Automation Concept for Electrically Excited LV Synchronous Motor: Implementation into AC500 Programmable Logic Environment

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 develop an automation concept for controlling the electrically excited synchronous motor. Thesis concentrates on the implementation of the automation concept into the ABB’s AC500 programmable logic enviroment. The automation program was developed as a state machine with the ABB’s PS501 Control Builder software. For controlling the automation program is developed a fieldbus control and with CodeSys Visualization Tool a local control with control panel. The fieldbus control is done to correspond the ABB drives communication profile and the local control is implemented with a function block which feeds right control words into the statemachine. A field current control of the synchronous motor is realized as a method presented in doctoral thesis of Olli Pyrhönen (Pyrhönen 1998). The Method combines stator flux and torque based openloop control and power factor based feedback control.

Field-Programmable Gate Array Card for Readout and Control of Cryoelectronics

The main goal of the present Master’s Thesis project was to create a field-programmable gate array (FPGA) based system for the control of single-electron transistors or other cryoelectronic devices. The FPGA and similar technologies are studied in the present work. The fixed and programmable logic are compared with each other. The main features and limitations of the hardware used in the project are investigated. The hardware and software connections of the device to the computer are shown in detail. The software development techniques for FPGA-based design are described. The steps of design for programmable logic are considered. Furthermore, the results of filters implemented in the software are illustrated.

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.

Turvallisuustoimintojen käyttö ydinvoimalaitoksilla

Tässä diplomityössä tarkastellaan turvallisuustoiminto-käsitteen määrittelyä ja käyttöä osana ydinvoimalaitosten turvallisuuden varmistamista. Työssä kuvataan paine- ja kiehutusvesilaitosten toiminnan yleispiirteet, sekä Teollisuuden Voima Oy:n (TVO) laitosten Olkiluoto 1 & 2 sekä Olkiluoto 3 tarkempi turvallisuustoiminta turvallisuusjärjestelmien ja -automaation osalta. Työssä esitellään eräs tapa määrittää turvallisuustoimintoja. Malli perustuu hierarkkiseen rakenteeseen, jossa ylimpänä ovat laitostason turvallisuustoiminnot ja alimpana turvallisuustoimintoihin osallistuvien laitteiden ja niiden osien toiminnot. Turvallisuustoimintoja on mahdollista käyttää ydinvoimalaitoksen turvallisuusluokituksen tekemiseen ja perustelemiseen. Turvallisuustoiminto kertoo suoraan luokiteltavan kohteen turvallisuusmerkityksen. Kohteen turvallisuusmerkityksen selvittäminen, eli liittäminen turvallisuustoimintoon, voi olla vaikeaa. Turvallisuustoimintoja on myös mahdollista käyttää laitoksen turvallisuusautomaation riittävän varmistamisen (mm. redundanttisuus, diversiteetti ja erotus) osoittamiseen erityisesti ohjelmoitavan automaation yhteydessä. Turvallisuustoimintoja voidaan hyödyntää laitoksen hätätilanneohjeiden kehittämisessä ja myös laitoksenmuun turvallisuusdokumentaation selkeyttämisessä. Työn tuloksena kehitettiin käyville laitoksille (OL1 & 2) aikaisempaa kattavammat turvallisuustoiminnot. Lisäksi tarkasteltiin rakenteilla olevalle laitokselle (OL3) määriteltyjä turvallisuustoimintoja.

Tuotannollisen testerin suunnittelu tiedonsiirtolinkkikortille

Työssä suunniteltiin ja toteutettiin linkkikorttien tuotannollinen testeri. Linkkikortti on osa CERN:iin rakennettavan hiukkaskiihdyttimen Large Hadron Colliderin koeasema Compact Muon Solenoidin luentajärjestelmää. Linkkikortin tehtävänä on muuttaa rinnakkaismuotoinen LVDS-signaali sarjamuotoiseksi optiseksi signaaliksi. Testattaessa testeri ja linkkikortti sijoitetaan kehikkoon, joten testerin liittimien pitää olla linkkikortin liittimien kanssa identtisiä. Testerin lähdöt ovat linkkikortin tuloja ja toisinpäin. Tällöin testattaessa voidaan ohjelmoitavien FPGA-piirien avulla lähettää signaalia kortilta toiselle. Vastaanottavan kortin FPGA-piirin avulla voidaan tarkistaa, onko data tullut perille muuttumattomana. Testin ohjaus tapahtuu tietokoneella, jolla käyttäjä antaa käskyn testin aloittamisesta ja jonne lopulta myös raportoidaan testin tulokset. Testien tulokset näytetään myös testerin ledeillä. Työssä ei pystytä linkkikorttien puuttumisen takia testaamaan testeriä loppukäytössään. Kuitenkin testerin toimivuus pystyttiin suurilta osin testaamaan, jolloin saatiin odotettuja tuloksia.

FPGA-Based Control Design for Power Electronic Applications

Tehoelektoniikkalaitteella tarkoitetaan ohjaus- ja säätöjärjestelmää, jolla sähköä muokataan saatavilla olevasta muodosta haluttuun uuteen muotoon ja samalla hallitaan sähköisen tehon virtausta lähteestä käyttökohteeseen. Tämä siis eroaa signaalielektroniikasta, jossa sähköllä tyypillisesti siirretään tietoa hyödyntäen eri tiloja. Tehoelektroniikkalaitteita vertailtaessa katsotaan yleensä niiden luotettavuutta, kokoa, tehokkuutta, säätötarkkuutta ja tietysti hintaa. Tyypillisiä tehoelektroniikkalaitteita ovat taajuudenmuuttajat, UPS (Uninterruptible Power Supply) -laitteet, hitsauskoneet, induktiokuumentimet sekä erilaiset teholähteet. Perinteisesti näiden laitteiden ohjaus toteutetaan käyttäen mikroprosessoreja, ASIC- (Application Specific Integrated Circuit) tai IC (Intergrated Circuit) -piirejä sekä analogisia säätimiä. Tässä tutkimuksessa on analysoitu FPGA (Field Programmable Gate Array) -piirien soveltuvuutta tehoelektroniikan ohjaukseen. FPGA-piirien rakenne muodostuu erilaisista loogisista elementeistä ja niiden välisistä yhdysjohdoista.Loogiset elementit ovat porttipiirejä ja kiikkuja. Yhdysjohdot ja loogiset elementit ovat piirissä kiinteitä eikä koostumusta tai lukumäärää voi jälkikäteen muuttaa. Ohjelmoitavuus syntyy elementtien välisistä liitännöistä. Piirissä on lukuisia, jopa miljoonia kytkimiä, joiden asento voidaan asettaa. Siten piirin peruselementeistä voidaan muodostaa lukematon määrä erilaisia toiminnallisia kokonaisuuksia. FPGA-piirejä on pitkään käytetty kommunikointialan tuotteissa ja siksi niiden kehitys on viime vuosina ollut nopeaa. Samalla hinnat ovat pudonneet. Tästä johtuen FPGA-piiristä on tullut kiinnostava vaihtoehto myös tehoelektroniikkalaitteiden ohjaukseen. Väitöstyössä FPGA-piirien käytön soveltuvuutta on tutkittu käyttäen kahta vaativaa ja erilaista käytännön tehoelektroniikkalaitetta: taajuudenmuuttajaa ja hitsauskonetta. Molempiin testikohteisiin rakennettiin alan suomalaisten teollisuusyritysten kanssa soveltuvat prototyypit,joiden ohjauselektroniikka muutettiin FPGA-pohjaiseksi. Lisäksi kehitettiin tätä uutta tekniikkaa hyödyntävät uudentyyppiset ohjausmenetelmät. Prototyyppien toimivuutta verrattiin vastaaviin perinteisillä menetelmillä ohjattuihin kaupallisiin tuotteisiin ja havaittiin FPGA-piirien mahdollistaman rinnakkaisen laskennantuomat edut molempien tehoelektroniikkalaitteiden toimivuudessa. Työssä on myösesitetty uusia menetelmiä ja työkaluja FPGA-pohjaisen säätöjärjestelmän kehitykseen ja testaukseen. Esitetyillä menetelmillä tuotteiden kehitys saadaan mahdollisimman nopeaksi ja tehokkaaksi. Lisäksi työssä on kehitetty FPGA:n sisäinen ohjaus- ja kommunikointiväylärakenne, joka palvelee tehoelektroniikkalaitteiden ohjaussovelluksia. Uusi kommunikointirakenne edistää lisäksi jo tehtyjen osajärjestelmien uudelleen käytettävyyttä tulevissa sovelluksissa ja tuotesukupolvissa.

Tilastotietojen graafinen esittäminen WWW-sivulla

World Wide Webin suosiolla on ollut merkittävä vaikutus yhteiskuntaan. WWW-sivut ovat helposti saatavilla ja sisällön tekeminen WWW:hen on helppoa. WWW-ympäristölle myös kehitetään paljon sovelluksia. WWW-sovellusten kehittämiselle ominaista on valinnanvapaus ja nopeuden tavoittelu. WWW-sovellusten ohjelmoinnin mahdollistavat useat toisilleen vaihtoehtoiset tekniikat. Ne eroavat toisistaan suoritusnopeudessa, ominaisuuksien määrässä ja joustavuudessa. Ohjelmoinnissa käytetään apuna useita erilaisia menetelmiä. Apumenetelmiä ovat muun muassa työkalut ja valmiiden komponenttien hyödyntäminen. Valmiit komponentit voivat olla joko ilmaisia, avointa lähdekoodia tai maksullisia. Tämän kandidaatintyön aikana valmistui sovellus, joka piirtää tilastotiedoista kaaviokuvia ja näyttää niitä dynaamisella WWW-sivulla. Sovellus pyrittiin toteuttamaan älykkäästi apumenetelmiä sopivasti hyödyntäen. Sovelluksen kehittämisessä käytettiin apuna sekä ohjelmointityökaluja että valmiita komponentteja. Kaaviokuvien tyypin ja ulkoasun haluttiin olevan käyttäjien muokattavissa. Toisaalta sovelluksen haluttiin olevan helposti laajennettavissa. Vaatimuksiin vastattiin tekemällä kaaviokuvien piirrosta osittain tietokannalla ohjelmoitava.

Design and implementation of FPGA-based LQ control of active magnetic bearings

The need for high performance, high precision, and energy saving in rotating machinery demands an alternative solution to traditional bearings. Because of the contactless operation principle, the rotating machines employing active magnetic bearings (AMBs) provide many advantages over the traditional ones. The advantages such as contamination-free operation, low maintenance costs, high rotational speeds, low parasitic losses, programmable stiffness and damping, and vibration insulation come at expense of high cost, and complex technical solution. All these properties make the use of AMBs appropriate primarily for specific and highly demanding applications. High performance and high precision control requires model-based control methods and accurate models of the flexible rotor. In turn, complex models lead to high-order controllers and feature considerable computational burden. Fortunately, in the last few years the advancements in signal processing devices provide new perspective on the real-time control of AMBs. The design and the real-time digital implementation of the high-order LQ controllers, which focus on fast execution times, are the subjects of this work. In particular, the control design and implementation in the field programmable gate array (FPGA) circuits are investigated. The optimal design is guided by the physical constraints of the system for selecting the optimal weighting matrices. The plant model is complemented by augmenting appropriate disturbance models. The compensation of the force-field nonlinearities is proposed for decreasing the uncertainty of the actuator. A disturbance-observer-based unbalance compensation for canceling the magnetic force vibrations or vibrations in the measured positions is presented. The theoretical studies are verified by the practical experiments utilizing a custom-built laboratory test rig. The test rig uses a prototyping control platform developed in the scope of this work. To sum up, the work makes a step in the direction of an embedded single-chip FPGA-based controller of AMBs.

Level Set Methods in Image Processing

This thesis gives an overview of the use of the level set methods in the field of image science. The similar fast marching method is discussed for comparison, also the narrow band and the particle level set methods are introduced. The level set method is a numerical scheme for representing, deforming and recovering structures in an arbitrary dimensions. It approximates and tracks the moving interfaces, dynamic curves and surfaces. The level set method does not define how and why some boundary is advancing the way it is but simply represents and tracks the boundary. The principal idea of the level set method is to represent the N dimensional boundary in the N+l dimensions. This gives the generality to represent even the complex boundaries. The level set methods can be powerful tools to represent dynamic boundaries, but they can require lot of computing power. Specially the basic level set method have considerable computational burden. This burden can be alleviated with more sophisticated versions of the level set algorithm like the narrow band level set method or with the programmable hardware implementation. Also the parallel approach can be used in suitable applications. It is concluded that these methods can be used in a quite broad range of image applications, like computer vision and graphics, scientific visualization and also to solve problems in computational physics. Level set methods and methods derived and inspired by it will be in the front line of image processing also in the future.

Sulautetun moniprosessorijärjestelmän suunnittelu sähkömoottorien ohjaus- ja valvontatarpeisiin

Universal Converter (UNICON) –projektin osana suunniteltiin sähkömoottorikäyttöjen ohjaukseen ja mittaukseen soveltuva digitaaliseen signaaliprosessoriin (DSP) pohjautuva sulautettu järjestelmä. Riittävän laskentatehon varmistamiseksi päädyttiin käyttämään moniprosessorijärjestelmää. Prosessorijärjestelmässä käytettävää DSP-piiriä valittaessa valintaperusteina olivat piirien tarjoama prosessointiteho ja moniprosessorituki. Analog Devices:n SHARC-sarjan DSP-piirit täyttivät parhaiten asetetut vaatimukset: Ne tarjoavat tehokkaan käskykannan lisäksi suuren sisäisen muistin ja sisäänrakennetun moniprosessorituen. Järjestelmän mittalaiteluonteisuudesta johtuen keskeinen suunnitteluparametri oli luoda nopeat tiedonsiirtoyhteydet mittausantureilta DSP-järjestelmään. Tämä toteutettiin käyttäen ohjelmointavia FPGA-logiikkapiirejä digitaalimuotoisen mittausdatan vastaanotossa ja esikäsittelyssä. Tiedonsiirtoyhteys PC-tietokoneelle toteutettiin käyttäen erityistä liityntäkorttia DSP-järjestelmän ja PC-tietokoneen välillä. Liityntäkortin päätehtävänä on puskuroida siirrettävä data. Järjestelyllä estetään PC-tietokoneen vaikutus DSP-järjestelmän toimintaan, jotta kyetään takaamaan järjestelmän reaaliaikainen toiminta kaikissa olosuhteissa.

Operatiivisten järjestelmien integrointi toimintojen ohjaukseen vaneritehtaassa

Työn tavoite oli löytää malli, joka mahdollistaisi kaikkien tilaus- toimitusprosessin operatiivisten järjestelmien integroimisen keskenään siten, että niitä voidaan hyödyntää valmistuksen ohjaukseen. Vaneritehtaissa ei ole keskitettyä tietojärjestelmää, joten tavoiteasetanta edellytti vaneritehtaan tietoverkon rakentamiseen liittyvän ongelmakentän periaatteellista ratkaisua.Koska tilaus- toimitusprosessi, tuotantoa lukuunottamatta, oli kohdeyrityksessä katettu tietojärjestelmillä, loivat nämä jo olemassa olevat järjestelmät reunaehdot ratkaisulle myös tuotannon tietoverkon kehittämisessä. Työssä etsittiin ja kiinnitettiin avaimet, joilla tuote- sekä henkilötieto saadaan identifioitua keskenään integroiduissa järjestelmissä niin, että informaatioketju ei katkea siirryttäessä järjestelmästä toiseen.Työssä ratkaistiin tietoverkon liityntä tuotantolaitteisiin valvomotuotteen avulla. Liittymisratkaisuja esiteltiin neljä. Nämä mallit kattavat suurimman osan vaneritehtaassa eteen tulevista tapauksista. Näiden lisäksi päädyttiin suosittamaan erään mekaanisen metsäteollisuuden laitetoimittajan luomaa tiedonkeruu- ja tuotannonsuunnitteluohjelmistoa, joka valmiina ratkaisuna edesauttaa tietoverkon nopeaa implementointia.

Kahden portaalirobotin liikkeen synkronisointijärjestelmän toteuttaminen, käyttöönotto ja testaus, järjestelmän toteuttaminen, käyttöönotto ja testaus.

Tuotekehitysprojektin tarkoitus oli kehittää "älykäs" automaatiojärjestelmä kahdesta portaalirobotista muodostuvaan kuljetinlinjaan, jossa molemmat robotit synkronoidaan kulkemaan yhtäaikaisesti sähköisen akselin avulla. Tämän teknisen ratkaisun avulla kiinteitä kustannuksia, kuten valmistus- ja asennuskustannukset, saadaan laskemaan. Kuljetinlinjaa ohjataan hajautetun automaatiojärjestelmän avulla, jossa vastaanotettu ja lähetetty tieto kulkee MPI- ja Profibus-väylien kautta. Ohjelmoitava logiikkaohjain hoitaa tiedonsiirron ylätason PC:n ja hajautettujen solmujen välillä sekä jakaa tehtäviä alatason periferialaitteille. Robottien välinen sähköinen akseli mahdollistaa terästukirakenteiden ja kehikkojen jäämisen pois, jotka vain vievät tilaa tuotantotiloilta, laitteistoilta ja koneilta. Tukirakenteiden asennustyöt ovat myös aikaa vieviä ja kalliita. Huolimatta lisääntyneestä elektronisten komponenttien lukumäärästä tulee uusi tekninen ratkaisu kustannuksiltaan halvemmaksi kuin aikaisemmin käytetty mekaanisesti yhdistetty kuljetin.

Reaaliaikaisen tiedonsiirtolinkin muodostaminen prosessisäädön simulointi- ja valvomo-ohjelmiston välille

Teollisuusautomaatiossa käytetään varta vasten automaatiosovelluksiin tarkoitettuja tietokoneita eli ohjelmoitavia logiikoita (PLC, Programmable Logic Control). Ohjelmoitavan logiikan ja käyttäjän välillä on hyvin useasti jonkin asteinen käyttöliittymä (HMI, Human-Machine Interface). Käyttöliittymä voidaan toteuttaa logiikkaan liitettävien näyttöpäätteiden tai PC-pohjaisten valvomo-ohjelmien avulla. Käyttöliittymän kautta käyttäjä voi valvoa ja ohjata automaatiojärjestelmää. Tämän kandidaatintyön aiheena on reaaliajassa toimivan tiedonsiirtolinkin luominen prosessisäädön simulointiohjelmiston ja valvomo-ohjelmiston välille. Prosessiasäätöä simuloidaan MATLAB:in Simulink-ohjelmistolla ja käyttöliittymä luodaan InTouch valvomo-ohjelmistolla. Simuloitavana prosessina toimii nelitankkiprosessi, jossa kahden tankin pinnankorkeutta säädetään kahdella pumpulla. Prosessista tekee erittäin mielenkiintoisen se, että prosessilla on kolmitieventtiilien asennoista riippuen kaksi eri toimintapistettä: minimivaiheinen ja ei-minimivaiheinen. Myös tankkien ristiinkytköksien johdosta prosessi on normaalia tankkiprosessia mielenkiintoisempi. Tiedonsiirtolinkin muodostaminen prosessisäädön simuloinnin sekä valvomo-ohjelmiston välille mahdollistaa lukuisia erilaisia käyttötarkoituksia. Varsinkin opetuskäytössä tämä on erittäin käyttökelpoinen, koska se ei vaadi todellisen prosessin eikä laitteistojen läsnäoloa. Sen avulla voidaan opettaa valvomo-ohjelmien luomista sekä niiden käyttöä. Myös prosessisäätöä voidaan opettaa erittäin havainnollisesti.

Jännitteen reunan hallinta taajuusmuuttajissa

Diplomityössä perehdyttiin taajuusmuuttajien toimintaan ja ohjaukseen. Lisäksi työssä tarkasteltiin vaihtosuuntaajan nopeiden transienttitilojen aiheuttamaa moottorin ylijännitettä. Moottorikaapelin heijastuksia käsiteltiin vertaamalla moottorikaapelia siirtolinjaan ja todennettiin ylijännitteen syyt. Ylijännitteen vähentämiseksi on kehitetty useita suodatusmenetelmiä. Työssä vertailtiin näitä menetelmiä ja kartoitettiin kaupallisia vaihtoehtoja. Taajuusmuuttajan ohjaus on tähän päivään asti tehty yleensä käyttäen mikroprosessoria sekä logiikkapiiriä. Tulevaisuudessa ohjaukseen käytetään todennäköisesti uudelleenohjelmoitavia FPGA-piirejä (Field Programmable Gate Array). FPGA-piirin etuihin kuuluu uudelleenohjelmoitavuus sekä ohjauksen keskittäminen yhdelle piirille.

Kestomagneettitahtikoneen emulointi digitaalisella signaaliprosessorilla

Sähkökäytön suunnittelussa säätöä voidaan testata useassa tapauksessa reaaliaikasimulaattorilla todellisen laitteiston sijaan. Monet reaaliaikasimulaatioiden perustana käytetyt algoritmit soveltuvat täysinohjatulle invertterisillalle. Eräissä sovelluksissa halutaan kuitenkin käyttää puoliksiohjattua siltaa. Puoliksiohjattulla sillalla mallin kausaalisuus voi kääntyä, mitä perinteiset reaaliaikasimulaattorit eivät pysty simuloimaan Tässä työssä oli tavoitteena kehittää reaaliaikasimulaattori puoliksiohjatulle kestomagneettitahtikonekäytölle. Emulaattoriin mallinnettiin todellisen käytön kestomagneettitahtikone ja invertterisilta. Simulaattori toteutettiin digitaaliselle signaaliprosessorille (DSP) ja mittauksiin liittyvät oheislaitteet mallinnettiin FPGA-piirille. Emulaattoriin liitettiin erillinen säätäjä, jota käytettiin myös todellisen sähkökäytön säätämiseen. Emulaattorilla ja todellisella käytöllä tehtyjä mittauksia verrattiin ja emuloimalla saadut tulokset vastasivat melko hyvin todellisesta käytöstä mitattuja.