AUTOMAATIOTEKNIIKAN OPETUS JA OPETUSSUUNNITELMAT AMMATTIKORKEAKOULUISSA

AUTOMAATIOTEKNIIKAN OPETUS JA OPETUSSUUNNITELMAT AMMATTIKORKEAKOULUISSA Opinnäytetyö Ammatillinen opettajankoulutus 2008 Matti Pitkälä 1

HÄMEEN AMMATTIKORKEAKOULU Ammatillinen opettajakorkeakoulu Ammatillinen opettajankoulutus Korkeakoulunkatu 6 13100 HÄMEENLINNA OPINNÄYTETYÖ Työn nimi Automaatiotekniikan opetus ja opetussuunnitelmat ammattikorkeakouluissa Tekijä Matti Pitkälä Hinaajakatu 8 A 1 15400 Lahti Tilaaja Lahden ammattikorkeakoulu Tekniikan laitos PL 207 03-828 19 Ohjaaja Viljo Holopainen Hyväksytty 2

HÄMEEN AMMATTIKORKEAKOULU Ammatillinen opettajakorkeakoulu TIIVISTELMÄ PV07 Päijät-Häme2 Tekijä Matti Pitkälä Vuosi 2008 Työn nimi Automaatiotekniikan opetus ja opetussuunnitelmat ammattikorkeakouluissa TIIVISTELMÄ Tämä tutkimus on tehty ammatillisen opettajankoulutuksen opinnäytetyönä. Olen opettanut laboratorioinsinöörin toimessa yli 20 vuotta kappaleenkäsittelyautomaatioon liittyviä kursseja insinöörikoulutuksessa. Elokuussa 2007 toimenkuvani muuttui automaatiotekniikan lehtoriksi. Tavoitteenani tässä päättötyössä on ollut hankkia laajempi kokonaiskuva automaatiotekniikan opetuksesta ammattikorkeakouluissa ja miettiä opetussuunnitelmien osalta järkeviä kokonaisuuksia, koska kaikkea ei voida automaatiotekniikan osalta opettaa jokaisessa koulutusohjelmassa. Eräs syy aiheen valitsemiseen oli myös alan johtavan ammattilehden huoli nykyisestä sekavasta ja hajanaisesta automaatiotekniikan opetuksesta insinöörikoulutuksessa. Ensimmäisenä tavoitteena oli saada selville opetussuunnitelmien muodossa automaatiotekniikkaan liittyvät kurssit ja millä koulutusohjelmilla ja missä ammattikorkeakouluissa niitä opetetaan. Näistä on myös luotu tietokannat, joista selviää eri koulutusohjelmissa opetettavat automaatiotekniikkaan liittyvät kurssit sekä näiden sisällöt, tavoitteet, opetusmenetelmät ja opetuksessa käytettävät oppikirjat sekä muu materiaali. Toisena tavoitteena on antaa selkeä kuva automaatiotekniikan rakenteesta ja luoda malli automaatiotekniikan hierarkkisesta ja järkevästä jaottelusta, mihinkä voitaisiin automaatiotekniikan opetusta sitten aikanaan perustaa. Työn tuloksena syntyi myös ehdotuksia eri koulutusohjelmille omassa oppilaitoksessa annettavassa automaatiotekniikan opetuksessa. Aikaa vievin osio on ollut opetussuunnitelmien analysointi ja tietokannan luominen. Mutta tämä työ on helpottanut itse kirjallisen tuotoksen tekemistä ja ennen kaikkea ajatustyötä järkevästä automaation jaottelusta opetusta varten. Tämä päättötyö palvelee tavallaan sekä oman ammatillisen asiantuntijuuden kehittämisessä että ammatillisen opettajuuden kehittämisessä. Opetussuunnitelmia analysoidessa syntyi myös ajatus siitä, miten omassa laitoksessa toteutettava projektioppimisen malli opetussuunnitelmien osalta täytyisi toteuttaa. 3

Jokaisen opettajan täytyisi mielestäni paneutua koko opintosuunnan kaikkien kurssien opetussuunnitelmiin, koska muuten toteutus jää heikolle pohjalle. Asiasanat Sivut Automaatiotekniikka, opetus ja opetussuunnitelmat sekä ammattikorkeakoulu 51 s. (tietokannat: http://tl-automaatio.lpt.fi/automaatio/automkurssit.asp) 4

SISÄLLYSLUETTELO 1. JOHDANTO... 6 2. AUTOMAATIO JA SEN KÄSITTEET... 9 2.1 Historiaa ja taustaa... 9 2.2 Automaatioon liittyviä määritelmiä... 11 2.3 Prosessiautomaatio... 13 2.4 Kone- eli kappaleenkäsittelyautomaatio... 15 2.5 Tuotesuunnitteluautomaatio... 17 2.6 Automaattinen tuotannonohjaus... 18 2.7 Hallintoautomaatio... 18 2.8 Ympäristöteknologian automaatio... 19 2.9 Kiinteistö- ja kunnossapitoautomaatio... 19 2.10 Muu automaatio... 20 3. ONGELMAN KUVAUS... 21 3.1 Automaatioalan koulutuksen historiaa... 21 3.2 Automaatioinsinöörin koulutus... 22 3.3 Automaatioalan opetus muussa insinöörikoulutuksessa... 24 3.4 Ongelma... 26 4. TUTKIMUSTA JA SELVITYSTÄ... 26 4.1 Uudet teknologiavirtaukset automaatiossa... 26 4.2 Teknologiaopetus peruskouluissa ja lukioissa... 28 4.3 Automaatioalan opetussuunnitelmia ammattikorkeakouluissa... 29 4.4 Lahden ammattikorkeakoulun Tekniikan laitoksen automaatio-opetus... 32 5. JOHTOPÄÄTÖKSET JA KEHITYSIDEAT... 36 5.1 Opetussuunnitelmassa olevat kurssit... 36 5.2 Toteutusehdotuksia Lahden ammattikorkeakoulun Tekniikan laitoksen automaatio-opetukseen... 39 5.3 Käytännön opetustyön toteutus automaatiotekniikan kursseissa... 43 6. LÄHTEET... 47 7. LIITTEET... 48 5

1. JOHDANTO Automaatiotekniikka on nykyään välttämätöntä kaikilla teollisuuden aloilla. Automaatiota käytetään teollisuuden prosessien, energianhallinnan sekä tuotannon valmistuslinjojen ohjauksessa ja valvonnassa. Teollisuuden lisäksi automaatiota esiintyy myös monissa arkipäivän sovellutuksissa. Automaatiotekniikan osaamisaloja ovat erilaiset mittaukset, ohjaukset, säätötekniikat sekä modernit järjestelmät kuten ohjelmoitavat logiikat, PC-valvomot ja hajautetut automaatiojärjestelmät sekä robotit. Pääkirjoitus johtavassa automaatioalan ammattilehdessä arvosteli voimakkaasti Suomen kouluissa järjestettävää automaatioalan koulutusta. Tämä kirjoitus jäi itselleni vahvasti mieleen ja sai minut valitsemaan aiheeksi omalle päättötyölle automaatiotekniikan opetus- ja opetussuunnitelmat Suomen ammattikorkeakouluissa. Lehden pääkirjoituksen mukaan automaatiokoulutuksen tulisi ryhdistäytyä ja vielä nopeasti. Omassa tutkimuksessa sain kerättyä 24 koulutusohjelman opintosuunnitelmat koskien automaatiotekniikan opetuskokonaisuuksia eri ammattikorkeakouluissa. Näissä opetetaan eri nimikkeillä noin 140 kurssia, jotka jotenkin tai täysin sivusivat automaatiotekniikkaa. Johtopäätöksenä voidaan yleistää valitettava totuus, että monessa oppilaitoksessa opetetaan asioita siis sen mukaan, mitä opettajat osaavat ja sen perusteella kehitetään uusi kurssinimike. Vaikeutena automaatiotekniikan kokonaiskuvan luomisessa on, että se on erittäin laaja alue, eikä ole olemassakaan henkilöitä, jotka osaisivat ja hallitsisivat edes lähes kaiken tarpeellisen. Itse aloitin selvitystyön siten, että loin tietokannat ammattikorkeakouluista, joissa on automaatiotekniikan opetusta sisältäviä koulutusohjelmia. Automaatiotekniikkakurssien tietokannoissa selviää kurssin laajuus, sisältö, tavoitteet, opetusjärjestelyt ja oppimateriaalit. Lähtökohtana omassa kehitysideassa on ensin jakaa itse automaatiotekniikka järkeviksi kokonaisuuksiksi, jotka vastaavat tämän päivän tarpeita. Seuraavaksi tein oman oppilaitoksen eli Lahden ammattikorkeakoulun Tekniikan laitoksen osalta ehdotukset automaatiotekniikan opetuksen kehittämisestä eri koulutusohjelmissa. Automaatioväylän pääkirjoituksessa helmikuussa 2007 kehotettiin perusteelliseen itsetutkiskeluun jokaisessa koulutusyksikössä, joissa jossakin muodossa opetetaan automaatiotekniikkaa. Koulutuksen tason nähdään laskeneen viime vuosina jopa hälyttävästi ja nyt yrityksiin saapuu oppilaitoksista hakijoita, jotka täytyisi saman tien laittaa koulutukseen, jotta heistä olisi yritykselle edes jotakin hyötyä. Itse myös uskon asian olevan usein näin, koska ammattikorkeakoulujen opetustunnit on ajettu minimiin verrattuna esimerkiksi aikanaan teknillisissä opistoissa annettuun 6

koulutusmääriin. Itse näkisin tärkeänä, että oppilaitoksissa keskityttäisiin syvällisesti joihinkin automaatiotekniikan kursseihin, jotta opiskelijat mennessään työelämään voivat itse todeta osaavansa jotakin riittävän hyvin. Itselleni oli myös helppo yhtyä tätä työtä tehdessä lehden toteamaan, että koulutus tapahtuu useissa oppilaitoksissa liian pitkälle ainoastaan koulujen omien resurssien puitteissa välittämättä todellisista yritysmaailman tarpeista. Myös uusimmassa Automaatioväylän (2/2008) lehdessä Tekesissä työskentelevä Pekka Yrjölä näkee yhdeksi seitsemästä suomalaisen automaation kuolemansynniksi selkeytymättömän koulutuksen. Hänen mukaansa koulutusta pitäisi kohdentaa vielä selkeämmin syventämällä osaamista. Hänen mukaansa tiedekorkeakouluissa tilanne on parempi kuin ammattikorkeakouluissa, joihin kuitenkin on hyvin hakijoita automaatioalan koulutukseen. Prosessiteollisuushan on selkeästi automaatioala ja viime aikoina esimerkiksi paperiteollisuuden tehtaita Suomessa on lopetettu. Tästä huolimatta nämä suhdanteet eivät ole vaikuttaneet automaatiotekniikan koulutuksen suosioon samalla tavoin kuin tietotekniikan koulutuksen yhteydessä on tapahtunut. Ammattikorkeakoulujen automaatiotekniikan paikat ovat oppilaitosten mukaan täyttyneet tasaisen varmasti. Minulla on 25 vuoden kokemus enkä muista yhtään vuotta, jolloin opetusryhmä olisi jäänyt liian pieneksi, kuvaa Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulun yliopettaja Paul Isaksson tilannetta. Oulun ammattikorkeakoulun tekniikan osaston osastonjohtaja Heikki Kurki pistää paremmaksi. Jos suosion mittarina pidetään hakijoiden määrää suhteessa koulutuspaikkoihin, automaatiotekniikan koulutus on tekniikan koulutusyksikön vetovoimaisin. Kurki uskoo, että suosiota selittää kohtalaisen hyvän työllisyystilanteen lisäksi tarjolla olevien töiden monipuolisuus. Hyvän tilanteen takana on lisäksi seudulla oleva alan teollisuus. Merkitystä on myös sillä, että Oulun ammattioppilaitoksessa, josta tulee puolet automaatiolinjan opiskelijoista, koulutetaan sähkö-, automaatio-, instrumentointi- ja sähkötekniikan ammattilaisia. Koulutusohjelmaa on vedetty Oulussa kolme vuotta automaatiotekniikan nimikkeellä. Vuodesta 1996 vuoteen 1999 se oli yhtenä suuntautumisvaihtoehtona tietotekniikan koulutusohjelmassa, ja sitä ennen Oulussa opiskeltiin mittaus- ja säätötekniikkaa. (Wahlström 2008, lehtiartikkeli.) Pohjois-Savon ammattikorkeakoulun tekniikan osastonjohtajan Kullervo Hirvosen mukaan automaatiokoulutuksen julkisuuskuva on erilainen kuin tietotekniikan, vaikka automaatiotekniikalla on tietotekninen perusta. Automaatiotekniikka katsotaan informaatiotekniikan osa-alueeksi, mutta siltä puuttuu Hirvosen mukaan tietotekniikan hypeosa. Hirvonen työskentelee Varkauden yksikössä. Tietoteknisestä luonteestaan huolimatta alan opetus ei ole muuttunut pelkiksi simuloinneiksi, vaan käytännön tuntuma on edelleen koulutuksen arkea. Tietokoneavusteinen 7

opetus on Hirvosen mahdollista lähes kaikissa ammattiaineissa, mutta tavoitteena oppilaitoksella on kuitenkin tehostaa opetusta siten, että opettaja on oppilaiden mukana. Oulussakin virtuaaliopetuksella on Kurjen mukaan oma roolinsa ja useita simulointimalleja on käytössä, mutta oppilaitoksen tavoitteena on ensisijassa luoda laboratorioon samanlainen ympäristö ja laitteet kuin nykypäivän teollisuudessa on. Virtuaalisovelluksilla on oma roolinsa, mutta me haluamme antaa opiskelijoille konkreettisen tuntuman keskeisistä ammattiasioista. Näin kynnys työelämään siirryttäessä mataloituu. Keski-Pohjanmaan ammattikorkeakoulussa Kokkolassa tietokonepohjaista on miltei kaikki mitä tehdään. Automaatiokoulutus ja automaatioalakaan eivät ole yksiselitteisiä. Suomen automaatioseuran koulutustoimikunnan puheenjohtajan Juha Karin mukaan seura haluaisikin saada selvyyden automaatioalan koulutustilanteesta: missä koulutusta on saatavissa ja mitä se pitää sisällään. Automaatiokoulutus on hyvin pirstaloitunutta. Alalle koulutetaan hyvin monella nimikkeellä, ja automaatio liittyy moneen alaan. Prosessiteollisuus on selkeästi automaatioala, mutta automaatiokoulutusta annetaan muun muassa koneinsinöörikoulutuksessa. Voidaan myös kysyä, onko puhelinalan koulutus automaatiokoulutusta tai onko puhelininsinööri automaatioinsinööri. (Hallikainen 2003, lehtiartikkeli.) Automaation osuus tulevaisuuden tuotannossa tulee kasvamaan edelleen. Mielestäni eräs keskeinen alue on robotiikka, jota opetetaan yllättävän suppeasti ammattikorkeakouluissa. Lahden ammattikorkeakoulun Tekniikan laitoksessa on robotiikka otettu yhdeksi strategiseksi keskipisteeksi, mikä on tapahtunut juuri alueen yritysten toivomuksesta. Robotiikkalaitteisiin on omassa laitoksessa panostettu hyvin ja uusimpana hankkeena on tänä vuonna toteutumassa uuden opetusrobottisolun valmistuminen vanhempien solujen yhteyteen. Lisäksi tähän on osoitettu henkilöresursseja. Ilolla onkin todettava oman oppilaitoksen kehittävän automaatiotekniikan asioita juuri oikeaan suuntaan, kunhan nämä asiat vielä huomioidaan uusien opetussuunnitelmien teossa, joita juuri tätä kirjoittaessa ollaan tekemässä. Automaatiotekniikka on erittäin nopeasti kehittyvä ja laajeneva ala. Siihen kuuluvat yleisesti prosessi- ja kappaletavarateollisuuden digitaaliset automaatio- ja ohjausjärjestelmät ja niihin liittyvät mittaus- ja toimilaitteet. Tekniikan kehittymisen vuoksi automaatio sisältää paljon erilaisia älykkäitä, pieniä järjestelmiä, erikoismittalaitteita, ohjaus- tai säätökokonaisuuksia sekä yksikkösäätimiä. Automaatio sisältää myös PC-pohjaisia kunnossapitojärjestelmiä ja muita eri järjestelmiä, joiden keskinäinen kommunikointi ja integrointi ovat välttämättömiä. Tiedonsiirron ja tietokantojen hallinta kehittyy nopeasti ja langaton automaatio, Internet ja intranet yleistyvät sekä uusissa että vanhoissa sovelluksissa. Kappaletavara-automaatiossa joustavien valmistusjärjestelmien myötä on syntynyt tarvetta ohjata kokonaisia linjoja, soluja ja solujen välistä 8

yhteistoimintaa. Koneiden ja automaation läheisyys on johtanut laajaan tuotekehitystoimintaan, koneiden ominaisuuksien ja käytettävyyden lisääntymiseen sekä tuotteiden laadun parantumiseen. Nämä uudet suuntaukset asettavat omat lisävaatimuksensa myös koulutukselle. 2. AUTOMAATIO JA SEN KÄSITTEET 2.1 Historiaa ja taustaa Englantilainen sana "automation" lausuttiin ensimmäisen kerran 1948. Fordin johtaja Delmar S. Harder käytti sitä silloin mekanisoidun koneen ja elektroniikkaohjauksen yhdistelmästä. Sanan perustana oleva käsiterakennelma on paljon vanhempaa alkuperää, sillä sanaa automaatti (kreikaksi automatos, itsestään liikkuva) alettiin käyttää ranskan kielessä jo 1500-luvulla osoittamaan ihmisen koskematta toimivia laitteita, kuten kelloja. Eri kulttuurien ihmiset ovat aina olleet kiinnostuneita itsestään toimivista laitteista. Sana automaatio tuli muodossa automatisointi jo 1800-luvulla yleiseen käyttöön ja on edelleenkin monessa kielessä sanan ainoa hyväksyttävä muoto. Muodolla automaatio on nimittäin liian sosiaalispoliittis-lehtimiesmäinen painolasti (Ruotsi, Ranska, Saksa). Automaation nykyiset pitkälle kehittyneet ilmenemismuodot ovat tietokonejärjestelmät, esimerkiksi yritysten teknisissä tai hallinnollisissa tehtävissä, prosessiautomaatiojärjestelmät, esimerkiksi paperikoneen käynnistäjänä ja sen laaduntuottotoiminnan ohjaajana, tai tehdasautomaatiojärjestelmät. (Aaltonen & Andersin 1992, 10 11.) Voidaan todeta, että lähes kaikilla automaation ilmenemismuodoilla on yhteiset perusrakenneosat, joilla on melko vanhat juuret: Kyky suorittaa aritmeettis-loogisia toimintoja: Blaise Pascalin mekaaninen laskukone 1642. Säätösilmukan eli takaisinkytkennän periaate: James Wattin höyrykoneeseen liitettiin hänen vuonna 1788 patentoimansa, keskipakoisvoimaan perustuva kierrosnopeuden säätölaite eli mitä nopeammin höyrykone pyörii sitä vähemmän höyryä se saa ja päinvastoin. Ohjelmoinnin periaate: Joseph Marie Jacquardin reikäkorttiohjelmoitu kutomakone 1800-luvun alkuvuosilta: kutomakone kutoo kuvioita kankaaseen reikäkortteihin lävistetyn ohjelman mukaisesti. Anturit tilanteiden ja tilojen automaattista mittaamista varten. Toimilaitteet sekä venttiilit, joiden avulla pystyttiin säätelemään energia- ja materiaalivirtoja. 9

Englantilainen professori Charles Babbage yhdisti 1830-luvulla aritmeettisloogisen kyvyn ja ohjelmoinnin periaatteen maailman ensimmäisessä reikäkorttiohjatussa tietokoneessa, mutta projekti jäi silloisen tekniikan kehittymättömyyden vuoksi kuitenkin piirustusasteelle. Hänen suunnitelman ja ensimmäisen toimivan tietokoneen syntymisen välinen aika oli 100 vuotta, sillä 1930-luvun loppuvuosina saksalainen Konrad Zuse rakensi relelogiikkaan perustuvan tietokoneen, joka Saksan sotaviranomaisten ymmärtämättömyyden vuoksi jäi kuitenkin käyttämättä sodan päättymiseen saakka, jolloin Zuse toi Z1-koneensa uudelleen päivänvaloon. Samoihin aikoihin kuin Zuse oli amerikkalainen Harvardin yliopiston professori Howard Aiken alkanut rakentaa yhteistyössä IBM:n kanssa reikäkorttikoneiden osiin perustuvaa Mark 1 -tietokonetta, joka valmistui vuonna 1944. Prosper Eckert ja John Mauchiy suunnittelivat ja rakensivat Pennsylvanian yliopistossa USA:n armeijan käyttöön tarkoitetun elektroniputkien loogisiin ominaisuuksiin ja nopeuteen perustuvan tietokoneen, ENIAC:in, joka valmistui 1946. Ensimmäinen todellinen tietokone syntyi vasta unkarilaissyntyisen tiedemiehen John von Neumannin johdolla Princetonin yliopistossa. Tämän EDVAC -koneen ohjelmat ja luvut oli talletettu samaan muistiin, ohjelman suoritusreittiä ohjasivat erilaiset ehdolliset hypyt, lyhyesti sanottuna siinä oli kaikki tärkeät nykyisen tietokoneen ominaisuudet. Näitä tietokonepiirteitä kutsutaan nykyisinkin usein nimellä von Neumann- tietokoneet. (Aaltonen & Andersin 1992, 16 18.) Tietokoneita ryhdyttiin 1960-luvulla myös käyttämään tuotannon suunnittelu- ja ohjaustarkoituksiin sekä prosessinohjausjärjestelmiin. Prosessin tilaa mittaavista antureista luetut arvot muunnetaan tietokoneen käsittämään muotoon. Tietokoneeseen ohjelmoidut prosessinohjausalgoritmit laskevat prosessin ohjaussuureille uudet arvot, jotka ohjataan toimilaitteille. Täten toteutuu säädön eli takaisinkytkennän periaate, joka on eräs automaation perusperiaate. Tärkein kehitys tuotantoautomaation kannalta oli kuitenkin vielä edessä 1970- ja 1980-luvuilla: mikroprosessorit ja niihin perustuvat mikrotietokoneet sekä mekatroniset laitteet kuten robotit, kuljetusvälineet ja työstökoneet. Siitä lähti tehdasautomaatio liikkeelle. (Aaltonen & Andersin 1992, 19.) Automaatio sanana otettiin Suomessa käyttöön 1950-luvun alussa, mutta sen määrittely oli aluksi vaikeata. Niinpä 1960-luvulla automaatiotermin tilalla käytettiin paremmin sovellusalueen tekniikkaa kuvaavia termejä kuten mittaus- ja säätötekniikka, servotekniikka, teollisuuden instrumentointi, tietokoneohjaus, analysaattoritekniikka, logiikkajärjestelmät, jne.. Automaatiotermi palasi sekä oppilaitosten kielenkäyttöön että yleiskieleen. Automaatiolla tarkoitetaan automaattisten tuotantolaitteiden ja laitosten suunnittelua ja toteuttamista. Automatisoitujen koneiden ja tuotantolinjojen käyttö on myös luonnollisesti eräs automaation keskeisiä alueita. Usein 10

ollaan myös tekemisissä sanan automatiikka kanssa, jolloin sillä voidaan tarkoittaa automaattien ja automaattisten tuotantolinjojen käyttöä, automaattijärjestelmää, automaattien ja automaattisten tuotantolinjojen toimintaa sekä oppia automaateista ja ennen kaikkea automatisoinnista. (Fonselius & Pekkola 1999, 7.) Teollisuusautomaatio on usein jaoteltu tuotanto-, hallinto-, kiinteistö ja kunnossapitoautomaatioon. Tuotantoautomaation pääalueet ovat valmistusautomaatio, automaattinen tuotannon ohjaus ja tuotesuunnitteluautomaatio. Valmistusautomaatio voidaan jakaa kone- ja prosessiautomaatioon. Tämä jako voidaan helposti tehdä tuotteen olomuodon perusteella. Tuotanto voidaan luokitella prosessiautomaatioon, jos tuote on tuotannon jossakin vaiheessa jossakin muussa olomuodossa kuin kiinteässä. Sen sijaan, jos tuote etenee tuotannossa kiinteinä kappaleina, voidaan puhua koneautomaatiosta. Tämä jako on myös helposti tehtävissä kuljetustekniikan avulla eli tuotteen kulkiessa putkia, säiliöitä tai johtimia pitkin on kyseessä prosessiautomaatio, muta tuotteen kulkiessa tuotantolinjalla kuljettimia pitkin on kyseessä koneautomaatio. Kuva 2.1 Automaation jakaminen. 2.2 Automaatioon liittyviä määritelmiä Automaatiokäsitteet johtuvat kreikan sanasta automatos eli itsestään liikkuva ja sen synonyymi on mekanismi. Mekanismista esimerkkinä mainitaan vanhoissa lähteissä kello, niin kuin automaatinkin kohdalla, mutta toisena esimerkkinä mainitaan kiväärin liipaisin mekanismi, joka ei liiku itsestään. Tästä pienestä vivahde-erosta on sittemmin tehty mekanisoinnin ja automaation välille selvä pesäero. Mekanisoinnilla tarkoitetaan lihasvoimien korvaamista tai vahvistamista jollakin laitteella 11

ja automaatiolla tarkoitetaan lihaksien lisäksi myös aivotoiminnan ainakin osittaista suorittamista konevoimin, mistä seuraa tietotekniikan keskeinen rooli automaatiossa. Sekä mekanisointi että automaatio ovat ilmaisuja inhimillisen työn korvaamisesta koneella. Automaation ja mekanisoinnin raja ei kuitenkaan ole kovin selvä. Automaatio -sanaan liitetään usein automatisoitavan toiminnan nimi, jolloin voidaan puhua ainakin seuraavanlaisista automaatioaloista: prosessiautomaatio konepaja-automaatio tuotantoautomaatio tehdasautomaatio kiinteistöautomaatio kotiautomaatio koneautomaatio eli mekatroniikka sairaala-automaatio toimistoautomaatio pankkiautomaatio lentokenttäautomaatio myymäläautomaatio kuljetus ja jakeluautomaatio varastoautomaatio jne. Automaatio on joko jäykkää, samanlaista tuotetta pitkiä jaksoja valmistavaa, tai joustavaa, erilaisia tuotteita vaihdellen valmistavaa. Puhuttaessa jonkin kokonaistoiminnan automatisointiasteesta ilmoitetaan kuinka suuri osa toimintaan kuuluvista prosesseista on automatisoitu. Puhutaan myös yksittäisen työtehtävän automatisointiasteesta, jolla usein tarkoitetaan ihmisen osuutta työstä. Täysin automaattista miehittämätöntä järjestelmää pidettiin aiemmin ihanteena, johon kehityksen pitäisi tähdätä. Nykyisin tällaista tilaa pidetään jopa vaarallisena. Kuka kehittäisi valmistusprosessia ja tuotteita ellei ihminen sitä tekisi? Kuka korjaisi odottamattomat virhetilanteet? Pelätään, että liian automaattinen prosessi saa ihmisen vieraantumaan siitä niin täydellisesti, ettei hän enää tarpeen tullenkaan pysty korjaamaan ja ohjaamaan sitä. Osittain miehitettyä toimintaa tai osavuorokautista miehitystä pidetään usein täysin miehittämätöntä toimintaa parempina vaihtoehtoina. 12

Aivan toisenlaiseen automaatio -sanan erittelyyn pääsemme tutkimalla sanan esiintymistä muissa kuin teknisissä yhteyksissä. Puhumme automaation taloudellisista, yhteiskunnallisista ja inhimillisistä vaikutuksista. Automaation katsotaan usein vapauttavan ihmisen raskaasta, likaisesta ja vaarallisesta työstä, mutta yhtä usein katsotaan automaation vievän ihmisiltä työn ilon, vaihtelun ja haasteen, puhumattakaan niistä, jotka automaation takia menettävät työpaikkansa. Liikkeenjohdon piirissä automaatiota perustellaan syntyvillä ajan, rahan, työn ja raaka-aineiden säästöillä. Automaatiota vastustetaan samoissa piireissä, koska sen takia pelätään menetettävän toiminnan joustavuutta ja aikaisemmat läheiset kosketukset asiakkaisiin kuten on tapahtunut pankkiautomaatiossa. Automaatio on myös hyvin pääomaintensiivinen ja sopii tästä syystä paremmin suurille kuin pienille yrityksille. Automaation tärkeänä tunnusmerkkinä on pidetty automatisoidun järjestelmän kykyä mukautua eli adaptoitua, uusiin tilanteisiin, siis aistia ympäristössään ja sisällään tapahtuvat muutokset ja toimia niiden mukaisesti. Tämä on kuitenkin vielä nykyisin varsin harvoin toteutettu automaation ominaisuus. Se edellyttää nimittäin järjestelmältä pitkälle kehittyneitä tekoälyllisiä piirteitä, jotka ovat vielä kehitysasteella. Rajoitetussa mielessä adaptiivinen ominaisuus kuitenkin on toteutettavissa, jolloin prosessia ohjaava järjestelmä reagoi raaka-aineessa havaitsemiinsa muutoksiin, koneistuskeskus havaitsee terien kulumisen ja kompensoi sen vaikutuksen sekä vaihtaa lopulta kuluneet terät uusiin, automaattinen valmistusprosessi seuraa tilastollisesti itsessään tapahtuvia muutoksia, esimerkiksi valmistamiaan tuotteita mittaamalla, ja muuttaa säätöjään vastaavasti. Tällaisia järjestelmiä kutsutaan sisäisesti tai ulkoisesti avoimiksi järjestelmiksi. Automaatiojärjestelmät ovat tavallisesti suljettuja tai sisäisesti avoimia. (Fonselius & Pekkola 1999, 8.) 2.3 Prosessiautomaatio Prosessiautomaatio eli prosessiteollisuuden automaatio alkoi Suomessakin jo 1950-luvulla. Tänä päivänä on yleistä, että tehtaan prosessiautomaatio on perustana koko tuotannon kattaviin teollisuus-pc- ja logiikkaohjauksiin. Prosessiautomaatiossa vaaditaan monialaista osaamista mittausmenetelmistä ja laitteista, säätötekniikasta sekä luonnollisesti tietotekniikasta. Paperi- ja selluteollisuus on ollut jo kauan pitkälle automatisoitua. Samoin metsäteollisuuden automaatio on kansainvälisestikin jo korkealla tasolla, mistä osoituksena voidaan todeta menestyvien suomalaisten automaatiojärjestelmien toimittajien olemassa olo kuten esimerkiksi Lahdessa ja Nastolassa toimiva Raute Oyj. Itse tuotantolinjan automatisoinnin lisäksi näissä 13

automaatiotekniikan sovelluksissa keskeisessä asemassa on nykyisin myös tuotannon ohjaus ja seuranta. Prosessiteollisuuden piiriin kuuluvat tehtaat ovat nykyisin hyvin pitkälle automatisoituja, jolloin automaatio siis hoitaa ohjaustehtävät normaalissa käyntitilanteessa. Ihminen tulee mukaan ainoastaan häiriö- ja vikatilanteiden yhteydessä. Kaivos- ja metallurgisen teollisuuden automaation keskeisiä tehtäviä ovat mittaus ja analysointi, punnitus sekä annostelu. Öljynjalostus- ja petrokemian teollisuudessa automaatiolla pyritään kalliin raaka-aineen yhä parempaan hyväksikäyttöön, joten nykyisin öljyjalostus on todella pitkälle automatisoitua. Elintarvike- ja bioteknisessä teollisuudessa prosessit ovat usein myös automatisoituja. Prosessin ohjaus perustuu usein reseptipohjaiseen raaka-aineiden annosteluun. Tuotevalikoimat ovat laajoja ja esimerkiksi instrumentoinnille asetetaan korkeat puhtausvaatimukset. Lainsäädäntö asettaa myös velvoitteita tuotteen valmistusolosuhteiden ja tuotteen koostumuksen dokumentointiin. Lääkeaineteollisuudessa jopa kehitysprosessin osalle annetaan määräyksiä. ((Fonselius & Pekkola 1999, 8-9.) Prosessiautomaation avulla parannetaan tuotannon tehokkuutta ja tuotteen laatua ja siten edistetään tehtaan kilpailukykyä. Muita tavallisia perusteita ovat yksitoikkoisten ja vaarallisten työtehtävien hoitaminen automaattisesti. Prosessiteollisuuden yhteydessä automaatiojärjestelmillä tarkoitetaan ohjausjärjestelmiä kuten ohjelmoitavista logiikoista koko tehtaan kattaviin automaatiojärjestelmiin. Automaatiojärjestelmien avulla nimensä mukaan automatisoidaan jokin tuotantoprosessi tai osa siitä. Automaatiojärjestelmillä on nykyään myös muita tehtäviä, kuten raportointi ja historiatiedon keruu, jolloin kerätään prosessista mittaustietoa. Mittaustiedot esitetään operaattorille valvomopäätteillä. Mitatun datan perusteella järjestelmä laskee tarvittavat ohjaukset ja ohjaa erilaisia toimilaitteita. Käyttäjä voi tyypillisesti puuttua ohjauksiin operointipäätteeltään tarpeen mukaan. Prosessiautomaatiojärjestelmät ovat tyypillisesti hajautettuja ohjausjärjestelmiä (DCS = Distributed Control Systems ). DCS- järjestelmään kuuluu tyypillisesti prosessiasemia, valvomoasemia, järjestelmäväylä, ohjelmointilaitteita ja tiedonhallinta/raportointiasema. Tiedonhallinta- asema tarvitaan tavallisesti vain keskikokoisissa tai suurissa sovelluksissa. Prosessiohjauksen reaaliaikainen tietokanta hajautetaan viemällä prosessiasemat lähelle prosessia. Hajautetun automaatiojärjestelmän prosessiasemat kykenevät hoitamaan mittaustiedon käsittelyn, ohjausten laskennan ja ohjausten tekemisen paikan päällä. Tällöin ei tarvitse lähettää mittaustietoja jollekin keskustietokoneelle laskentaa varten ja sitten palauttaa ohjausarvoja. Kenttäväylän avulla voidaan säästää kaapelointikustannuksissa. Hajautetut I/O-yksiköt viedään lähelle prosessia, jolloin kaapelointi mittaus- ja toimilaitteilta I /O-yksiköille on mahdollisimman lyhyt. Kommunikointi 14

hajautetun I /O-yksikön ja prosessiaseman keskusyksikön välillä tapahtuu keskitetysti kenttäväylän kautta. Nykyisin järjestelmissä painottuu helppokäyttöisyys, avoimuus ja liityntä perinteisiin tehtaan PC- verkkoihin ja tietohallintajärjestelmiin. Kuva 2.2 Kaaviokuva prosessiteollisuudessa käytettävästä ns. pysty- ja vaakasuuntaisesta integraatio automaatiojärjestelmästä. Automaatiojärjestelmien pystysuuntainen integraatio tarkoittaa, että sama järjestelmä pystyy hoitamaan prosessin ohjaus-, tuotannon ohjaus- ja tehdasjärjestelmien välistä tiedonsiirtoa. Tällöin saavutetaan mm. seuraavia etuja: tuotannon johto pystyy tarkistamaan tuotannon tilatiedot omilta pääteiltään reaaliaikaisesti, käyttöhenkilökunta pystyy suunnittelemaan ja optimoimaan tuotannon ajoa esim. tilauskirjaan tai raaka- ainevaraston tietoihin perustuen. Kaikki nämä hoidetaan samalla laitteistolla ja ohjelmistolla. Vaakasuuntaisesta integroinnista seuraa etuja: toimilaitteet ja anturit kytketään tehtaan laajuisesti yhdenmukaisiin I /O-liityntöihin, ohjelmointi ja ohjelmien ylläpito helpottuu, kun kaikki prosessiosat on ohjelmoitu samalla ohjelmointikielellä, käyttöhenkilökunta pystyy valvomaan ja ohjaamaan koko tehdasta samalta työpisteeltä yhden mukaisella käyttöliittymällä 2.4 Kone- eli kappaleenkäsittelyautomaatio Kappaleenkäsittelyautomaatiolla tarkoitetaan kappaleenkäsittelyteollisuuden valmistukseen, laadunvalvontaan, kuljetukseen ja varastointiin liittyvää automaatiota. Koneautomaatio voidaan kuitenkin nähdä laajempana kokonaisuutena. Se sisältää tuotantoon liittyvän automaation lähinnä 15

konepajojen kannalta katsottuna. Koneautomaatiossa voidaan suunnittelun puolesta erottaa kaksi erilaista automatisointitasoa eli pienimuotoinen koneautomaatio ja laajempimuotoinen kappaleenkäsittelyautomaatio. Pienimuotoista koneautomaatiota ovat esimerkiksi jonkin siirto-, työstö- tai kokoonpanotehtävän tai valmistuslinjan automatisointi. Kappaleenkäsittelyautomaatiolla voidaan käsitellä kokonaisen tehtaan, tuotantolinjan tai jonkin suuren koneen automatisointia. Koneautomaation osa-alueita ovat tuotantolinja-automaatio, automaattiset työstökoneet, konepajan automaattisesti toimivat laitteet tai jopa miehittämätön tehdas. ((Fonselius & Pekkola 1999, 8.) Tuotantolinja-automaatiossa keskitytään kappaletavaroiden sarjatuotannon vaatimaan automaatioon, jossa toteutetaan tuotteiden siirtelyä, kääntelyä, kokoonpanoa ja tarkastusta, mutta ei kuitenkaan valmistukseen liittyviä työstötehtäviä. Automaattisiin työstökoneisiin luokitellaan automaattisorvit ja muut numeerisesti ohjatut työstökoneet. Usein ne liitetään tuotantolinjan osiksi teollisuusrobotin hoitaessa työkappaleen tuomisen ja viemisen. Konepajan automaattisesti toimivia laitteita ovat esimerkiksi tuotanto- ja pakkauslinjat, kuljetusjärjestelmät ja varastointijärjestelmät. Teollisuusrobotit ovat myös tuotantolinjan tyypillisiä laitteita, joiden lukumäärä on nykyisin lisääntynyt. Kappaleenkäsittelyautomaation rakenteeseen kuluvat ohjauslaitteet, toimilaitteet ja anturit. Kuva 2.3 Kaaviokuva kappaleenkäsittelyautomaation rakenteesta. Yllä oleva kuvan mukaisen automaatiojärjestelmän suunnittelu ja toteutus vaatii osaamista ja tietämystä ohjausjärjestelmistä, toimilaitteista, antureista ja toteutettavan prosessin vaatimasta mekaniikasta. 16

2.5 Tuotesuunnitteluautomaatio Tietokoneavusteinen suunnittelu eli CAD (engl. Computer Aided Design) katsotaan usein kuuluvan lähinnä koneautomaatioon ja keskeisenä työvälineenä on luonnollisesti tietokone, jota insinöörit ja arkkitehdit käyttävät suunnittelutyössä. Käytännössä tämä suunnittelu sisältää esimerkiksi 3Dmallinnusta ja numeerista simulointia, johon kuuluu esimerkiksi laitteiden suunnittelussa syntyvät koneenpiirustukset tai rakennusten rakennesuunnittelu. 3D-grafiikka eli kolmiulotteinen grafiikka on kolme tilaulotteista tietokonegrafiikkaa, joka on yleensä vektorigrafiikkaa. Siinä tyypillisinä peruselementteinä ovat kolmio tai jokin muu monikulmio. Tietokonesimulointi on ympäristön eli maailman jäljittelyä tietokoneella. Simulointi on kehittynyt 1960-luvun lopun ei-graafisesta lujuuslaskennasta moniin aihealueisiin. Haluttu malli muutetaan tietokoneen ymmärtämään muotoon käyttäen jotakin ohjelmointikieltä. CAD-malleihin perustuvaa simulointia voidaan nykyisin tehdä lämmönsiirrosta, lujuuslaskennasta, virtausmekaniikasta, palamisesta, molekyylibiologiasta jne.. Simuloinnin käyttöalueita ovat tuotteiden valmistaminen ja tuotanto, tieteellinen mallinnus, tilojen simulointi, ajoneuvotekniikan erilaiset käyttökoulutukset sekä pelit. Tällöin puhutaan usein tietokoneavusteisesta suunnittelusta eli CAE (engl. Computer Aided Engineering) erotuksena vanhemmasta, 1970-luvun alussa alkaneesta, CAD-piirtämisestä. Kuva 2.4 Metsäkoneen käyttäjän koulutukseen käytettävä virtuaalinen opetuslaitteisto. (Maatalousnäyttely 2008, Lahti) 17

Automaatiotekniikan kannalta keskeisin alue on tuotteiden valmistamisen ja tuotannon simulointi kuten kokoonpanon simulointi ja robottisimulointi. Ruiskupuristusmuoviosien, valuosien ja koneistettavien osien valmistuksen suunnittelussa CAD-malleja on käytetty 1980-luvulta alkaen tietokoneavusteisessa valmistuksessa eli CAM (engl. Computer Aided Manufacturing). Tietokoneavusteisessa valmistuksessa suunniteltu kolmeulotteinen CAD-malli syötetään CAMohjelmaan yhdessä työkalujen mittojen ja työstettävän materiaalin laadun kanssa. CAM-ohjelma tuottaa komentosarjan, jolla ohjataan NC- työstökoneen moottoreita. 2.6 Automaattinen tuotannonohjaus Tuotannonohjaus on hallinnollista toimintaa, joka on nykyään käytössä jo pienissäkin teollisuusyrityksissä. Tuotannonohjauksessa pyritään huolehtimaan, että tehtaan valmistamat tuotteet valmistuvat suunnitellussa ajassa ottamalla samalla huomioon sen, että tehtaan henkilö- ja koneresurssit ovat optimaalisen tehokkaassa käytössä. Lisäksi sen tehtävänä on huolehtia, että tarvittavat tarvikkeet ja raaka-aineet ovat juuri oikeaan aikaan ja oikeassa paikassa. Eräs tärkeimmistä asioista onkin pyrkiä minimoimaan varastoihin sitoutunutta pääomaa. Monella teollisuuden alalla merkittävä kilpailutekijä nykyään on mahdollisimman lyhyt toimitusaika, mikä edellyttää tuotannonsuunnittelulta pyrkimystä kohti tehtaan tuotteiden lyhyttä läpäisyaikaa. 2.7 Hallintoautomaatio Hallinto- eli toimistoautomaatiolla tarkoitetaan esimerkiksi tekstinkäsittely-, kirjanpito- ja palkkalaskentaohjelmien avulla toteutettua toimintaa. Tietotekniikalla on siis keskeinen asema hallintoautomaation toteutuksessa. Hallintoautomaation ammattilaisen täytyy omata tiedot laitteistoista ja ohjelmistoista sekä tietoliikennetekniikasta. 18

2.8 Ympäristöteknologian automaatio Ympäristöasiat ovat nykyisin usein esillä erilaisissa yhteyksissä ja nyt viime aikoina siihen yhä enemmän liitetty mukaan myös automaation merkitys ympäristön kannalta. Tekniikan lisensiaatin Sanna Perkiön huhtikuussa 2008 ilmestyneessä väitöskirjatutkimuksessa otettiin osuvasti esille automaation ja säätötekniikan merkitys ympäristöasioissa. Tutkimus tarkasteli koko arvoketjua metsästä aina markkinoille asti eli mitkä ovat tärkeimmät ympäristömyötäiset tekniikat, joilla on merkitystä ympäristölle ja mikä niiden merkitys on yritysten kilpailukyvylle. Hänen väitöskirjatutkimuksen mukaan lakiin perustuvat ympäristöinvestoinnit eivät tuo yrityksille kilpailuetua, vaan lailla määrätyt ympäristöinvestoinnit haittaavat useammin kilpailukykyä kuin muut ympäristön kuormitusta vähentävät investoinnit. Ympäristön ja yrityksen kannalta merkittävimmäksi tekniikaksi osoittautuivat tekniikat, jotka on otettu käyttöön joistain muista syistä kuin lainsäädännön takia. Nämä tekniikat parantavat yrityskuvaa, tehostavat raaka-aineiden käyttöä sekä pienentävät henkilöstökustannuksia, mahdollisimman pienin pääomakustannuksin. Hän toteaa, että esimerkiksi painopaperin arvoketjussa merkittävintä ympäristötekniikkaa eivät olekaan välttämättä kiertojen sulkeminen tai aktiivilietelaitos, vaan automaatio-, mittaus- ja informaatiotekniikka. (Perkiö 2008, väitöskirja.) Yksityisen ihmisen kannalta eli puhuttaessa esimerkiksi kotitalouksien ympäristöä ja energiaa säästävien asioiden kannalta energian kulutusta voidaan pienentää tehostamalla ilmastoinnin, autolämmityksen ja valaistuksen käyttöä. Näitä kaikkia ohjaa nykyään kiinteistöautomaatio, joka muun muassa sytyttää ja sammuttaa valot tiettyinä aikoina vuorokaudessa. Ympäristötekniikan automaation soveltamisessa olisi syytä tietää ympäristöalan laitteisiin liittyviä materiaali- ja valmistusnäkökohtia sekä tärkeimpien laitteiden, mm. kompressorien ja pumppujen käyttöominaisuudet ja soveltuvuudet eri tehtäviin. Automaatiopuolella olisi siis syytä käydä läpi säädön perusteita ja eri säätöjärjestelmiä sekä oppia tekemään ja lukemaan säätö- ja laitekaavioita. 2.9 Kiinteistö- ja kunnossapitoautomaatio Kiinteistöautomaatiossa on hyvin paljon piirteitä prosessiautomaatiosta. Sen sijaan kunnossapitoautomaatio painottuu myös tuotannonohjauksen suuntaan. Kiinteistön automaatioratkaisut vaikuttavat sen teknologiseen suorituskykyyn. Kiinteistöjen käyttäjät arvostavat 19

tilaa, jonka tekniset valmiudet on varmistettu. Kiinteistöjen suunnitteluvaiheessa tehdään kriittisimmät automaatiojärjestelmiä koskevat päätökset. Nykyään on yleistä kehittyneissä ratkaisuissa luoda Internet-pohjainen rakennusautomaatiojärjestelmä, jolla kiinteistöjä voidaan hallita yhden käyttöliittymän kautta. Järjestelmään voidaan liittää kiinteistötekniikan koko skaala, LVI-ohjauksesta kulunvalvontaan ja paloilmoittimiin. Historiatietojen tallentamisen myötä voidaan analysoida myös kiinteistön suorituskykyä ja ennakoida huoltotoimenpiteitä. Usein käytettävät järjestelmät edustavat avointa järjestelmäintegraatiota, jossa tietoa voidaan kerätä useista lähteistä, esimerkiksi antureista ja mittareista. Hallinta tapahtuu joko valvomosta tai tietoturvallisesti Internet-selaimen välityksellä mistä tahansa. Esimerkiksi toimistokiinteistön ilmanvaihtojärjestelmästä saadaan reaaliaikaiset tiedot ja ilmastointia voidaan hienosäätää muutamalla hiiren napautuksella menemättä paikalle. Kiinteistöautomaatio kohdistuu asuintalojen, virastojen, koulujen ja teollisuuslaitosten automaatioon. Nykyään keskeisin aihealue näissä on keskitetty kiinteistövalvonta. Opetuksessa näiden osa-alueiden sisällöissä keskeisinä aiheina ovat: 1)lämpökeskus ja siihen kohdistuva automaatio, 2) kattila ja öljypoltin, 3) kaukolämmön energiamittaus, 4) anturit ja lähettimet sekä toimilaitteet, 5) säätölaitteet ja säätötekniikat, 6) lämpimän käyttöveden säädöt ja lämmitysverkoston säädöt, 7) sähkölämmityksen ja ilmastoinnin automaatio, 8) kylmäkoneet ja jäähdytyksen automaatio ja 10) kiinteistöjen valvontajärjestelmät. 2.10 Muu automaatio Automaatioalan uusina kehityskohteina voidaan mainita maatalouden ja liikenteen automaatio. Maataloudessa joudutaan usein käsittelemään suuria massoja, jollaisia esiintyy rehujen, lannoitteiden, veden, viljan, lihan ja maidon kuljettamisessa. Nykyisin tilakokojen kasvun myötä näitä jokapäiväisiä toimintoja automatisoidaan. Lisäksi hyvinvointiin liittyviä toimintoja kuten ilmastointi, valaistus ja lannanpoisto muutetaan itsestään toimiviksi. Mainittakoon myös robotiikan ilmestyminen maatalouden yhteyteen. Automaation tarkoituksenahan on vähentää raskasta fyysistä työtä. Maatalousautomaatiota on myös käytössä peltokasviviljelyssä. Erilaiset paikannusjärjestelmät ovat tulleet kasvintuotantoon. Automaation käyttökohteet maataloudessa ovat rajattomat kuten teollisuudessakin. 20