Subsystem Testing of Message Guided State Machines Using a Simulator Framework

Simulaattorit ovat yksinkertaistettuja malleja tietyistä järjestelmän osioista. Niitä käytetään mallintamaan testattavan osion ympärillä olevien muiden osioiden ulkoista toimintaa, jotta testattavalle osiolle saadaan oikeanlainen toimintaympäristö aikaiseksi. Tilakoneita käytetään mallintamaan ohjelmistojen tai niiden osien toimintaa. Sanomaohjatuissa tilakoneissa tilojen vaihdot perustuvat saapuviin sanomiin. Tässä työssä esitellään erään ohjelmiston alijärjestelmän testaamisessa käytettävä arkkitehtuuri, joka perustuu suurelta osin simulaattoreiden käyttöön muiden alijärjestelmien mallintamisessa. Testattava ohjelmisto koostuu enimmäkseen tilakoneista, jotka vaihtavat keskenään sanomia ja ohjaavat näin toistensa tilasiirtymiä. Työn testausympäristö on suunniteltu juuri tämänkaltaisen ohjelmiston testaamiseen. Työssä esiteltävää testausympäristöä myöskin käytettiin useamman kuukauden ajan ja se todettiin toimivaksi. Joitakin testausympäristön käyttöohjeita, käyttökokemuksia sekä siihen liittyviä parannusehdotuksia käydään läpi työn loppuosassa. Erityisesti havaittiin miten tärkeää on testata implementaatiota jo luokka tasolla ennen alijärjestelmä tason testaukseen siirtymistä sekä päädyttiin siihen, että suunnitteluvaiheen pitäisi olla lähemmin liitoksissa alijärjestelmätestaukseen.

Mobile Protocol Stack Simulator

Nykypäivän maailma tukeutuu verkkoihin. Tietokoneverkot ja langattomat puhelimet ovat jo varsin tavallisia suurelle joukolle ihmisiä. Uusi verkkotyyppi on ilmestynyt edelleen helpottamaan ihmisten verkottunutta elämää. Ad hoc –verkot mahdollistavat joustavan verkonmuodostuksen langattomien päätelaitteiden välille ilman olemassa olevaa infrastruktuuria. Diplomityö esittelee uuden simulaatiotyökalun langattomien ad hoc –verkkojen simulointiin protokollatasolla. Se esittelee myös kyseisten verkkojen taustalla olevat periaatteet ja teoriat. Lähemmin tutkitaan OSI-mallin linkkikerroksen kaistanjakoprotokollia ad hoc –verkoissa sekä vastaavan toteutusta simulaattorissa. Lisäksi esitellään joukko simulaatioajoja esimerkiksi simulaattorin toiminnasta ja mahdollisista käyttökohteista.

Integration of Real-Time Simulator, Motion Platform and Haptics

This thesis describes the process of the integration of a real-time simulator environment with a motion platform and a haptic device as a part of the Kvalive project. Several programs running on two computers were made to control the different devices of the environment. User tests were made to obtain information of needed improvements to make the simulator more realistic. Also new ideas for improving the simulator and directions of further research were obtained with the help of this research.

Utilization of a Time Domain Simulator in the Technical and Economic Analysis of a Wind Turbine Electric Drive Train

The amount of installed wind power has been growing exponentially during the past ten years. As wind turbines have become a significant source of electrical energy, the interactions between the turbines and the electric power network need to be studied more thoroughly than before. Especially, the behavior of the turbines in fault situations is of prime importance; simply disconnecting all wind turbines from the network during a voltage drop is no longer acceptable, since this would contribute to a total network collapse. These requirements have been a contributor to the increased role of simulations in the study and design of the electric drive train of a wind turbine. When planning a wind power investment, the selection of the site and the turbine are crucial for the economic feasibility of the installation. Economic feasibility, on the other hand, is the factor that determines whether or not investment in wind power will continue, contributing to green electricity production and reduction of emissions. In the selection of the installation site and the turbine (siting and site matching), the properties of the electric drive train of the planned turbine have so far been generally not been taken into account. Additionally, although the loss minimization of some of the individual components of the drive train has been studied, the drive train as a whole has received less attention. Furthermore, as a wind turbine will typically operate at a power level lower than the nominal most of the time, efficiency analysis in the nominal operating point is not sufficient. This doctoral dissertation attempts to combine the two aforementioned areas of interest by studying the applicability of time domain simulations in the analysis of the economicfeasibility of a wind turbine. The utilization of a general-purpose time domain simulator, otherwise applied to the study of network interactions and control systems, in the economic analysis of the wind energy conversion system is studied. The main benefits of the simulation-based method over traditional methods based on analytic calculation of losses include the ability to reuse and recombine existing models, the ability to analyze interactions between the components and subsystems in the electric drive train (something which is impossible when considering different subsystems as independent blocks, as is commonly done in theanalytical calculation of efficiencies), the ability to analyze in a rather straightforward manner the effect of selections other than physical components, for example control algorithms, and the ability to verify assumptions of the effects of a particular design change on the efficiency of the whole system. Based on the work, it can be concluded that differences between two configurations can be seen in the economic performance with only minor modifications to the simulation models used in the network interaction and control method study. This eliminates the need ofdeveloping analytic expressions for losses and enables the study of the system as a whole instead of modeling it as series connection of independent blocks with no lossinterdependencies. Three example cases (site matching, component selection, control principle selection) are provided to illustrate the usage of the approach and analyze its performance.

Wireless Application Test Bed and Simulations for Broadband Mobile Communications Systems

Langattoman laajakaistaisen tietoliikennetekniikan kehittyminen on herättänyt kiinnostuksen sen ammattimaiseen hyödyntämiseen yleisen turvallisuuden ja kriisinhallinnan tarpeisiin. Hätätilanteissa usein olemassa olevat kiinteät tietoliikennejärjestelmät eivät ole ollenkaan käytettävissä tai niiden tarjoama kapasiteetti ei ole riittävä. Tästä syystä on noussut esiin tarve nopeasti toimintakuntoon saatettaville ja itsenäisille langattomille laajakaistaisille järjestelmille. Tässä diplomityössä on tarkoitus tutkia langattomia ad hoc monihyppy -verkkoja yleisen turvallisuuden tarpeiden pohjalta ja toteuttaa testialusta, jolla voidaan demonstroida sekä tutkia tällaisen järjestelmän toimintaa käytännössä. Työssä tutkitaan pisteestä pisteeseen sekä erityisesti pisteestä moneen pisteeseen suoritettavaa tietoliikennettä. Mittausten kohteena on testialustan tiedonsiirtonopeus, lähetysteho ja vastaanottimen herkkyys. Näitä tuloksia käytetään simulaattorin parametreina, jotta simulaattorin tulokset olisivat mahdollisimman aidot ja yhdenmukaiset testialustan kanssa. Sen jälkeen valitaan valikoima yleisen turvallisuuden vaatimusten mukaisia ohjelmia ja sovellusmalleja, joiden suorituskyky mitataan erilaisten reititysmenetelmien alaisena sekä testialustalla että simulaattorilla. Tuloksia arvioidaan ja vertaillaan. Multicast monihyppy -video päätettiin sovelluksista valita tutkimusten pääkohteeksi ja sitä sekä sen ominaisuuksia on tarkoitus myös oikeissa kenttäkokeissa.

Maastoajoneuvon käyttöliittymän reaaliaikasimulaattori

Työn tavoitteena oli kehittää ja toteuttaa reaaliaikasimulaattori maastoajoneuvon käyttöliittymälle, jota ajoneuvon kuljettajakäyttää ajon aikana. Simulaattori oli tarkoitettu ensisijaisesti käyttöliittymän testaukseen, mutta sen pitää olla helposti laajennettavissa esimerkiksi koulutuskäyttöön. Mallinnustyökaluina oli tarkoitus käyttääpääsääntöisesti markkinoilta saatavia valmiita ohjelmistoja. Simulaattorin toteutuksessa käytettiin myös manuaalista ohjelmointia, koska valituilla ohjelmistoilla ei suoraan voinut saavuttaa reaaliaikaista visualisointia. Käsin kirjoitetut koodit hoitavat valmiilla ohjelmistoilla tehtyjen osien välisen tiedonsiirron. Varsinainen mallintaminen oli valituilla ohjelmistoilla helppoa ja nopeaa. Työn tuloksena saatiintoteutettua simulaattori, jonka vaikutelma oli reaaliaikainen. Käytettävyystestit onnistuivat hyvin simulaattorin avulla. Simulointimallin modulaarisuuden ansiosta mallia on helppo päivittää. Simulaattorin jatkokehityksessä oleelliset seikat ovat visualisoinnin parantaminen ja todellista ajoneuvoa vastaavan dynamiikan lisääminen.

Sähkökäyttösimulaattori jasen suorituskyky

Erilaisten simulaatioiden tekeminen tutkimustyössä on tärkeää. Simulaatioiden avulla voidaan vähentää prototyyppitestauksen tarvetta. Diplomityössä on esitelty kehitettävää sähkökäyttösimulaattoria, jolla voidaan tarkastella erilaisten sähkökäyttöjen häviöiden muodostumista. Diplomityössä on keskitytty vertailemaan kehitettävän simulaattorin simulointituloksia todelliselta sähkökäytöltä mitattuihin suureisiin. Vertailun kohteena on taajuusmuuttajalla syötetty oikosulkumoottori, minkä virtojen ja jännitteiden vertailu on tehty aika- ja taajuustasossa.

Performance analysis of software run-time behaviour using 3D-visualisation

Monimutkaisen tietokonejärjestelmän suorituskykyoptimointi edellyttää järjestelmän ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämistä. Ohjelmiston koon ja monimutkaisuuden kasvun myötä suorituskykyoptimointi tulee yhä tärkeämmäksi osaksi tuotekehitysprosessia. Tehokkaampien prosessorien käytön myötä myös energiankulutus ja lämmöntuotto ovat nousseet yhä suuremmiksi ongelmiksi, erityisesti pienissä, kannettavissa laitteissa. Lämpö- ja energiaongelmien rajoittamiseksi on kehitetty suorituskyvyn skaalausmenetelmiä, jotka edelleen lisäävät järjestelmän kompleksisuutta ja suorituskykyoptimoinnin tarvetta. Tässä työssä kehitettiin visualisointi- ja analysointityökalu ajonaikaisen käyttäytymisen ymmärtämisen helpottamiseksi. Lisäksi kehitettiin suorituskyvyn mitta, joka mahdollistaa erilaisten skaalausmenetelmien vertailun ja arvioimisen suoritusympäristöstä riippumatta, perustuen joko suoritustallenteen tai teoreettiseen analyysiin. Työkalu esittää ajonaikaisesti kerätyn tallenteen helposti ymmärrettävällä tavalla. Se näyttää mm. prosessit, prosessorikuorman, skaalausmenetelmien toiminnan sekä energiankulutuksen kolmiulotteista grafiikkaa käyttäen. Työkalu tuottaa myös käyttäjän valitsemasta osasta suorituskuvaa numeerista tietoa, joka sisältää useita oleellisia suorituskykyarvoja ja tilastotietoa. Työkalun sovellettavuutta tarkasteltiin todellisesta laitteesta saatua suoritustallennetta sekä suorituskyvyn skaalauksen simulointia analysoimalla. Skaalausmekanismin parametrien vaikutus simuloidun laitteen suorituskykyyn analysoitiin.

Todennäköisyyspohjaisen paloanalyysimenetelmän kehittäminen ydinvoimalaitoksella

Diplomityössä on tutustuttu ydinvoimalaitosten paloriskejä käsittelevään todennäköisyyspohjaiseen turvallisuusanalyysiin. Tavoitteena on ollut Olkiluoto 1 ja 2 laitosyksiköiden paloanalyysimenetelmän kehittäminen. Työssä esitetään paloanalyysin pääpiirteet, kaksi erilaista palotaajuuksien estimointimenetelmää sekä palojen leviämisen arviointimenetelmiä. Palotaajuuksien estimointimenetelmistä keskitytään Berryn menetelmän sekä NUREG/CR-6850-palotaajuuslaskentamenetelmän tarkasteluun. Palon leviämisen arvioinnissa on esitetty kolmen erilaisen virtausteknisen laskentatyökalun perusteet sekä palon leviämistodennäköisyyksiä arvioivan Probabilistic Fire Simulator (PFS) -ohjelman käyttöä. Työn aikana on laskettu molemmilla palotaajuuden estimointimenetelmillä palotaajuuksia eri tyyppisille huonetiloille. Berryn menetelmän palotaajuudet olivat pääosin alhaisempia kuin NUREG/CR-6850-menetelmällä lasketut palotaajuudet. Palon leviämistarkastelussa on tutkittu ydinvoimalaitoksen relehuoneen tulipaloa. PFS:n avulla laskettujen leviämistodennäköisyyksien arvoja on vertailtu TVO:n paloanalyysissa käytettyihin kvalitatiivisiin peittokertoimiin. Palon leviämistodennäköisyys eri osajärjestelmien välillä todettiin suuresti riippuvan analyysissaoletetuista vaurioitumislämpötiloista. Tutkittuja menetelmiä hyödyntäen diplomityössä kehitettiin paloanalyysimenetelmäkuvaus. Menetelmäkuvauksessa huonetilojen paloriskit kartoitetaan aluksi Berryn menetelmällä. Näin kaikille laitoksen huonetiloille saadaan arvioitua palotaajuus sekä paloalkutapahtumaluokkien sydänvauriotaajuus. Seuraavaksi suoritetaan valintamenettely, jossa valitut kriteerit täyttäville huonetiloille tehdään tarkentava palotaajuuslaskenta. Tarkentava palotaajuuslaskenta perustuu NUREG/CR-6850-menetelmän mukaisesti huonetilojen realistisiin syttymislähteisiin. Kriittisimpien huonetilojen osalta palon leviämisen arviointiin on tarkoitus hyödyntää numeerista simulointia.

Verification of a dynamic laboratory scale former

Laboratoriomittakaavainen formeri on välttämätön, jotta paperinvalmistusprosessin jäljitteleminen olisi mahdollista. Vaikka erilaisia formereita löytyykin paperiteollisuudesta, tilaa on kuitenkin laboratoriomittakaavaiselle paperinvalmistusmenetelmälle, joka sijoittuisipilottikoneen ja perinteisen laboratorioarkkimuotin välille. Formeri, jolla saadaan aikaiseksi oikean paperinvalmistuksen kaltaiset olosuhteet ja ilmiöt on kehitetty, ja sen toiminta on testattu Nalcon Papermaking Centreof Excellence:ssä Espoossa. Formeri on yhdistetty Nalcon lähestymisjärjetelmäsimulaattoriin ja simulaattorilla aikaansaadut hydro-kemialliset ilmiöt voidaan testata nyt myös arkeista. Laitteessa on perälaatikko ja viiraosa. Perälaatikosta massa virtaa viiralle, joka liikkuu eteenpäin hihnakuljettimen hihnojen päällä. Suihku-viira -suhdetta voidaan muuttaa joko muuttamalla virtausnopeutta tai viiran nopeutta tai säätämällä perälaatikon huuliaukkoa. Formerintoiminnan testaus osoitti, että se toimii teknisesti hyvin ja tulokset ovat toistettavia ja loogisia. Arkeissa kuidut ovat orientoituneet, formaatio ja vetolujuussuhde KS/PS riippuvat voimakkaasti suihku-viira -suhteesta, kuten oikeillakinpaperikoneilla.

Modeling of non-isothermalvapor membrane separation with thermodynamic models and generalized mass transfer equations

A rigorous unit operation model is developed for vapor membrane separation. The new model is able to describe temperature, pressure, and concentration dependent permeation as wellreal fluid effects in vapor and gas separation with hydrocarbon selective rubbery polymeric membranes. The permeation through the membrane is described by a separate treatment of sorption and diffusion within the membrane. The chemical engineering thermodynamics is used to describe the equilibrium sorption of vapors and gases in rubbery membranes with equation of state models for polymeric systems. Also a new modification of the UNIFAC model is proposed for this purpose. Various thermodynamic models are extensively compared in order to verify the models' ability to predict and correlate experimental vapor-liquid equilibrium data. The penetrant transport through the selective layer of the membrane is described with the generalized Maxwell-Stefan equations, which are able to account for thebulk flux contribution as well as the diffusive coupling effect. A method is described to compute and correlate binary penetrant¿membrane diffusion coefficients from the experimental permeability coefficients at different temperatures and pressures. A fluid flow model for spiral-wound modules is derived from the conservation equation of mass, momentum, and energy. The conservation equations are presented in a discretized form by using the control volume approach. A combination of the permeation model and the fluid flow model yields the desired rigorous model for vapor membrane separation. The model is implemented into an inhouse process simulator and so vapor membrane separation may be evaluated as an integralpart of a process flowsheet.

Reaaliaikainen virtuaalihydrauliikka osana todellista konejärjestelmää

Diplomityössä tutkittiin hydrauliikan reaaliaikasimulointia ja sen mahdollisuuksia tuotekehityksen apuvälineenä. Työssä käytettiin dSPACE:n reaaliaikasimulointiin valmistamia laitteita ja ohjelmia. Työssä luotiin Matlab/Simulink –ympäristöön tyypillisimmistä hydrauliikkakomponenttien puoliempiirisistä malleista koostuva komponenttikirjasto, joista kootut hydrauliikkapiirien mallit voitiin kääntää reaaliaikaympäristöön. Työn tavoitteena oli kehittää menetelmä, jonka avulla voidaan nopeuttaa ja helpottaa hydraulismekaanisten konejärjestelmien suunnittelua ja tuotekehitystä. Kehitetyt menetelmät perustuvat todellisen konejärjestelmän osaksi kytketyn reaaliaikaisen virtuaalihydrauliikan avulla laskettuun uuteen ohjaussignaaliin, jonka avulla voidaan todellisella hydrauliikalla kuvata virtuaalisen hydrauliikan vaikutukset todelliseen järjestelmään. Näin ollen muutokset voidaan siis tehdä virtuaaliseen hydrauliikkaan ja niiden vaikutukset nähdä todellisen järjestelmän käyttäytymisessä.

Bensiinin valmistus Naantalin jalostamolla

Työn tarkoituksena oli kartoittaa ja dokumentoida nykyinen bensiininvalmistusprosessi Fortumin Naantalin erikoistuotejalostamolla. Tavoitteena oli löytää nykyisestä prosessista pullonkauloja logistiikkasimulaattorilla sekä hakea ratkaisuja, joilla niitä voitaisiin poistaa. Bensiiniä voidaan valmistaa joko panosprosessina tai linjasekoituksella. Panosprosessissa bensiinikomponentit siirtolinjataan yksitellen valmistussäiliöön, jossa ne sen jälkeen sekoitetaan valmiiksi tuotteeksi. Tällä tavoin valmistetaan bensiiniä Fortumin Naantalin jalostamolla. Linjasekoitusmenetelmässä bensiinikomponentit syötetään kaikki yhtäaikaa linjaan, jossa ne sekoittuvat. Sekoituksen apuna voidaan käyttää linjassa staattisia sekoittimia. Linjasekoitusmenetelmällä saadaan suoraan säiliöön valmista tuotetta. Tällaista menetelmää käytetään Fortumin Porvoon jalostamolla. Bensiinin valmistuksen kaksi tärkeintä muuttujaa ovat höyrynpaine ja oktaaniluku. Esimerkeissä on esitetty panosprosessi- ja linjasekoitusmalleja eri jalostamoilla eripuolilla maailmaa. Naantalin jalostamon bensiininvalmistuksen logistiikkaa kuvaava malli valmistettiin kokeellisessa osassa Tecnomatix Technologiesin kehittämällä eMPlant-simulointiohjelmistolla. Bensiininvalmistuksen logistisiin ongelmakohtiin keskityttiin simulointimallia laadittaessa. Naantalin jalostamoa kuvaavan simulointimallin lisäksi rakennettiin kaksi vaihtoehtoista mallia parantamaan jalostamon bensiinivalmistuksen logistiikkaa. Ensimmäisessä vaihtoehdossa suurennettiin kahta bensiininvalmistuslinjaa, ja toisessa otettiin käyttöön uusi säiliö BE98 valmistusta varten. Vaihtoehtoisten mallien rakentamisen tavoitteena oli saada tietoa mahdollisia investointipäätöksiä varten. Tulosten perusteella uuden valmistussäiliön käyttöönottoa voidaan pitää teknisesti kannattavana. Taloudellisesti hanke on kannattava, jos uuden säiliön rakentamisen sijaan on mahdollisuus vapauttaa jokin olemassa oleva säiliö tähän käyttöön. Yksi simulointimallin kehityskohde on sen käyttöliittymän muuntaminen käyttäjäystävällisempään muotoon. Tällöin tuotannonsuunnittelija voisi käyttää mallia tuotannonsuunnittelun apuna. Mallin tarkentaminen vastaamaan paremmin nykyistä valmistusprosessia on myös yksi kehityskohde.