Indirect monitoring of energy efficiency in a simulated chemical process

Abstract. Energy efficiency is an important part of chemical process sustainability. Wasted energy contributes significantly to process costs and overall emissions. Therefore, contributions to improving energy efficiency in chemical processes are of value. The main objective of this thesis is the exploration of indirect energy efficiency monitoring methods and their compilation into a generalized framework. As part of the proposed framework, data-based modelling methods were explored and used to identify a model for estimating energy efficiency in a simulated process. The proposed framework can act as a potential tool in different practical applications with energy efficiency improvements as an objective. As a simulated test process for this thesis, the Tennessee Eastman process was utilized. This process is widely used in research, especially regarding fault diagnosis and control design. The process includes slow dynamics and nonlinearity, providing interesting challenges for research. Even though the process has been studied extensively, the energy efficiency aspect of the process has not been taken into account in research. The results of the thesis show that data-based models provide sufficient accuracy for real-time estimation of energy efficiency for the Tennessee Eastman process. Parts of the proposed framework were tested with the explored methods, but some areas were beyond the scope of this thesis. As such, further research, for example prediction of the energy efficiency horizon, fault diagnosis and advanced process control, could be beneficial.Energiatehokkuuden epäsuora monitorointi simuloidussa kemiallisessa prosessissa. Tiivistelmä. Energiatehokkuus on tärkeä osa kemiallisen teollisuuden kestävyyttä. Energian käytön tehottomuus näkyy merkittävästi kasvavina prosessikustannuksina ja kokonaispäästöinä. Toimet energiatehokkuuden nostamiseksi ovat siksi merkityksellisiä. Diplomityön päätavoitteena on erilaisten epäsuorien energiatehokkuuden seurantamenetelmien tutkiminen ja niiden kokoaminen yleistettävään menetelmäkehykseen. Datapohjaisia mallinnusmenetelmiä tutkitaan osana esitettyä kehystä, ja niitä hyödynnetään energiatehokkuutta arvioivan mallin muodostuksessa. Esitetty menetelmäkehys voi toimia mahdollisena työkaluna erilaisissa käyttökohteissa, joissa energiatehokkuuden parantaminen on päämääränä. Tutkittavana kohteena diplomityössä käytettiin simuloitua Tennessee Eastman prosessimallia. Vaikka prosessia on tutkittu laajasti, energiatehokkuuden tarkempi tarkastelu on jäänyt vajaaksi. Simuloitua prosessidataa hyödynnettiin tässä työssä prosessin energiatehokkuuden mallipohjaisen arvion muodostuksessa. Työssä analysoitiin myös mallinnuksen luotettavuuteen vaikuttavia tekijöitä, kuten opetusdatan rajallisuutta ja siitä seuraavaa mallin ekstrapolointia. Diplomityön tulokset osoittavat, että Tennessee Eastman prosessin energiatehokkuuden reaaliaikainen arviointi datapohjaisilla menetelmillä onnistuu riittävällä tarkkuudella. Esitetyn menetelmäkehyksen osia testattiin tutkituilla menetelmillä, mutta jotkin alueet jäivät työn ulkopuolelle. Tulevaisuuden mahdollisiin tutkimusalueisiin kuuluukin energiatehokkuuden ennustaminen, vikadiagnostiikka ja niitä yhdistävä kehittynyt prosessisäätö

Ongelmaperustainen oppiminen sepelvaltimotautipotilaiden elämäntapaohjauksessa

Opinnäytetyömme koostuu ”Ongelmaperustaisen oppimisen ohjaajan opas sepelvaltimotautipotilaiden elämäntapaohjaukseen” tuotteistamisprosessista. Se sisältää tuotekehitysprosessin raportin ja kuvauksen valmiista oppaasta. Opas on tarkoitettu sepelvaltimotautipotilaan kuntoutuksen elämäntapaohjausta ohjaavien fysioterapeuttien käyttöön. Raportti osuus sisältää tietoa sepelvaltimotaudista ja sen vaikutuksesta toimintakykyyn sekä ongelmaperustaisesta oppimisesta. Käytimme sepelvaltimotautipotilaan toimintakyvyn kokonaisvaltaiseen kuvaamiseen ICF-luokitusta. Noudatimme työssämme tuotekehitysprosessin kulkua. Haimme tietoa kirjallisuudesta ja tutkimuksista, joista havaitsimme kehitystarpeen sepelvaltimotautipotilaiden elämäntapaohjaukseen. Rakensimme oppaamme yhdistämällä ongelmaperustaisen oppimisen periaatteet ja elämäntapaohjauksen tavaoitteet. Tuotekehityksen tueksi oppaan mallikappale testattiin yhteistyössä työelämäyhteistyökumppanin, Lapin Sydänpiiri ry:n edustajan kanssa. Esitestauksessa ohjaaja ohjasi kahta testiryhmää käyttäen opasta ohjauksen apuvälineenä. Selvitimme esitestauksessa oppaan toimivuutta videoimalla testitilanteet, haastattelemalla ohjaajaa sekä suorittamalla lomakekyselyn testiryhmille. Saamiemme tulosten pohjalta viimeistelimme oppaan. Esitestaus osoitti, että oppaamme antoi ohjaajalle valmiudet sepelvaltimotautipotilaan elämäntapaohjaukseen ongelmaperustaisen oppimisen menetelmällä. Esitestauksessa toteuttamamme tutkimuksellisen selvityksen aineiston perusteella saimme suuntaa antavaa näyttöä oppaamme soveltuvuudesta sepelvaltimotautipotilaiden elämäntapaohjauksen apuvälineeksi. Opas antaa fysioterapeutille käytännöllisen ja selkeän apuvälineen ohjaukseen sekä myös tutkitusti taloudellisen tavan toteuttaa ohjausta, eikä sen käyttäminen vaadi aikaisempaa kokemusta ongelmaperustaisesta oppimisesta. Tehtäväksemme jää vielä oppaamme ulkoasun muokkaaminen kaupallisemmaksi ja oppaan markkinoiminen. Jatkotutkimuksena ehdotamme oppaamme tuloksellisuuden selvittämiseksi tarkempaa ja laajempaa tutkimusta.Our thesis is about producing The tutor’s guidebook for guiding the lifestyle changes of the coronary artery disease patients in frame of the problem based learning. It includes both the report of the process of the product development and the description of the final product. The guidebook is meant to be used by physiotherapists who work in the area of coronary artery disease rehabilitation. The report includes both theory and research information about the coronary artery disease and its influence to the human functioning and information about the problem based learning. We used International Classification of Functioning (ICF) for comprehensive description of the functioning of a coronary artery disease patient. Our process followed the pattern of product development for producing our guidebook. During searching information from literature and studies we noticed that there is a need to improve lifestyle guiding of the coronary artery disease patient’s. We built our guidebook by combining the principles of the problem based learning and the goals of guiding the lifestyle changes. To enable the product development, first model of the guidebook was tested by our partner, the representative of the Lapin Sydänpiiri ry. Our partner guided two groups in the role of tutor using our guidebook. To evaluate our guidebook, we filmed the testing sessions, interviewed the tutor and used questionnaires for the test groups. By the test results we finished the guidebook. The testing of the guidebook indicated that our guide gave readiness to the tutor for guiding coronary artery disease patient’s lifestyle changes using problem based learning. By doing research during the testing sessions we got directional evidence that our guidebook is applicable as a tool for guiding coronary artery disease patient’s lifestyle changes. For a physiotherapist the guidebook provides a practical and a clear tool for guiding and the guiding is carried out with cost-effective method. Using guidebook won ́t require previous experience about problem based learning. Our intention is to commercialize the guidebook by modifying the outfit and marketing it. As follow-up research we propose researching the effectiveness of the guidebook as a tool for guiding the coronary artery disease patient’s lifestyle changes.Opinnäytetyön tuloksena syntynyttä tuotetta ei julkaista Theseuksessa

Azure Sentinel -palvelun SOAR-integraatio

Toimeksiantona oli kehittää integraatio Security Orchestration, Automation and Response (SOAR) -järjestelmän ja Azure Sentinel -palvelun välille. Integraation oli tarkoitus mahdollistaa Sentinelin muodostamien tietoturvatapahtumien valvonta SOARin keskitetystä hälytysjonosta Security Operations Centerissä (SOC). Työn tavoitteena oli mahdollistaa Sentinelin tietoturvapoikkeamien käsittely SOAR-järjestelmän kautta. Opinnäytetyö toteutettiin liitosohjelmiston kehitystyönä. Työssä kehitettiin SOARiin liitosohjelmisto, joka hakee tietoa Sentinelin tietoturvapoikkeamista Azure Sentinel REST API -ohjelmointirajapintaa hyödyntäen. Opinnäytetyön tietoperustassa esiteltiin kehitysongelma ja integroitavat palvelut sekä ohjelmiston kehityksessä käytettävä ohjelmointirajapinta. Toteutusvaiheessa esiteltiin liitosohjelmiston vaatimusmäärittely ja dokumentoitiin sen kehittämisprosessi sekä toteutetut testit. Kehitystyön tuloksena oli tuotantoon käyttöönotettu liitosohjelmisto SOARissa. Liitosohjelmistolla Sentineliin muodostuvat tietoturvapoikkeamat saadaan automaattisesti SOARin hälytysjonoon. Integraation ansiosta SOCin analyytikot voivat seurata Sentinelin tietoturvapoikkeamia keskitetystä SOARin hälytysjonosta, johon muodostuvat eri palveluiden tietoturvahälytykset. Liitos myös mahdollistaa Sentinelin tietoturvapoikkeaman tilan muuttamisen ja kommentoimisen SOARin kautta. Integraation ansiosta Sentinel-palvelun tietoturvapoikkeamia voi käsitellä saman käyttöliittymän kautta, josta muidenkin palveluiden muodostamia hälytyksiä käsitellään. Liitosohjelmiston avulla analyytikoiden ei tarvitse seurata kahden eri palvelun hälytysnäyttöjä. Opinnäytetyön takia tiimissä on kokemusta SOARin liitosohjelmiston kehittämisestä, joten tulevia palveluliitoksia varten ei tarvitse tehdä selvitystyötä liitosohjelmistojen toimintaperiaatteista.The assignment was to develop the integration between the Security Orchestration, Automation and Response (SOAR) system and the Azure Sentinel service. The purpose of the integration was to enable the monitoring of security incidents generated by Sentinel from SOAR’s centralized alert queue in the Security Operations Center (SOC). The objective of the thesis was to enable the handling of Sentinel’s security incidents through the SOAR system. The thesis was carried out as a software development work. A connector software was developed for SOAR, which retrieves incident information from Sentinel using the Azure Sentinel REST API. The theory section of the thesis introduced the development problem, the services to be integrated and the application programming interface used in the connector software. In the implementation section, the software’s specification of requirements and its development process was presented, and the implemented tests were documented. The result of the development work was the connector software at SOAR which was taken into production. Sentinel’s security incidents are automatically fetched by the connector software which creates alerts from them into SOAR’s alert queue. Thanks to the integration, SOC analysts can monitor Sentinel’s security incidents from a centralized alert queue in SOAR where all the alerts from different sources are shown. The connector software also allows changing the status of Sentinel’s incident and commenting it through SOAR. The integration enables handling Sentinel’s security incidents through the same graphical user interface from where the alerts generated by other sources are handled. This simplifies the work of SOC analysts as they do not have to monitor alarm queues of two different services. Due to the development process of the software, Security Operations Center now has experience in the development of connector software for SOAR. Therefore, future integrations will be easier to develop because the team already has experience with the operational principles of connector software for SOAR

Kokeellisen datan käsittely ja analysointi R:llä

Työn tavoitteena on tutkia ja käyttää R-ohjelmistoympäristön eri vaihtoehtoja kokeellisen datan käsittelyyn ja analysointiin. Esiteltyjä asioita voidaan käyttää R:n monipuolisimpien menetelmien pohjatietoina sekä R:stä kiinnostuneelle aloittelijalle toimivana oppaana. Työssä esitellään R:n peruskäyttöä, peruskomennot datan tuontiin ja tallentamiseen ja peruskomentoja aineiston muokkaamiseen. Aineistoja voidaan haluttaessa kuvata erilaisilla graafisilla kuvaajilla. Työssä esitellään, miten useita erilaisia kuvaajia voidaan R:llä piirtää. Lisäksi kerrotaan hieman mahdollisista satunnaisaineistojen luomisesta R:llä. Kokeellisen datan käsittelyssä voidaan analysoida aineistoja erilaisilla tilastollisilla tunnusluvuilla ja käyttää graafisia menetelmiä aineistojen muuttujien tutkimiseen. Regressioanalyysillä voidaan tutkia eri muuttujien riippuvuuksia ja muodostaa malleja, joilla aineiston lähtömuuttujaa voidaan ennustaa. Residuaaleja tutkimalla voidaan löytää puutteita muodostetussa mallissa

Development of a surrogate-model based energy efficiency estimator for a multi-step chemical process

Abstract Energy efficiency is increasingly being considered as a critical measure of process performance due to its importance both in production costs and in environmental footprint. In this work, an indirect energy efficiency estimator was developed for the Tennessee Eastman (TE) benchmark process for the first time. The TE model was first modified to provide the reference values of energy efficiency. A sophisticated model selection scheme was then applied to build the surrogate-model. The results indicate reasonable model performance with mean absolute prediction error around 1.7%. The results also highlight the limitations present in the training set, which are, together with other practical implementation issues, discussed in this work

Comparison of Single Control Loop Performance Monitoring Methods

Well-performing control loops have an integral role in efficient and sustainable industrial production. Control performance monitoring (CPM) tools are necessary to establish further process optimization and preventive maintenance. Data-driven, model-free control performance monitoring approaches are studied in this research by comparing the performance of nine CPM methods in an industrially relevant process simulation. The robustness of some of the methods is considered with varying fault intensities. The methods are demonstrated on a simulator which represents a validated state-space model of a supercritical carbon dioxide fluid extraction process. The simulator is constructed with a single-input single-output unit controller for part of the process and a combination of relevant faults in the industry are introduced into the simulation. Of the demonstrated methods, Kullback–Leibler divergence, Euclidean distance, histogram intersection, and Overall Controller Efficiency performed the best in the first simulation case and could identify all the simulated fault scenarios. In the second case, integral-based methods Integral Squared Error and Integral of Time-weighted Absolute Error had the most robust performance with different fault intensities. The results highlight the applicability and robustness of some model-free methods and construct a solid foundation in the application of CPM in industrial processes

Comparison of single control loop performance monitoring methods

Abstract Well-performing control loops have an integral role in efficient and sustainable industrial production. Control performance monitoring (CPM) tools are necessary to establish further process optimization and preventive maintenance. Data-driven, model-free control performance monitoring approaches are studied in this research by comparing the performance of nine CPM methods in an industrially relevant process simulation. The robustness of some of the methods is considered with varying fault intensities. The methods are demonstrated on a simulator which represents a validated state-space model of a supercritical carbon dioxide fluid extraction process. The simulator is constructed with a single-input single-output unit controller for part of the process and a combination of relevant faults in the industry are introduced into the simulation. Of the demonstrated methods, Kullback–Leibler divergence, Euclidean distance, histogram intersection, and Overall Controller Efficiency performed the best in the first simulation case and could identify all the simulated fault scenarios. In the second case, integral-based methods Integral Squared Error and Integral of Time-weighted Absolute Error had the most robust performance with different fault intensities. The results highlight the applicability and robustness of some model-free methods and construct a solid foundation in the application of CPM in industrial processes