Boron, phosphorus and nitrogen fertilization in Norway spruce stands suffering from growth disturbances

Abstract

The Effect of Operational Disturbances on Reliability and Operation Time Distribution of NCmachine Tools in FMS

This thesis concentrates on studying the operational disturbance behavior of machine tools integrated into FMS. Operational disturbances are short term failures of machine tools which are especially disruptive to unattended or unmanned operation of FMS. The main objective was to examine the effect of operational disturbances on reliability and operation time distribution for machine tools. The theoretical part of the thesis covers the fimdamentals of FMS relating to the subject of this study. The concept of FMS, its benefits and operator's role in FMS operation are reviewed. The importance of reliability is presented. The terms describing the operation time of machine tools are formed by adopting standards and references. The concept of failure and indicators describing reliability and operational performance for machine tools in FMSs are presented. The empirical part of the thesis describes the research methodology which is a combination of automated (ADC) and manual data collection. By using this methodology it is possible to have a complete view of the operation time distribution for studied machine tools. Data collection was carried out in four FMSs consisting of a total of 17 machine tools. Each FMS's basic features and the signals of ADC are described. The indicators describing the reliability and operation time distribution of machine tools were calculated according to collected data. The results showed that operational disturbances have a significant influence on machine tool reliability and operational performance. On average, an operational disturbance occurs every 8,6 hours of operation time and has a down time of 0,53 hours. Operational disturbances cause a 9,4% loss in operation time which is twice the amount of losses caused by technical failures (4,3%). Operational disturbances have a decreasing influence on the utilization rate. A poor operational disturbance behavior decreases the utilization rate. It was found that the features of a part family to be machined and the method technology related to it are defining the operational disturbance behavior of the machine tool. Main causes for operational disturbances were related to material quality variations, tool maintenance, NC program errors, ATC and machine tool control. Operator's role was emphasized. It was found that failure recording activity of the operators correlates with the utilization rate. The more precisely the operators record the failure, the higher is the utilization rate. Also the FMS organizations which record failures more precisely have fewer operational disturbances.

RF disturbances produced by high-power photovoltaic solar plants

In this thesis, analysis of electromagnetic compatibility of high-power photovoltaic solar plant is made. Current standards suitable for photovoltaic applications are given. Measurements of antenna factor for experimental setup are shown. Also, measurements of common mode disturbance voltages in high-power solar plant are given. Importance of DC-side filter is shown. In the last part of the work, electromagnetic simulations are made. These simulations show influence of several factors to EMC of power plant. Based on these simulations and measurements recommendations are given.

Moniensiöinen muuntaja taajuudenmuuttajakäytössä

Suuritehoisissa pumppu- ja puhallinkäytöissä käytetään usein suurnopeusmoottoria,jota syötetään välijännitteellä. Suurjännitetaajuudenmuuttajat ovat kalliita, eikä niitä ole aina edes mahdollista valmistaa. Tutkimuksen kohteena on rinnakkaisilla pienjännitetaajuudenmuuttajilla toteutettu sähkökäyttö, jossa pienjännite nostetaan moniensiöisellä muuntajalla suurjännitteeksi (6,6 kV) ja syötetään edelleen kuormana olevalle suurnopeusmoottorille. Opinnäytetyössä tutkitaan moniensiöisen muuntajan syöttöä rinnakkaisilla taajuudenmuuttajilla sekä niiden aiheuttamia häiriöitä toisilleen. Työssä tutkitaan myös harmonisten yliaaltojen vaikutuksia muuntajan häviöihin ja magnetointiominaisuuksiin. Taajuudenmuuttajan lähtöjännite ja -virta suodatetaan sinisuotimella, jonka parametreja simuloidaan Simulink- ohjelmistolla. Tavoite on löytää optimaaliset parametrit taajuudenmuuttajanlähtösuotimelle käyrämuotojen ja suotimeen jäävän tehon suhteen. Työssä tarkasteltiin sinisuodinta, johon jää 3 prosenttia syöttöjännitteestä. LC-suodin kompensoi sähkökäytön loistehon lähes kokonaan, joten taajuudenmuuttajien antotehon kannalta suotimet ovat perusteltuja. Taajuudenmuuttajan näennäisteho putoaa 22 prosenttia, joten taajuudenmuuttajat voidaan vastaavasti mitoittaa pienemmiksi.

Stability Evaluation of a Paper Machine Wet End

Työssä analysoidaanprosessin vaikutusta paperikoneen stabiiliuteen. Kaksi modernia sanomalehtipaperikonetta analysoitiin ja sen perusteella molemmista prosesseista rakennettiin fysiikan lakeihin perustuvat simulointimallit APROS Paper simulointiohjelmistolla. Työn tavoitteena on selvittää, miten kyseisten koneiden prosessit eroavat toisistaan ja arvioida, miten havaitut erot vaikuttavat prosessien stabiiliuteen. Työssä tarkastellaan periodisten häiriöiden vaimenemista prosessissa. Simuloinnissa herätteenä käytettiin puhdasta valkoista kohinaa, jonka avulla eri taajuistenperiodisten häiriöiden vaimenemista analysoitiin. Prosessien häiriövasteet esitetään taajuuskoordinaatistossa. Suurimmat erot prosessien välillä löytyivät viirakaivosta ja sen sekoitusdynamiikasta. Perinteisen viirakaivon todettiin muistuttavan käyttäytymiseltään sarjaan kytkettyjä ideaalisekoittimia, kun taas pienempitilavuuksisen fluumin todettiin käyttäytyvän lähes kuin putkiviive. Vaikka erotprosessitilavuudessa sekä viirakaivon sekoitusdynamiikassa olivat hyvin selkeät, havaittiin vain marginaalinen ero prosessin välillä periodisten häiriöiden vaimenemisessa, koska erot viiraretentiotasoissa vaikuttivat eniten simulointituloksia. Matalammalla viiraretentiolla operoivan paperikoneen todettiin vaimentavan tehokkaammin prosessihäiriöitä. Samalla retentiotasolla pienempitilavuuksisen prosessin todettiin vaimentavan hitaita prosessihäiriöitä marginaalisesti paremmin. Tutkituista paperikoneista toisella simuloitiin viiraosan vedenpoistomuutoksenvaikutusta viiraretentioon ja paperin koostumukseen. Lisäksi arvioitiin viiraretention säädön toimivuutta. Viiraosan listakengän vedenpoiston todettiin aiheuttavan merkittäviä sakeus- ja retentiohäiriöitä, mikäli sen avulla poistettavan kiintoaineen virtaus tuplaantuisi. Viiraretention säädön todettiin estävän häiriöiden kierron prosessissa, mutta siirtävän ne suoraan rainaan. Retention säädön eikuitenkaan todettu olevan suoranainen häiriön lähde.

Voimalaitoksen höyryjärjestelmän paineensäädön hallinta

Diplomityön tavoitteena oli selvittää tapoja hallita voimalaitoksen höyryjärjestelmän paineensäätöä. Työ on tehty Neste Oilin Porvoon jalostamon energialaitoksen höyryjärjestelmästä. Energialaitos käsittää kaksi höyrykattilaa ja kaasuturbiinivoimalaitoksen, sekä öljynjalostamolla sijaitsevat höyrykattilan ja kaasuturbiinivoimalaitoksen. Höyryverkon häiriötilanteet aiheuttavat paineenlaskua höyryverkossa, jos jonkun höyryntuottajan tuotanto keskeytyy, tai paineennousua höyryverkossa, jos joku höyrynkuluttajista ei kuluta enää höyryä. Nykyisessä tilanteessa vakavin paineen laskua aiheuttava häiriötilanne olisi energialaitoksen höyrykattilan tuotannon keskeytyminen. Vakavin paineennousua aiheuttava häiriötilanne olisi suurimman kuluttajan,eli energialaitoksen vastapaineturbiinin, irtaantuminen höyryverkosta. Paineen hallinta voidaan toteuttaa oikeanlaisilla automaation ratkaisuilla, joita on mahdollista kehittää käyttökokemukseen perustuen järjestelmäpäivitysten yhteydessä. Häiriötilanteita voidaan yrittää ennakoida kunnossapidon keinoin niin, että vikaantuminen havaitaan ennen kuin vakava häiriö tapahtuu. Erityisesti kunnossapitostrategian kehittäminen auttaisi kohdistamaan kunnossapitotoimenpiteet oleellisimpiin kohteisiin kustannustehokkaasti. Lisäksi käyttöhenkilökunnan oikeanlaisella toiminnalla häiriön sattuessa voidaan häiriöiden aiheuttamia seuraamuksia tuotantoon ja turvallisuuteen lieventää. Käyttöhenkilökunnan toimintaa voidaan parantaa koulutuksella.

Elinkaarimallinnuksen periaatteisiin perustuva prosessimalli paperikoneelle

Pääoman tuottavuuden merkitys kasvaa metsäteollisuuden tuottavuuden ja kilpailukyvyn varmistamisessa.Tuottavuuteen vaikuttavat tuotannon määrä sekä tuotannosta saatava hinta johon osaltaan vaikuttaa tuotteen laatu. Näitä tekijöitä voidaan mitata käyttämällä esimerkiksi mallia tuotannon kokonaistehokkuudesta. Tämä työ tarkastelee tuotto-kustannus -mallin soveltuvuutta paperikoneprosessin tuloksentekokyvyn arviointiin. Lisäksi tutkimuksen kohde on elinkaarimallinnuksen periaatteisiin perustuvan mallin tiedontarpeiden arvioinnissa sekä mallilla tuotettavien tulosten selvittämisessä. Työssä käsitellyn mallinnusperiaatteen mukainen prosessimalli mahdollistaa kokonaisnäkemyksen paperikoneprosessin tuottoja ja kustannuksia aiheuttavista tekijöistä. Mallilla saatavien tuloksien tarkkuus riippuu käytettävissä olevista lähtötiedoista. Työn esimerkkimallinnus listaa vähimmäistiedot, joilla paperikoneen tuottoja ja kustannustekijöitä tarkasteleva malli voidaan toteuttaa. Työ osoittaa, että paperikoneella on paljon tuotantoaikaan vaikuttavia häiriötekijöitä, joiden merkittävyys on analysoitava tarkemman mallin rakentamiseksi. Mallin kohdentaminen olemassa olevalle paperikoneelle antaisi riittävästi mittaustietoa ja kokemusperäistä tietoa mallin tarpeisiin. Yksityiskohtaisemman mallin rakentamisella saataneen myös yleisesti paperikoneprosessin tuotantohäiriöihin liittyvää tietoa.

Sliding Mode Control for Switched Mode Power Supplies

Control applications of switched mode power supplies have been widely investigated. The main objective ofresearch and development (R&D) in this field is always to find the most suitable control method to be implemented in various DC/DC converter topologies. Inother words, the goal is to select a control method capable of improving the efficiency of the converter, reducing the effect of disturbances (line and load variation), lessening the effect of EMI (electro magnetic interference), and beingless effected by component variation. The main objective of this research work is to study different control methods implemented in switched mode power supplies namely (PID control, hysteresis control, adaptive control, current programmed control, variable structure control (VSC), and sliding mode control (SMC). The advantages and drawbacks of each control method are given. Two control methods, the PID and the SMC are selected and their effects on DC/DC (Buck, Boost, and Buck-Boost) converters are examined. Matlab/SimulinkTM is used to implement PID control method in DC/DC Buck converter and SMC in DC/DC (Buck, and Buck Boost) converters. For the prototype, operational amplifiers (op-amps) are used to implement PID control in DC/DC Buck converter. For SMC op-amps are implemented in DC/DC Buck converter and dSPACETM is used to control the DC/DC Buck-Boost converter. The SMC can be applied to the DC/DC (Buck, Boost, and Buck-Boost) converters. A comparison of the effects of the PID control and the SMC on the DC/DC Buck converter response in steady state, under line variations, load variations, and different component variations is performed. Also the Conducted RF-Emissions between the PID and SMC DC/DC Buck Converter are compared. The thesis shows that, in comparison with the PID control, the SMC provides better steady-state response, better dynamic response, less EMI, inherent order reduction, robustness against system uncertainty disturbances, and an implicit stability proof. Giving a better steady-state and dynamic response, the SMC is implemented in a DC/DC resonant converter. The half-wave zero current switching (HWZCS) DC/DC Buck converter is selected as a converter topology. A general guideline to select the tank component values, needed for the designing of a HWZCS DC/DC Buck, is obtained. The implementation of the SMC to a HWZCS DC/DC Buck converter is analysed. The converter response is investigated in the steady-state region and in the dynamic region.

Sahalaitosten häiriömittauskäytännön yhtenäistäminen

Työn tavoitteena oli selvittää kahdeksan sahalaitoksen häiriöseurannan nykytila sekä selvittämisen jälkeen ehdottaa sahalaitoksille otettavaksi käyttöön yhtenäinen samoihin häiriön luokitus- ja kirjaamisperiaatteisiin perustuva mittauskäytäntö. Yhtenäisen käytännön myötä sahalaitoksilta saatavat häiriötiedot ovat sahalaitosten kesken vertailukelpoisia. Mittauskäytännön yhtenäistämisellä pyritään nostamaan tuotantolinjojen käytettävyyttä. Sahalaitosten häiriömittauskäytännöissä oletettiin olevan merkittäviä eroja. Työ suoritettiin lähettämällä kysymykset sähköpostilla etukäteen sahalaitoksille, jonka jälkeen käytiin sahalaitoksissa haastattelemassa häiriöasioiden kanssa tekemisissä olevia henkilöitä. Haastattelujen jälkeen sahalaitoksilta saatuja tietoja täydennettiin sähköpostin välityksellä. Näiden toimintatapojen lisäksi tutkittiin sahalaitoksilta saatuja häiriöraportteja ja syykoodilistoja sekä verrattiin tutkimuksessa satuja tuloksia aihetta käsittelevään kirjallisuuteen. Tutkimustulokset vahvistavat työn aloitusvaiheessa tehdyn oletuksen, jonka mukaan sahalaitosten häiriömittauskäytännöissä on merkittäviä eroja. Tutkimusta hyödyntäen asiantuntijatyöryhmä yhtenäisti sahalinjojen ja tasaamoiden pien-häiriöiden ja varsinaisten häiriöiden laukaisurajat sekä häiriöiden mittauspaikat. Myös syykoodilistat yhtenäistettiin. Tämän lisäksi muodostettiin yhtenäinen vertailuraportti, jotta sahalaitosten häiriötietojen vertaileminen on mahdollista.

Luotettavuusarvio typen oksidien päästöjen jatkuvatoimiselle seurantamenetelmälle

Prosessiteollisuudessa syntyviä ilmapäästöjä seurataan jatkuvatoimisilla mittausjärjestelmillä. Jatkuvatoimisen päästöjen seurantajärjestelmän tulee tuottaa luotettavaa tietoa prosessin aiheuttamista päästöistä. Päästöjen seurannasta saataviin tuloksiin syntyy aina epävarmuutta, joka koostuu mittausolosuhteiden, mittausjärjestelmän tai mittauksen suorittamisen aiheuttamista epävarmuuksista. Työn alussa on kuvattu Stora Enso Oyj:n Imatran tehtaitten typen oksidien jatkuvatoiminen päästöjen seurantamenetelmä ja selvitetty seurantajärjestelmän suorittama päästöjen laskentamenetelmä. Lisäksi on tuotu esille päästömittaustuloksen epävarmuuteen vaikuttavia tekijöitä kyseisessä järjestelmässä. Selvityksessä merkittävimmäksi järjestelmän luotettavuuteen vaikuttavaksi tekijäksi osoittautui virheellinen mittaustieto, jota voidaan hallita järjestelmässä asettamalla raja-arvo mittaustiedolle ja tehostamalla käytönaikaista valvontaa. Lisäksi korvaamalla häiriöaikainen virheellinen mittaustieto laskennallisella pitoisuuden odotusarvolla päästölaskentaa varten, tuottaa seurantajärjestelmä luotettavampia typen oksidien päästötietoja raportointia varten.

Puumassapesurin suotautumisolojen kartoitus ja simulointi

Työn tavoitteena oli tutkia sellumassan suotautumiseen liittyviä tekijöitä Ahlstrom Machineryn Drum Displacer™ -puumassapesurissa (DD-pesuri). Teoriaosassa tarkasteltiin aluksi suotautumisen teoriaa kuitu-vesi-suspensiossa, minkä jälkeen esiteltiin suotautumisnopeuteen vaikuttavia fysikaalisia ja kemiallisia vaikutusmekanismeja. Seuraavaksi kuvattiin massan pesun yleisiä perusteita sekä teoriaa puumassapesureissa. Lopuksi tarkasteltiin pesurien kytkeytymistä muuhun kuitulinjaan sekä prosessista johtuvia pesun toiminnan ulkoisia häiriötekijöitä. Kokeellisen osan aluksi tarkasteltiin paine- ja lämpötilamittauksien avulla massapesurissa vallitsevia prosessioloja. Mittaustulosten perusteella pumppausolot pesurin suodoslinjoissa ovat vaikeahkot ja häiriötilanteita voi esiintyä, mutta käytäntö on osoittanut tästä olevan vain harvoin haittaa prosessin toiminnalle. Pesureissa toteutuneet syrjäytysnopeudet laskettiin ja niitä verrattiin syrjäytystestien antamiin tuloksiin. Kuitulinjasta riippuen testin vastaavuus tehdasprosessiin vaihteli suuresti. Syrjäytystesteillä kokeiltiin myös tehdasprosesseissa usein esiintyvien muuttujien vaikutusta sellukakun syrjäytettävyyteen. Kakun paksuus ja syrjäytyslämpötila vaikuttivat syrjäytysnopeuteen Darcyn lain mukaisesti. Alipaineen massakakun alapuolella havaittiin huonontavan syrjäytysnopeutta verrattuna tilanteeseen, jossa kakun alla vallitsi ilmanpaine. Tämä havainto on selvästi ristiriidassa suotautumisen teorian kanssa. Massakakun muodostumis-pH osoittautui ratkaisevaksi lopulliselle syrjäytysnopeudelle, sillä alkalisissa oloissa muodostetun kuitukakun syrjäytysnopeus ei enää parantunut happamalla syrjäytysnesteellä. Happamissa oloissa muodostetun kakun syrjäytysnopeus oli alkalisista parempi, mutta se alkoi hitaasti alentua, kun syrjäytysneste vaihtui alkaliseen. Massan laimentaminen ennen syrjäytystä alkalisella tehdassuodoksella puhtaan veden sijasta alensi ligniinipitoisella massalla lopullista syrjäytysnopeutta. Shirato-Tillerin mallilla ja Jönssonin staattisella mallilla simuloitiin numeerisesti syrjäytystestiä kahdessa eri pH:ssa, ja simulointituloksia verrattiin vastaavissa oloissa tehtyihin syrjäytystesteihin. Shirato-Tillerin mallin antamien syrjäytysnopeuksien havaittiin olevan lähellä syrjäytystestien nopeuksia, kun Jönssonin mallin antamat tulokset jäivät huomattavasti testituloksia alemmiksi. Herkkyystarkastelussa havaittiin mallien olevan varsin herkkiä parametrien virheille. Hajonta vaadittavien kuituparametrien määrityksissä ja menetelmien työläys rajoittavat numeerisen simuloinnin käytettävyyttä, sillä kuituparametrien määrityksen vaatima työmäärä on ainakin toistaiseksi syrjäytystestiä suurempi. Lopuksi todettiin, että oikeiden syrjäytysolosuhteiden käyttö on ensiarvoisen tärkeää oikeiden tulosten saamiseksi sekä kokeellisessa että numeerisessa simuloinnissa. Nykyinen syrjäytystestilaitteisto on pienin muutoksin käyttökelpoinen, kun massan testaus prosessioloissa tulee rutiininomaiseksi.

Syöttöjännitteen jännitehäiriöt paperikoneen sähkökäytössä

Diplomityön tavoitteena oli selvittää paperikonelinjakäyttöjen toimintaa syöttöjännitteen alenemien ja –jännitekatkojen aikana. Työssä haluttiin selvittää, millaisista häiriöistä laitteistot selviävät pysähtymättä ja kuinka laitteistojen immuniteettia häiriöille voitaisiin parantaa. Standardien esittämien jännitehäiriöiden siedon vaatimuksien lisäksi haluttiin selvittää olosuhteet, joissa asiakkaiden sähkökäytöt tulisi toimia. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi selvitettiin laboratoriomittauksin tyristori- ja ISU –syöttöyksiköillä varustettujen linjakäyttöjen testilaitteistojen ominaisuuksia jännitteen alenemien aikana. Lisäksi selvitettiin paperikoneen muiden laitteistojen toimintaa jännitehäiriöiden aikana. Avain sähkökäyttöjen jännitehäiriöiden siedon parantamiseksi löytyy ulkoisista energiavarastoista ja paperikoneen linjakäyttöjen hallitusta ohjaamisesta häiriöiden aikana. Näiden hyödyntäminen edellyttää kuitenkin työssä selvitetyn paperiprosessin ohjauksen tuntemista ratakatkon aikana.

Laajakaistaliitynnät - xDSL-tekniikat ja muut vaihtoehdot

Tietoliikenteen suuria linjoja ovat mm. siirtonopeuksien kasvu, IP-tekniikan yleistyminen ja Internet-liitäntöjen kautta käytettävien palvelujen valtaisa lisääntyminen. Kotien verkkoliitännöissä eräänä haasteena on vielä tarjota kohtuullisilla kustannuksilla suuri liikennöintikapasiteetti, mikä voidaan tehdä usealla eri tavalla. Kotien laajakaistaiseen tulevaisuuteen johtaakin useita polkuja, joita tässä diplomityössä on kartoitettu. Työssä on esitelty erilaisia kotitalouksiin soveltuvia nopeita langallisia ja langattomia liitäntätekniikoita. Painopiste on nykyisessä valtavirrassa, kuparikaapelia käyttävässä xDSL-tekniikkaperheessä ja niihin pohjautuvissa verkoissa mukaan lukien ATM-pohjaiset runkoverkot Käytännön liitäntöjen laatua ja toimivuutta on selvitetty mittaamalla perinteistä ADSL-liitäntää sekä uudempaa tekniikkaa edustavaa SHDSL-liitäntää. Liittymiä mitattiin sekä xDSL-mittarilla että spektrianalysaattorilla. Mittauksissa kiinnitettiin huomiota kupariparien toimintaan, kuormituksen ja häiriöiden vaikutukseen sekä liittymän toimintaan käyttäjän kannalta. Mittauksissa todettiin, että kuparikaapeli sietää hyvin häiriöitä myös uusien tekniikoiden käytössä. Tulevaisuutta kartoitettiin haastattelututkimuksella, josta työhön on koostettu operaattoreiden, konsulttien ja käyttäjien näkemyksiä laajakaistaliitäntöjen ja niiden kautta saatavien palveluiden kehittymisestä. Tehty tutkimus osoittaa, että ADSL-tekniikka hyödyntää hyvin sille varattuja taajuusalueita. SHDSL-tekniikassa voidaan lähettää ja vastaanottaa suuria datamääriä molempiin suuntiin.

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.