ABSTRACT. We consider temperature output tracking for a room model. Dynamics of the fluid within the room are governed by the Boussinesq equations, which we consider linearized around a steady state solution. We show that the system of PDEs complemented with a weighted average temperature observation form a regular linear system, thus a particular error-feedback controller achieves output tracking of sinusoidal reference signals. The theoretical results are illustrated through numerical simulations.

ABSTRACT. Practical identification and control of ill-conditioned systems, in particularly high-purity distillation columns, is discussed. New identification and control concepts, where the process is identified and controlled in a rotated domain instead of the traditional input-output coordinates, are presented. There are many advantages with identification in a rotated domain. Simple models, which are easy to identify with simple tools can be used. For control-relevant identification, model fit in the rotated domain is a much better model goodness indicator than model fit of the outputs. Moreover, the rotated domain provides an interesting possibility for efficient control of ill-conditioned systems.

ABSTRACT. Abstrakti: Tämä tutkimus käsittelee mahdollisuutta automatisoida ferrosulfaatin annostelu Viikinmäen jätevedenpuhdistamolla. Tutkimuksen tavoitteena on optimoida biologisten suodattimien prosessi, minkä avulla voitaisiin säästää kemikaalikustannuksissa ja vähentää päästöjä mereen. Voidaanko mallinnuksen ja simuloinnin avulla löytää optimi säätötapa? Fosforin poistaminen on tärkeää prosessin ja rehevöitymisen estämiseksi. Poisto tapahtuu saostamalla fosfori ferrosulfaatin avulla. Avainsanat: jätevesi, optimointi, simulointi, mallinnus Vastaava tekijä: Sonja Mäkinen, Helsingin seudun ympäristöpalvelut - kuntayhtymä HSY, E-mail: sonja.makinen@hsy.fi 1 Tausta Energiankulutuksen pienentäminen tai vähentäminen ovat vallanneet lähiaikoina tilaa lehtien otsikoista. Myös Viikinmäen jätevedenpuhdistamossa pyritään samaan perehtymällä simuloinnilla saataviin hyötyihin puhdistusprosessissa. Työn tarkoituksena on valita kemikaalin annosteluun optimisäätötapa simulointia ja puhtaasti matemaattista mallinnusta hyväksi käyttäen. Viikinmäen jätevedenpuhdistamo on Pohjoismaiden suurin: sen läpi virtaa vettä noin 270 000 m3 päivässä. Puhdistamolla puhdistetaan suurin osa pääkaupunkiseudun jätevedestä aktiivilietemenetelmällä. Fosforia poistetaan saostamalla se rautapohjaisen ferrosulfaatin avulla. Ferrosulfaattia syötetään kahteen otteeseen: prosessin alkupäähän ennen hiekanerotusta sekä loppupäähän ennen jälkiselkeytystä. Laitoksella on tarve automatisoida ferrosulfaatin annostelu, mikä helpottaa prosessinhoitajien työtä, vähentää kemikaalikustannuksia ja parantaa puhdistustulosta. Annostelu tehdään tällä hetkellä manuaalisesti. Tehtävä oli etsiä optimaalinen säätötapa ferrosulfaatin annosteluun toisessa pisteessä. Tavoite on luoda mittausdatan perusteella prosessimalli, jonka avulla voidaan etsiä sopiva säätötapa ferrosulfaatin annosteluun toisessa pisteessä. Kehitystyö käynnistettiin tarpeesta saada optimoidumpi ja vähemmän luontoa rehevöittävä prosessi. Ferrosulfaatin annostelun pääasiallinen tarkoitus on muuttaa liukoinen fosfori kiintoainemuotoon, jolloin se on poistettavissa kiintoaineen mukana jälkiselkeytyksessä sekä osittain myös biologisessa suodatuksessa [2]. Nykyinen ferrosulfaatin ohjaustapa perustuu jatkuvatoimisiin ja laboratoriomittauksiin sekä käyttöhenkilöstön arvioon siitä, mihin suuntaan fosfori-typpisuhde etenee. Nykyinen ohjaustapa on hieman vanhanaikainen, ja se haluttiin uusia. [3] Puhdistamon automaatiojärjestelmä on Valmet DNA, josta haettiin mittausdataa Exceliin, siitä Matlabin kautta System Identification Toolbox -ohjelmaan. Mittaus-datalla tehtiin ohjelmassa prosessimalleja, jotka ovat muodoltaan siirtofunktioita. Kyseisestä siirtofunktiosta koitetaan saada mahdollisimman hyvin istuvaa mittausdataan nähden. Kuvassa 1 havaitaan, että siirtofunktio (tf5) on istuvuudeltaan paras, noin 44 %.

Kuva 1. Prosessimallien luominen System Identification Toolboxin avulla Prosessimalleja luodaan yrityksen ja erehdyksen kautta, kuten alan pioneeri Lennart Ljung [1] on todennut. Mallinnusta tehtiin arviolta 3 - 4 kuukautta, koska yritettiin löytää mahdollisimman hyvin istuva malli, sekä tutkia laajasti dataa. 2 Biologisen prosessin matemaattinen mallinnus Biologisen prosessin kuvaus matemaattisesti kuulostaa haastavalta, koska viive ferrosulfaatin annostelupisteestä suodattimen jälkeiseen fosfaatinmittauspisteeseen on useita tunteja (kuva 2). Fosfaattia mitataan ennen ja jälkeen biologisten suodattimien.

Kuva 2. Mittaukset fyysiset sijainnit prosessissa Askelvastekokeilla pyrittiin selvittämään viivettä annostelu- ja mittauspisteiden välillä mallinnuksen helpottamiseksi, mutta se ei onnistunut. Tämän syynä on osittain prosessin taustalla oleva biologia. Toisena kokeena tehtiin askelvastekokeita, joissa laitettiin ferrosulfaatin annostelu täysille päivän ajaksi ja tämän jälkeen annostelu pysäytettiin täysin. Viiveen määrittäminen ei onnistunut kyseisillä kokeilla. Fosfaattipitoisuudessa esiintyy päiväkohtaista vaihtelua, joten pelkästään ferrosulfaatin annostelun suurempi muutos ei yksinään selitä fosfaattipitoisuuden nousua tai laskua. 3 Haasteet edessä Tutkimuksessa ilmeni haasteita löytää kuormahäiriöt, jotka vaikuttavat suodattimille tulevaan fosfaattipitoisuuteen ferrosummavirtauksen lisäksi. Ilmastuksesta lähtevän veden summavirtauksen arvoa koitettiin mallintaa suhteessa suodattimille tulevaan fosfaattipitoisuuteen nähden, mutta mallinnustulokset jäivät edelleen heikoiksi, noin 20 %:iin. Tiedetään, että fosfaattipitoisuuteen vaikuttaa mahdollisesti jokin häiriö tai mittaus eikä vain ferrosulfaatin summavirtaus. Tutkimuksessa testattiin dataa vuodesta 2017 aina 2019 vuoden lokakuuhun asti. Laaja data mahdollisti erilaiset olosuhteet kuten vuorokauden ja vuodenajan vaihteluiden huomioimisen. Datan mittausväliä muutettiin 10 minuutista yhteen minuuttiin ja tämän avulla koitettiin saada prosessimallia paremmaksi. Erilaisiin kokeisiin lukeutui siirtofunktion asteen nostaminen, sekä seuraamalla tämän vaikutusta prosessimallin lopputulokseen. Lennart Ljung mukaan prosessimallin aste pitää päättää testauksiin [1]. Maksimimäärä napoja valittiin 3 ja nolliksi 2. Alla olevan kuvan 3 mukaan mallinnuksen (tf7) tulos jäi heikoksi, vaikka siirtofunktiossa oli napoja 10 ja nollia 9 kappaletta.

Kuva 3. Siirtofunktioiden mallinnus Kyseinen testaus puoltaa teoriaa, siitä että fosfaattipitoisuuteen vaikuttaa todennäköisesti muitakin suureita, kuin vain ferrosulfaatin summavirtaus. 4 Käyttöönotto Säätötapaa ei päästy toistaiseksi valitsemaan mallinnustulosten jäätyä heikoksi. Biologisen prosessin kuvaus matemaattisesti on osoittautunut haastavaksi tehdä valituilla ohjelmilla. Prosessista on luotu useita kymmeniä malleja kuitenkaan onnistumatta mallin rakentamisessa täysin. Paras tämänhetkinen prosessin malli on 77 %:n luokkaa, jota artikkelin kirjoittaja ei vielä pidä onnistuneena valintana malliksi, jolla voisi lähteä suunnittelemaan säätöjä Simulinkin puolelle. Täytyy muistaa, että vaikka prosessimallin tulos saataisiin lähemmäs 90:tä %, niin malli pitää pystyä toistamaan. Muutoin kohteeseen istutettava säätötapa toimii vain ja ainoastaan kyseisen mallin luodulla datalla. 5 Simuloinnin hyödyt laitoksella Mallinnus ja simulointikohteet ovat tulleet jäädäkseen teollisuusympäristöihin ja Viikinmäen jätevedenpuhdistamolle. Seuraavaa kohdetta mallinnuksen hyödyntämiselle ei olla vielä päätetty mutta se voisi olla ilmastuskompressorit, jotka ovat laitoksen suurimmat yksittäiset sähkönkuluttajat. Ferrosulfaatin annostelun uudelleen mallinnusta voidaan yrittää, mikäli prosessimallinukseen vaikuttavia häiriöitä saadaan mitattua. Nähtäväksi jää, kuinka suuret säästöt kompressoreiden energiankulutuksessa todellisuudessa saadaan simuloimalla prosessi ja optimoimalla säätö.

ABSTRACT. Tutkimus-, kehitys- ja innovaatiotoiminta (TKI-toiminta) on saamassa yhä keskeisempää roolia ammattikorkeakouluissa. Kehityshankkeiden kautta saadaan toki tehtyä yhteistyötä paikallisten teollisuusyritysten kanssa, ja parhaimmillaan ne voivat vaikuttaa positiivisesti siihen, että insinööriopinnot pysyvät ajanmukaisina ja vastaavat paikallisen elinkeinoelämän tarpeita. On kuitenkin riski, että TKI-toimintaa ja opetustyötä tekee suurelta osin eri henkilöstö, ja näin ne eriytyvät toisistaan eikä mahdollisia synergiaetuja saada. Siksi on tärkeää, että ammattikorkeakoululla on jokin strategia TKI-toiminnan ja opetuksen linkittämiseksi. Seinäjoen ammattikorkeakoulun teollisen internetin laboratorio palvelee juuri tätä tarkoitusta: sen avulla saadaan kehityshankkeiden tulokset myös opetuskäyttöön. Tämä artikkeli esittelee laboratorion sekä sen viimeaikaisen käytön niin hankkeissa kuin opetuksessakin.

ABSTRACT. Automation in Network (Aune) hankkeessa SeAMKin koordinoimana toteutettiin 14 ammattikorkeakoulun yhteinen hanke, jonka tarkoituksena oli uudistaa ja tehostaa automaatiotekniikan opetusta ja opiskelua ammattikorkeakouluissa. /1/ Hankkeen luonnollisena jatkona oli tuotetun koulutusaineiston pohjalta kehitetyn yhteisen koulutusmallin kehittäminen. Keskeistä nyt esitetyssä mallissa on yritysten tarpeista nouseva sertifioitu koulutus, jota voidaan tarjota osana jatkuvan oppimisen koulutustarjontaa. Koulutuksen toteutuksessa korostuu korona ajan monimuotoinen koulutus eli etäopetus, virtualisoidut ohjelmistot sekä etäkäytettävät laboratoriolaitteistot. Hanketta kehittävät yhteistyössä Oulun AMK, Tampereen AMK, Ylivieskan Centria sekä Seinäjoen AMK.

ABSTRACT. Tampere University and its predecessor TUT (later shortly TAU) have used PC Matlab in its control engineering education since 1987. In the early years commands of the core Matlab and e.g. System Identification Toolbox and Control System Toolbox (later CST) were used in a few courses. Simulab and its follower Simulink (later SL) was used, too. Symbolic computations were less typical and were handled with programs like Mathematica, Maple, Macsyma (predecessor of Maxima) etc. They were applied to derive and verify formulae or to compute results otherwise not (easily enough) found. Some users of symbolic computations observed in 1980s that around 20% of formulae in the books of certain science areas included errors! Symbolic commands may also serve as “bulletins” or “French Lines” to explain the logic of the design procedures. Unfortunately joint use of Matlab and e.g. Mathematica was not convenient because of syntax differences. Fortunately, Mathworks offered in mid-1990s Symbolic Toolbox (later ST) together with Student Simulink and CST as a part of its inexpensive bundle Student Matlab. Later TAU equipped many computer classes of the campus with Matlab, SL and tens of toolboxes including e.g. ST and CST. TAU even allowed the students to install Matlab and the toolboxes on their laptops. Recently, electronic Open Book Exams were enabled in several supervised computer classes using EXAM software. Under it Matlab and its toolboxes with their all electronic documentation as well as files shared by the teacher are available during the exam (while the student is not given access to other sources of information). This, the students’ skills and motivation in Math and Computer Science in 2020s as well as certain changes in SL and CST have added the relative usefulness of ST in learning. In fact, the current versions of SL and CST hide too much valuable information, which is a pity from learning point of view. Hence, it is now time to take a look on the use of ST alone and/or with SL and CST to enhance learning. This is possible by raising the motivation and demonstrating Big Picture of thinking above the dirty details of manual calculus. This will be mostly done with reference for a basic course of analog control. However, some remarks will be beyond it.

ABSTRACT. Automated functions and autonomy are increasing in mobile machines. In manual machines, humans have the main responsibility of safety. When level of automation is increased, automation needs to take responsibility. One factor here is that automation needs many kinds of technologies, like communication, navigation and perception systems, to ensure safety. Failure of the safety ensuring technology is a risk source. Although safety systems make autonomous mobile machines safer, parts of the safety system are also potential risk sources. Driverless cars have been leading the development of autonomous ground vehicles due to enormous amount of research. In most of the driverless car accidents conventional driver hits the rear end of the driverless car in or close to intersection. There have been also several reported severe or fatal accidents. An important difference between driverless cars and autonomous mobile machines is that the operating area is usually isolated in outdoors autonomous machine applications. Examples of autonomous mobile machine systems can be seen in mines and ports. Risks are minimized by preventing untagged persons and conventional vehicles from entering the area where the machines are operating in autonomous mode. Usually, machines are stopped and turned to manual mode when a person enters the area. The autonomous area can have one or several area access controls to monitor entrance to each critical part of the autonomous operating area. The safety of autonomous mobile machines is based on many kinds of safety measures, such as, fences, gates, access control systems, communication with fleet control and on-board sensors. One special risk source of autonomous vehicles is related to perception systems. Outdoor perception sensors are not capable to operate in all environmental conditions. There are also many situations beside or behind a larger object where perception sensors are inadequate to detect persons due to required long detection range. Another specific risk source of autonomous mobile machines is communication. Communication is applied, for example, to area access control system, area status and conditions information, permitted speed and task information, terrain maps and emergency commands. VTT has made a checklist to identify risk sources specific for autonomous mobile machines. The checklist does not describe the risks in detail, but it is intended to be comprehensive in device level. However, there are many kinds of different applications and new technologies are developed continuously. Therefore risk sources for all kinds of autonomous mobile applications cannot be presented. The checklist gives ideas for risk assessment to identify new risk sources.

ABSTRACT. MegaRoller wave energy converter (WEC) concept is being developed to produce cost-efficient renewable energy from the kinetic energy of ocean waves. The MegaRoller device consists of an oscillating flange, which captures the energy from waves, and two power take-off (PTO) systems that convert the kinetic energy into electricity. In the MegaRoller concept, the PTOs employ a hydraulic system that is used in producing electricity that fulfils power quality requirements and achieves system-level reliability targets. During its operation, the MegaRoller device is submerged, making reactive maintenance costly and impractical. Thus, the system is designed for a long maintenance interval. Careful reliability analysis is needed to predict the system reliability performance and assess the survivability of the device over the intended scheduled maintenance interval, keeping in mind the harsh maritime operating environment.

In this paper, we present results from reliability analysis of the hydraulic system in MegaRoller PTO. The analysis utilizes a system modeling and simulation approach based on reliability block diagrams (RBDs). RBD is a probabilistic reliability engineering method that can be used to predict system availability over time. It describes the system components as a combination of interconnected blocks, each assigned with a probability distribution describing the component’s reliability performance. As a visual method, it provides an easily comprehensible representation of the system reliability structure. It also supports the identification of most reliability-critical components and highlights important areas for reliability improvement. In our modelling approach, we utilize RBD calculation based on Monte Carlo simulation, created in ReliaSoft BlockSim software. In addition to building the actual system model, another major task is to identify and interpret relevant data sources to be able to assign reliability predictions for individual components. This is particularly challenging in new product development, as failure data from previous installations is not widely available.

The main three contributions presented in this paper are the following. First, we describe the system modeling process, highlighting some identified advantages and disadvantages of the RBD approach. Second, we describe the work done to identify reliability data sources and discuss their suitability in the wave energy context. Finally, we present selected results from the PTO hydraulic system RBD modeling effort.

ABSTRACT. Autonomous mobile machines are becoming more common in specific applications. Technologies have developed a lot, but full autonomy has not yet been reached in various outdoor environments. Driverless cars have driven tens of millions documented kilometres and there is already some experience. Safety measures of autonomous cars rely on on-board safety sensors and intelligence, which can maintain safety in various conditions. Autonomous mobile machines have also perception and positioning sensors, but quite often safety relies on complete fleet management and area access control systems. The access to the autonomous area is usually limited when the area is in automated mode. The complete autonomous mobile machine system contains many kinds of subsystems related e.g. to perception, positioning, access control and fleet control. A failure of a subsystem can be hazardous unless safety measures of the subsystems are well integrated and interlocked with each other.

ABSTRACT. Background In the industry utilizing mobile work machines, the goal in most cases is not the full autonomy. The level of autonomy sought depends on the objectives and opportunities of the business in the industry in question and the requirements of the work processes, overall logistics and operating environments. One interesting and challenging vision of advanced operating concepts in logistic systems is to enable autonomous machinery, manual machines and manual workers to operate and collaborate in the same open work area. This vision challenges organizations jointly develop work processes, human-machine interactions and technological solutions to achieve desired production goals and ensure safety in all situations.

Safety critical systems enabling the automated or even autonomous operations are based on advanced and intelligent software solutions and safety functions use information from several interacting systems. Different operating conditions and work processes require different solutions to ensure safe operation with autonomous mobile machinery systems. First standards for autonomous machines have recently been published, but the problem is that current safety engineering methods they refer, developed for automated machinery, do not cover or consider real autonomy aspects.

Aims The main motivation has been to support the early development phases of novel automation solutions and system operating concepts. The new approach focuses on system level safety issues arising from the shift from manual mobile machines to autonomous machinery systems. Our aim is to improve the identification and assessment of machine autonomy related safety risks and specific aspects raising from the increased autonomy e.g. in safety critical decision-making, machine learning and independent perception and control actions. We try to shift the focus from analyzing chains of events to identifying problems arising from unsafe interactions between different elements in complex socio-technical systems. The approach and methods have been developed in VTT in Finland in the Business Finland funded co-innovation project in the AUTOPORT eco-system. https://autoport.fi/

Materials and methods The approach utilizes elements from system theoretic process analysis, system safety engineering methods and the guidelines from the latest safety standards for autonomous machinery, as well as the goal-based safety case approach. System theoretic process analysis method (STPA) is a relatively new hazard analysis technique based on an extended model of accident causation called STAMP. Another new promising element in our approach for the management and documentation of safety requirements during the development of autonomous machinery systems is the Goal-based design approach that has successfully been applied and demonstrated in safety qualification e.g. in marine sector.

Results and conclusions The systematic and clearly phased risk assessment process supports the development of machine autonomy when selecting operating concepts, selecting technological solutions and when designing interactions between an artificial intelligence and human operators in safety critical decision-making situations. Robust safety engineering procedures need to be in place to not only identify and control safety risks, but also to document and communicate safety-related aspects be-tween all relevant stakeholders.

STPA method, including the modelling of the hierarchical control structure and bringing in a new perspective for the analysis of autonomy aspects by the identification of unsafe control actions is a welcome addition to system safety approach when dealing with higher levels of autonomy. STPA complements the perspectives of traditional PHA and OHA analyses by providing a formal presentation to connect losses, system level hazards and unsafe control actions (Figure 1). Identification of loss scenarios it provides a new perspective for defining system-level requirements and risk control options.

Figure 1. An outline of the iterative safety engineering activities linked to the system development phases.

The model and visualization of the allocation of safety goals seems promising. It could be used as a means of communication between all stakeholders in the design teams, not only safety engineers and system designers. Preliminary results of our study shows that the goal-based safety case approach can support the specification of safety requirement and management of system verification and validation processes in the entire business ecosystem developing autonomous machinery applications (Figure 2).

Figure 2. Simplified illustration of the safety case approach according to UL 4600.

In this paper, we will describe the new approach, its novelty in this domain and its relationship to evolving safety design guidelines and standards for autonomous machinery. We open up the principles behind the system theoretic process analysis and goal based design. We also discuss possibilities to apply safety case approach for autonomous machinery.

ABSTRACT. PID control is a true workhorse for industrial process control. Its widespread use in various control applications is highly contributed by its astonishing property of removing a control error between the targeted setpoint and the controlled variable. The very same feature, however, can also be utilized for other purposes where zero error is required. Solving an equation is good example of such dilemma. In this paper, the PI controller is presented as a solver e.g. for computing square roots, solving quadratic equations with real-valued solutions and linear equations of two variables.

ABSTRACT. Despite diversity of available multivariable control strategies, PID controllers will remain the workhorse of industrial process control due to simplicity, availability and effective performance. Still, there are more than many untuned or badly tuned PID controllers working in real applications. And if tuned, PID controllers are most probably tuned for a smooth setpoint response. Yet, the most frequent reason for PID control is rejecting load disturbances. This paper reminds of the PID controller’s importance of rejecting load disturbances over setpoint following by providing with optimal PI controller tuning rules for two most typical single-input single-output transfer function models. In addition, the paper introduces a simple and a truly practical method for assessing the PI controller’s load disturbance rejection performance in real process control applications.

ABSTRACT. In this short paper we study setpoint control and rejection of unknown harmonic disturbances for a one-dimensional boundary controlled heat equation. The frequencies, amplitudes and phases of the disturbance signal are assumed to be unknown. The designed dynamic error feedback controller consists of an internal model based structure, an adaptive frequency estimator, and an online tuning algorithm for choosing controller parameters.

ABSTRACT. Digitalization is a magic buzzword in almost all disciplines in modern society. It does not only concern technology, but life in general, and without doubt the key idea today is linked to digital solutions found everywhere in the world. The technological revolution has developed in enormous steps and is closely connected to such concepts as game industry, machine learning, artificial intelligence, robotics, the Internet of Things, intelligent manufacturing, quantum computing etc. Even though the youth of today have grown to be "diginative" in many aspects, the teaching and learning of the more and more challenging technological solutions has become, not easier but even more challenging. Digitalization in teaching and learning has many conflicting aspects and consequences, and the current era of covid 19 pandemia is one clear challenge to demonstrate the needs, possibilities and problems in teaching. The paper discusses some of the topics related - especially but not only - concentrating in automation.

ABSTRACT. Opetuksen monimuotoistuessa on tullut tarve paikasta riippumattomalle automaatiosuunnittelulle ja testaukselle. Automaatiojärjestelmän käytön rajoittuminen tiettyihin tiloihin ja laitekantaan on suuri ja opintojen etenemistä merkittävästi rajoittava ongelma. Tähän päätettiin etsiä ratkaisu, kun kaksi Jyväskylän ammattikorkeakoulussa käytössä ollutta Metso DNA -automaatiojärjestelmää vaativat modernisointia.

Lähtökohdaksi otettiin järjestelmän etäkäytettävyys. Opiskelijoiden työskentely ei saisi enää olla rajoitettu oppilaitoksen tiloihin, ja järjestelmän pitäisi toimia ilman erillisten sovellusten asentamista omalle tietokoneelle. Samalla haluttiin yhdistää kaksi erillistä automaatiojärjestelmää yhdeksi. Koska kyseessä oli modernisointiprojekti, neuvotteluja käytiin ainoastaan Valmetin kanssa.

Valmetin tarjoamat Valmet DNA -ratkaisut vastasivat vaatimuksiin. Oppilaitoksen palvelinhuoneeseen asennettiin palvelin ns. yksityiseksi pilveksi (private cloud), johon aiemmin erillisiä työasemia vaatineet ohjelmistot asennettiin virtuaalikoneina. Käyttäjä saa yhteyden yksityiseen pilveen Citrix-etäyhteydellä niin oppilaitoksen sisäverkosta kuin sen ulkopuolelta. Käyttö edellyttää vain internetselainta ja hyvää verkkoyhteyttä.

Kehittämistyön lopputuloksena valmistui toimiva etäopiskelun ja -opetuksen mahdollistava automaatiojärjestelmä, joka sallii suunnittelun ja testauksen omilta tietokoneilta ajasta ja paikasta riippumatta. Oppilaitoksen yli sadalle käyttäjälle näyttää riittävän 35 yhtäaikaisen käyttäjän lisenssi, koska käyttö jakautuu koko vuorokauden ajalle.

Järjestelmän ohjattavana olevasta prosessista tehtiin opinnäytetyönä myös simulaattori, johon on mallinnettu prosessin aidot dynamiikat. I/O-testaus tehdään oikealla prosessilla, minkä jälkeen toiminnallinen testaus ja viritys voidaan tehdä simulaattorilla.

ABSTRACT. A pandemic that has shaken the whole world for a year has been visible everywhere. People have had to adapt and adapt their activities to the prevailing situation. In March 2020, the education sector moved from traditional contact teaching to full distance learning with an incredibly fast schedule. Everything happened in the middle of the ongoing courses without extra time to prepare. A real forced digital leap has happened.

Although many went beyond themselves and the lessons were completed in the spring, it did not happen without negative effects. This study examines the consequences of a pandemic from the perspective of automation students and teaching. The material used in the study is material collected from automation students at Tampere University of Applied Sciences (later TAMK). The material was collected by means of a questionnaire, which was sent to all TAMK's approximately 330 students in electrical and automation technology. The questionnaire included both Likert-scale and open-ended questions.

The method of analysis used is mainly the method of qualitative analysis, content analysis. The study approaches students' experiences from four different perspectives:

1. The impact of a pandemic on well-being and motivation to study 2. The effect of pandemic time on academic success 3. Good and bad experiences of distance and hybrid teaching methods 4. Implementation of business cooperation (eg internships and theses) When writing this abstract, the analysis is still ongoing, but the results already clearly highlight student fatigue and decreased motivation. I will not be able to give exact percentages for this study here yet. However, preliminary results appear to be in line with expectations when compared to those published elsewhere at the end of last year.

For example, at the end of 2020, Lääkärilehti reported on a study by the University of Helsinki [1] conducted for university students. Based on the preliminary results of that study, as many as 60% of the students who responded to the survey felt signs of exhaustion. In addition, only 28% of respondents experienced enthusiasm for studying in the spring and the result decreased significantly during the autumn: at the beginning of December, the number was only 17%. The result of the corresponding survey has been in the range of 44 per cent during 2008-2016. This result is also confirmed by a study of high school students at Jyväskylä Lyceum, which was published at the end of 2020 [2]. According to it, more than 70% of these high school students had experienced a decrease in study motivation and signs of exhaustion during distance learning.

The numbers are very worrying. The aim of this study presented in this paper is to specifically identify the challenges faced by automation students and identify the most critical points therefrom. The primary purpose of the results is to improve students’ learning environment while the pandemic is still going on. A secondary goal stems from the fact that very likely distance learning has come to stay. In TAMK as well as possibly in other educational institutions, there is a need to allocate resources to more relevant issues. In addition, teachers have willingness to continue teaching partly remotely (the source is the unpublished study of the Tampere University Community staff welfare survey from 2020). I hope that this research will highlight some suitable learning and teaching methods and issues that students will find most effective in their studying.

ABSTRACT. Utilization of distributed computing on industrial vehicle onboard systems, the edge devices, opens many possibilities to save development resources and time yet giving more flexible software design. Robot Operating System 2 (ROS2) is a prominent candidate for achieving these goals. It has raised great interest all around the world among researchers and big industrial players. In this paper we are exploring ROS2 from the edge controller point of view trying to answer to the following questions. How ROS2 changes the edge device application development? How ROS2 communication meets the real-time and security requirements? How portable and reusable ROS2 application components are? Evaluation is based on public research papers, articles, standards, and ROS2 documentation, but also on practical evaluation with ROS2 on edge devices. As part of this paper we implemented performance study on message size and sending frequency, data transfer latency, node’s phase-wise startup latencies, and topic publisher’s CPU consumption. We have identified that the ROS2 QoS and security settings do what they promise, but they should be used with care and with case by case consideration as careless use may bring undesirable slowness to the system or even loss of data.

ABSTRACT. This article presents practical implementations of a IoT-based Cloud-assisted SCADA used to focus on continuous optimization, proactive maintenance, continuous processing of a Hybrid Low-Carbon Energy system. The system was the result of the research and development of “Low carbon energy efficiency with micro-CHP technology” (VEneCT) project conducted by Häme University of Applied Sciences (HAMK) and HAMK Tech research unit. Being developed on basis of cyber-physical/Internet of things ecosystem of project, the purpose of the presented solution is to facilitate simulating, tracking and controlling operations of module by integrating process simulation, data visualization, Internet of things technologies, Cloud computing and web services. Real-time sensing data from physical system is transmitted to the cloud server via data exchanging standards for industrial communication - OPC UA and IoT communications standard - MQTT. Web-based application was built on an opensource platform as an intelligent web-based SCADA, consisting of two different levels of usage rights. Supervisor level, allowing users to capture system status in real time and predict system failures remotely over mobile network. Control level, which requires user identification, allowing the user not merely to monitor the system but also to exercise direct control rights on the system.

ABSTRACT. New industrial revolutions happen on global scale and anyone who cannot follow these developments will have difficulty to compete. Industry 4.0 with its connectivity/Industrial Internet of Things (IIoT) focus, as well as Industry 5.0, where the data and AI-based services are key enablers, are the most important drivers for the future of industrial processes. Increasing trust, security, and safety towards increased resilience, while keeping system performance and reducing energy consumption, has become non-trivial. It is therefore essential to find new ways of managing cybersecurity of industrial control systems throughout a whole lifecycle. In this paper, we review current trends, challenges, and innovative technologies for industrial control system security.

ABSTRACT. Life cycle assessment (LCA) is an end-to-end analysis to calculate the environmental impact associated with a given product and its production process. These analyses are commonly carried out once during the design phase and on a yearly basis during the production process. LCA results are required to comply with environmental guidelines. During the last decade, ever-increasing environmental regulations and customer awareness have forced owners/operators to perform LCA studies more frequently. Although proposed approaches, such as Online LCA, can reduce the effort to periodically obtain LCA results, system integration remains laborious. In practice, data collection required for LCA is still carried out manually due to the slow industrial adoption of software architectures for easier data integration and collection. This paper presents an online LCA solution for industrial processes that leverages both, Online LCA and a cloud software architecture for continuously calculating and representing up-to-date environmental assessment and sustainability-related information. A prototype was implemented in an industrial pulp production process. The initial results show that sustainability professionals can significantly benefit from the continuously updated LCA results.

ABSTRACT. In situational awareness, the ability to make predictions about the near future situation in the area under surveillance is often as essential as being aware about current situation. We introduce a privacy-preserving instance-based prediction method, where a path library is collected by learning earlier paths of mobile objects in the area of surveillance. The input to the prediction is the most recent coordinates of the objects in the scene. Based on similarity to short segments of currently tracked paths, a relative weight is associated with each path in the library. Future paths are predicted by computing the weighted average of the library paths. We demonstrate the operation of a situational awareness system where privacy-preserving data is extracted from an inexpensive computer vision which consists of a camera-equipped Raspberry PI-based edge device that runs deep neural network-based object detection and feature extraction algorithms on the camera feed and stores only the coordinates and timestamps of the detected objects. To infer which detections from different time instances came from the same object, we used probabilistic reasoning based on joint probabilistic data association, Hungarian algorithm and Kalman filter.

ABSTRACT. Tässä julkaisussa esitetään case-tutkimus mobiilirobotin ohjaamiselle kolmannen osapuolen järjestelmällä ja hyödyntäen konenäköpaikoitusta. Hyödynnetyn yksinkertaisen ratkaisun ansiosta kaupallinen mobiilirobottijärjestelmä voitiin liittää osaksi robottien internet eli IoRT-järjestelmää. IoRT-järjestelmään liittäminen edellytti mobiilirobotin tiedonsiirtorajapintojen tarkkaa tuntemusta. Lisäksi vaadittiin toimintatavan kehittäminen, millä robotti saatiin toteuttamaan halutut toimenpiteet sille ulkopuolisesta järjestelmästä lähetettyjen yksittäisten käskyjen perusteella. Tutkimuksen viitekehyksenä toimi roska-astian tyhjennyssovellus, jonka pyrkimyksenä oli kasvattaa sisälogististen työtehtävien automaatioastetta teollisuusympäristössä. Tapaustutkimus tehtiin yhteistyössä Transval Teollisuuspalveluiden kanssa. Osana tutkimusta mobiilirobotin tiedonsiirtorajapinnat kartoitettiin ominaisuuksiltaan ja niiden käyttöä testattiin paikallisesti. Käskyt robotille lähetettiin sekä robotin kanssa samaan lähiverkkoon kytketystä kannettavasta tietokoneesta, että Raspberry Pi -korttitietokoneesta. Kummassakin tapauksessa kommunikaatio robotin kanssa tapahtui sen oman käyttöjärjestelmän ulkopuolelta. Tiedonsiirtorajapinnoista ominaisuuksiltaan laajimman REST API -ohjelmointirajapinnan todettiin soveltuvan vaihtoehtona ollutta, mutta suppeampaa sarjaliitäntärajapintaa paremmin robotille haluttuun tehtävään. Soveltamalla tutkimuksen pohjalta luotua ohjaustapaa yhdessä konenäköjärjestelmän kanssa, mobiilirobotti voitiin ohjata kohdealueella haluttuun sijaintiin hyvällä paikoitustarkkuudella. Tutkimuksessa toteutetulla järjestelmäkokoonpanolla MiR-mobiilirobotti voitiin kutsua roska-astian viereen ilman, että astian sijainti oli ennalta määrätty. Konenäköjärjestelmänä hyödynnettiin teollisuudessa yleisesti käytettyä Cognex Insight -älykameraa. IoRT-järjestelmänä käytettiin asiakkaan kehittämää robottien internet järjestelmää, sekä tätä paikallisessa testauksessa simuloivaa RPi-korttitietokoonneelle ohjelmoitua Python-komentosarjaa. Tutkimuksessa hyödynnettyä menetelmää käyttäen, robotin paikoitustarkkuus osoitettiin riittävän hyväksi työn viitekehyksenä olleen roska-astia sovelluksen onnistuneen toteutuksen jatkokehityksen kannalta.

ABSTRACT. Hajautettujen automaatiojärjestelmien olemus on muuttunut viimeisten vuosikymmenten aikana uusien älykkäiden kenttälaitteiden ja väyläratkaisujen tuodessa niihin entistä enemmän hajautusta. Lisäksi ohjelmistosuunnittelun, ohjelmoinnin ja tietoturvan osaamisen tarve on lisääntynyt merkittävästi. Tämä on osaltaan aiheuttanut muutostarpeita automaatioalan koulutukseen alan oppilaitoksissa. Laajeneva teknologinen paletti ja sen omaksuminen tutkintoon johtavissa opinnoissa vaatii käytännön projekteja, joissa nämä eri teoriaopintojaksoilla läpikäydyt teknologian osa-alueet (ohjelmointi, automaatiojärjestelmät, mittalaitteet ja instrumentit ml. älykkäät laitteet, älykkyyden hajauttaminen, väylätekniikat…) löytävät paikkansa konkreettisessa kohteessa. Tässä artikkelissa esitellään Tampereen yliopiston ja Tampereen ammattikorkeakoulun automaatioalan koulutuksien yhteistyötä yhdenlaisen esimerkin kautta ja AMK-opiskelijoiden koulutuksen näkökulmasta. Tampereen yliopiston Hervannan kampuksella sijaitseva tislauskolonni on yli 30 vuotta palvellut opetus- ja tutkimuskäytössä automaatioalan opiskelijoita ja tutkijoita. Viimeisen 10 vuoden aikana sen automaatiojärjestelmää, laitteita ja väyläratkaisuja on uudistettu merkittävästi. Tislauslaboratorio on lisäksi liitetty osaksi laajempaa laboratorioverkostoa, joka käsittää muutamia yliopisto- ja korkeakoulukampuksia Suomessa. Verkosto laajenee edelleen. Tampereen ammattikorkeakoulun automaatioalan 4. vuosikurssin opiskelijat ovat vierailleet tislauslaboratoriossa tekemässä harjoituksia osana aineopintoihinsa kuuluvaa 5 opintopisteen laajuista opintojaksoa. Tutkimusaineistona on tässä käytetty opiskelijoilta kerättyä suullista ja kirjallista palautetta sekä opettajan muistiinpanoja eri toteutuksilta vuosilta 2015-2019. Vuonna 2020 emme päässeet laboratorioon sen ollessa suljettu Covid-19 -pandemian vuoksi. Aineiston analyysimenetelmänä on käytetty kevyttä versiota sisällönanalyysistä. Harjoituksen tavoitteena on ollut suunnitella osa tislauskolonnin ohjausjärjestelmästä. Muut osat järjestelmästä on annettu valmiina. Opiskelijat toteuttavat ryhmässä saamansa toiminnallisen kuvauksen perusteella ohjaussovelluksen virtauksen ja pinnankorkeuden säätimiin. Vuosittain nämä opiskelijoiden toteuttamat ohjaussovelluksen osat ovat hieman vaihdelleet ja konsepti samalla hioutunut, mutta pääperiaate ja tavoite on ollut sama. Harjoitus sisältää seuraavanlaiset osat:

1. Tehdään toteutussuunnitelma toiminnallisen kuvauksen ja muiden lähtötietojen pohjalta 2. Toteutetaan säätöpiirit ValmetDNA-suunnittelutyökaluilla 3. Tehdään moduulitestaukset suunnitteluympäristössä 4. Viedään testatut ja tarkastetut sovellukset prosessiasemalle 5. Testataan ja tehdään tarvittavat korjaukset 6. Viritetään säätimet käyttötarkoitukseen sopiviksi koeajon yhteydessä Tämänkaltainen ongelmaperusteinen oppiminen, joka muistuttaa todellista automatiojärjestelmän toimitusprojektia on motivoinut opiskelijoita paljon. Palaute on ollut lähes poikkeuksetta positiivista ja tämän kaltaisten harjoitteiden lisääminen koetaan mielekkääksi. Opiskelijat ovat mm. kertoneet oivaltaneensa tiettyjä säätötekniikkaan ja automaatiosuunnitteluun liittyviä asioita aivan uudella tavalla tässä harjoituksessa. Parannusehdotuksia on myös tullut ja niitä on käytettävissä olevien resurssien puitteissa otettu jo vuosien varrella käyttöön. Yksi isoimmista ongelmista on koettu olevan liian lyhyt aika, joka laboratoriossa on vietetty. Tästä johtuen tulevaisuudessa tavoitteena on hyödyntää tislauslaboratoriota entistä laajemmin ja toteuttaa projektityönä tiimeissä suurempi kokonaisuus sen ohjausjärjestelmästä. Tavoitteena on päästä myös hyödyntämään laajemmin laboratoriossa olevaa älykästä laitteistoa ja väyliä.

ABSTRACT. Engineering education needs to provide both theoretical knowledge and problem-solving skills. A traditional organization of the courses gives separate lectures and practical sessions. An advanced teaching scheme, which aimed to balance these goals by combining different teaching practices. The teaching scheme combines lectures, computer exercises, case studies, seminars and reports. Currently, the teaching periods at the universities are carried out remotely. This practice was already started in the spring 2020 and it will continue for many months. Learning management systems provide essential support for remote teaching. This research aims for adapting the advanced teaching scheme to the new period of remote teaching practices. Participating in the remote lectures are preferred and the lecture questions should be available during the lectures. The presentations should be divided into two or preferably three subtopics with a discussion period between. The seminars including presentations, opponent tasks and discussions are important in completing the sufficient material for the continuous assessment. The advanced teaching scheme can be adapted in the remote teaching. The continuous assessment combines all the parts of the learning results.

ABSTRACT. Pharmaceutical manufacturing is one of the most heavily regulated fields in automation industry. The regulatory requirements set for data accuracy and safety bring challenges to any new system design and implementation. This paper describes the evaluation of how OPC UA can provide some tools to make the pro-cess of system implementation easier.

ABSTRACT. Industrial production systems need data for their operations as well as for value-added services, such as condition monitoring and maintenance. When developing and applying new technologies one challenge is combining and integrating data and services efficiently. This paper gives a brief overview of two use cases in the Productive4.0 project and the main means implemented that improve use of data and developing analytics solutions using a unifying service architecture. The use cases are production monitoring of chain hoists and condition monitoring of vibrating screens.

ABSTRACT. In this paper we will see how that is realized using the latest optical and digital electronics technology. Our device is based on a quite ordinary digital camera sensor equipped with a unique electrically tuned optical interference filter based on Fabry-Perot etalon realized by MEMS, or more correctly MOEMS, technology. The prototype is controlled by a PC, but the goal is that the device should be made more portable by using an integrated circuit called FPGA-SoC to control it and especially to do the raw image processing fast and in an energy efficient way using an optimised pipeline computing architecture. Modern computers use most of the energy in moving information to/from memory. Keeping data within a pipeline while processing it eliminates data movements to/from memory to minimum, which means dramatic saving of energy when compared to data processing with both von Neumann or Harvard architecture processors. Only ASICs can be even more energy efficient but they are economically feasible only for mass products such as mobile phones, not typical scientific, clinical, or industrial devices. Also ASICs are prototyped, emulated, and tested by using FPGAs. Here we will concentrate on the hardware oriented programming of FPGA-SoCs for the prototype of a spectral camera.