration and crystallization were simulated by Aspen Plus. The simulation results are obtained by using this simulation software and they are described in this thesis. It was noticed that the results were acceptable for all solid processes. Therefore, this software can be used for the designing of crushers by calculating the power consumption of crushers, can design the filter and for the calculation of material balance for all processes.

Automaattisen pakkauskoneen käyttövarmuuden varmentaminen

Työn tavoitteena oli selvittää ja varmistaa uuden pakkauskoneen riittävä käyttövarmuus. Käyttövarmuuden selvittämistä varten tutustuttiin käyttövarmuuden käsitteisiin jatunnuslukuihin, sekä selvitettiin kunnossapidon merkitystä käyttövarmuuteen. Pakkauskoneen käyttövarmuutta analysoitiin vikapuumallin avulla. Analysointia varten laadittu vikapuumalli koostuu 391 perustapahtumasta ja yhteensä 629 tapahtumasta. Käyttövarmuusanalyysi suoritettiin kvalitatiivisesti ja kvantitatiivisesti. Analysointi painottuu kuitenkin kvantitatiiviseen simulointiin. Käyttövarmuusanalysoinnin apuna käytettiin simulointiohjelmaa. Käyttövarmuusvaatimukseksi asetettiin 99 % käytettävyys vuoden käyttöjakson aikana. Vikapuuanalyysin tuloksena saatiin arvio pakkauskoneen kokonaiskäytettävyydestä. Kokonaiskäytettävyydeksi muodostui 96,44 %, joka ei täytä käyttövarmuusvaatimusta. Yksittäisistä komponenttityypeistä epäluotettavimpia olivat liimalaitteiston ja paineilmajärjestelmän komponentit. Analysointityökalun avulla voitiin osoittaa käyttövarmuutta parantavien osatekijöiden vaikutukset saatuun kokonaiskäytettävyyteen. Käyttövarmuuteen voitiin vaikuttaa kunnossapidon avulla, lyhentämällä korjausaikaa ja varmentamalla komponentteja. Esitettyjen keinojen avulla käytettävyyttä on mahdollista nostaa n. 2,18 prosenttiyksikköä. Toimenpidesuositukset esitettiin saatujen tulosten ja työssä havainnoitujen asioiden perusteella. Käytettävyyden parantamiseksi ja varmistamiseksi suositetaan oikeanlaisia kunnossapitotoimenpiteitä, tehokkaan vikadiagnostiikan rakentamista sekä antureiden varmentamista. Käyttökunnonvalvonta suositetaan suoritettavaksi määräaikaistarkastuksina. Käyttökuntoa on aloitettava seuraamaan pidemmällä aikavälillä tapahtuvina häiriöraportointeina. Lisäksi tulevaisuudessa on vaadittava käyttövarmuustakuut toimittajilta laitehankintojen yhteydessä.

Laivan voimalaitoksen ja jännitevälipiirillisen ruoripotkurikäytön vuorovaikutusten mallintaminen

Diplomityössä on tutkittu sähköisellä potkurijärjestelmällä varustetun laivan voimalaitoksen ja jännitevälipiirillisen propulsiokäytön vuorovaikutusta laivan hätäpysäytyksen aikana. Työssä on kehitetty simulointimalleja jännitevälipiirillisten sähkökäyttöjen simuloimiseksi Saber -simulontiohjelmistolla.Työn alkuosassa esitetään lyhyt yhteenveto laivan sähköisestä potkurijärjestelmästä komponentteineen, käsitellään laivan hätäpysäytyksen teoriaa sekä simuloinneissa huomioonotettavia laivan ja potkurin hydrodynaamisia ominaisuuksia. Työssä käytettävän simulointiohjelmiston toimintaa selvitetään lyhyesti. Jännitevälipiirillisellä propulsiokäytöllä varustetun laivan hätäpysäytyksen simulointimalli esitellään kokonaisuudessaan ja käsitellään simulointimallin sisältämien osakokonaisuuksien teoriaa ja toimintaa. Kehitetyn simulointimallin toimintaa on tarkasteltu vertaamalla tuloksia vastaavansyklokonvertterikäytöllä varustetun laivan simulointituloksiin sekä vertaamallasimulointituloksia laivan merikoeajon yhteydessä tehtyihin mittauksiin. Simulointitulokset vastasivat teoriaa sekä mittaustuloksia varsin hyvin. Voimalaitoksenosalta ei mittaustuloksia ollut käytettävissä, mutta simulointitulokset ovat teorian mukaisia.

Sulfaattiselluloosatehtaan rikki- ja natriumtase sekä kemikaalikierron malli

Tämän diplomityön kirjallisessa osassa on tarkasteltu sulfaattiselluloosatehtaan ympäristöpäästöjen vähentämiseen liittyvää ongelmallisuutta sekä luomaan pääpiirteittäinen kuvaus sulfaattiselluloosatehtaan kemikaalikierrosta lähinnä rikki- ja natriumyhdisteiden kiertoja huomioiden. Pääasiassa kemikaalisäästöjen ja ympäristösyiden vuoksi tehtävää kemikaalikierron sulkemista seuraa rikki- ja natriumtaseisiin sekä kemikaalikierron vierasaineisiin liittyviä ongelmia, kuten prosessilaitteistojen likaantumista, korroosiota ja hajukaasuyhdisteiden muodostumista. Diplomityön mallinnusosassa on luotu Metsä-Botnian Rauman sellutehtaan kemikaalikierron malli pohjautuen tehtaan virtauskaavioihin sekä muuhun tehtaalta saatuun prosessi-informaatioon. BALAS-simulointiohjelmiston avulla luotuja mallikaavioita on käytetty hyväksi tehtaan kokonais- rikki- ja natriumtaseiden laskennassa. Varsinainen simulointi on jätetty projektin aikataulullisten syiden vuoksi jatkoprojektin piiriin.

Ydinvoimalan paineakun mallinnus

Tässä työssä on käytetty VTT:n ja Fortumin kehittämääAPROS simulaatio-ohjelmistoa vesi-ilma -täytteisen paineakun käyttäytymisen tutkimiseen. Tavoitteena oli tarkastella APROSin paineakkumallin käyttäytymistä alhaisessa lämpötilassa käyttäen 6-yhtälömallia sekä rakentaa vaihtoehtoiseksi laskentamenetelmäksi kaksi analyyttistä laskentamallia korvaamaan APROSin sisäinen laskenta. Kyseiset analyyttiset mallit ovat isentrooppinen ja isoterminen ja ne on rakennettu kokonaan käyttäen APROSin omia moduuleja. Työ sisältää APROSin version 5.06 sekä työn aikana kehitetyn kehitysversion vertailut eri alkulämpötiloista alkaneissa paisunnoissa, vertailun Pactelin purkaus¬kokeesta saadulla massavirralla sekä osion, jossa analyyttiset mallit on yhdistetty kokonaiseen Pactelin APROS-malliin. Myös purkauksen kulkeutumista primääripiirissä on tarkasteltu. Simulaatiot vahvistavat, että versiolla 5.06 on vaikeuksia paineen laskennassa, kun paisunnan alkulämpötila on alle 30 ºC. Kehitysversiossa painekäyttäytyminen on selvästi parantunut, mutta versio kärsii ongelmista, jotka liittyvät kaasun lämpötilan painumiseen APROSin sisäisten rajoitusten alapuolelleja tätä kautta ongelmiin materiaali¬ominaisuuksien ennustamisessa. Tämän johdosta APROSin kehitysversio päätyy erilaisiin tuloksiin myös tilanteissa, joissa alkuperäinen 5.06 ei kärsi alhaisen lämpötilan ongelmista. Analyyttisistä malleista isentrooppinen malli päätyy antamaan säännönmukaisesti muita malleja ja versioita alempia paineita. Isoterminen malli sen sijaan näyttää päätyvän version 5.06 kanssa melko samankaltaisiin tuloksiin. On kuitenkin muistettava, että kummatkin analyyttiset mallit olettavat kaasun olevan kuivaa ja jättävät massasiirron faasien välillä kokonaan huomiotta.

Paalutuskoneen vakavuuslaskennan kehittäminen

Tässä diplomityössä tutkitaan paalutuskoneen stabiliteetti- elivakavuuslaskennan toteuttamista yleisesti käytetyn monikappaledynamiikan ohjelmiston avulla. Vakavuuslaskenta kuuluu olennaisena osana paalutuskoneen suunnitteluun ja siitä saadut tulokset asettavat rajat massoille, joita paalutuskone pystyy turvallisesti käsittelemään. Tutkittavana kohteena oli uudentyyppinen poraavapaalutuskone, josta saatiin myös todellista mittaustietoa työssä laaditun simulointimallin toimivuuden arvioimiseksi. Työssä kokeiltiin erityisesti ohjelmiston tarjoamia keinoja laskentaprosessin yksinkertaistamiseksi jasimulointimallin käytön helpottamiseksi. Koska simulointimalli haluttiin säilyttää mahdollisimman yksinkertaisena, porakoneen komponentit mallinnettiin jäykkinä. Mallin ratkaisussa käytettiin staattista ja kvasistaattista analyysia. Dynaamisten voimien vaikutus porakoneeseen otettiin mallissa huomioon lisäämällä massakeskipisteisiin vastaavat pistevoimat.

Virtuaalitodellisuuslaboratorion laiteympäristön kehittäminen - ohjaimet ja ohjelmistot

Tämä diplomityö on tehty osana HumanICT-projektia, jonka tavoitteena on kehittää uusi, virtuaalitekniikoita hyödyntävä, työkoneiden käyttäjäliityntöjen suunnittelumenetelmä. Työn tarkoituksena oli kehittää VTT:n Tuotteet ja tuotanto tutkimusyksikköön kuluvan Ihminen-kone-turvallisuus ryhmän nykyistä virtuaalitodellisuuslaboratoriota siten, että sitä voidaan käyttää työkoneiden suunnittelussa sekä monipuolisissa ergonomiatarkasteluissa. Itse ympäristön kehittäminen pitää sisällään uuden ohjainjärjestelmän suunnittelun sekä sen implementoinnin nykyisin käytössä olevaan virtuaaliympäristöön. Perinteisesti ohjaamosimulaattorit ovat olleet sovelluskohteisiin räätälöityjä, joten ne ovat kalliita ja niiden konfiguroinnin muuttaminen on vaikeaa, joskus jopa mahdotonta. Tämän työntarkoituksena oli kehittää PC-tietokoneeseen ja yleiseen käyttöjärjestelmään perustuva ohjainjärjestelmä, joka on nopeasti kytkettävissä erilaisiin virtuaaliympäristön sovelluksiin, kuten ohjaamomalleihin. Työssä tarkasteltiin myös tapoja mallintaa fysikaalisia ilmiöitä reaaliaikasovelluksissa, eli on-line simuloinnissa. Tämän tarkastelun perusteella etsittiin ja valittiin jatkokäsittelyyn ohjelmistoja, joiden reaaliaikaisen dynamiikan simulointialgoritmitolivat kaikkein kehittyneimpiä ja monipuolisia.

Primääri-sekundäärivuodon tunnistaminen aktiivisuusmittauksin Loviisan voimalaitoksella

Diplomityössä tutkittiin Loviisan voimalaitoksen primääri- ja sekundääripiirin aktiivisuusmittausten kykyä tunnistaa pienet primääri-sekundäärivuodot. Tarkasteltavat primääri-sekundäärivuotojen suuruudet valittiin laitoksen hätätilanne- ja häiriönselvitysohjeiden mukaisesti. Vuodon vaikutuksia arvioitiin erilaisilla primäärijäähdytteen ominaisaktiivisuuksilla. Ominaisaktiivisuudet primääripiirissä määritettiin nuklidikohtaisesti erilaisille polttoainevuototapauksille. Työssä huomioitiin myös transienteissa mahdollisesti esiintyvä primääripiirin aktiivisuustasoa nostava spiking-ilmiö. Vuodon tarkempaa tunnistamista varten työssä laskettiin tarkasteltaville mittareille kalibrointikertoimet. Primääri-sekundäärivuoto mallinnettiin APROS-simulointiohjelmalla laitoksen eri käyttötiloissa ja kahdella eri vuotokoolla. Varsinainen aktiivisuuslaskenta suoritettiin SEKUN-ohjelmalla. Työssä tätä aktiivisuus- ja päästölaskentaohjelmaa muokattiin ohjelmoimalla siihen tarkasteltavat aktiivisuusmittaukset sekä primääripiirin puhdistus ja ulospuhallus. Laskelmien tuloksena saatiin arviot kunkin tarkasteltavana olleen aktiivisuusmittauksen soveltuvuudesta primääri-sekundäärivuodon tunnistamiseen erilaisissa polttoainevuototapauksissa ja reaktorin eri tehotasoilla. Häiriönselvitysohje I3:n käyttöönottoa edellyttävät vuotokoot määritettiin aktiivisuusmittausten havaitseman perusteella. Erityisesti kuumavalmiustilassa tapauksissa, joissa reaktorisydämessä oletetaan olevan tiiveytensä menettäneitä polttoainesauvoja, spikingin vaikutus jäähdytteiden aktiivisuuspitoisuuksiin ja mittaustuloksiin oli merkittävä. Niiltä osin, kuin tulokset käsittelevät ohjeissa vuodon tunnistamiseen käytettyjä aktiivisuusrajoja, tulokset osoittivat aktiivisuusrajat oikeiksi. Kuumavalmiudessa aktiivisuusmittausten mittausalueet saattavat joissakin tapauksissa rajoittaa primääri-sekundäärivuodon tunnistamista.