Automaatio ja automaatiojärjestelmät

Automaatiolla tarkoitetaan ohjelmoitua, itsenäisesti toimivaa laitetta tai järjestelmää. Yksinkertaisimmillaan automaatio on esimerkiksi vesihanasta tulevan veden lämpötilan kontrollointi, hissin toiminta tai ovien automaattinen avautuminen ihmiselle, joka on kävelemässä sisään tai ulos rakennuksesta. Automaatiojärjestelmä voi olla yksittäinen ohjelmoitu logiikkalaite, joka tekee ainoastaan yhtä asiaa kuten oven avaus tai se voi olla koko tehtaan ohjaamista varten rakennettu järjestelmä esimerkiksi paperitehdasta varten.

Automaatiojärjestelmällä voi olla jopa mahdollista hallita koko tehdasta valvomosta käsin. Automaatiojärjestelmien olennainen ja elintärkeä osa on valvontakeskus, josta voidaan tarkkailla sekä mahdollisesti ohjata prosesseja ja välittää tietoa kentällä työskenteleville operaattoreille.

Esimerkkiosia ja tuotteita

Teollisuudessa automaatio tarkoittaa tietokoneilla ohjaamista ja koneiden ja erilaisten tuotantoprosessien hallitsemista niiden avulla. Automaation käyttäminen luo monia hyötyjä, kuten nopeus, helppo ja yhdenmukainen toistettavuus, parantunut laadunhallinta, jätemäärän pienentyminen ja pienentynyt työvoiman tarve. Nämä hyödyt tekevät automatisoinnin suosituksi, sillä se johtaa usein kasvaneeseen tuotantoon.

Automaatio voidaan jakaa useaan eri muotoihin kuten teollisuusrobotiikkaan ja testausautomaatioon. Teollisuusrobotiikalla tarkoitetaan tietokoneohjattuja yleiskäyttöisiä koneita, jotka käsittelevät työvälineitä ja muita kappaleita. Ohjelmat ovat tyypillisesti helposti muunnettavissa ja koneet käytettävissä useisiin käyttötarkoituksiin.

Testausautomaatiossa tietokone ohjelmoidaan imitoimaan ihmisen toimintaa. Testausautomaatiota käyttämällä vältetään manuaalitestausten virhemahdollisuudet. Automaatiojärjestelmissä on yleensä valvomo, jossa on PC-laitteisto sekä monitorointi mahdollisuus valvojia varten. Valvomon I/O laitteistoon on kytketty ohjausväylät, jotka menevät tehtaan laitteistoon asti. Tällä tavalla valvomosta käsin on mahdollisuus kontrolloida laitteistoa. Kaapelit ovat yleensä kupariparikapeelia tai joissain harvoissa tapauksessa jopa valokuitua. Nimitys kenttäväylä tulee siis automaatiolaitteiston yhteydestä valvomoon, jota kautta on mahdollista kontrolloida järjestelmän eri osia halutulla tavalla I/O porttien kautta.

Yleisimmät automaatiojärjestelmät ja niiden vertailu

Yleisimpiä automaatiojärjestelmien valmistajia tällä hetkellä ovat Siemens, Omron, Rockwell Automation, Schneider Electric, Mitsubishi Electric, ABB ja GE. Nämä edellä mainitut yritykset tarjoavat tuotteillansa niin sanottua “avaimet käteen”-ratkaisuja automaatiojärjestelmien muodossa. Tämä siis tarkoittaa sitä, että heiltä ostettu palvelu on tarkoitus toteuttaa alusta loppuun asiakkaalle heidän puolestansa.

Yleisimpiin automaatiojärjestelmiin kuuluu mm. PLC ja HMI. Ohjelmoitavat logiikat eli PLC (Programmable Logic Controller) on pieni mikroprosessori, joka toimii sinne tehdyn ohjelmoinnin mukaisesti. Yleisesti ottaen I/O (input ja output) kertovat ja lähettävät dataa, esimerkiksi lämpötilaa ja prosessori on voitu ohjelmoida pitämään tietty lämpötila yllä huoneessa. HMI (Human-Machine Interface) tarkoittaa puolestaan käyttöliittymien käyttöä ihmisen ja tietokoneen välillä eli esimerkiksi kosketuspaneelia, josta voi säätää ja käskyttää erilaisia asioita.

Viime vuosien aikana on vakiintunut muutama ohjelmointikieli, joita käytetään nimenomaan automaatiojärjestelmien ohjelmoinnissa. Näitä ovat mm. FBD eli Function Block Diagram, LD eli Ladder Diagram, ST eli Structure Text, IL eli Instruction List ja SFC eli Sequential Function Chart.
Siemensin automaatiojärjestelmät ovat suunniteltu lähinnä prosessi- ja valmistusteollisuuteen. Siemensin ohjelmoitavia logiikoita on erilaisia riippuen käyttötarkoituksesta. Logiikat alkavat pienemmistä kontrollereista kuten S7-1200 ja kasvavat siitä hieman ylöspäin S7-1500 sarjaan.

Siemensillä on myös hajautettu logiikkajärjestelmä, johon voidaan liittää erilaisia moduuleja käyttötarkoituksen mukaan. Siemensin logiikoita ohjelmoidaan Siemensin omalla Siemens TIA (Totally Integrated Automation) Portal ohjelmistolla. Ohjelman ideana on se, että kaikki Siemensin logiikat voidaan ohjelmoida käyttämällä samaa ohjelmistoa. Yksi ohjelma monelle eri logiikalle on myös käyttäjälle paljon tehokkaampaa, kuin monen eri ohjelman hankkiminen jokaiselle logiikalle.

Uuden tuotteen automatisoinnin vaihtoehdot

Uutta tuotetta automatisoidessa pitää ottaa huomioon voiko tuotteen saada toimimaan kokonaan automatisoidussa järjestelmässä, mitä manuaali vaiheita on mahdollista jättää välistä ja tuottaa automaattisesti. Joitakin automaatio vaiheita ei välttämättä pystytä toteuttamaan automaattisesti, joten silloin prosessista tulee semiautomaattinen, missä on sekä automaatio vaiheita ja manuaali vaiheita. Uuden tuotteen automatisointi (tuottaminen, valmistaminen, pakkaaminen yms.) voi olla haastavaa ja siksi etukäteen suunnittelu on erittäin tärkeä osa suunnitteluprosessia. Suurin osa ongelmista on mahdollista havaita tai jopa estää huolellisella suunnittelulla.

Automaatiojärjestelmät suunnittelun kannalta

Suunniteltaessa uutta pakettia tai tuotetta automaattista toimintaa varten pitää ottaa huomioon mahdolliset virhetilanteet ja virheet, joita tuote tai paketti voi aiheuttaa. Esimerkiksi suorakulmainen pahvipaketti aiheuttaa minimaalisen määrän virheitä verrattuna juomapulloihin. Esimerkiksi vesipulloissa voi sensorin säde heijastua vedestä sopivassa kulmassa ja ohjelma voi luulla, että pullossa on tyhjää tilaa. Mitä yksinkertaisempi tuote tai pakkaus, sitä varmempaa on automaatiojärjestelmän toiminta.

Jos suunnitellaan tuotetta tai pakettia tiettyä työvaihetta varten, olisi hyvä toistaa pidemmän aikaa prosessia manuaalisesti ja ennakoida mahdolliset virheet jo suunnitteluvaiheessa. Suunnitteluprosessissa on myös hyvä ottaa huomioon mahdolliset laajennukset, jotka voivat olla ajankohtaisia myöhemmin. Ongelmia voi tulla esimerkiksi johdotusten kanssa, jos laajennuksia ei ole otettu huomioon. 

Automaation soveltuvuus ja rajoitteet

Automaatiojärjestelmillä on loputtomasti tilaa kasvaa ja oppia uusia asioita. Tällä hetkellä useimmat automaatiojärjestelmät toimivat matemaattisten laskutoimitusten mukaan esimerkiksi säätö- ja systeemitekniikassa. PID-säätimien avulla voidaan kontrolloida huoneen tuloilman virtausta, tehokkuutta, määrää ja esimerkiksi lämpötilaa. PID-säädin on erittäin yleinen säädin automaatiotekniikassa ja se toimii integroivan ja derivoivan osan avulla. Sensoritekniikkaa, jossa hyödynnetään tilatietoteknologiaa, käytetään esimerkiksi automaatiovarastoissa.

Automaation rajoitteita ovat mm. kustannusten aiheuttamat rajoitteet sekä toiminnalliset rajoitteet kuten X, Y ja Z-akselia käyttävä robotti voi kääntyä sellaiseen kulmaan, että se törmää itseensä ja jää jumiin. Myös sensoritekniikalla toimivat järjestelmät voivat kaatua, sensorit voivat vaurioitua tai niiden vastakappaleet eli peilit, joista säde kimpoaa takaisin voivat tippua tai vääntyä.

Automaatiosuunnittelu palveluna

Automaatiosuunnittelua tarjottaessa pitää ottaa huomioon erilaiset vaihtoehdot saman asian tekemiseen, erilaiset automaatiologiikat ja -järjestelmät sekä hintataso. Automaation yleistyessä tuotteiden ja palveluiden siirtäminen automaatioon kasvaa kaiken aikaa. Automaatio nopeuttaa huomattavasti tuotantoa sekä vähentää tarvittavaa henkilöstömäärää. Prototyyppejä voi tulla yhtä automaatiojärjestelmää kohden useita kymmeniä erilaisia kappaleita. Lopullinen toimiva järjestelmä voi vaatia jopa käyttöönoton jälkeenkin vielä vuosien ajan hienosäätämistä, mikä edellyttää siis hyvää kommunikaatiota käyttäjän ja valmistajan välillä.

Automaatiojärjestelmien mahdollisuudet ja rajoitteet

Automaatiojärjestelmät kykenevät tänä päivänä todella itsenäiseen työskentelyyn ja ne tulevat tulevaisuudessa korvaamaan henkilötyövoimaa tietyillä alueilla. Automaatiossa on tärkeä ottaa tietoturva huomioon. Useat järjestelmät voivat toimia offline tilassa ja ne päivitetään esimerkiksi USB-yhteydellä. Toisissa järjestelmissä on mahdollisuus turvata yhteys salauksen kautta, kuten esimerkiksi Tosiboxia käyttäen. Tämän avulla on mahdollisuus luoda turvattu yhteys tietokoneen ja järjestelmän välille. 

Automaatiojärjestelmän määrittelyt

Yleisesti käytetään SFS 4103 standardin mukaista merkitsemistapaa piirrosmerkinnöille. Laitteisto merkitään sekä piirustuksissa niin kuin luonnossa samoilla kirjaintunnuksilla. Laitteen sijaintia piirustuksessa tai asennuksessa kutsutaan usein positioksi.

Tärkeitä standardeja koskien automaatiojärjestelmän suunnittelua ja asentamista varten ovat mm. SFS 4286 Prosessikaavion piirrosmerkit, SFS 2247 Hydrauliikka ja Pneumatiikka, SFS 4103 Piirrosmerkit, SFS 5098 Piirustukset, SFS 5019 Säätökaaviot, SFS 4612 Logiikkapiirrosmerkit sekä useita erilaisia sähköpiirrosmerkkien ja piirustuksien standardeja. Käyttämällä alusta alkaen esimerkiksi SFS 4103 standardin mukaisia piirrosmerkkejä ja merkintätapaa, säästyy paljon turhalta vaivalta ja ei kohtaa turhia ongelmia.

Esimerkki merkinnöistä

Automaation merkinnöistä on hyvä käyttää oikeita ja virallisia merkintätapoja. Suunnitellessa erilaiset instrumentit sekä mittauspisteet, venttiilit ja moottorit nimetään järjestyksessä ja tietyillä kirjainyhdistelmillä. Kirjaimia voidaan yhdistellä, jos yhdessä pisteessä on esimerkiksi monta eri asiaa mittaava laite. Esimerkiksi alla olevassa kuvassa on säiliö, johon menee pumpulta (P1) vettä ja painetta säädetään venttiilillä PC1 (Pressure Control 1).

Esimerkki prosessikaaviosta. P1 on pumppu, PC1 on Pressure control eli ventiili ja säiliö on vesisäiliö.

Tekoälyn hyödyntäminen automaatiossa

Tekoälypohjaisten työkalujen kehittyminen tuo uusia mahdollisuuksia hienosäätää prosesseja ja automatisoida asioita kokonaisvaltaisemmin. Tutustu nykytilaan ja mahdollisuuksiin Yritys.AI sivustolla, johon on kerätty asiantunteva näkemys tekoälyyn yrityskäytössä.