Liikealustan suunnittelu liikkuvan työkoneen simulaattoriin

Työssä suunniteltiin liikealusta liikkuvan työkoneen koulutussimulaattoriin. Suunnittelu aloitettiin mittaamalla lastauskoneen dynaamisia ominaisuuksia. Mittausdatan ja koneen toiminnan analysoinnin perusteella valittiin liikealustan perusrakenne. Toimilaitteiden mitoitus tapahtui simulointimallin avulla, jossa käytettiin mitattuja kiihtyvyyksiä, signaalin suodatusta, käänteiskinematiikkaa ja käänteisdynamiikkaa. Simulointimallia käytettiin myös mekaanisen rakenteen mitoituksessa. Lisäksi visualisoinnin ja ohjauksen toteutusta tutkittiin. Työn tavoitteena oli kehittää mahdollisimman realistisen liiketuntuman toteuttava ja kustannustehokas liikealusta. Lisäksi pyrittiin matalaan ja helposti siirrettävissä olevaan rakenteeseen. Liikealustan liikkeet pyrittiin toteuttamaan sähkökäytöillä. Suunnittelun tuloksena saatiin kolmen vapausasteen liikealusta, joka on toteutettu servomoottoreilla. Työssä suunnitellusta liikealustasta on tarkoitus rakentaa fyysinen prototyyppi ja liittää se lastauskoneen reaaliaikasimulaattoriin.

Kustannusrakenteen simulointi ja optimointi

Primääripakatun tuotteen liiketoiminnallisen arvoketjun kustannusrakenteen tunnistaminen tuo merkittävää lisäarvoa pakkausliiketoiminnan suunnittelua koskevaan päätöksentekoon. Tämän konstruktiivisen tutkimuksen tavoitteena on rakentaa pakkaustuotannon liiketoiminnallisen arvoketjun simulointimalli, jonka avulla voidaan analysoida pakkaustuotannon arvoketjun kustannusrakennetta lähtien pakkausraaka-aineen valmistuksesta ja päättyen kaupan vähittäismyyntiin. Käytettävä tutkimusaineisto koostuu jonoteoriaan ja tuotannonsuunnitteluun liittyvästä kirjallisuudesta, tieteellisistä artikkeleista sekä asiantuntijalausunnoista. Tutkimuksen yhteydessä rakennetun simulointimallin avulla määritettiin erään primääripakatun tuotteen konvertointivaiheen optimaalinen valmistuseräkoko ja liiketoiminnallisen arvoketjun kustannusrakenne. Arvoketjuanalyysissä primääripakatun tuotteen kustannustekijöiksi määritettiin pakkausmateriaali, pakkausvalmistus, pakattava tuote, pakkauksen täyttö ja suljenta sekä pakatun tuotteen jakelulogistiikka ja vähittäismyynti. Arvoketjuanalyysin johtopäätöksenä voidaan todeta, että primääripakatulle esimerkkituotteelle kohdistuvista kustannuksista noin 97 % on brand ownerin ja vähittäismyynnin aiheuttamia ja noin 3 % varsinaisesta tuotteen pakkaamisesta aiheutuvia.

Lineaarisen hammashihnaservokäytön tilasäätö

Tuotantotehokkuus näyttelee yhä suurempaa roolia teollisuudessa, minkä vuoksi myös pakkauslinjas­toille joudutaan asettamaan suuria vaatimuksia. Usein leik­kaus- ja kappaleensiirtosovelluksissa käyte­tään lineaarisia ruuvikäyttöjä, jotka voitaisiin tietyin edellytyksin korvata halvemmilla ja osittain suori­tuskykyisimmillä hammashihnavetoisilla johteilla. Yleensä paikkasäädetty työsolu muodostuu kahden tai kolmen eri koordinaatisto­akselin suuntaan asen­netuista johteista. Tällaisen työsolun paikoitustarkkuuteen vaikuttavat muun muassa käytetty säätöra­kenne, moottorisäätöketjun viiveet, sekä laitteiston eri epälineaarisuudet, kuten kitka. Tässä työssä esitetään lineaarisen hammashihnaservokäytön dynaamista käytöstä kuvaava matemaatti­nen malli ja laaditaan mallin pohjalta laitteen simulointimalli. Mallin toimivuus varmistetaan käytän­nön identifiointitesteillä. Lisäksi työssä tut­kitaan, kuinka hyvään suorituskykyyn lineaarinen hammas­hihnaservokäyttö kyke­nee, jos teollisuudessa paikoitussäätörakenteena tyypillisesti käytetty kaskadira­kenne tai PID-rakenne korvataan kehittyneemmällä mallipohjaisella tilasäädinra­kenteella. Säädön toi­mintaa arvioidaan simulointien ja koelaitteistolla suoritetta­vien mittaus­ten perusteella.

Integroitujen laitekaappien tuotannon tehostaminen elektroniikkateollisuudessa

Laitekaappien integrointi koostuu moduulien sekä kaapeleiden liittämisestä mallikohtaisiksi kokonaisuuksiksi. Tämä kokoonpanoprosessi on tilausohjautuva ja tehdään mallikohtaisesti yksittäiskokoonpanona. Mallien integrointityön vaikeus ja kokoonpanoaika vaihtelevat voimakkaasti. Tämä yhdistettynä työvoiman vaihtuvuuteen luo haastavan ympäristön kehittää tuotantoa sekä laadun että kapasiteetin näkökulmasta. Työssä on selvitetty voidaanko näitä kehittää jakamalla tuotantoprosessi pienempiin vaiheisiin, jotka ovat helpompi tasapainottaa ja oppia. Kokoomalinjan soveltaminen tilausohjautuvaan tuotantoon vaatii perinteiseen tahdistettuun kokoomalinjaan nähden suurempien poikkeavuuksien sallimista. Toisistaan merkittävästi poikkeavien työaikojen ja laajan mallivariaation vuoksi linjaa ei pystytä hallitsemaan niin järjestelmällisesti kuin tasapituisilla työvaiheilla. Tehokkaan tuotannon aikaansaaminen tällaiselle linjalle vaatii mahdollisuutta työjärjestyksen suunnitteluun ja sen simulointiin. Tässä työssä on pyritty arvioimaan simuloinnin avulla kokoomalinjan toimivuutta stokastisen kysynnän vallitessa. Malli on luotu hyväksikäyttäen tuotteiden valmistusaikoja, jotka on jaettu mallikohtaisesti kaikkiin mahdollisiin työtehtäviin. Nämä tehtävät on pyritty tasapainottamaan eri työpisteiden tehtäviksi. Tasapainotuksen tavoitteena on ollut minimoida tuotteiden työtehtävien keston voimakasta hajontaa, jota mallien kysynnän satunnaisuus voimistaa. Simulointien perusteella on luotu yksinkertaistettu sääntö työjärjestyksen muodostamiselle. Mallinnuksessa on pyritty maksimoimaan tuotannon tehokkuus minimoiden sekä keskeneräisen tuotannon määrää että läpimenoaikaa. Tehokkaimman vaihtoehdon löydyttyä on arvioitu kokoomalinjan soveltuvuutta laitekaappien integrointiin.

Developing of the Variable Speed Drive -control in simulated parallel pumping systems

This thesis presents briefly the basic operation and use of centrifugal pumps and parallel pumping applications. The characteristics of parallel pumping applications are compared to circuitry, in order to search analogy between these technical fields. The purpose of studying circuitry is to find out if common software tools for solving circuit performance could be used to observe parallel pumping applications. The empirical part of the thesis introduces a simulation environment for parallel pumping systems, which is based on circuit components of Matlab Simulink —software. The created simulation environment ensures the observation of variable speed controlled parallel pumping systems in case of different controlling methods. The introduced simulation environment was evaluated by building a simulation model for actual parallel pumping system at Lappeenranta University of Technology. The simulated performance of the parallel pumps was compared to measured values of the actual system. The gathered information shows, that if the initial data of the system and pump perfonnance is adequate, the circuitry based simulation environment can be exploited to observe parallel pumping systems. The introduced simulation environment can represent the actual operation of parallel pumps in reasonably accuracy. There by the circuitry based simulation can be used as a researching tool to develop new controlling ways for parallel pumps.

Monitoisioisen muuntajan parametrien mittaus

Tässä kandidaatintyössä on tarkoitus määrittää monitoisioisen muuntajan yksivaiheisen sijaiskytkentä ja sen parametrit käyttämällä perinteisiä mittausmenetelmiä. Näihin kuuluvat tyhjäkäynti-, oikosulku- sekä tasajännitekoe. Muuntajasta on tehty simulointimalli, jota varten sijaiskytkennän parametreja tarvitaan.

Combining Advanced Forecasting Methods with System Dynamics - the Case of Finnish Seaports

Seaports play an important part in the wellbeing of a nation. Many nations are highly dependent on foreign trade and most trade is done using sea vessels. This study is part of a larger research project, where a simulation model is required in order to create further analyses on Finnish macro logistical networks. The objective of this study is to create a system dynamic simulation model, which gives an accurate forecast for the development of demand of Finnish seaports up to 2030. The emphasis on this study is to show how it is possible to create a detailed harbor demand System Dynamic model with the help of statistical methods. The used forecasting methods were ARIMA (autoregressive integrated moving average) and regression models. The created simulation model gives a forecast with confidence intervals and allows studying different scenarios. The building process was found to be a useful one and the built model can be expanded to be more detailed. Required capacity for other parts of the Finnish logistical system could easily be included in the model.

Simuloinnin hyödyntäminen ajoneuvon kestoikäanalyysissä

Diplomityö tehtiin Patria Land & Armament Oy:n toimeksiannosta. Patria Land & Armament Oy:n tuotteisiin kuuluvat vaativiin maasto-olosuhteisiin soveltuvat sotilasajoneuvot. Tuotesuunnittelussa otetaan huomioon ajoneuvon koko elinkaari, joten väsymismitoitus ja kestoikäanalyysit ovat suunnittelun tärkeitä osa-alueita. Kestoikäanalyysit ovat perinteisesti pohjautuneet mittausten avulla määritettyyn jännityshistoriaan. Työn tavoitteena oli tutkia tietokonesimuloinnin soveltuvuutta maastoajoneuvon jännityshistorian määrittämiseen. Selvityksen perusteella muodostettiin kohdeyrityksen tarpeisiin soveltuva ja kestoikäanalyysiä helpottava simulointiympäristö. Tietokonesimuloinnin tuloksien tarkkuutta tutkittiin mittaamalla todellisen ajoneuvon käyttäytymistä. Simulointiympäristö toteutettiin analysoimalla joustavia kappaleita ADAMS dynamiikkaohjelmistolla. Kappaleiden joustavuus mallinnettiin kelluvan koordinaatiston menetelmällä ja siihen käytettiin PATRAN/NASTRAN elementtimenetelmäohjelmistoa. Simulointiympäristön toimivuus testattiin case-esimerkin avulla. Esimerkissä tutkittiin AMV:n alatukivarren rasituksia. Tuloksista havaittiin, että simuloimalla on mahdollista tuottaa maastoajoneuvon rakenteiden jännityshistoria. Eri parametrien tutkiminen onnistuu vaivattomasti, mutta simuloimalla määritetyn kestoiän absoluuttisiin arvoihin tulee suhtautua varauksella.

Höyry- ja kaasuturbiinin mallintaminen prosessisimulointiohjelmaan

Tässä diplomityössä on mallinnettu höyry- ja kaasuturbiini Balas -prosessisimulointi-ohjelmaan. Balas on Valtion Teknillisen Tutkimuskeskuksen kehittämä simulointiohjelma, erityisesti paperi- ja selluteollisuuden prosessien staattiseen simulointiin. Työn tavoitteena on kehittää simulointimallit höyry- ja kaasuturbiinille, sekä tutkia niiden toimivuutta vertaamalla simulointeja mittaus- ja mitoitustietoihin. Työssä on muodostettu matemaattiset mallit höyryturbiinille, höyryturbiinin säätövyöhykkeelle sekä höyryturbiinin off-design laskennalle. Kaasuturbiinille muodostettiin toimintakäyrät, joiden avulla tarkastellaan sen toimintaa off-design tilanteessa. Komponentit mallinnettiin diplomityövaiheessa Matlab-ympäristöön, josta ne siirretään Balasiin erillisessä työvaiheessa. Malleissa on kiinnitetty huomiota erityisesti niiden helppokäyttöisyyteen ja monipuolisuuteen. Höyryturbiinimalleja testattiin simuloimalla erään paperitehtaan yhteydessä toimivan voimalaitoksen vastapaineturbiini säätövyöhykkeineen ja vertaamalla simulointituloksia tehtaan mittaustietoihin. Kaasuturbiinimallia testattiin vertaamalla GE Power MS 7001 kaasuturbiinin mitoitustietoja vastaavilla parametreilla simuloituun tapaukseen.

Tuulivoimakäyttö sähköverkon vikatilanteissa

Tämä työ on tehty Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa, meneillään olevan tuulivoimalasimulaattorin kehitystyön yhteydessä. Työssä käydään läpi simulaattorissa käytettyjen generaattorisillan ja verkkosillan säätöperiaatteita, tehdään katsaus siirtoverkon jännitevikoihin sekä tuulivoimalan toimintaan näissä vikatilanteissa. Työn varsinainen tutkimuskohde on verkkosillan säädön toiminnan simuloiminen siirtoverkon jännitevioissa ja säädön parannusehdotukset.

Taajuusmuuttajaohjatun pumppukäytön simulointimallin kehittäminen ja testaus

Pumppukäytöt vastaavat noin neljänneksestä Euroopan sähkömoottoreissa kulutettavasta sähkötehosta. Energian kallistumisen vuoksi energian säästämisestä ja energiatehokkuudesta on tullut yhä tärkeämpää. Taajuusmuuttajat ovat tuoneet yksinkertaisen säätötavan, jolla suurimmassa osassa pumppukäyttöjä voidaan saada huomattavia energiasäästöjä. Koko energiansäästöpotentiaalin hyödyntämiseksi täytyy kuitenkin pumppujen toimintaa tarkkailla. Tarkkailu voidaan toteuttaa käyttämällä taajuusmuuttajan sisäisiä mittauksia pumpun toimintapisteen määrittämiseen. Tässä työssä muodostetaan kaksi simulointimallia, joilla voidaan tutkia pumppukäytön toimintapistettä ja energiatehokkuutta. Pumpattavan nesteen ominaisuuksien vaikutusta malleihin tutkitaan ja tapoja korjata virhettä selvitetään. Mallien tuottamia estimaatteja verrataan laboratorio ja pilot-kohteiden mittauksiin. Pilot-kohteiden avulla tutkitaan voidaanko simulointimalleja käyttää teollisuuden energiansäästöpotentiaalia omaavien pumppukäyttöjen havaitsemiseen.

Integration of a Bioethanol Process to a Pulp Mill

Tässä diplomityössä tutkittiin puuhakkeen esihydrolyysi- ja hakkuujätteen hydrolyysiprosessien integroimista sellutehtaaseen bioetanolin tuottamiseksi. Tällaisesta ns. biojalostamosta luotiin WinGEMS-simulointiohjelmalla simulointimalli, jonka avulla tutkittiin bioetanoliprosessin vaikutusta sellutehtaan massa- ja energiataseisiin sekä alustavaa biojalostamon kannattavuutta. Simuloinnissa tarkasteltiin kolmea eri tapausta, joissa mäntysellun tuotannon ajateltiin olevan 1000 tonnia päivässä ja hakkuujätettä käytettävän 10 % tarvittavan kuitupuun määrästä: 1) Puuhakkeen esihydrolyysi ja hakkuujätteen hydrolyysi etanolin tuottamiseksi 2) Puuhakkeen esihydrolyysi, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi 3) Ei esihydrolyysiä, hakkuujäte kuorikattilaan poltettavaksi Verrattuna tapaukseen 3, puun kulutus kasvaa 16 % esihydrolysoitaessa puuhake ennen keittoa tapauksissa 1 ja 2. Kasvaneella puun kulutuksella tuotetaan tapauksessa 1 149 tonnia etanolia ja 240 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tapauksessa 2 tuotetaan 68 tonnia etanolia ja 460 MWh enemmän ylimääräsähköä päivässä. Tämä tuottaisi vuotuista lisäkassavirtaa 18,8 miljoonaa euroa tapauksessa 1 ja 9,4 miljoonaa euroa tapauksessa 2. Hydrolyysin tuoteliuoksen, hydrolysaatin, haihduttaminen sekä hydrolyysiprosessien orgaanisten jäännöstuotteiden haihduttaminen ja polttaminen kasvattavat haihduttamon ja soodakattilan kuormitusta. Verrattuna tapaukseen 3, tapauksissa 1 ja 2 haihduttamon vaiheiden määrä on kasvatettava viidestä seitsemään ja tarvittavat lämmönsiirtopinta-alat lähes kaksinkertaistettava. Soodakattilan kuormitus kasvaa 39 % tapauksessa 1 ja 26 % tapauksessa 2.

Nosturin heilahduksenvaimennusjärjestelmässä esiintyvien häiriöiden tunnistaminen

Nykyaikaisissa nostureissa tehokkuutta lisätään automaation avulla. Yksi sovellus on parantaa kuorman hallintaa, tämä nopeuttaa työkiertoa ja helpottaa kuskin työtä. Järjestelmä voi myös vaikeuttaa ajamista, jos se ei toimi oikein. Työssä tutkittiin apukoneistolla toteutetun heilahduksenvaimennusjärjestelmän virheellistä toimintaa ja mistä virheellinen toiminta johtuu. Apuna käytettiin simulointimallia kyseisestä järjestelmästä. Häiriöiden tunnistukseen käytettiin tunnuslukuja, joista havaitaan virheellinen toiminta Simulointimallin avulla simuloitiin erilaisia häiriöitä, että niiden vaikutus tunnuslukuihin nähtiin. Tämän jälkeen nosturilla tehtiin työkiertoja joissa oli jokin simuloiduista häiriöistä ja mittauksista muodostettiin samoja tunnuslukuja kuin simulointituloksista ja tuloksia verrattiin keskenään. Kaikkia häiriötilanteita ei suoritettu nosturilla, koska nosturia olisi joutunut vioittamaan.

Varavoimalaitosten pimeäkäynnistysmahdollisuudet

Nyky yhteiskunta tulee päivä päivältä riippuvaisemmaksi sähköstä ja sen luotettavasta siirrosta ja jakelusta. Suurhäiriö kantaverkossa on erittäin epätodennäköinen, mutta sen mahdollisuutta ei koskaan voida kokonaan rajata pois. Suurhäiriön seuraukset ovat erittäin vakavat ja yhteiskäytön palautus häiriön jälkeen voi pitkittyä. Diplomityössä käsitellään kantaverkkoyhtiö Fingrid Oyj:n kaasuturpiinivaravoimalaitoksia ja niiden ominaisuuksia kantaverkon suurhäiriössä. Varavoimalaitosten pimeäkäynnistysvalmiudet tarkastettiin ja niissä suoritettiin koeajoja, jotka sisälsivät jatkuvan ja dynaamisen tilan koeajo osuudet. Yhdessä laitosyksikössä tehtiin myös pimeäkäynnistys ja saarekekoeajo. Koeajojen perusteella saatiin arvokasta perustietoa kaasuturpiinilaitosten ominaisuuksista ja mahdollisuuksista toimia pimeäkäynnistystilanteissa. Varavoimalaitosten matemaattista mallintamista yksinkertaisella teollisuuskaasuturpiinilaitoksen mallilla kokeiltiin siinä kuitenkaan onnistumatta. Kokemusten perusteella esitetään keskeisimmät havainnot ja ehdotukset kevyen, moniakselisen kaasuturpiinilaitoksen mallintamiseksi.

Tarkkuuselektroniikkatuotteen elinkaariarviointi tuotesuunnittelun tueksi

Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia tarkkuuselektroniikkatuotteen ympäristönäkökohtia elinkaariarvioinnin avulla. Työn osana tehtiin elinkaariarviointi (LCA) kahdelle tarkkuuselektroniikkatuotteelle. LCA:ssa keskityttiin elinkaaren kehdosta-asiakkaalle-vaiheisiin. Työn tavoitteena oli tuottaa määrällistä ja laadullista tietoa valittujen tuotteiden ympäristövaikutuksista. Selvitys tehtiin yrityksen tuotesuunnittelun tueksi. LCA:n inventaarioanalyysiin kerättiin prosessikohtaista tietoa selvityksen aikana. Myös kaupallista LCA-ohjelmaa ja sen tarjoamia tietopankkeja hyödynnettiin elinkaariarvioinnin toteuttamisessa. Teoriaosassa esitellään LCA-menetelmä. Lisäksi tarkastellaan elinkaariarviointiin liittyviä tuotekohtaisia ympäristökysymyksiä. Työssä eritellään myös yleisesti tarkkuuselektroniikkatuotteen eri osien elinkaareen vaiheita ja niihin liittyviä ympäristönäkökohtia. Kokeellisessa osassa kuvataan kahdelle tuotteelle tehtyä LCA-tapaustutkimusta. Elinkaariarvioinnin inventaariotiedon lähteet kuvataan. Inventaarioanalyysin ja vaikutusarvioinnin avulla tuodaan esille tuotteiden ympäristökuormaan merkittävimmin vaikuttavat prosessit ja elinkaaren vaiheet. Lisäksi tarkastellaan miten tapaustuotteiden ympäristökuormaa voitaisiin pienentää kahden esimerkin avulla. Lopuksi annetaan suosituksia jatkotoimenpiteistä tuotesuunnitteluun ja tiedonkeruuseen.