POHJOIS-KARJALAN AMMATTIKORKEAKOULU Tietotekniikan koulutusohjelma Elmo Romppanen PKAMK:n vesiprosessin kokeellinen mallinnus LabView-työkalulla Vaatimusmäärittely Kesäkuu 2011
SISÄLTÖ 1 JOHDANTO... 3 2 TOIMINNALLISET VAATIMUKSET... 6 2.1 Prosessin toiminnot... 6 2.2 Liitännät... 6 2.3 Ympäristötekijöiden vaikutus toimintoihin... 6 2.4 Kehitysympäristö... 7 3 AIKATAULU... 7 3.1 Karkea aikataulu... 7 3.2 Projektiorganisaatio... 7 4 RAKENTEELLISET VAATIMUKSET... 8 4.1 Prosessin rakenne... 8 4.2 Ulkonäkö... 8 5 YMPÄRISTÖVAATIMUKSET... 9 6 TURVALLISUUSVAATIMUKSET... 9 7 KÄYTETTÄVYYSVAATIMUKSET... 10 7.1 Asennusvaatimukset... 10 7.2 Luotettavuusvaatimukset... 10 7.3 Huolto... 11 8 KUSTANNUSVAATIMUKSET... 11
3 1 JOHDANTO Tässä dokumentissa on kuvattu vaatimukset vesiprosessille. Tätä projektia tehdään yhteistyössä koululla olevan harjoittelijan kanssa. Työn tavoitteena on kehittää vesiprosessia, joka vastaisi nykyaikaisia opetusmenetelmiä. Työn keskeisenä tavoitteena on kuvata LabView system identification toolbox:n avulla vesiprosessista luotua säätöjärjestelmän mallia, esimerkiksi valumaveden säätöä. Prosessi tulee ammattikorkeakoulun opetuskäyttöön. Kuva 1. Prosessi osa 1
Kuva 2. Prosessi osa 2 4
Kuva 3. Prosessi osa 3 5
6 2 TOIMINNALLISET VAATIMUKSET 2.1 Prosessin toiminnot Pumpun ja venttiilien avulla prosessiin syötetään ja siinä kierrätetään vettä. Säiliöitä käytetään hyväksi veden kierrätyksessä ja esimerkiksi valumaveden mittaamisessa. Prosessissa on lämpötilan-, virtauksen ja pinnankorkeuden mittausanturit. Kokonaisprojektissa pyritään saamaan toimiva kokonaisuus, jossa keskitytään aluksi yhden kierron tutkimiseen, mallintamiseen ja testaamiseen. Tavoitteena on toteuttaa ja testata PKAMK:n vesiprosessin mallinnusta LabView- työkaluilla ja erityisesti sen System Identification Toolboxtyökalulla. Työssä kehitetään olemassa olevaa vesiprosessia siten, että sillä pystytään mallintamaan kokeellisesti ensimmäisen tai toisen kertaluvun vesiprosesseja. Valumavettä mallinnetaan toiseen säiliöön jolloin mallista tulee toisen asteen yhtälö. Työn tuloksena syntyy mittausohjeita, mallinnusohjeet sekä matemaattiset mallit aluksi yhdelle prosessin kierrolle ja säiliölle sekä niitä yhdistäville pumpuille ja putkille.. Lisäksi työssä kehitetään vesiprosessille web- etäkäyttöliittymä LabView- palvelin toiminnoilla. Lisäksi jos aikaa jää niin tehdään palvelinsovellus prosessin pyörittämistä varten. 2.2 Liitännät Prosessin liitäntöjä kehitetään siten, että laitekokonaisuudessa olevia mittaus- ja analyysilaitteita voidaan käyttää muuhun opetuskäyttöön, esimerkiksi lukkotesteriin. Näin prosessia voidaan käyttää laajemmin opetuksessa. 2.3 Ympäristötekijöiden vaikutus toimintoihin Prosessi suunnitellaan käytettäväksi normaali sisäolosuhteissa ja rajoituksena prosessin käytölle on ainoastaan se, että prosessin täytyy olla tasaisella ja sitä ei pystytä siirtämään yhdessä nesteprosessin ja mittausantureiden kanssa.
7 2.4 Kehitysympäristö Kehitysympäristönä toimii LabView2010-ohjelma. Hyväksi käytetään myös Simatic Manager ja Logo-comfort ohjelmia. 3 AIKATAULU 3.1 Karkea aikataulu Kuvassa 1 esitetään projektin karkea aikataulu. Kuva 4. Karkea aikataulu 3.2 Projektiorganisaatio Projektin ohjaajana toimii Jussi Kuosa ja Apuna projektissa toimii ammattikorkeakoulun harjoittelija Antti Haapalainen. Projektiorganisaation rakenne näkyy kuvasta 2.
8 Kuva 5. Projektiorganisaatio 4 RAKENTEELLISET VAATIMUKSET 4.1 Prosessin rakenne Prosessin toimilaitteita ovat kiertovesipumput taajuusmuuttajalla ja anturit, ohjauslaitteena ohjelmoitavalogiikka ja lisäksi prosessiin sisältyy sähkösyöttöjä ja johdotuksia. Prosessissa on myös säiliöitä, joihin pyritään mallintamaan erilaisia kiertoja. Prosessia ohjataan LabView-ohjelman avulla. Projektiin liittyviä osa-alueista ovat esimerkiksi Labview-mittausohjelmisto, Labviewmallinnustyökalu, prosessi, prosessimittaukset ja langattomat mittaukset. 4.2 Ulkonäkö Prosessi ja siihen liittyvä mittauslaitekehikko on rakennettu jo aiemmin valmiiksi, joten sitä ei tarvitse lähteä uudelleen rakentamaan. Prosessia ei kui-
9 tenkaan pystytä siirtämään laboratoriosta toiseen, koska vesiprosessissa olevia säiliöitä ei voida liikuttaa. Prosessin laitteisto on kuitenkin suunniteltu siten, että sitä voidaan liikutella, koska se on rakennettu pyörälliseen telineeseen. Telinettä ei voida kuitenkaan liikutella paljoa, koska säiliöiltä tulevat antureiden johdotukset eivät riitä kovin pitkälle matkalle, tämä voidaan ratkaista kuitenkin helposti erilaisilla liittimillä. Ulkonäöllisesti prosessia pyritään siistimään. Prosessiin kiinnitetään tarvittavat merkinnät, joita tarvitaan prosessin käyttämiseen turvallisesti. Kehikkoon voidaan kuitenkin joutua lisäämään esimerkiksi johtokouruja ja jonkinlainen alusta tietokonetta varten. Myös jännitelähteille tehdään alustat joille ne voidaan asettaa, että ne saadaan pois lattialta. 5 YMPÄRISTÖVAATIMUKSET Prosessia käytetään aina sisätiloissa ja normaalilämpötilassa. Prosessia käytetään laboratoriossa, jossa olosuhteet ovat samanlaiset lähes aina, joten prosessille ei aseteta erityisiä lämpötila-, kosteus tai muita olosuhteiden muutoksista johtuvia vaatimuksia. Tilassa tulee olla myös viemäri, että vesivahinkoa ei pääse syntymään. Prosessista täytyy kuitenkin olla sellainen, että se ei häiritse muita laboratoriossa olevia laitteita. Prosessi ei saa myöskään melullaan haitata opetusta. 6 TURVALLISUUSVAATIMUKSET Prosessin kosketeltavien pintojen tulee olla sellaisia, ettei niistä aiheudu vammoja laitteiden käyttäjille, kuten sähköiskuja tai haavoja. Myös prosessin johdotuksien siistimisellä pyritään estämään käyttäjän aiheuttamia vahinkoja. Johdotuksia siistimällä pystytään välttämään niihin takertumiset ja kompastumiset. Lisäksi prosessia käytetään ainoastaan vikavirtasuojan kautta, jolloin vältytään vaarallisilta sähköiskuilta. Ja koska tehdään töitä veden kanssa, niin lattialla ei saisi olla jännitelähteitä. Jännitelähteet pyritään suojaamaan vedeltä.
10 7 KÄYTETTÄVYYSVAATIMUKSET 7.1 Asennusvaatimukset LabView2010-ohjelmasta tehdään asennuksen aikana selkeät asennusohjeet joita seuraamalla ohjelma voidaan tulevaisuudessakin asentaa. Myös web-sovelluksen teosta tehdään ohjeet, kuten myös mallinnustyökalun käytöstä. Prosessin johdotukset siistitään ja johdotukset ryhmitellään ja niistä tehdään selkeitä nippuja. Johdot merkitään, jotta huoltaminen ja niiden seuraaminen olisi helpompaa. 7.2 Luotettavuusvaatimukset Jos opetuskäytössä ole laitteet rikkoutuvat, niin tarkoittaa se pahimmassa tapauksessa sitä, että oppitunteja ei voida pitää rikkinäisten laitteiden takia. Tästä johtuen prosessin olisi oltava luotettava ja laitteiden kestäviä. Prosessin elinikää ja kestävyyttä voidaan pidentää pitämällä prosessi siistinä ja helposti huollettavana. Eri ohjeistuksia tehdessä tulee eri vaiheista ottaa paljon screenshotteja jotka tukevat hyvin ohjeiden selkeyttä. Ohjeita tehdessä on oltava tarkkana, koska muiden on pystyttävä tekemään samat asiat syntyneiden ohjeiden avulla. Prosessista saatavat mittaukset tulee olla myös mahdollisimman tarkkoja ja luotettavia. Mittaukset tulee skaalata oikein, jotta mallinnus olisi sitten mahdollisimman tarkka. Myös langattomat mittaukset tulee toimia oikein ja tarkasti. Myös web-käyttöliittymän tulee olla vakaa, jotta yhteys ei pätki koko ajan.
11 7.3 Huolto Varsinaista huoltoa tehtävään työhön ei tarvitse tehdä, mutta esimerkiksi puhtaaksi piirretyt dokumentit helpottavat huoltoa johdotuksien ja laitteiden osalta, jolloin vianetsintä helpottuu ja nopeutuu selvästi. 8 KUSTANNUSVAATIMUKSET Suurin osa laitteistosta löytyy jo koululta, mutta jotain joudutaan projektiin kuitenkin hankkimaan, kuten jännitteellä ohjattava pumppu ja releitä. Työssä monistetaan jo olemassa oleva prosessi langattomilla mittauslaitteilla identtisesti ja tätä varten joudutaan hankkimaan langaton mittausjärjestelmä. Suurin kustannus projektissa tulee olemaan LabView-ohjelmaan hankittava lisenssi. Koulu on ollut jo aiemmin aikeissa hankkia päivityksen, mutta nyt hankinta laitetaan uudestaan vireille, koska LabView on tärkeä ohjelmisto opetuksen kannalta ja oppilaitoksen opetusvälineet saadaan näin päivitettyä yritysten vaatimusten tasolle.