SIMULAATION KÄYTTÖ AUTOMAATIOSUUNNITTELUSSA

SIMULAATION KÄYTTÖ AUTOMAATIOSUUNNITTELUSSA Ammattikorkeakoulun opinnäytetyö Automaatiotekniikan koulutusohjelma Valkeakoski, 19.3.2010 Juuso Naskali

OPINNÄYTETYÖ Automaatiotekniikan koulutusohjelma Valkeakoski Työn nimi Simulaation käyttö automaatiosuunnittelussa Tekijä Juuso Naskali Ohjaava opettaja Jussi Horelli Hyväksytty..20 Hyväksyjä

TIIVISTELMÄ VALKEAKOSKI Automaatiotekniikan koulutusohjelma Tekijä Juuso Naskali Vuosi 2010 Työn nimi Simulaation käyttö automaatiosuunnittelussa TIIVISTELMÄ Työn tilaajana toimi Hämeen ammattikorkeakoulu. Työ tehtiin ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehityskeskuksessa. Työn tarkoitus oli kartoittaa simulaatioympäristöjen hyödyntämistä osana automaatiosuunnittelua. Opinnäytetyössä tutkittiin virtuaalisten ympäristöjen soveltamista oppimisympäristöiksi sekä kartoitettiin yritysten tarvetta ja mahdollisuuksia omaksua vastaavanlaisia työkaluja omassa liiketoiminnassaan. Työhön sovellettua teoriaa haettiin automaatiosuunnitteluun liittyvästä kirjallisuudesta sekä simulaatioympäristöjä käsittelevien yritysten julkaisuista. Opinnäytetyöhön liitetyssä pilottiprojektissa mallinnettiin virtuaalisesta robottisolun mallista simulaatioympäristö, josta löytyy vastaava fyysinen laite Hämeen ammattikorkeakoulun sähkö- ja automaatiolaboratoriosta. Virtuaaliseen ympäristöön mallinnettiin opinnäytetyön aikana 3Dmallinnusohjelmalla komponentteja, jotka ohjelmoitiin simulaatioympäristössä vastaamaan oikeiden toimilaitteiden käyttäytymistä. Simulaatioympäristön tarkoitus oli tarjota PLCohjelmoinnille testausalusta, jota voitaisiin pitää testausympäristönä ilman oikeaa fyysistä järjestelmää. Tarvetta tällaiselle tutkimukselle perusteltiin haastattelemalla Hämeen ammattikorkeakoulun Valkeakosken yksikön johtajaa sekä kahta yrityksessä suunnittelutyötä tekevää henkilöä. Tutkimuksessa käy selvästi ilmi simulaatioympäristöjen hyödynnettävyys automaatiosuunnitteluun ja testaukseen liittyen. Simulaatioympäristöt edustavat kuitenkin erityistä soveltamisalaa tekniikan tutkimuksessa, mutta potentiaali virtuaalimallien ja simulaatioympäristöjen käytölle tulee tutkimuksen eri vaiheissa ilmi. Tällaisten ympäristöjen kehitys on jatkuvassa liikkeessä, joten tutkimustyötä tekevien henkilöiden on pysyttävä tiiviisti mukana kehityksen kärjessä jatkossakin. Avainsanat Simulointi, PLC-ohjelmointi, Oppimisympäristöt, 3D-mallinnus Sivut 32 s, + liitteet 9 s.

ABSTRACT Valkeakoski Automation Engineering Author Juuso Naskali Year 2010 Subject of Bachelor s thesis Simulation in automation design ABSTRACT This thesis was commissioned by HAMK University of Applied Sciences. Work was carried out at the HAMK Research and Development centre AutoMaint. The purpose was to investigate usability of virtual environments in automation design. The study was focused on as certain the possibilities of using virtual modeling and simulation environments as a part of study process. Literature on automation design as well publications from companies who had experience in simulations were used as a base during this project. In this project, a virtual model of industrial cell was created. A similar cell is in the electric and automation laboratory of HAMK. Some parts were made for that simulation environment with a 3D modeling tool. The parts were transferred afterwards as regulating units for simulations. The purpose of simulation environment was to offer a platform for PLC programming. Students and companies will be able to test and develop their PLC programs without having to use real devices. This type of simulation offers a safe and flexible platform for both parties. The need for such an environment identified after interviewing the Director of the HAMK Valkeakoski unit and two automation designers from different companies. Multiple results were found during this study. The usability of virtual modeling and simulation environments is obvious. However, continuous work in the development of this kind of system is still needed. As specialized technology, its use as a part of automation projects must be considered precisely. System creators have to develop their systems to stay up-to-date. The increasing use of applications of these environments will offer many of benefits in the future designing. Keywords Simulation, PLC programming, study environments, 3D - modeling Pages 32 p + appendices 9 p.

SISÄLLYS 1 JOHDANTO... 1 2 OPPIMISYMPÄRISTÖT... 3 2.1. Kuljetin... 5 2.2. Robottisolu... 7 2.2.1. Järjestelmän osat... 8 2.2.2. Robotit... 10 2.2.3. Hissit... 11 2.2.4. Kuljetinlinja... 11 2.2.5. Varastot... 12 2.2.6. Toimintamalli... 13 2.2.7. Ohjelmointi... 15 3 SUUNNITTELUYMPÄRISTÖT... 18 3.1. HIL-simulointi suunnitteluympäristönä... 18 3.2. Suunnittelu Insolution Oy:ssä... 21 3.3. Suunnittelu Beckhoff Automation Oy:ssä... 22 4 SIMULOINTI JA MALLINNUS... 25 4.1. Mallintaminen... 25 4.2. Rajapinnat... 27 5 JOHTOPÄÄTÖKSET... 29 5.1. Mallien soveltuvuus... 29 5.2. Havainnot projektista... 30 6 YHTEENVETO... 32 LÄHTEET... 33 Liite 1 Liite 2 Yritysten haastattelua varten tehty kysymyspohja Kuvat 3D-malleista

1 JOHDANTO Hämeen ammattikorkeakoulun strategiassa korostuu opiskelun joustavuus ja ketteryys. Myös oppilaitoksen aikuiskoulutus on merkittävä osa opetusta. Aikuisopiskelijoilla ja myös nuorisoasteella halutaan korostaa opiskelun moninaisuutta, jota saadaan mm. etäopiskelun mahdollisuuksia kasvattamalla. Molemmissa ryhmissä opiskelijoilla on usein erilaiset elämäntilanteet, jotka saattavat vaikeuttaa normaaliin lähiopetukseen osallistumista. Etäopiskelumahdollisuuksia kasvattamalla opiskelijoilla on paremmat mahdollisuudet oman opiskelunsa hallintaan ja aikatauluttamiseen. HAMKin Automaintissa etäopiskelu ja etähallintajärjestelmät ovat tulleet osaksi opetusta oman kehitystyön mukana. Myös verkko-oppimista voidaan joissain määrin tehdä virtuaalisissa oppimisympäristöissä, joiden suunta on jo vuosia ollut kohti interaktiivisten mallien käyttöä. Valkeakosken yksikössä virtuaalimallien ja etähallintajärjestelmien tekniset ratkaisut ovat tulleet tutuksi kehitystyöstä myös yritysten kanssa. Virtuaalimallien kehittämiseen on päädytty vuosien varrella tehdyn kehitystyön kautta, ei niinkään tekemällä suoraan päätöstä tämän suuntaiseen strategiaan. Jatkuvaa kehitystyötä tekemällä on huomattu oman osaamisen kasvu ja sen merkitys mahdollisuuksineen. Hämeen ammattikorkeakoulu haluaa olla aktiivisesti mukana tekniikan kehittämisessä ja on huomannut voivansa hyödyntää muissa yhteyksissä käytettyä teknologiaa osana oppimisympäristöjen kehitystä. Tällainen suunta tuo usein hyvien havaintojen ja kokemusten mukana uusia haasteita, joihin halutaan vastata ottamalla ne vastaan avoimesti. Mukana oleminen oppimisympäristöjen kehittämisessä turvaa oman osaamisen ja mahdollisuuden vaikuttaa kehityksen suuntaan. (M. Väänänen, haastattelu 25.2.2010) Opinnäytetyön tavoite on tutkia virtuaalimallien ja simuloinnin hyödyntämistä osana automaatiosuunnittelua. Työn tutkittavat sovelluskohteet ovat oppimisympäristöjen ja työelämässä suunnitteluympäristöjen soveltuvuus simulointimallien käyttöön. Oppimisympäristöjen sekä suunnitteluympäristöjen mahdollisuuksien kartoittamisen jälkeen esitellään Hämeen ammattikorkeakoululle ohjelmointiympäristöksi suunniteltu virtuaalimalli. Tätä virtuaalimallia kehitettiin ja rakennettiin opinnäytetyön aikana mm. suunnittelemalla siihen osia ja ohjelmoimalla järjestelmää. 3D-suunnittelua käytetään virtuaalimallin rakentamiseen ja ohjelmien rajapintojen avulla luodaan ohjausympäristö PLC-ohjelmoinnille simulointiympäristöön. Simulointimalli ja sen rakentaminen Hämeen ammattikorkeakoulussa on osa TILTU-hanketta. TILTU-hankkeeseen kuuluu neljä oppilaitosta, joista yhtenä osallisena Hämeen ammattikorkeakoulu, HAMK. TILTU on Tekesin digitaalisen tuoteprosessi -ohjelman hanke, jossa kehitetään menetelmiä erityisesti alihankintaverkostoissa toimiville teknologiayrityksille tuoteprosessin tilannetietoisuuden parantamiseksi prosessin eri vaiheiden päätöksenteon tueksi. (TILTU. 17.9.2009) 1

Hankkeen nimi tulee sanoista Tilannetietoisuus digitaalisessa tuoteprosessissa. Tähän hankkeeseen sisällytetään t&k-keskuksessa mm. ohjelmointi- sekä ohjelmisto-osaamista tehden tutkimustyötä hankkeelle. Virtuaalimallien optimoitu soveltaminen on edellytyksenä kustannustehokkaalle tuoteprosessille. Virtuaaliympäristöjen käyttö tuotteen suunnittelussa tarjoaa parhaimmillaan suunnittelijalle mahdollisuuden testata laitteen ominaisuuksia, valmistettavuutta ja käyttöä jo ennen fyysisten prototyyppien tekemistä. Oikein käytettynä virtuaalimallit voivat tukea myös muita tuoteprosessin toimintoja; valmistusta, myyntiä, koulutusta ja huoltoa. Tämä edellyttää virtuaalimalleilta keskitettyä ylläpitoa, ajantasaisuutta ja toimintatapoja eri sidosryhmien välisten tietovirtojen hallinnalle. (TILTU. 1.9.2009) Tämän opinnäytetyön tilaajana HAMK haluaa kehittää oppimisympäristöjä virtuaaliseen suuntaan, joissa oppilaitos on huomannut olevansa yhtenä edelläkävijöistä. Oppilaitoksen vilkas yhteistyö yritysten kanssa on tarjonnut uusia mahdollisuuksia yrityksille parantaa suunnittelumenetelmiään samaan suuntaan, jossa oppilaitokset kehittävät oppimisympäristöjään. Virtuaaliset oppimisympäristöt ovat askel uudenlaiseen oppimiseen, joissa suunnittelutyötä voidaan toteuttaa ilman oikeita fyysisiä laitteita. Opinnäytetyössä keskitytään oppimisympäristöjen kehittämiseen virtuaalisissa ympäristöissä, joissa prosesseja on mahdollista simuloida. Simulointiympäristöt voivat tarjota käyttäjälleen tuloksellisia analyysejä prosesseista, joiden hahmottaminen ilman mallinnusta voi tuottaa vaikeuksia. Hämeen ammattikorkeakoulun tutkimus- ja kehityskeskus, joka toimii pilottihankkeessa yhdessä yritysten kanssa, on pääroolissa tämän tutkimustyön toimeksiantajana. Tutkimuksessa halutaan selvittää oppilaitosten ja yritysten mahdollisuuksia hyväksi käyttää simulointiympäristöjä osana omaa toimintaansa. Opinnäytetyössä esitellään esimerkin omaisesti projektityö, johon liittyy 3D-suunnittelua, simulointiympäristö ja tapaa hyödyntää niitä hallintajärjestelmän avulla. Simulointiympäristöille löytyy useita sovelluksia ja myös simulointitapoja, joten niitä käsitellään varsin yleisellä tasolla. Opinnäytetyössä esitellään joitain tapoja prosessin selvittämiseksi. Projektityövaiheessa käydään läpi vaiheittain, miten virtuaalinen oppimisympäristö voidaan järjestää. Yrityksien tarvetta tämän kaltaisille ympäristöille kartoitetaan haastatteluiden myötä, jotta voitaisiin saada käsitys simulointiympäristöjen soveltamismahdollisuuksista liiketoiminnan tukemiseksi. Yritysten haastatteluita pohjustettiin kysymyspohjalla, jotka lähetettiin yrityksiin etukäteen (Liite 1). 2

2 OPPIMISYMPÄRISTÖT Kehitysympäristön tarkoituksena on tarjota oppimiselle uusia menetelmiä, joita tähän asti ei juuri ole ollut. Opinnäytetyön projektissa tutkitaan mahdollisuuksia virtuaalioppimisen eri muotoihin. Hämeen ammattikorkeakoulussa Valkeakosken yksikössä tuotantotalouden sekä automaatioalan opiskelijat suorittavat insinöörin tutkintoa, useimmiten päätoimisena työnään. Opiskelun ammattiaineisiin kuuluu mm. PLC-ohjelmointia, käyttöliittymien rakentamista sekä ohjaustekniikkaa. Kursseilla käytetään apuna ohjelmoitavia logiikoita, joita on kytketty pienoisjärjestelmiin tai muihin harjoituksiin. Näillä harjoituksilla opiskelijat voivat kehittää omaa osaamistansa ohjelmoinnin ja logiikoiden suhteen. Laitteita on kuitenkin rajallinen määrä ja luokkakoot ovat varsin suuret. Yleensä työskentely tapahtuukin pienemmissä ryhmissä. Ryhmissä on paremmat mahdollisuudet hakea ratkaisuja ongelmatilanteiden edessä, vaikka todennäköisesti ryhmässä jokin osapuoli jääkin ulkopuolelle päätöstenteossa. Ryhmänä työskentely opettaa tiimityöskentelyä, jota työelämässä vaaditaan lähes joka alalla. Kuitenkaan työelämässä ei aina olla ryhmänä jokaisessa tilanteessa, vaan jokaisella insinöörillä on oltava ongelmanratkaisukykyä ja kokemusta erilaisista menetelmistä voidakseen suoriutua työtehtävistään. Tekniikan kehittyminen näkyy selvästi myös oppimisympäristöjen muutoksena. Tutkimus- ja kehitysympäristöt, kuten myös koulutus- ja opiskeluympäristöt ovat jatkuvassa muutoksessa. Tämä voidaan päätellä varsinkin oppilaitosten opetusmenetelmissä erilaisten tekniikan sovellusten hyödyntämisenä. Opiskelua ei nykyään suoriteta pelkästään ns. lähitunneilla, vaan voidaan mm. työskennellä itsenäisemmin ajasta ja paikasta riippumatta esimerkiksi verkko-oppimista apuna käyttäen. Tämä antaa opiskeluun uusia ulottuvuuksia, myös uusine haasteineen. Erilaisilla sovelluksilla voidaan kuitenkin tuoda vaihtelevuutta ja eri käytäntöjä oppiaineisiin, esimerkiksi harjoitusten muodossa. Konkreettisia etuja ja haasteita virtuaalisten oppimisympäristöjen kehittämisessä virtuaali- ja simulaatiomallien avulla nähdään paljon. Suunta osittaiseen etäopiskeluun muuttaa niin opettajan kuin opiskelijankin roolia oppimisprosessissa. Asenteiden muutos oppimisprosessiin molemmilla osapuolilla on kasvutekijä, joka suurelta osin vaikuttaa työskentelyyn. Opiskelijan vastuu kasvaa merkittävästi joustavan opetuksen myötä, jolloin aineopettajan merkitys muuttuu enemmänkin opettajasta valmentajan rooliin. Opiskelijan mahdollisuuksia oma-aloitteiseen oppimiseen täytyy turvata edelleen opettajan osaamisella ja kokemuksella, mutta virtuaali- ja simulaatiomalleja ajatellen myös mallien helppokäyttöisyydellä. Simulaatio- ja virtuaalimallien käyttämisen täytyy olla mielekästä ja johdonmukaista, jotta oppimisprosessi ei pysähdy epäolennaisiin asioihin. Mallien käyttämisen tulee olla helppoa ja käyttämiseen täytyy olla riittävät opasteet käyttöohjeiden ja tutoriaalien muodossa. Mallien käyttäminen opetuksessa ei tule olla haaste, vaan hyöty. Maailmalla mallien kehittämisen perustana ovat useimmiten 3

taloudelliset syyt, varsinkin kehittyvissä maissa. HAMKissa syynä nähdään opetusmetodeiden modulaarisuus. Opettajalle tai ohjaajalle luodaan mallien käyttöliittymään mahdollisuus muuttaa harjoituksiaan eri variaatioiden saavuttamiseksi harjoitustöissä. Kuitenkaan harjoitus- ja laboratoriotyöskentelyssä ei oikeita laitteita haluta eikä voida korvata kokonaan. Oikean laitteen merkitys opetuksessa halutaan säilyttää ja käytännön työt ovat ja tulevat olemaan osana koulutusta jatkossakin. (M. Väänänen, haastattelu 25.2.2010) Opetusryhmät ovat nykyään suuria ja ryhmissä työskentelyä tehdään paljon. Laitteita oppilaitoksilla on kuitenkin rajallinen määrä. Virtuaalimallien määrää voidaan kasvattaa lisenssien määrää kasvattamalla tai kokonaan ilman lisenssejä. Suurien opetusryhmien koon merkitystä uskotaan voivan vähentää käyttämällä simuloituja oppimisympäristöjä niin etä- kuin lähiopiskelussa. Ryhmätyöskentelytaitoja arvostetaan työelämässä ja yhdessä oppiminen auttaa monia opiskelijoita etenemään opinnoissa nopeammin kuin yksin työskennellessä. Ryhmätyöskentelyä halutaan edelleen käyttää opetuksessa, vaikka etäopiskelu mahdollistaa jokaisen oppilaan opiskelun itsenäisesti paikasta ja ajasta riippumatta. Ryhmätyöskentelyyn liittyy myös kansainväliset asiat. Kansainvälisissä ympäristöissä työskenteleminen on tärkeää työelämää ajatellen. Työnantajat arvostavat suuresti kansainvälistä kokemusta ja HAMKiin tulee opiskelijoita kymmenistä maista. Virtuaaliset ympäristöt tuovat näkyvyyttä myös kansainvälisesti, joka helpottaa uusien opiskelijoiden rekrytointia. (M. Väänänen, haastattelu 25.2.2010) Simulaatiomallien käytössä ohjelmistojen kehittämisen haasteet tulevat myös esille. Siksi yhtenä tärkeänä syynä nähdään kehittäjän oma oppiminen. Oman alansa asiantuntijana kehittäjän on tehtävä jatkuvasti työtä ympäristöjen kehittämiseksi. Mallien käyttöönotossa kehitysaika lyhenee kokemuksen kasvaessa, joten mallien käyttöönottoon kuluva aika lyhenee. Tällä on merkitystä myös teollisuudessa. Mallin avulla toteutetun testauksen ansioista taas todellisen järjestelmän ylösajo- ja käyttöönottoaika lyhenee. Tämä onkin yksi keskeisistä syistä tuotantojärjestelmien simuloinnille teollisuudessa. Mallien lisensointi on todennäköisesti yksi haaste, joka oppilaitoksen on huolehdittava ohjelmistovalmistajien kanssa. Kuitenkaan sen ei uskota tuottavan ongelmia virtuaalisten oppimisympäristöjen käytössä. Mallien kehittämisessä ja toteuttamisessa voidaan hyödyntää yhä enemmän open source pohjaisia tuotteita, jolloin lisensointikysymykset eivät tuota ongelmia. (M. Väänänen, haastattelu 25.2.2010) Ohjelmointia opiskellessaan oppilailla on ollut viime vuosiin saakka mahdollisuus työskennellä tuntiopetuksessa ryhminä erilaisten harjoitustöiden parissa. Virtuaalimallien ja simulaatioiden hyödyntämisestä on tullut osa tuntityöskentelyä. Virtuaalimallit sekä simulaatiot ovat tietokonesovelluksia, joilla voidaan luoda vastaava työskentely-ympäristö, kuin luokkatiloissa olevat harjoitukset luovat. Koulu tarjoaa maksutta opiskelijoille tällaisen oppimisympäristön, jonka 4

he voivat halutessaan viedä esimerkiksi omalle kotikoneellensa voidakseen harjoitella itsenäisesti. Nyt jo käytössä oleva vastaava harjoitus tunnetaan oppilaitoksella nimellä Minikuljetin. Näitä kuljettimia on luokkatiloissa muutamia. Niiden ohjelmoitavia logiikoita opiskelijat pääsevät ohjelmoimaan tuntityöskentelyssä. Opiskelijat työskentelevät kolmen tai neljän hengen ryhmissä. Laitteesta on mallinnettu virtuaalinen ympäristö, joka ohjelmoinnin kannalta toimii vastaavalla tavalla kuin fyysinenkin laite. Näin pelkillä ilmaisohjelmistoilla opiskelija voi harjoitella itsenäisesti myös kotonaan niin halutessaan. 2.1. Kuljetin Pienoiskuljetin on harjoitustyö PLC-ohjelmointia varten. Insinöörin koulutuksessa Valkeakoskella kuljettimen ohjelmointi on osana ammattiaineita. Laitteisto toimii pienjännitteellä ja se on kytketty tietokoneeseen Profibus-kenttäväylää pitkin. Jokaiseen kuljettimeen kuuluu oma ohjelmoitava logiikka, jolla kuljettimessa olevia toimilaitteita hallitaan. Huolimatta laitteiston yksinkertaisuudesta, siinä ilmenee myös ongelmia. Laitekannalle on kertynyt fyysistä ikää, joka näkyy laitteiden kulumisena ja lisääntyvänä huollon tarpeena. Kuvassa 1 on kuljetin harjoitusalusta, jota opiskelija käyttää ohjelmointiharjoituksiin. Kuva 1 Minikuljetin. (Kuva Sami Federley, HAMK 2009) Oppimisympäristön muuttuminen mekaanisesta virtuaaliseksi ei vaikuta haitallisesti opiskelijoiden työskentelyyn. Oppilailla on päinvastoin mahdollisuus saada käsitys ohjelmistojen välisistä rajapinnoista, jotka ovat oleellisia nykyaikaisen tekniikan alan insinöörille työelämässä. Kuljettimen virtuaalimallia käytetään harjoituksen alustana fyysisen rakenteen sijaan. Tätä mallia voidaan tässä tapauksessa verrata suoraan hardwareen, vaikka kyseessä onkin software eli ohjelmisto. Ympäristö on siis simuloitu. Opiskelija käyttää työkalunaan tietokonetta, jolla on yhteys sekä logiikkaan, että simulaatiomalliin. Opiskelija luo yhteyden näiden ohjelmistojen välille. Ohjaukseen vaadittavat I/O:t päivittyvät 5

ohjelmistojen välillä jokaisen iterointikierron aikana. Tässä tapauksessa opiskelijalle on havainnollistavaa työskennellä tietokoneella, jossa on kaksi näyttöruutua. Näkymä havainnollistaa opetuksen tarkoituksen tehokkaasti. Käyttäjä tässä tapauksessa seuraa toisella näytöllä omaa ohjaustaan ja toisella näytöllä virtuaalimallissa tapahtuvaa prosessia. Kuvissa 2 ja 3 nähdään opiskelijan näkymä kahdelta tietokoneen ruudulta. Kuva 2 Logiikan ohjausnäkymä. (Kuva Sami Federley, HAMK 2010) Kuva 3 Simulaatiomalli minikuljettimesta. (Kuva Sami Federley, HAMK 2010) Tässä oppimisympäristössä opiskelijat suorittavat minikuljettimella liikesarjoja, joita harjoituksen vetäjä antaa heille tehtäväksi. Oppimisympäristönä virtuaalimalli toimii kuten fyysinenkin. Virtuaalimallin rakentajan on ohjelmoitava malli toimimaan tietyllä tavalla ja annettava sille joitakin toiminnallisia ominaisuuksia. Tällainen ominaisuus on mm. painovoima, jota ohjelmisto ei itse tunnista. Opiskelijalla ei tarvitse olla suurtakaan tietoa simulointiympäristön rakenteesta voidakseen käyttää sitä harjoitustensa tekemiseen. 6

2.2. Robottisolu Hämeen ammattikorkeakoulun sähkö- ja automaatiolaboratoriossa sijaitsee robottisolu, josta on tehty kolmiulotteinen virtuaalimalli. Robottisoluun kuuluu eri osia, kuten varastot ja itse robotit. Robottisolun tarkoituksena on opettaa opiskelijoille kappaleautomaation perusteita ja moniosaisen tuotantojärjestelmän ohjelmointia. Opiskelijat voivat tehdä projektiluontoisia harjoituksia myös siitä tehdyn virtuaalimallin avulla. Robotit ovat erittäin keskeisiä nykyaikaisessa teollisuudessa sekä muillakin tekniikan soveltamisen alueilla. Robottien avulla opiskelijat voivat tutustua niiden toimintaperiaatteisiin ja käyttömahdollisuuksiin. Kuvassa 4 näkyvä robottisolu on suojattu seinillä turvallisuussyistä. Opiskelijoiden on turvallisempaa tutustua robottisolun ympäristöön virtuaalimallin avulla ensimmäisen kerran. Solu on fyysisesti suurin järjestelmä sähkö- ja automaatiolaboratoriossa. Kuva 4 Robottisolu.(Kuva Sampo Seppälä, HAMK 2009) Kuvassa 5 näkyvän virtuaalisen mallin avulla opiskelijoiden on mahdollista suorittaa samoja harjoituksia, kuin on mahdollista fyysiselläkin järjestelmällä. Toimintaperiaate on täysin vastaava, joten on mahdollista soveltaa samasta järjestelmän ohjauksesta sovellus fyysisen ja virtuaalisen mallin välillä. 7

Kuva 5 Robottisolun virtuaalimalli. (Kuva Sami Federley, HAMK 2010) 2.2.1. Järjestelmän osat Robottisoluun kuuluu kaksi robottia, kaksi hissiä, kuljetinjärjestelmä ja kaksi varastoa. 1. robotin valmistaja on ABB ja 2. robotin valmistaja on KUKA. Soluun kuuluu linjasto eli kuljetinjärjestelmä, jolla paletit kuljetaan roboteille varastosta hissin kautta. Solussa on kaksi hissiä. Ensimmäinen tuo paletin linjastolle varastosta ja toinen vie valmiit tuotteet linjastolta valmisvarastoon. Nämä kaikki solun osat tehdään 3D CREATEohjelmistolla kolmiulotteiseksi kokonaisuudeksi. Toimilaitteet, kuten anturit ja sylinterit sijoitellaan ympäristöön jälkeenpäin. Simulaatioympäristön geometrioiden on määrä täsmätä fyysisen rakenteen kanssa. Mallit järjestelmän osista ovat fyysisesti samankokoiset kuin oikea järjestelmäkin, mutta yksityiskohdista, jotka eivät vaikuta mallin eroavuuteen oikeasta järjestelmästä, on luovuttu. Tällä tavalla säästetään tietokoneen laskentakapasiteettia eikä mallista tule liian raskasta käyttää. Kuvissa 6 ja 7 nähdään valmisvaraston kappaleen tunnistusanturit. Kuvat esittävät samaa tilannetta virtuaalimallista ja fyysisestä laitteesta. 8

Kuva 6 Valmisvaraston virtuaalimalli. (Kuva Sami Federley, HAMK 2010) Kuva 7 Robottisolun valmisvarasto Hämeen ammattikorkeakoulun sähkö- ja automaatiolaboratoriossa. (Kuva Juuso Naskali, HAMK 2009) 9

2.2.2. Robotit Roboteille (Kuva 8) tuodaan paletteja varastosta linjastoa pitkin. Robottien tehtävä on rakentaa paletille siinä olevista kappaleista ennalta opetettuja muotoja. Robotit eivät ole interaktiivisesti yhteydessä muuhun ympäristöön, vaan ainoastaan logiikan välityksellä. Niille voidaan lähettää käskyjä, jotka on etukäteen ohjelmoitu. Robottien liittäminen järjestelmään on tehty ainoastaan tilabittien (Status Bit) avulla. Käskyllä annetaan ohje tietyn työn tilauksesta ja kyseisen työn aloittamisesta. Roboteilta vastaavasti saadaan valmiustilatieto ja virhetilatieto logiikalle. Muuten robotit toimivat itsenäisesti muuhun ympäristöön huomiota kiinnittämättä eikä logiikan ja robottien välillä ole väylätekniikanomaista toimintaa. Roboteissa on pneumaattiset tartuntakärjet, joiden avulla kappaleita käsitellään. Kuva 8 ABB-robotti. Robotti on kuusiakselinen ja siinä on pneumaattinen tartuntakärki, jolla kappaleita käsitellään. (Kuva Sampo Seppälä, HAMK 2009) 10

Molemmat robotit on ennalta ohjelmoitu suorittamaan kolme eri liikesarjaa. Niillä ne rakentavat paletilla olevaan laatikkoon palikoista koostuvan tietyn muodon. Nämä kolme muotoa on nimetty Muoto 1, Muoto 2 ja Muoto 3. Molemmilla roboteilla nämä työt ovat samanlaiset. Eri muodot viedään valmisvarastoon eri tasoille, jonne ne varastoidaan tehdyn työn mukaan. 2.2.3. Hissit Järjestelmässä on kaksi hissiä. Hisseillä siirretään paletti kuljetinhihnalle tai kuljetinhihnalta valmisvarastoon. Kuvassa 9 hissi odottaa valmiiksi käsiteltyä palettia kuljetinhihnalta. Kun optinen anturi tunnistaa paletin, se siirtää paletin valmisvarastoon sen mukaan, mikä työ on ollut kyseessä. Kuva 9 Valmisvaraston hissi. Järjestelmässä on kaksi samanlaista hissiä. (Kuva Sampo Seppälä, HAMK 2009) 2.2.4. Kuljetinlinja Kuljetinlinjan tehtävä on viedä paletit roboteille varastosta (Kuva 10). Kuljetinlinjassa on kaksi tasoa, joista vain ylempi on tällä hetkellä 11

käytössä. Tämä on järjestelmän kannalta kriittisessä asemassa, koska siinä käsitellään paletteja kahdessa eri kuljetusprosessin vaiheessa, palettien tullessa robotille sekä lähtiessä sieltä. Kuljettimen on voitava toimia molemmissa tapauksissa ja logiikan on osattava päättää itsenäisesti, missä järjestyksessä paletit liikkuvat siinä ruuhkatilanteessa. Tämä asettaa haasteita ohjelmointiin, sillä tämä on juuri järjestelmän tehokkuutta rajoittava tekijä. Linjalla on vain muutama anturi työasemien ramppien läheisyydessä sekä kuljettimen päädyissä. Virtuaaliseen malliin laitetaan anturit samoihin kohtiin, jotta suunniteltua logiikkaohjelmaa voidaan testata molemmissa järjestelmissä. Logiikkaohjelman muistipaikoilla järjestelmä ylläpitää tietoa kuljettimella liikkuvista paleteista. Kuva 10 Kuljetinlinja. Kuljetinlinjassa on kaksi tasoa, josta vain ylempi on modifikaation vuoksi käytössä. (Kuva Sampo Seppälä, HAMK 2009) 2.2.5. Varastot Järjestelmän varastot voivat varastoida useita paletteja. Kuvassa 11 näkyvä varasto säilyttää sinne esivalmistellut paletit. Paletit otetaan 12

käyttöön sylinterien avulla, joiden päällä pinotut paletit ovat. Välituen avulla alimmainen paletti lasketaan varastossa olevalle pienoishihnalle, joka siirtää paletin hissiin. Kuva 11 Palettivarasto. Paletit ovat valmiiksi aseteltu varastoon, josta ne tuodaan hissin avulla linjastolle. (Kuva Sampo Seppälä, HAMK 2009) Paletit ovat pinottu ennen harjoitusta yhdeksi torniksi kuten kuvassa 11. Kaikki paletit on aseteltu samalla tavalla ja paletilla olevat osat ovat samassa järjestyksessä. Järjestelmä ei tunnista eroavaisuuksia paleteilta mikäli niitä on. Eroavuustilanteessa syntyy todennäköisesti virhe robottien käytössä. Valmisvarastossa tasoja on neljä (Kuvat 6 ja 7). Robotit tekevät kolme erilaista työtä. Ohjelma on tarkoitus tehdä siten, että jokaiselle työlle on oma tasonsa. Lisäksi on yksi varasto virhetilannetta varten, tai jos jokin varasto on jo täyttynyt. 2.2.6. Toimintamalli Logiikalle tehdystä käyttöliittymästä valitaan robotille tilattava työ. Työ on ennalta määrätty ja robotille on sitä varten opetettu liikkeet vaiheittain. Aloitettaessa työn tekeminen tuodaan varastosta paletti, jolle on aseteltu kappaleet valmiiksi. Paletit ovat varastossa päällekkäin pinottuna ja alimmainen otetaan pinosta apusylinterien avulla. Paletti siirretään hissiin, joka nostaa paletin linjastolle. Linjasto tuo paletin sen robotin työasemalle, jota työn tekemiseen on haluttu käyttää. Anturitiedon avulla paletti 13

lukitaan työasemaan ja robotti voi aloittaa työn. Työn valmistuttua logiikka saa robotilta uuden statustiedon, joka kertoo työn olevan valmis. Paletti irtoaa työasemasta ja palaa linjastolle, mikäli siinä ei ole sitä estävää muuta liikennettä. Linjasto kuljettaa valmiin työn valmisvaraston hissiin, joka siirtää paletin valmisvarastoon. Molempien robottien on mahdollista toimia samanaikaisesti, koska niiden statusta ja linjaston antureita valvotaan logiikan avulla. Töitä voidaan tilata niin kauan, kuin varastossa on paletteja aseteltuna. Kuvissa 12 ja 13 esitetään, miten valmisvaraston anturit toimivat loppuvarastoinnissa. Kuvassa 12 on anturiin ohjelmoitu säde, joka katketessaan antaa signaalitiedon logiikalle. Tämä käyttäytymismalli on vastaava kuvassa 13 olevan optisen anturin kanssa. Optinen anturi lähettää tässä tapauksessa signaalin, joka palaa heijastimesta takaisin anturiin. Mikäli säde katkeaa, anturi vaihtaa logiikalle menevän signaalitiedon tilaa. Kuva 12 Järjestelmän loppuvarastointi. Valmisvarastossa sijaitseva anturi. Anturi voidaan ohjelmallisesti tehdä vastaamaan oikeaa anturia. (Kuva Sami Federley, HAMK 2010) 14

Kuva 13 Molemmissa järjestelmissä optisen anturin signaali heijastuu takaisin ns. heijastimesta. Signaalilla tarkkaillaan varaston tilaa. Signaalin katkeaminen pysyvästi on merkki varaston täyttymisestä. (Kuva Juuso Naskali, HAMK 2009) 2.2.7. Ohjelmointi Ohjelmoinnilla on suuri merkitys automaatiojärjestelmän toiminnallisuudessa. PLC-ohjelmoinnilla luodaan järjestelmälle aivot, minkä mukaan järjestelmä toimii. 1980-luvulla ennen kehittyneitä mikropiirejä myös ohjausjärjestelmät olivat varsin yksinkertaisia. Komponentteina käytettiin hyvin pitkälti releitä ja rajakytkimiä ohjauksissa. Näiden avulla voitiin tehdä vain yksinkertaisia ohjelmia. Nykyään ohjaustekniikassa käytetään niiden lisäksi kehittyneempiä ohjelmistoja, joiden avulla voidaan tehdä hienostuneempia ohjelmia järjestelmään. Komponentit ovat myös kehittyneet kohti digitaalisuutta ja mittaustarkkuus ja käyttövarmuus ovat parantuneet. Ohjelmistojen kehittyessä mahdollisuudet ovat kasvaneet jopa siihen tilanteeseen, jossa automaatiojärjestelmä voidaan opettaa tekemään itsenäisiä johtopäätöksiä ja säätötoimenpiteitä mittausten perusteella. Tämä mahdollisuus on tuonut lähes rajattomat mahdollisuudet soveltaa järjestelmiä auttaen saamaan niistä myös lisää tehoa irti. Mikäli saadaan automatisoitu järjestelmä valitsemaan itse omat toimenpiteensä, on ohjelmoinnissa päästy kehittyneelle tasolle. PLC-ohjelmoinnissa käytettiin Beckhoffin TwinCAT-logiikkaohjelmaa. Ohjelma on Hämeen ammattikorkeakoulussa Valkeakoskella yleisesti käytetty, varsinkin t&k-keskuksessa. Logiikkaohjelmassa määritellään kaikki järjestelmän I/O:t (Inputs/Outputs), jotka ovat yhteydessä kentälle fyysisiin laitteisiin. Simulaatiomalliin verrattuna fyysiset laitteet toimivat 15

Hardwarena, mutta 3D-mallissa toimilaitteina ovat valmiiksi käyttötavan mukaisesti ohjelmoidut objektit. TwinCAT-ohjelmassa esitellään kaikki muuttujat Global Variables -lehdellä, niin oikeaa järjestelmää kuin myös virtuaalimallia käytettäessä. Ohjelmointikieliä tai metodeita on automaatiossa muutamia, kuten FBD (Function Block Diagram) tai LD (Ladder Diagram). Kuitenkin ohjelmointia jo jonkin verran tehneet suosivat ST (Structure Text) -kieltä, koska ohjelmointityyli tuntuu helpommalta sen avoimuuden takia. Virtuaalimallia ohjelmoitaessa valittiin ST-kieli, koska se oli tullut jo tutuksi aiempia ohjelmia tehdessä. Pääohjelma haluttiin poikkeuksellisesti havainnollistaa FBD-tyyppiseksi, koska jokainen kompleksin solu voitiin tehdä omaksi toimilohkokseen. Kuvassa 14 esitetään pääohjelman näkymä FBD-tyyppisenä. Kuvasta nähdään miten solun osat ja aliohjelmat ovat omina toimilohkoinaan. Kuva 14 TwinCAT-ohjelmanäkymä. Logiikkaohjelmassa jokaisella solulla on oma toimilohko. Toimilohkoja ohjaa hallintatoimilohko, joka vahtii solujen toimintaa ja niiden järjestystä. (Kuva Juuso Naskali, HAMK 2009) Robottisolulla on tarkoitus tehdä jatkuvaa prosessia ja liikutella useita paletteja samanaikaisesti. Tämä asettaa haasteita ohjelmoinnille, sillä virhetilanteiden mahdollisuudet kasvavat, mikäli ohjelmasta halutaan tehdä mahdollisimman monipuolinen. Tällaiseen moniosaiseen 16

järjestelmään nähtiin viisaimmaksi rakentaa erillinen hallintafunktio, joka valvoo muiden toimilohkojen käyttäytymistä. Näin voidaan jo osiltaan ehkäistä päällekkäisten toimintojen esiintymistä, jotka voivat aiheuttaa vikatiloja järjestelmään. Hallintafunktion on määrä lukita tai aktivoida järjestelmän eri osia, jotta prosessissa ei syntyisi virheitä. Tällaiset virheet ovat yleensä kappaleiden törmäystilanteita. Lisäksi ohjelmasta tekee mielekkään sinne rakennettu tilausmuisti. Ohjelmaan voidaan asettaa valmiiksi tietty määrä töitä, jotka suoritetaan siinä järjestyksessä, kuin ne on sinne aseteltu. Tällä muistilla haluttiin korostaa järjestelmän edistynyttä ohjelmointitapaa, jotta vaikutelma sen osaamisesta vaikuttaisi itsenäisemmältä. Tilausmuistista haetulla tilauskoodilla järjestelmä osaa itse valita omat toimintonsa ja työjärjestyksensä. Tilausmuisti on asetettu tässä tapauksessa kymmeneen työhön, vaikka sen lukumäärä voidaan asettaa paljon suuremmaksikin. Työtä aloitettaessa luetaan tilausmuistissa oleva koodi, joka vastaa tietyn robotin tiettyä työtä. Mikäli kyseinen robotti on jo suorittamassa työtä, järjestelmä odottaa niin kauan kuin se on valmis. Logiikkaohjelmaa on tarkoitus päästä testaamaan myös oikeassa järjestelmässä, jotta voidaan havainnoida eroavaisuuksia myös simulaatiomallin ja konkreettisen laitteen ohjelmoinnin välillä. Opiskelijoille virtuaalimallin ohjelmoiminen ennen oikeaa järjestelmää antaa kuvan järjestelmän toiminnallisuudesta. Oikeaa järjestelmää käsiteltäessä voi syntyä vakavia onnettomuuksia kuten laiterikkoja tai jopa henkilöille vaarallisia tilanteita. Simulaatioympäristön avulla voidaan välttää vastaavat riskit ja päästä kuitenkin käsittelemään oppimisympäristöksi varsin suurta järjestelmää. Ohjelmointia ajatellen, opiskelijalle ei ole merkitystä käyttääkö hän fyysistä järjestelmää vai sitä simuloivaa mallia. Ohjelmointi on perusperiaatteiltaan sama, mutta nyt sitä voidaan tehdä pelkästään PC-pohjaisesti. 17

3 SUUNNITTELUYMPÄRISTÖT Yrityksien suunnitteluympäristöt vaihtuvat useimmiten harppauksin laitekannan ja ohjelmistokannan uusiutuessa. Yrityksissä suunnitteluympäristöt ovat tapauskohtaisia yritysten toimialojen sekä tekniikan soveltamisesta riippuen. Tässä tutkimustyössä haastateltiin kahta eri yrityksessä toimivaa henkilöä, jotka toimivat suunnittelutyössä omilla aloillaan. Tarkoituksena oli kartoittaa suunnittelutyötä tekevien insinöörien tarvetta käyttää simulointiympäristöjä työssään. Lisäksi esitellään HIL-simulointi eräänä käytössä olevana suunnitteluympäristönä. HIL-simulaattorin kaltaisia ympäristöjä yritykset ovat kehittäneet ja ottaneet käyttöönsä suunnittelun tueksi ja tuotteidensa sekä järjestelmiensä testaukseen. 3.1. HIL-simulointi suunnitteluympäristönä HIL-lyhenne tulee sanoista Hardware in the loop. Kyseisellä simuloinnilla tarkoitetaan konkreettisten tai fyysisten ohjausjärjestelmien käyttöä simulaatioympäristössä. Tyypillinen HIL-simulaation rakenne koostuu dataa keräävistä toimilaitteista, reaaliaika-alustasta, HMI:stä (Human Machine Interface) ja prosessidatan ohjaimesta. Kuvassa 15 on esitetty määritelmä HIL-simulaation laitteistolle, joka mahdollistaa reaaliaikamittauksen sekä prosessoinnin. Hardwarella tarkoitetaan fyysistä laitetta, kun taas softwarella yleisesti tarkoitetaan ohjelmistoa. Loop - termi tulee tavasta käyttää ympäristöä. Laitetta käytetään alustassa, joka suorittaa sillä jatkuvaa tai ennalta määrätyn määrän toistoja. Tällainen ohjausjärjestelmä voi olla esimerkiksi lentokoneen autopilotti, jonka toimintaa testataan sille suunnitellulla mallilla, ennen kuin sitä testataan oikeassa lentokoneessa. Hardware-in-the-loop-menetelmä on otettu käyttöön varsinkin tuotekehityksessä, jossa tutkitaan sovelluskohteen ja siihen vaikuttavien ympäristötekijöiden vaikutuksia. Kuvassa 15 esitetään HIL-simuloinnin periaate. Tarve tällaiselle simuloinnille on juuri haastavien ympäristöjen mallintaminen ja prosessien hahmottaminen. Simuloimalla voidaan tehdä hyvinkin haastavia malleja, mutta todellisuudessa kyse on aina mittaustarkkuuden ja mallinnuksen kompromissista. Asiantuntijat sanovat reaaliaika-alustan vaativan suunnattoman määrän laskutoimituksia. Se, mitä realistisempi malli on kyseessä ja tarkempaan tulokseen halutaan päästä, määrää simulaation laajuuden. Parametrien takaisin syöttäminen prosessiin on tapahduttava yli kaksi kertaa nopeammin kuin mallin iterointiaika todellisuudessa on. Tämä kysyy huomattavan määrän laskentatehoa. 18

Kuva 15 Hardware-in-the-loop, periaatekuva. Host PC toimii käyttäjän työkaluna, Plant Model simulaatioympäristönä, ECU testattavana laitteena ja HIL System testausalustana. (Kuva www.precisionmba.com) HIL-simulaatio liitettiin opinnäytetyöhön esimerkinomaiseksi simulaatioympäristöksi. Tämä simulaatio ei vaadi graafista mallinnusta, joka toimisi esityspohjana käyttäjän tukena. Kuitenkin jonkinlainen esitystapa on ihmisille yleensä oltava, jotta tuloksia voidaan tulkita tehokkaasti. HIL-simulaatiota halutaan hyödyntää tutkimuskohteessa, jossa on paljon toisiinsa vaikuttavia muuttujia. Esimerkkikuvassa ohjauslaitteena toimii ECU (electronic control unit), joka ohjaa autoissa käytettävää polttomoottoria ja sen toimintaprosessia. Auton moottori on mallinnettu tietokoneella ja moottoriin vaikuttavia voimia ja muita ominaisuuksia on parametroitu järjestelmään. ECU:lla pyritään säätämään moottorin sytytystä ja optimoimaan moottorin hyötysuhde mahdollisimman korkeaksi. Kuvassa 16 on esitetty kaavio, josta nähdään simulaatioprosessin rakenne. Analyysi simuloinnista tehdään mittausten perusteella tietokannasta jälkikäteen. 19

Kuva 16 HIL-simulaattorin kaaviokuva. (Kuva http://zone.ni.com) Testausalustana HIL edustaa vielä harvaa näin pitkälle kehittynyttä simulaatiomallia. Jotkut yritykset kehittivät sitä tuotekehityksensä edistämiseksi jo 90-luvulla. Ideana oli päästä testaamaan vaativiin tai jopa hyvin vaikeisiin olosuhteisiin suunniteltua laitetta. Kalliita laitteita, kuten lentokoneita ja niiden toimivuutta oli vaarallista yrityksen kannalta testata ennen tämän kaltaisia ympäristöjä. Testaaminen asetti suuria taloudellisia riskejä yrityksille. HIL-simulaattorin rakentaminenkaan ei ole ilmaista. Kuitenkin ensimmäisen mallin suunnittelun jälkeen sen komponentteja ja menetelmiä voitiin käyttää jo seuraavassa mallissa. Näin se maksaa itsensä myös varsin nopeasti takaisin. Jo pelkästään esimerkiksi lentokoneen mahdollinen putoaminen maksaisi monin verroin enemmän kuin HILsimulaattorin rakentaminen alusta alkaen. Periaatekuvasta nähdään tyypillinen rakenne simulaatioympäristölle, jossa ohjausyksikköä testataan alustalla. Simulaation ohjaus ja laskutoimet ovat jatkuvassa toiminnassa, joten parametrien tilojen muutoksista saadaan ns. reaaliaikatietoa. Hyötynäkökulmana HIL-simuloinnille voidaan lukea mm. kustannusten ja ajan säästö. Lopputuotteen käyttöönoton on huomattu nopeutuvan HILsimuloinnin ansiosta. Vaativien tai vaarallisten olosuhteiden testaus helpottuu ja simuloinnin ansiosta rajapinta ihmisen ja koneen välillä (HMI) yksinkertaistuu tämän kaltaisten sulautettujen järjestelmien ansiosta. Sulautettujen järjestelmien yleistyessä on päästy lähemmäksi reaaliaikamittauksia ja mallinnuksia, mutta se edelleenkin tuottaa myös paljon haasteita. Simuloinnista tulee helposti raskas, vaikka mikroprosessorien laskentateho onkin kehittynyt jatkuvasti viime vuosina. HIL-simulaattorin periaatekuvasta (kuva 16) nähdään, että reaaliaikaalusta lukee muuttujia kirjoittaen uusia ohjausarvoja ohjausyksikölle. Kuitenkaan siitä ei välttämättä voida nähdä, mitä simuloinnissa 20

tapahtuvien vikatilojen aikana on laskutoimituksessa tapahtunut. Siksi sen käyttäminen vaatii myös suurta järjestelmän hahmottamisen omaksumista. Yleistymistä rajoittaa usein ensimmäisen simulaattorin suunnittelun korkea hinta. Tämä karsii helposti pienempiä yrityksiä tai laitoksia pois HIL-simulaattorin kehityksestä. 3.2. Suunnittelu Insolution Oy:ssä Insolution Oy on vuonna 2003 perustettu automaatioalan yritys. Yrityksen toimialaa ovat teollisuuden tiedonsiirtojärjestelmien suunnittelu, taloautomaatioratkaisut sekä konepaja-automaatio, mukaan lukien hydrauliikkajärjestelmien suunnittelu. Yrityksen projektit ovat aina asiakaskohtaisesti suunniteltuja. Insolution OY:n projekteina ovat olleet erilaiset energiateollisuuden ja bioprosessien järjestelmät. Myös etämittausjärjestelmät kuuluvat yrityksen toimialaan, jotka hyödyntävät esimerkiksi GPRS-teknologiaa. Insolution Oy käyttää suunnittelussa apunaan pc -pohjaisia kehitysympäristöjä ja suunnitteluohjelmia. Myös PLC-ohjelmointiympäristöt ja CAD-pohjaiset suunnittelutyökalut kuuluvat käytettyihin menetelmiin. Yritys toimii monialaisesti ja käyttää tarpeen mukaan työlle sopivaa suunnittelutapaa. Tyypillisesti asiakaskohtainen suunnittelu etenee seuraavalla tavalla: 1. Asiakkaan tarpeen kartoitus 2. Tarjouksen laatiminen asiakkaalle 3. Yleinen suunnitteluvaihe (yleensä asiakkaan kanssa) 4. Järjestelmän arkkitehtuurisuunnittelu 5. Käyttötapasuunnittelu 6. Yksityiskohtainen suunnittelu ja ohjelmointi 7. Testaus (joko ennen asennusta tai simulointityyppisesti) 8. Asennus, käyttöönotto ja koulutus 9. Verifiointi ja luovutusajo 10. Takuu ja tuotannon ylösajo- ja käyttöönottoajan tuki ja toimenpiteet. Suunnitteluprojektit ovat aina yksilöllisiä. Joskus suunnittelun esittäminen asiakkaalle voi olla haasteellista. Haastattelussa korostui esisuunnittelu erittäin tärkeäksi yhteisen näkemyksen löytämiseksi asiakkaan kanssa. Testaamalla järjestelmää etukäteen voisi tapahtuvia virheitä vähentää jopa 70 %. Asiakkaan tiloissa järjestelmä kehittyy aina parhaiten. Hyödyllinen testaus on rajallista vain tiettyyn pisteeseen saakka. Asiakkaan järjestelmän liiallinen testaus voi olla myös turhaa ja kallista. Projektin 21

suunnitteluvaiheessa on aina omat haasteensa ja siksi automaatioinsinöörin tärkeimpänä taitona on ongelmanratkaisukyky. Lisäksi automaatioinsinöörillä on oltava tietoa myös muilta tekniikan aloilta. Simulointiympäristöt ovat olleet jonkin verran suunnittelun apuvälineinä Insolutionin projekteissa. Mekaniikkasuunnittelussa apuna ovat olleet lähes aina 3D-mallinnusohjelmat, joissa suunniteltuja tuotteita on voitu ensimmäisen kerran simuloida. Simulointiohjelmistona esimerkiksi Matlab- ohjelmisto on ollut hieman harvemmin käytössä, vaikka juuri simuloinnissa se on hyvin yleinen työkalu. Kuitenkaan Matlab-ohjelmisto ei ole täysin vieras ympäristö Insolutionille. Matlab-ohjelmistolla voidaan generoida ja mallintaa sinne syötettyjä parametreja sekä niiden tiloja kuten säätöpiirejä. Etuja simulointimalleissa ja 3D-ympäristöissä voisi löytyä jopa automaatio- ja mittausjärjestelmien sähköistyksissä ja instrumentoinnissa. Mitä varhaisemmassa vaiheessa järjestelmää voisi suunnitella ja testata simuloidusti, niin sitä parempi. Kuitenkin simulaatiosovellusten kannattavuuskohteet voivat olla harvassa. Suurissa järjestelmissä voidaan käyttää suunnittelussa usein samoja komponentteja mallia tehdessä. Tämä on etu jos samoja komponentteja voidaan käyttää toistuvasti, eikä kaikkea tarvitse mallintaa erikseen. Näin voidaan säästää aikaa myöhemmissä projekteissa. Tällä ajattelulla perustettaisiin mallinnetuista komponenteista oma kirjasto. Mallinnus ja simulaatioympäristön rakentaminen tuo projekteihin myös lisää haasteita. Mikäli järjestelmä on liian suuri, voi mallintaminen olla haastavaa ja tuottaa sen simuloinnista liian vaikean. Mallintaminen vie aikaa ja se tuo mukanaan lisäkustannuksia. Liian pienien järjestelmien suunnittelu olisi puolestaan liian kallista. Pienet järjestelmät ovat helpompia hahmottaa, eivätkä vaadi etukäteen testausta välttämättä lainkaan. Simuloinnin parhaan hyödyn arvellaan olevan täydet 100 % oppimisympäristöissä ja koulutuskäytössä. Oppimisessa tai koulutuksessa opiskelijat voivat työskennellä simulointimallin parissa ilman oikeaa laitetta. Tuotteistettuna tämä tarjoaa oikeinsuunniteltuna saman testausympäristön kuin oikeat järjestelmätkin. (J. Katajisto, haastattelu 14.12.2009) 3.3. Suunnittelu Beckhoff Automation Oy:ssä Beckhoff toimittaa avoimia automaatiojärjestelmiä, jotka pohjautuvat PCpohjaiseen ohjaustekniikkaan. Tuotevalikoimaan kuuluvat muun muassa kenttäväyläkomponentit, liikkeenohjaustuotteet, teollisuus-pc:t ja ohjauspaneelit sekä automaatiosovelluksien ohjelmistot. Eri ryhmien tuotteita voidaan käyttää erillisinä komponentteina, tai ne voidaan integroida täydellisiksi ohjausjärjestelmiksi. Beckhoffin tuotteita ja järjestelmäratkaisuja käytetään maailmanlaajuisesti monenlaisissa sovelluksissa nopeista työstökeskuksista älykkääseen rakennusautomaatioon. 22

Beckhoffin Suomen pääkonttori sijaitsee Hyvinkäällä ja lisäksi sillä on aluekonttorit Tampereella ja Seinäjoella. Myös Viron aluetta hoidetaan tällä hetkellä Suomen kautta. Beckhoff on ollut edustettuna Suomessa vuodesta 1986 lähtien, ja omana tytäryhtiönä vuodesta 2000 lähtien. Ohjelmistona Beckhoff käyttää omaa TwinCAT-ohjelmistoa järjestelmien ohjaamiseen sekä testaukseen. Myös sähkösuunnittelua tehdään jonkin verran CAD-pohjaisilla työkaluilla. Laitekanta kehittyy sekä uudistuu koko ajan jatkuvan tuotekehitystyön tuloksena. Tyypillisen asiakasprojektin luonne ja sen pääkohdat etenevät seuraavalla tavalla: Asiakas hankkii mekaniikka- ja sähkösuunnittelun, jonka jälkeen automaatioratkaisun tarjoaa Beckhoff Automation OY. Beckhoff tarjoaa automaatioratkaisun ja tarvittaessa myös ohjelmoinnin. Automaatiolaitteiden asennus ja kytkentä on asiakkaan vastuulla. Tämän jälkeen tehdään I/O-listan tarkistus ja ohjelman testaus, mikäli ohjelmointi on tehty asiakkaalle. Tarkistetaan järjestelmän käyttötapa suunnitelluksi. Asiakas perehdytetään laitteistonsa toimintaan, jonka lisäksi annetaan sovellus- ja teknistä tukea asiakkaalle tarvittaessa. Tarkistettaessa laitteiston käyttötapaa, asiakkaat usein huomaavat itse lisää kehitystarpeita järjestelmässään. Tämä uusi kehitystarve kuuluu useimmiten sopimuksen ulkopuoliseen työhön, ja sopimusta saatetaan muuttaa tai luodaan mahdollisesti jatkokehityshanke. Asiakkaalle tarjotaan aina tarvittaessa teknistä tukea järjestelmää koskevien kysymysten tai käyttötavan epäselvyyksien ratkaisemiseksi. Projektien tekemistä varten Beckhoffilla on myös Partner-verkosto, jonka kautta on mahdollista saada toimitukset kokonaispalveluna. Automaatioratkaisujen esitteleminen asiakkaalle on yleensä suhteellisen helppoa. Merkittäviä ongelmiakaan ei esiinny edes suurempia järjestelmiä suunniteltaessa. Haasteina nähdään lähinnä kustannustehokkuus ja hajautettujen järjestelmien kokonaisuuden hahmottaminen. Kuitenkin jo valmiina olevasta mallista voisi olla hyötyä, niin testauksessa kuin lopputuloksen hahmottamisessakin. Automaation ohjauksen suunnittelussa ja ohjelmoinnissa apuna käytetään ScopeView-ohjelmaa, joka kuuluu TwinCAT-ohjelmistoon. ScopeView on oskilloskooppia muistuttava virtuaalinen työkalu, jolla voidaan nähdä prosessin käyttäytymistä syöttämällä sinne I/O-dataa tai muita järjestelmän parametrejä. Myös järjestelmän käyttöliittymä tehdään pääasiassa TwinCAT-ohjelmalla. Simulaatio- tai 3D-mallinnusta ei ole toistaiseksi vielä tarvittu. Simulointiympäristöistä Beckhoffilla ei löydy vielä aiempaa kokemusta, mutta kiinnostusta tuntuu olevan. Myyntityössä virtuaalisesta mallista voisi kuitenkin olla hyötyä. Asiakkaan kanssa olisi näin helpompi löytää yhteinen näkemys projektista ja myös asiakkaan ohjelmiston kehittämisen kannalta siitä voisi olla hyötyä. Myös yrityksen omassa koulutuksessa virtuaalimalli voisi olla mielekäs apuväline. Kuitenkaan virtuaalisten ympäristöjen avulla ei voida saavuttaa suurtakaan hyötyä Beckhoffin 23

kaltaisen yrityksen perusliiketoiminnassa. Projektitoiminnassa mekaniikka- ja sähkösuunnittelua ei juuri ole, ja projektien läpimenoajat ovat usein lyhyet. Aikaa ei näin ollen ole käytettävissä mallinnukseen. Valmiista mallista voisi kuitenkin olla hyötyä edellä mainituissa asioissa. Suurissa tuotekehityshankkeissa, joissa jatkuva kehittäminen on muista projekteista poikkeavaa toimintaa, voitaisiin virtuaalimallia tai simulaatiomallia soveltaa. Sillä voisi karsia ongelmia testaamalla ohjausjärjestelmää. Kustannustehokkuus on yritystoiminnassa erittäin tärkeää, joten mallinnusta ja simulointia ajatellen on tämä asia otettava erityisesti huomioon ennen soveltamista. Tuotekehityshankkeita voisi hyvällä suunnittelulla ja testauksella nopeuttaa erilaisten mallien ja testausympäristöjen avulla. (A. Kalajainen, haastattelu 6.2.2010) 24

4 SIMULOINTI JA MALLINNUS Simulointiympäristöjen tarjoajia on nykyisin jo markkinoilla useita. Simulointiympäristöllä tarkoitetaan ohjelmistoa, jolla voidaan mallintaa prosesseja tai sen osia, virtuaalisia malleja tai prosessien eri tiloja. Tarkoituksena on luoda kuvaus jostakin mallista, jota konkreettisesti ei ole olemassa tai sitä ei käytetä. Simulointimallin avulla voidaan teoreettisesti mitata tai käyttää luotua kohdetta erilaisissa toiminnallisissa tilanteissa. Suunnittelutyökaluna voidaan näin jo ennalta arvioida ja mitoittaa tulevaa tuotetta tai järjestelmää mielekkääksi. Prosessia tai sen tilaa voidaan jopa ennalta säätää ja testata sen kapasiteettia, kunhan parametreja on järjestelmässä riittävästi. Simuloinnin tarkoituksena on testata jotakin järjestelmää tai sen osaa. Ympäristönä voi esimerkiksi olla piirikaavio, jonka simulaatio mallintaa sähkökytkennäksi. Tätä sähkökytkentää voidaan tietokoneen avulla testata dynaamisesti ja saada käsitys kytkennän toimivuudesta. 4.1. Mallintaminen Mallintaminen 3D ympäristössä on suhteellisen helppoa nykyaikaisilla ohjelmistoilla. Perusperiaatteet ovat lähes aina samat. Ensin työstetään geometriat kaksitasoisena kuvana, minkä jälkeen tietokone luo kuvasta kolmiulotteisen kappaleen annettujen parametrien mukaan. Mallinnettaessa osia sovelluskohteeseen voidaan käyttää eri ohjelmistoja kuin varsinaista ympäristöä, jossa simulointi tapahtuu. Mallintaminen tapahtuu 3D-työkalulla, jolla voidaan tehdä geometrisesti tarkkoja osia prosessista. Geometrinen tarkkuus on tärkeä kriteeri mallinnuksessa, jotta mittasuhteet voidaan säilyttää. Virtuaalimallia rakennettaessa, on mielekkäintä tehdä mallista samankokoinen mittojen mukaan. 3Dmalleista voidaan ottaa kuvia mittojen kanssa (esim. CAD-kuvat), joita voidaan käyttää apuna suunnittelutyössä. Kun tiedetään sovellettavan kohteen fyysinen rakenne, voidaan mitoittaa se ympäristöönsä tai ympäristö voidaan mitoittaa sovelluskohteen mukaan. Kuvassa 17 on esitetty, miten anturin datalehteä on käytetty apuna virtuaalisen objektin eli anturin luomiseen. 25

Kuva 17 3D-mallintaminen. Työkaluna SolidWorks(Vasemmalla) ja anturin datalehti (oikealla). (Kuva Juuso Naskali, HAMK 2009) Opinnäytetyön aikana mallinnuksessa tehtiin mm. robottilinjastoon kuuluvia antureita, jotka siirrettiin mallinnusohjelmasta simulointiympäristöön (Liite 2). Opetuksessa 3D-ohjelmia ei ole vielä yleisesti käytössä automaatioinsinööreille perusammattiaineena. 3Dsuunnitteluohjelmat ovatkin enemmän rakennus-, infrastruktuuri- ja mekaniikkasuunnittelussa käytössä. Antureita mallinnettiin yhteensä kuusi kappaletta ja lisäksi robottilinjan tuote. Tässä tapauksessa ns. paletti osineen mallinnettiin kolmiulotteiseksi. Osien mallinnuksen jälkeen ne siirrettiin simulointiympäristöön ohjelmointia varten, sillä ne olivat kuitenkin vielä vain objekteja ilman toiminnallisuutta. Kuvissa 18 ja 19 on esitetty robottisolun paletti fyysisenä ja virtuaalisena kappaleena. Kuva 18 Palettien rinnakkaiskuva. Vasemmalla valmis työ ja oikealla varastoitu asetelma. Roboteille paletti menee aina työstämättömänä (oikealla). (Kuva Sampo Seppälä, HAMK 2009) Mallintamisessa objektin luomiseen käytetään kaksiulotteisia tasoja, joille geometriat piirretään omiin mittoihinsa. Apuna tasojen hahmottamisessa 26

on Origo eli keskipiste. Kun tasoille on piirretty halutut muodot, ympäristö muutetaan kolmiulotteiseksi ja objekti on lähes valmis. Objekteille voidaan antaa vielä ominaisuuksia kuten materiaaleja ja värejä, mikäli ne nähdään tarpeellisiksi. Mallinnettaessa oli otettava huomioon objektin eri osat. Antureissa oli esimerkiksi Led-valoja, jotka oli myös piirrettävä erikseen, jotta simulaatiomalli tunnistaisi ne omiksi osikseen. Simulaatiomallissa voitiin korostaa antureiden merkkivalojen toiminnallisuutta jälkikäteen muun ohjelmoinnin yhteydessä. Kuitenkaan liian tarkka mallintaminen ei voinut olla kyseessä, jottei simulaatiomallista tulisi liian raskas. Tällaisia tapauksia huomattiin olevan pyöreät, pyöristetyt ja pikkutarkat muodot. Näin päädyttiin karsimaan turhan tarkkoja muotoja ja käyttöä ajatellen epäoleellisia asioita objektien mallinnuksessa. Kuva 19 Paletin 3D-malli. Malli on tehty jäljitellen oikeaa palettia. Paletin kaikki osat ovat erillisiä objekteja, joita virtuaalinen robotti voi käsitellä kuten oikea robotti fyysisessä robottisolussa. (Kuva Juuso Naskali 2009) 4.2. Rajapinnat Projektissa käytettiin 3D-mallintamiseen SolidWorks nimistä ohjelmaa, jonka valmistaja on Dassault Systems. Simulaatiomallin valmistaja on puolestaan Visual Components. Eri ohjelmistovalmistajien tiedostoformaatit eivät sopineet keskenään halutulla tavalla ilman erillistä kääntöohjelmaa, jolla tiedonsiirto olisi onnistunut. Ohjelmistojen rajapinnat ovat usein haasteita niin automaatioinsinööreille kuin muillekin, jotka työskentelevät eri ohjelmistovalmistajien tuotteilla. Tiedostotyyppien eri formaatit eivät aina sovellu muissa ohjelmissa, vaikka tässäkin ollaan menossa kohti avoimempaa tiedonsiirtoa kääntämistoimintojen muodossa. Mallin komponentteja tehtäessä 27