Simulating the performance of paper machine control

The topic of this thesis is the simulation of a combination of several control and data assimilation methods, meant to be used for controlling the quality of paper in a paper machine. Paper making is a very complex process and the information obtained from the web is sparse. A paper web scanner can only measure a zig zag path on the web. An assimilation method is needed to process estimates for Machine Direction (MD) and Cross Direction (CD) profiles of the web. Quality control is based on these measurements. There is an increasing need for intelligent methods to assist in data assimilation. The target of this thesis is to study how such intelligent assimilation methods are affecting paper web quality. This work is based on a paper web simulator, which has been developed in the TEKES funded MASI NoTes project. The simulator is a valuable tool in comparing different assimilation methods. The thesis contains the comparison of four different assimilation methods. These data assimilation methods are a first order Bayesian model estimator, an ARMA model based on a higher order Bayesian estimator, a Fourier transform based Kalman filter estimator and a simple block estimator. The last one can be considered to be close to current operational methods. From these methods Bayesian, ARMA and Kalman all seem to have advantages over the commercial one. The Kalman and ARMA estimators seems to be best in overall performance.

IPTV-palvelun pilotointi

Diplomityössä kehitettiin teleoperaattorille IPTV-palvelu (Internet Protocol Television) tietyillä rajatuilla ominaisuuksilla, kehitettiin IPTV-palvelulle uusi käyttöliittymä ja pilotoitiin uutta palvelua. Pilotoinnin tarkoituksena oli saada kokemusta uudentyyppisten tv-palvelujen käyttöönotosta. Pilotoinnin lopuksi koottiin pilottikäyttäjiltä saatu palaute ja analysoitiin palvelua sen perusteella. Työn taustatieto-osuudessa määritellään IPTV ja siihen tyypillisimmin kuuluvat palvelut. Lisäksi selvitetään, millaisia ovat IPTV:ssä käytetyt tekniikat ja verkkoarkkitehtuuri. Taustatiedoissa esitellään myös palvelun käyttäjän kokeman laadun parametrit ja kerrosmalli. Samalla tuodaan esiin menetelmät erityisesti kuvanlaadun ja käytettävyyden parantamiseksi. Opittavuus ja helppokäyttöisyys sekä viihteellisyys ja miellyttävyys on tunnistettu tärkeimmiksi käytettävyyden osa-alueiksi elinkaarensa alkupäässä olevissa IPTV-palveluissa. Diplomityön toteutusosuudessa esitetään työn lähtökohtana ollut vaatimusmäärittely ja sen vaikutus työn rajaukseen. Tämän jälkeen esitellään kehitetyn IPTV-palvelun ominaisuudet, joista tärkeimpinä tuodaan esiin tallennus- ja ajansiirtotoiminnot. Toteutusosuudessa selvitetään myös teleoperaattorin IPTV-verkon rakenne ja toiminta. Seuraavaksi käydään läpi alkuperäisestä käyttöliittymästä tehty analyysi ja analyysin perusteella toteutettu uusi käyttöliittymä, jossa merkittävimmät parannukset on tehty navigaatiorakenteeseen. Lopuksi selvitetään pilotoinnista kerätyt tulokset. Tuloksien perusteella voidaan nähdä, että ajansiirtotoiminnot riittävät takaamaan palvelun omaksumisen, mutta uudet toiminnot vaativat riittävän opastuksen. Tulokset osoittavat myös, että palvelun käytettävyys uudella käyttöliittymällä on tavoitetasolla, vaikkakin toimintojen viiveet heikentävät käyttökokemuksen miellyttävyyttä.

Web-käyttöliittymän ajonaikainen parametripohjainen luominen

Työssä tutkitaan eri tekniikoita, joilla web-käyttöliittymä voidaan toteuttaa. Tutkituista tekniikoista valitaan työn tavoitteisiin ja rajoitteisiin parhaiten soveltuvat tekniikat, joita käytetään hyväksi luotaessa varsinainen käyttöliittymäkerros olemassa olevalle web-sovellukselle. Varsinaiset käyttöliittymät luodaan automaattisesti työn aikana toteutettavalla käyttöliittymägeneraattorilla, joka käyttää hyväkseen käyttöliittymiä kuvaavia XML-kuvaustiedostoja. Tekniikoista parhaiten tarpeisiimme soveltui AJAX-lähestymistapa, joka mahdollistaa sivun osittaisen päivittämisen ja täten työpöytäsovellusmaisemman käytettävyyden nopeamman sivun päivityksen vuoksi. Käyttöliittymägeneraattorin käyttämät kuvaustiedostot puolestaan mahdollistavat käyttöliittymäkontrollien valmiin mallintamisen yleisessä kontrollikuvaustiedostossa sekä niiden helpon muokkaamisen ja sijoittelun sivu-kohtaisesti. Lisäksi käyttöliittymäkerros sisältää monipuoliset käyttöliittymäkontrollit.

Tuotantofilosofiat

Työssä esitellään käytetyimpiä tuotantofilosofioita. Tuotantofilosofia on hyvin laaja käsite ja sen vuoksi myös jotkin esiteltävistä menetelmistä ovat hyvin kaukana toisistaan. Työ koostuu teoriaosiosta, jossa on esitelty kukin tuotantofilosofia ja lopuksi johtopäätöksiä-osiossa käsitellään sitä, kuinka menetelmät liittyvät toisiinsa. Työssä esitellään JIT/JOT-tuotanto, Lean-tuotanto, Monozukuri, Modulointi, Standardointi, Strategiatyö, Six Sigma, TQM, TPM, QFD, MFD, Simulointi, Digitaalinen valmistus, DFX ja ns. uudet tuotantofilosofiat. Eri menetelmistä löytyvää lähdemateriaalia on tarjolla monipuolisesti, josta johtuen menetelmistä on voitu esitellä vain pääpiirteet. Tuotantofilosofioiden avulla voidaan saavuttaa monia eri asioita. Osa menetelmistä on luotu tuotannon tehostamiseksi ja yksinkertaistamiseksi, osa puolestaan lisää tuotannon tai koko yrityksen laatutasoa ja osa puolestaan helpottaa tuotteiden suunnittelu-työtä. Moni esiteltävistä filosofioista ei istu yksinomaan yhteen edellä mainituista kategorioista vaan kattaa laajempia alueita pitäen sisällään jopa kaikkia kolmea mainittua tulosta. Näiden lisäksi työssä on esitelty lyhyesti uusia tuotantofilosofioita, jotka ovat hieman irrallisia kokonaisuuksia verrattuna muihin työssä esiteltäviin filosofioihin. Työn tarkoituksena on auttaa hahmottamaan suurta kokonaisuutta jonka tuotantofilosofiat tuottavat. On tärkeää osata hahmottaa filosofioiden riippuvuus toisistaan ja se, että otettaessa käyttöön jotain tuotantofilosofiaa, tarkoittaa se myös mahdollisesti monen muunkin asian huomioonottamista. Tätä näkökantaa selvennetään johtopäätöksissä.

Designing and Implementing Mouse Emulation to Touchscreen Operated Mobile Web Browsers

Browsing the web has become one of the most important features in high end mobile phones and in the future more and more people will be using mobile phone for web browsing. Large touchscreens improve browsing experience but many web sites are designed to be used with a mouse. A touchscreen differs substantially from a mouse as a pointing device and therefore mouse emulation logic is required in the browsers to make more web sites usable. This Master's thesis lists the most significant cases where the differences of a mouse and a touchscreen affect web browsing. Five touchscreen mobile phones and their web browsers were evaluated to find out if and how these cases are handled in them. Also as a part of this thesis, a simple QtWebKit based mobile web browser with advanced mouse emulation model was implemented, aiming to solve all the problematic cases. The conclusion of this work is that it is feasible to emulate a mouse with a touchscreen and thus deliver good user experience in mobile web browsing. However, current highend touchscreen mobile phones have relatively underdeveloped mouse emulations in their web browsers and there is a lot to improve.

Modulaarinen kiinnitintekniikka alumiiniveneiden robottihitsauksessa

Tällä hetkellä hitsauksen automatisointiaste on hyvin pieni alumiinivenevalmistuksessa. Automatisointiasteen kasvattaminen on ensiarvoisen tärkeää kilpailukyvyn säilyttämiseksi, sekä edelleen nostamiseksi. Automatisointiasteen kasvattamisen esteenä ei ole teknologian puute, vaan suunnitellut tuotteet soveltuvat huonosti robotisoituun hitsaukseen. Lisäksi liitettävien osien tarkkuus on monissa tapauksissa puutteellinen, joten robottihitsaus on monessa tapauksessa mahdotonta. Robottihitsauksessa vaaditaan osien hyvää paikoittamista ja siihen tarvitaan kiinnittimiä. Kuitenkin alumiinivenevalmistuksessa valmistusmäärät ovat sen verran pieniä, että tuotekohtaisia kiinnittimiä ei kannata hankkia tai valmistaa. Siksi kiinnittimiltä vaaditaan joustavuutta ja modulaarisuutta, jotta samalla kiinnittimellä voi hitsata useita vastaavia piirteitä omaavia tuotteita. Tässä työssä tutkittiin modulaarisia kiinnittimiä, edistyneitä kiinnitinsuunnitteluprosesseja, osavalmistustarkkuuksia, tuotemoduloinnin hyödyntämistä ja alumiinin robottihitsauksen erityispiirteitä. Työssä suunniteltiin ja simuloitiin modulaarinen hitsauskiinnitin, jota käytetään tietyn alumiinivenemallin erillisenä osakokoonpanona valmistettavan jäykisterakennekonseptin hitsaamiseen. Suunnittelu ja simulointi tehtiin Delmia V5R20 -ohjelmistolla. Jäykisterakenne on modulaarinen tuoterakenne, jossa käytetään itsepaikoittavia liitoksia helpottamaan osien asettelua ja yksinkertaistamaan kiinnitintä. Kiinnitin soveltuu joustavasti erikokoisten jäykisterakenneosakokoonpanojen valmistukseen. Lisäksi suunniteltua kiinnitintä verrattiin kaupalliseen modulaariseen Demmeler -kiinnitinjärjestelmään. Jäykisterakenteen osakokoonpanon hitsaaminen robotilla lyhentää valmistusaikaa verrattuna nykytilaan, kun osat voidaan asettaa kiinnittimeen nopeasti ja luotettavasti. Samalla jäykisterakenteen tekeminen erillisenä osakokoonpanona lyhentää veneen rungon loppukokoonpanoaikaa ja mahdollistaa hitsausrobotin käytön myös veneen muiden hitsien hitsaamisessa. Modulaarisilla hitsauskiinnittimillä saavutetaan alumiiniveneiden nykyisillä valmistusmäärillä skaalaetuja, joita tuotekohtaisella kiinnittimellä ei voi saavuttaa.

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.

Logistiikan analyysimenetelmät : puolustusvoimien logistiikkajärjestelmän suorituskyky

Tutkimuksen päämääränä on kuvailla millaiset logistiikan suorituskyvyn analyysimenetelmät ja suorituskykymittarit soveltuvat Puolustusvoimien logistiikkajärjestelmän johtamiseen ? Päämäärästä on muotoiltu neljä tutkimuskysymystä, jotka ovat: 1. Mistä muodostuu logistiikan suorituskyky ja miten sitä voidaan analysoida ? 2. Miten logistiikan suorituskykyä voidaan analysoida mittaamalla ? 3. Mitä tietoa on logistiikan suorituskyvystä oltava käytössä Puolustusvoimien logistiikkajärjestelmän johtamista ? 4. Miten ja millä menetelmillä logistiikan suorituskykyä analysoidaan a. toimitusketjua johtavassa yrityksessä ? b. toimitusketjuun kuuluvassa palveluyrityksessä ? Kaksi ensimmäistä tutkimuskysymystä muodostavat tutkimuksen teoriaperustan ja niiden selvittämiseen on käytetty bibliometristä analyysiä, laadullista sisällönanalyysin ja käsitetutkimuksen menetelmiä. Kolmas ja neljäs tutkimuskysymys muodosta-vat tutkimuksen empiirisen osan. Kolmatta tutkimuskysymystä on selvitetty delfoi-menetelmää soveltaen yhdellä kysymyskierroksella 15:sta Puolustusvoimien logistiikan asiantuntijalta. Neljättä tutkimuskysymystä on selvitetty tapaustutkimuksella seuraavissa kansallisissa yrityksissä: Nokia, Inex, Würth, DHL ja Schenker. Tutkimuksessa on logistiikka määritelty on yritysten materiaalivirtojen sekä näihin liittyvien pääoma- ja tietovirtojen hallinnaksi toimitusketjuissa ja toimitusverkoissa toimivien yritysten välillä. Logistiikan suorituskyvyn määritelmänä tässä tutkimuksessa käytetään Sinkin vuonna 1985 julkaisemaa teoriaa, jossa logistiikan suorituskyvyn toisiinsa kiinnittyviä osa-alueita ovat tehokkuus, vaikuttavuus, laadukkuus, tuottavuus, työn laatu, innovatiivisuus ja kannattavuus. Innovatiivisuuteen on tutkimuksessa lisätty toimitusketjutoiminnan perusedellytys, yritysten välinen yhteistoimintakyky. Suorituskyvyn analysoinnin päämenetelmiä on kolme: mittaaminen, simulointi ja analyyttinen mallintaminen. Tutkimuksessa on keskitytty analyysimenetelmissä mittaamiseen. Logistiikan suorituskyvyn mittaamisen primäärilähteitä ovat bibliometrisen analyysin perusteella Neelyn, Beamonin ja Gunasekaranin tutkimusraportit. Niiden kautta on tutkimuksessa kuvattu SCOR-prosessikehysmalli, mikä sisältää valmiit logistiikan suorituskykymittarit eri johtamisen tasoille ja logistiikkaprosessien mallintamismallit. Tutkimuksen perusteella Puolustusvoimien logistiikkajärjestelmän suorituskyvyn analysoimiseen soveltuvat erittäin hyvin seuraavat suorituskykymittarit: toimitusvarmuus, toimituskyky (ml. tuotanto- ja varastointikyky), toimitusaika, tuotannon joustavuus (ml. toimitusten joustavuus), hankintakustannukset ja varaston riitto. Tapaustutkimuksen yrityksissä on logistiikan suorituskyvyn analysoimisen päämene-telmänä käytössä mittaaminen. Käytetyimmät suorituskykymittarit ovat toimitusketjua johtavissa yrityksissä toimitusvarmuus, toimitusaika ja varaston riitto sekä hankinta- ja ylläpitokustannukset. Toimitusketjuun kuuluvissa kahdessa kuljetusyrityksessä seurataan logistiikan suorituskykyä vastaavilla mittareilla; toimitusvarmuus, toimitus-aika ja kustannustehokkuus. Tapaustutkimuksien tulokset tukevat analyysiä Puolustusvoimien logistiikkajärjestelmään parhaiten soveltuvista suorituskykymittareista. Puolustusvoimien logistiikkajärjestelmän suorituskyvyn analysoiminen tulee keskittyä nykytilan analysoimiseen mittaamalla ja tulevaisuusennusteiden analysoimiseen simuloimalla.

SharePoint-sovellusten käytettävyys ja sen kehittäminen

Tässä työssä tutkitaan SharePoint-sovellusten käytettävyyden kehittämistä. Käytettävyyden kehittämiselle etsitään keinoja kirjallisuudessa esitetyistä teoreettisista keinoista. Lisäksi selvitetään monipuolisten Internet-sovellusten käytön vaikutuksia SharePoint-sovellusten käytettävyyteen. Tässä työssä toteutetaan SharePoint-ohjelmisto, joka sisältää kaksi erilaista käyttöliittymää. Näitä käyttöliittymiä vertaillaan keskenään käytettävyyden näkökulmasta ja havaitaan, että käyttäjäpalautteen ja monipuolisten Internet-sovellusten ansiosta saadaan toteutettua laadukkaampaa käytettävyyttä. Työssä tehdään kyselytutkimus SharePointia käyttäville yrityksille, jossa selvitetään SharePoint-sovellusten käytettävyyden merkitystä ja laatua. Kyselyyn saadaan vain vähän vastauksia, jonka takia sen pohjalta ei pystytä tekemään yleistäviä johtopäätöksiä.

Improving strategic decision-making with simulation based decision support systems

Combating climate change is one of the key tasks of humanity in the 21st century. One of the leading causes is carbon dioxide emissions due to usage of fossil fuels. Renewable energy sources should be used instead of relying on oil, gas, and coal. In Finland a significant amount of energy is produced using wood. The usage of wood chips is expected to increase in the future significantly, over 60 %. The aim of this research is to improve understanding over the costs of wood chip supply chains. This is conducted by utilizing simulation as the main research method. The simulation model utilizes both agent-based modelling and discrete event simulation to imitate the wood chip supply chain. This thesis concentrates on the usage of simulation based decision support systems in strategic decision-making. The simulation model is part of a decision support system, which connects the simulation model to databases but also provides a graphical user interface for the decisionmaker. The main analysis conducted with the decision support system concentrates on comparing a traditional supply chain to a supply chain utilizing specialized containers. According to the analysis, the container supply chain is able to have smaller costs than the traditional supply chain. Also, a container supply chain can be more easily scaled up due to faster emptying operations. Initially the container operations would only supply part of the fuel needs of a power plant and it would complement the current supply chain. The model can be expanded to include intermodal supply chains as due to increased demand in the future there is not enough wood chips located close to current and future power plants.

Energian talteenotto liikkuvassa raskaassa työkoneessa

Tämä työ on osa Integrated Serial and Parallel Hybrid Drives in Working Machines projektia. Työssä simuloidaan ja lasketaan energian palautuspotentiaalia raskaassa liikkuvassa työkoneessa. Työn alussa aihetta käsitellään yleisesti kirjallisuuskatsauksen muodossa. Tukkikurottaja valittiin simulointien ja laskennan kohteeksi. Työssä suoritettiin alustavat simuloinnit, joiden tarkoituksena oli varmistua, että palautettavaa energiaa on olemassa. Tulokset osoittavat, että energian palauttaminen on mahdollista. Mittaukset ovat osa työtä. Mitatut muuttujat ovat paineet ja pituudet hydraulisylintereistä, rungon kiihtyvyys, sekä kaikki CAN-väylään kytkettyjen antureiden mittaustiedot. Lopulliset simuloinnit perustuvat mitattuihin työkiertoihin. Työsylintereiden ja ajovoimansiirron tehotarpeet valittiin simulointien tarkasteltaviksi mittaussuureiksi. Mahdollinen palautettavan energian määrä eri työkierroissa on työn lopputulos. Tulokset osoittavat, että palautettavan energian määrä on talteenoton kannalta riittävä.

Design and implementation of robot gripper interface

This thesis presents a design for an asynchronous interface to Robotiq adaptive gripper s-model. Designed interface is a communication layer that works on top of modbus layer. The design contains function definitions, finite state machine and exceptions. The design was not fully implemented but enough was so that it can be used. The implementation was done with c++ in linux environment. Additionally to the implementation a simple demo program was made to show the interface is used. Also grippers closing speed and force were measured. There is also a brief introduction into robotics and robot grasping.

Sähköajoneuvon sähkökäytön ja mekaniikan reaaliaikaisen yhdistelmäsimulaation toteuttaminen virtuaaliympäristössä

Esitetyn tutkimuksen tavoite on selvittää yksinkertaisen sähköajoneuvosimulaation avulla sähkökäyttösimulaation ja mekaniikkasimulaation välisen ohjelmallisen rajapinnan toimivuutta ja samalla toteuttaa LUT Energian hybridilaboratorion ensimmäinen rajapintaa hyödyntävä sähkökäytön ja mekaniikan yhdistelmäsimulaatio. Tutkimus on osa Lappeenrannan teknillisen yliopiston hybridikäyttötutkimusta, jossa muun muassa virtuaalisimuloinnin ja in-loop –simulaatioiden avulla tutkitaan raskaiden työkoneiden hybridisoinnin vaikutuksia esimerkiksi niiden suorituskykyyn, energiatehokkuuteen ja käytettävyyteen. Tulokset osoittavat mainitun rajapinnan toimivuuden, mikä mahdollistaa tutkimuksen etenemisen. Lisäksi raportti selvittää virtuaalisimuloinnin keskeisiä käsitteitä (virtual prototyping, hardware-in-the-loop sekä human-in-the-loop –simulointi).