TEKNILLINEN KORKEAKOULU Sähkötekniikan osasto
Jukka Antikainen
KAPPALETAVAROIDEN MASSATUOTANNON TIEDONKERUUN OHJELMISTORATKAISUT PC-VERKOSSA
Diplomityö, joka on jätetty opinnäytteenä tarkastettavaksi diplomi- insinöörin tutkintoa varten Espoossa 15.11.1995.
Työn valvoja Aarne Halme
Työn ohjaaja Pekka Ruusunen
TEKNILLINEN KORKEAKOULU DIPLOMITYÖN TIIVISTELMÄ
Tekijä : Antikainen, Jukka Tapio
Työn nimi: KAPPALETAVAROIDEN MASSATUOTANNON TIEDON
KERUUN OHJELMISTORATKAISUT PC-VERKOSSA
Päivämäärä: 15.11.1995 Sivumäärä: 80
Osasto: Sähkötekniikan osasto Professuuri: Aut-84, Automaatiotekniikka
Työn valvoja: Professori Aarne Halme Työn ohjaaja: Dl Pekka Ruusunen
Diplomityössä on tutkittu tiedonkeruujärjestelmän toteuttamista sekä tiedonkeruun merkitystä kappaletavaroiden massatuotannossa. Lisäksi on perehdytty vaihtoehtoisiin tiedonkeruujärjestelmän rakenteisiin. Työn soveltavassa osassa on toteutettu tiedonkeruujärjestelmä Oy Helvann Karkkilan tehtaalle.
Teoriaosuudessa tarkastellaan aluksi, mitä tiedonkeruulla tarkoitetaan ja mitkä ovat ne syyt, jotka johtavat tiedonkeruujärjestelmän toteuttamiseen. Lyhyesti tarkastellaan myös tiedonkeruun kehitystä. Tämän jälkeen käsitellään niitä tiedonkeruun erityispiirteitä, jotka tulee ottaa huomioon kappaletavaroiden massatuotannon yhteydessä.
Seuraavaksi esitellään erilaisia malliratkaisuja tiedonkeruujärjestelmän toteutukselle ja vertaillaan niiden välisiä eroja. Lyhyesti käsitellään myös PC- pohjaisen lähiverkon merkitystä tiedonkeruujärjestelmässä sekä pohditaan lähiverkon etuja ja haittoja. Teoriaosan lopuksi selvitetään analysoinnin merkitystä tiedonkeruujärjestelmässä.
Tiedonkeruujärjestelmän käyttö tuo yritykselle useita huomattavia etuja. Se helpottaa yrityksen laadunvalvontaa ja tuotekehitystä sekä antaa uutta tietoa koko valmistusprosessista. Työn eräs tulos on, että tiedonkeruujärjestelmä voidaan toteuttaa varsin edullisesti käyttämällä taulukkolaskenta- ja tietokantaohjelmia.
automaatio, kappaletavara, lähiverkko,massatuotanto, ohjelmoitava logiikka, tiedonkeruu
Avainsanat:
HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ABSTRACT OF THE MASTER'S THESIS
Author : Antikainen, Jukka Tapio
Name of the thesis: SOFTWARE SOLUTIONS FOR PC-NETWORK BASED DATA GATHERING IN THE MANUFACTURING INDUSTRY
Date: 15.11.1995 Pages: 80
Faculty: Electrical Engineering
Professorship: Aut-84, Automation Technology
Supervisor: Professor Aarne Halme Instructor: MSc Pekka Ruusunen
The aim of this thesis is to study the realization and the meaning of a data gathering system in the manufacturing industry. In addition, it describes what are the structural options of the data gathering system. In the empiric part of the study there is a description of implementation of a data gathering system. The system is installed in the ballastine production factory Oy Helvar in Karkkila Finland.
In the beginning of the theoretical part of the study there is explanation what is meant by data gathering and what are the reasons to build such system. Next, the special features of a data gathering system in the manufacturing industry are dealed.
The following sections introduce different structural option to build a data gathering system. The differences between the options are examined. Next, the advances and drawbacks of the PC-network are shortly covered. In the end of the theoretical part of the study the significance of an analysis is handled.
The use of the data gathering system benefits the company. It helps the company to increase the quality of the products it manufactures. Also, it helps the R&D personnel to get data from the process. One result of this work is that a data gathering system can be build profitably using spreadsheet and database programs.
Keywords: automation, data gathering, discrete manufacturing, local area network, massproduction, programmable controller
ALKULAUSE
Tämä diplomityö on tehty Control Software Oy:ssä. Työhön liittyy 1.1.1994 - 30.8.1995 välisenä aikana toteutettu tiedonkeruujärjestelmä Oy Helvann Karkkilan tehtaille.
Työn valvojana on toiminut professori Aarne Halme ja työn ohjaajana Dl Pekka Ruusunen. Haluan esittää heille suurimmat kiitokseni avustavista kommenteista sekä hyvistä neuvoista. Erityisen kiitoksen haluan ilmaista niille Oy Helvann työntekijöille, joiden kanssa tiedonkeruujärjestelmää on toteutettu, sekä koko Control Software Oy:n henkilökunnalle hyvästä kannustuksesta.
Lisäksi haluan kiittää vaimoani Liisaa kaikesta saamastani avusta ja rohkaisusta sekä isääni ja isovanhempiani kaikesta tuesta ja uskosta työn valmistumiseen.
Espoossa 15.11.1995
SISÄLLYSLUETTELO
TIIVISTELMÄ ABSTRACT ALKULAUSE
SISÄLLYSLUETTELO
SYMBOLI- JA LYHENNELUETTELO
1. JOHDANTO...1
1.1 Työn lähtökohdat...1
1.2 Työn tavoitteet... 2
1.3 Työn rajaukset... 3
2. TIEDONKERUU JA TIEDONTARVE... 5
2.1 Tiedonkeruujärjestelmä... 5
2.1.1 Tiedonkeruun määritelmä... 6
2.1.2 Tiedonkulku tiedonkeruujärjestelmässä... 6
2.1.3 Tiedonkeruujärjestelmän perusvaatimukset...7
2.1.4 Tiedonkeruujärjestelmän laitteiden välinen työnjako... 8
2.2 Taustat ja syyt...10
2.2.1 Laadunvalvonta...11
2.2.1.1 Taloudelliset syyt...12
2.2.1.2 Yrityksen ulkopuolisten tahojen vaatimukset... 13
2.2.2 Tilastollinen laadunohjaus... 13
2.2.3 Tuotannon tehostaminen... 14
2.2.4 Tuotantolaitteiden valvonta ja virhetoimintojen ennakointi... 15
2.2.5 Asiakkaiden vaatimukset... 16
2.2.5.1 GMP = Good Manufacturing Practise... 16
2.2.6 Muut syyt...17
2.3 Historiallinen kehitys... 1 7 2.3.1 Alkuvaiheet... 18
2.3.2 Nykypäivän toteutukset...18
2.3.3 Tulevaisuuden vaatimukset...20
3. MASSATUOTANNON TIEDONKERUUN ERITYISPIIRTEET... 22
3.1 Viiveiden minimointi... 22
3.1.1 Mittaustapahtuman aiheuttamat viiveet... 23
3.1.2 Tiedonsiirron viiveet...24
3.1.3 Tietojen tallennus... 25
3.1.4 Tietojen analysointi... 25
3.2 Tapahtumien nopeus... 26
3.2.1 Mittalaitteiden vaatimukset...26
3.2.2 Ohjelmistojen vaatimukset...27
3.3 Luotettavuus... 28
3.3.1 Määrällinen luotettavuus... 28
3.3.2 Laadullinen luotettavuus... 28
4. TOTEUTUSMALLIT JA NIIDEN VALINTA... 30
4.1 Mallien jaottelu... 30
4.1.1 Järjestelmärakenteen mukainen jaottelu... 31
4.1.2 Sovellusohjelmien mukainen jaottelu... 32
4.2 Mallien ominaisuuksien vertailu...34
4.2.1 Nopeus...35
4.2.2 Luotettavuus...35
4.2.3 Laajennettavuus... 36
4.2.4 Työkalut... 37
4.2.5 Analysointi mahdollisuudet... 38
4.2.6 Historiatietojen tallennus... 39
4.2.7 Järjestelmän monimutkaisuus...39
4.2.8 Muut ominaisuudet...40
4.3 Mallien kustannukset... 40
4.3.1 Perusohjelmiston hankinta...41
4.3.2 Sovellustyön tekeminen... 41
4.3.3 Laajennuksien ja muutosten tekeminen... 42
4.4 Valintakriteerit... 43
4.4.1 Tiedonkeruun tarve...43
4.4.2 Nykyjärjestelmän huomioiminen...43
4.4.3 Muut valintaan vaikuttavat tekijät...44
5. PC-LÄHI VERKKO Tl EDON KERUUJÄRJESTELMÄN OSANA...46
5.1 PC-verkon sijoittuminen tiedonkeruujärjestelmään...46
5.2 Verkon ominaisuudet tiedonkeruun kannalta...47
5.2.1 Verkon tarjoamat tiedostopalvelut...48
5.2.2 Verkon luotettavuus...48
5.2.3 Verkon laajennettavuus... 49
5.2.4 Verkon yhteyspalvelut... 50
5.3 Verkon edut ja haitat... 50
5.3.1 Lähiverkon edut... 50
5.3.2 Lähiverkon haitat... 51
6. TIETOJEN ANALYSOINTI... 52
6.1 Analysointi ja sen käyttö...52
6.1.2 Lyhyen aikavälin tarkastelut...54
6.1.3 Pitkän aikavälin tarkastelut... 55
6.2 Analysoinnin toteutus... 56
6.2.1 Missä analysointi suoritetaan?...56
6.2.2 Erillisen analysointisovelluksen tarve... 57
7. ESIMERKKISOVELLUS : OY HELVAR... 58
7.1 Oy Helvar, Karkkilan tehdas... 58
7.2 Lähtökohdat...59
7.2.1 Asiakkaan tarpeet... 59
7.2.2 Vanha järjestelmä... 60
7.2.2.1 Toiminnot... 61
7.2.2.2 Puutteet... 61
7.2.3 Asiakkaan tavoitteet... 61
7.2.3.1 Toiminnalliset tavoitteet...61
7.2.3.2 Toivomukset toteutustavan suhteen... 62
7.2.3.3 Ajalliset tavoitteet...62
7.3 Toteutusmallin valinta... 63
7.3.1 Valitun mallin kuvaus...63
7.3.1.1 Mallin hierarkkinen rakenne... 63
7.3.1.2 Toimintaperiaate...64
7.3.1.3 Rajoitukset...65
7.3.1.4 Valittu malli ja paikallisverkko...65
7.3.2 Valintojen perustelut...65
7.3.2.1 Perusmalli... 65
7.3.2.2 Ohjelmistot...66
7.4 Toteutus... 67
7.4.1 Yleistä huomioon otettavaa toteutuksen suhteen...67
7.4.2 Alemman tason tiedonkeruuasemat...68
7.4.3 Asiakaskohtainen mittaustietojen tallennussovellus... 69
7.4.4 Analysointisovellus... 71
7.5 Järjestelmän toimivuuden arviointi... 72
7.5.1 Saavutettu tilanne... 73
7.5.2 Käyttäjien kokemukset...73
7.5.3 Havaitut puutteet ja ongelmat...74
7.6 Ideoita järjestelmän jatkokehitystä ajatellen... 74
8. YHTEENVETO...76
8.1 Johtopäätökset... 76
8.2 Pohdinnat... 78
LÄHDELUETTELO LIITTEET
SYMBOLI-JA LYHENNELUETTELO
ASCII American Standard Code for Information Interchange
Standardi, joka määrittelee merkkimuotoisen tiedon esitystavan tietokoneessa joko 7 tai 8 bitin avulla. (Ahonen &
Kolari 1994, s. 169)
asiakas/palvelin client/server
Tietokonesovellusten hajauttaminen siten, että tietokanta on palvelinkoneessa(server) ja käyttöliittymä toimii asiakastyö- asemalla(client). (Ahonen & Kolari 1994, s.170)
DDE Dynamic Data Exchange
Microsoft Windows -käyttöjärjestelmien sisältämä ohjelmien välinen tiedonsiirtotapa.
DOS Disk Operating System
PC:n 16-bittinen käyttöjärjestelmä.
Ethernet DEC:n, Intelin ja Xeroxin kehittämä väylänvarausmenettelyyn perustuva lähiverkko. Toteuttaa OSI-mallin kaksi alinta kerrosta. (Ahonen & Kolari 1994, s. 172)
GRIB General Purpose Interface Bus
IEEE 488 -standardin mukainen väylä, joka mahdollistaa erilaisten ohjelmoitavien instrumentoi nti laitteiden välisen tiedonsiirron.
ISO 9000 Kansainvälisen standardoimisjärjestön(lnternational Standards Organisation) laatujärjestelmiä ja -johtamista koskeva
NetBIOS Network Basic Input/Output System
Vakiorajapinta mikron käyttöjärjestelmän ja verkon välissä.
(Honkanen 1986, s.248)
PC Personal Computer
Henkilökohtainen tietokone.
PLC Programmable Logic Controller Ohjelmoitava logiikka.
RS232 Määrittelee asynkronisen sarjaliitännän.
TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol
USA:n puolustusministeriön kehittämä kuljetus/verkko
protokolla. (Honkanen 1986, s.250)
Token Ring IBM:n käyttämä valtuuden välitykseen perustuva lähiverkkostandardi. (Ahonen & Kolari 1994, s. 180)
1. JOHDANTO
7.7 Työn lähtökohdat
Teollisuuden automatisoitumisen myötä on tuotantoprosessien hallitsemiseksi ja seuraamiseksi tarvittavan tiedon määrä kasvanut valtavasti. Tämä kasvu on ollut havaittavissa sekä prosessi- että kappaletavarateollisuudessa. Automaation tarvitsema tietokoneistuminen ja mittaustekniikan parantuminen on tuonut tiedon paljon helpommin saataville. Tiedonkeruun järjestäminen ja saatavan tiedon oikea ja jatkuva jälkikäsittely ovat nousseet merkittäväksi osaksi toimivaa tuotantolinjaa.
Ohjelmistotarjonnan rajun kasvun seurauksena yrityksellä on valittavanaan useita erilaisia toteutusmalleja, kun yrityksen tiedonkeruujärjestelmää ryhdytään rakentamaan.
Tämän työn lähtökohtana oli toteuttaa kappaletavaroiden massatuotantoon soveltuva tiedonkeruujärjestelmä. Järjestelmä päätettiin koota mahdollisimman suurilta osin valmiista kaupan hyllyiltä ostettavista PC-pohjaisista tietokanta- ja taulukkolaskentaohjelmistoista. Mallin käytön teki mielenkiintoiseksi se, että suurista volyymeista huolimatta näitä ohjelmia ei ole totuttu näkemään tehtaiden tuotantosalien puolella. Niiden käyttö on kuulunut paremminkin konttorien myynti- ja talousosastoille.
Työssä tutustuttiin myös kerätyn tiedon jatkojalostuksen ja analysoinnin näkökulmiin. Pidetäänkö analysointia mahdollisena tuotannon tehokkuutta ja laatua lisäävänä tekijänä ja siten kustannuksia alentavana mahdollisuutena vai suhtaudutaanko siihen ainoastaan rahan menoa aiheuttavana turhuutena?
Esimerkkisovelluksessa käytetty tiedonkeruujärjestelmän toteutustapa ei sovellu sellaisenaan kaikille kappelatavaroita valmistavan teollisuuden osa-alueille.
Esimerkkiprojektin kaltaisiin, melko perinteisin ja yksinkertaisin valmistusmenetelmin kappaletavaroiden massatuotantoa tekevien linjojen
annettavaa. Työssä punnittiin mallin asettamia rajoituksia sekä sen soveltuvuutta erilaisiin tilanteisiin ja toimintaympäristöihin.
Esimerkkiprojektin avulla seurattiin tarkemmin eri ohjelmien muodostamien osien rakentumista kokonaiseksi tiedonkeruujärjestelmäksi sekä arvioitiin saatiinko järjestelmällä sellaista hyötyä kuin oli ajateltu.
Toteutetun esimerkkisovelluksen pohjalta arvioitiin tietokanta- ja taulukkolaskentaohjelmistojen soveltuvuutta kappaletavaroiden massatuotannon tiedonkeruujärjestelmiin.
1.2 Työn tavoitteet
Tavoitteena oli tarkastella kappaletavaratuotannon tiedonkeruuseen tarjolla olevia toteutusmalleja ohjelmalliselta kannalta. Työn alussa tarkasteltiin, mitä tiedonkeruulla tarkoitetaan kappaletavaroiden massatuotannon yhteydessä.
Selvitettiin myös, miten tiedonkeruujärjestelmän eri osatekijät - tiedon mittaus prosessista, tiedonsiirto ja -muokkaus, tiedon taltiointi sekä tiedon analysointi - sijoittuvat tuotantoa seuraavan ja ohjaavan automaatioratkaisun rinnalle.
TIEDONKERUUN SIJOITTUMINEN AUTOMAATIOJÄRJESTELMÄÄN
FYYSINEN I/O PROSESSIOHJAIN - plc
- muu ohjainlaite
OPEROINTIASEMA - valvomo
- ohjauspaneeli
RAPORTOINTI JA ANALYSOINTI - tulostin
O <-> o
<—
У -
KUVA 1 Tiedonkeruun sijoittuminen automaatiojärjestelmään.
Työssä myös tutkittiin, mitkä ovat ne syyt ja taustatekijät, joiden perusteella tiedonkeruujärjestelmien rakentaminen osaksi teollisuuslaitoksen mittaus- ja ohjausjärjestelmää on muodostunut yhä tärkeämmäksi vaiheeksi tuotantolaitoksen automaatiota suunniteltaessa ja toteutettaessa.
Kappaletavaroiden massatuotannon tiedonkeruun erityispiirteet kartoitettiin ja etsittiin perusratkaisuja tiedonkeruujärjestelmän toteutukselle. Vertaltiin eri näkökulmista, miten eri toteutusmallit eroavat toisistaan: mitkä ovat niiden hyvät ja huonot puolet? Erityisen huomion sai taulukkolaskenta- ja tietokantaohjelmien avulla toteutettava tiedonkeruujärjestelmä. Esimerkkisovelluksessa käytettiin tällaista toteutusmallia, koska sen käyttö poikkesi totutuista ratkaisuista.
1.3 Työn rajaukset
Työ rajattiin käsittelemään vain kappaletavarateollisuuden massatuotannon tiedonkeruujärjestelmiä. Massatuotannolla tarkoitetaan tässä yhteydessä suurissa sarjoissa ja erittäin lyhyin valmistusajoin tehtäviä tuotteita.
Vaikka tiedonkeruu laajemmin määriteltynä käsittää myös mittaustapahtumat, joita erilliset säätölaitteet, kuten yksikkösäätimet, suorittavat säätötehtäviensä hoitamista varten tai ne mittaviestit, joita prosessiohjain suoraan käyttää omiin säätö- ym. tehtäviinsä, rajattiin fyysisten mittausten suoritus tämän työn ulkopuolelle. Työssä tiedonkeruun toteutusta käsitellään nimenomaan laajamittaisen ja pitkällä aikajänteellä tapahtuvan tietojen keräämisen, käsittelyn, tallentamisen ja analysoinnin kannalta. Vrt. kuva 1 "Tiedonkeruun sijoittuminen automaatiojärjestelmään".
Vertailua prosessiteollisuuden vastaaviin ohjelmistoihin tai toteutustapoihin tehtiin ainoastaan, kun haluttiin korostaa tiettyä erityispiirrettä tai toimintatapaa, joka poikkeaa merkitsevästi näiden teollisuuden sektorien välillä.
Työ rajattiin koskemaan ainoastaan PC-pohjaisia ohjelmisto- ja verkkoratkaisuja;
vastaavia toteutuksia muissa laitteistoympäristöissä ei tutkittu. Tämä rajaus sulkee
Työssä keskityttiin mahdollisimman pitkälti ohjelmallisten toteutusmallien ominaisuuksien puntarointiin. Laitteistoihin liittyvät seikat jätettiin vähemmälle huomiolle. Niiden kehitys tänä päivänä on niin nopeaa, että järkevää vertailua oli lähes mahdoton suorittaa. Viittauksia eri ohjelmien tarjoamiin tai edellyttämiin laitteistoihin tehtiin ainoastaan, kun se tuntui tarpeelliselta.
2. TIEDONKERUU JA TIEDONTARVE
"Tiedonkeruun merkitys yrityksen tuloksenteolle on tullut yhä tärkeämmäksi.
Oikealla ja täsmällisellä tiedolla voidaan saada aikaan suuria säästöjä." (Koivula
& Hänninen 1994, s.54)
Tiedonkeruu ja erityisesti kerätyn tiedon hyödyntäminen on viimeisinä vuosikymmeninä kasvanut voimakkaasti. Tämä johtuu ensinnäkin asiakkaiden laatuvaatimusten, tuotantolinjojen tehokkuuden seurannan ja yrityksen ulkoisten paineiden asettamista tarpeista. Monesti yksittäisen kappaleen tuotanto- ja käyttöhistoriaa voidaan seurata raaka-aineen valmistuksesta sen toimitukseen loppukäyttäjälle saakka koko materiaali- ja valmistusprosessin läpi.
Toisaalta osa kasvusta on luettava markkinoille tulleiden uusien PC-pohjaisten tiedonkeruukorttien, eri 11 islaitteiden ja tiedon analysointiin tarkoitettujen ohjelmistojen ansioksi. Nämä tekevät tiedonkeruun mahdolliseksi helpommin ja pienemmin investoinnein.
2.7 Tiedonkeruujärjestelmä
Kappaletavarateollisuuden yhteydessä tiedonkeruulla tarkoitetaan niitä tiedon mittauksen-, tallennuksen- ja analysoinnin osajärjestelmiä, jotka muodostavat yrityksen tiedonkeruujärjestelmän. Tiedonkeruu voidaan suorittaa yrityksessä monin eri tavoin. Yksinkertaisimpana mahdollisuutena on työntekijöiden manuaalisesti suorittamat tarkastusmittaukset. He kirjaavat mittausten tulokset joko paperille tai jollekin muulle tallennuslaitteelle. Automatisoitujen tuotantolinjojen yhteyteen rakennettu tiedonkeruujärjestelmä on toiminnoiltaan yleensä laajempi ja sen avulla voidaan helpommin välttää inhimillisten erehdysten aiheuttamia vääristymiä kerätyissä tiedoissa.
Tuotannosta voidaan kerätä kahdenlaista tietoa: laskuritietoa ja mittaustietoa.
Laskuritietoa on kokonaisluvuin ilmaistava tieto; esimerkiksi kuinka monta
tahansa mittausalueen minimin ja maksimin välillä. Kappaleen suoritusarvojen mittauksen jälkeen tiedot talletetaan siten, että niiden järkevä käyttö myöhempiin analyyseihin onnistuu ilman hankaluuksia. Mitatusta tiedosta tulisi voida tallettaa itse mittausarvon lisäksi myös mittauksen suoritushetki, käytetyt mittausvälineet, mittausmenetelmä ja -suunnitelma, mittauksen suorittanut henkilö ja niin edelleen. (Oakland 1990, s.16-17)
2.1.1 Tiedonkeruun määritelmä
Tiedonkeruun käsite voidaankin määritellä seuraavasti:
Tiedonkeruulla tarkoitetaan kaikkia niitä joko manuaalisesti tai automaattisesti suoritettavia toimenpiteitä, joita yritys tarvitsee voidakseen seurata omaa tuotantoaan sillä tarkkuudella kuin sille itselleen on tarpeellista.
Määritelmässä mainituilla toimenpiteillä tarkoitetaan sekä tiedon mittaamiseen että kerättyjen tietojen analysointiin kuuluvia osatekijöitä. Tiedonkeruujärjestelmä on siis koko automaatiojärjestelmän 'läpi' ulottuva osittain itsenäinen toiminnallinen kokonaisuus.
2.1.2 Tiedonkulku tiedonkeruujärjestelmässä
Tietovirta tiedonkeruujärjestelmässä muodostuu antureiden lähettämistä mittasignaaleista, prosessin ohjauslaitteen lähettämistä ohjausviesteistä toimilaitteille sekä ohjauslaitteen ja tiedon tallennukseen ja analysointiin käytettävän laitteiston välisestä tietoliikenteestä.
TIEDON KULKU TIEDONKERUUJÄRJESTELMÄSSÄ
TALTIOITAVAT
RAAKAMITTAUKSET TIEDOT
/Л z~x
MITTA-ANTURIT PROSESSIN TIETOJEN
JA VALVONTA- JA TALTIOINTI JA
TOIMILAITTEET OHJAUSLAITTEET ANALYSOINTI
vy VV
OHJAUSVIESTIT ANALYSOINTIIN
POHJAUTUVAT OHJAUKSET
KUVA 2 Tiedon kulku tiedonkeruujärjestelmässä.
Eri laitteiden väliset viestit voivat tyypillisesti olla tavallisia analogisia jännite- tai virtaviestejä esim. 4-20mA virtav lestejä, eri verkkoprotokollien mukaista kommunikointia tai tiedostopohjaista tiedonsiirtoa.
2.1.3 Tiedonkeruujärjestelmän perusvaatimukset
Yksinkertaisimmillaan tiedonkeruujärjestelmä sisältää vain yhden kannettavan tietokoneen, siihen asennetun tiedonkeruukortin ja korttiin liitetyn mitta-anturin.
Tällainen kannettava tiedonkeruu laitteisto tuskin soveltuu ison yrityksen jatkuvaan tiedonkeruuseen mutta on mitä sopivin kertaluontoisiin vianhakuprosesseihin tai maastossa tapahtuviin kenttämittauksiin.
Tyypillisen mittausjärjestelmän ohjelmistojen tehtävät voidaan jakaa kolmeen osaan: mittauslaitteiden ohjaus ja mittaustiedon keruu, mittaustulosten käsittely ja analysointi ja tulosten esittäminen ja tietojen tallettaminen.(Nystedt 1990, s.3) Tietokonepohjaisen mittaus- ja tiedonkeruujärjestelmän tehtävät selviävät seu raavasta kuvasta. Kaikkia näitä ominaisuuksia ei jokaisessa järjestelmätoteutuksessa tarvita, ja tarpeettomat tehtävät voidaan jättää pienemmälle huomiolle. Järjestelmää suunniteltaessa kaikkiin tehtäviin kannattaa
kuitenkin varautua mahdollisimman hyvin sillä usein järjestelmiin ilmaantuu myöhemmin laajentamistarpeita.
Tulot
^ Tiedonkeruu
Muokkaus
Näyttö
Analyysi
Ohjaus
Lähdöt
KUVA 3 Tietokonepohjaisen mittausjärjestelmän tehtävät.(Nystedt 1990, s.3)
Kappaletavaroiden massatuotannon tiedonkeruujärjestelmässä tiedon tallennustavan valinta on merkitsevä. Suuret tietomäärät tarvitsevat paljon tallennuskapasiteettia.
2.1.4 Tiedonkeruujärjestelmän laitteiden välinen työnjako
Erilliset mittalaitteet on suunniteltu niin, että ne suorittavat itse mittaustapahtuman tarkasti ja nopeasti. Niiden oma kyky käsitellä pitkän aikavälin dataa on yleensä kuitenkin rajoittunut.
Tiedon mittauksesta huolehtiva laite onkin syytä rauhoittaa hoitamaan vain omia tehtäviä. Laitteelle on kaksi päätehtävää: anturilta tulevan mittausviestin vastaanotto ja viestin sisältöä vastaavan lukuarvon lähetys eteenpäin.
Lyhytaikaisena puskurivarastona toimiminen on lisäarvo, jonka merkitys voi joskus muodostua suureksi.
Seuraavalla tasolla tiedonkeruujärjestelmässä on laite, joka huolehtii tiedon tallettamisesta sellaiseen muotoon, että sen käyttö heti tai myöhemmin tehtäviin analyyseihin on helppoa. Tiedon tulee sijaita loogisessa ja tavoitettavassa paikassa kaikkien sitä tarvitsevien kannalta. Lisäksi tiedon talletusmuoto tulee valita tarpeisiin sopivaksi.
Näiden tehtävien väliin voidaan sijoittaa tuotannon tilaa lyhyemmällä vasteajalla seuraava ohjelmisto. Ohjelman tehtävä on pitää tehtaan tuotantohenkilöstö ajan tasalla.
Kolmannella ja ylimmällä tasolla on ohjelmisto, jonka avulla kerättyjä tietoja analysoidaan. Tämä ohjelmisto voi toimia joko automaattisesti tai manuaalisesti.
Automaattista toimintaa tarvitaan, jos tiedonkeruulla tavoitellaan tilastollista laadun- tai tuotannonohjausta. Manuaalisesti käyttäjän komentojen avulla tehtävät analysoinnit sopivat yksittäisten laitteiden toiminnan ja virhetilojen etsintään sekä testausten suorittamiseen.
Seuraava kuva esittää tiedonkeruun työnjakoa ohjelmoitavilla logiikoilla ja PC- pohjaisiIla valvomoasemilla toteutetussa järjestelmässä.
ESIMERKKI TIETOJENKERUUJARJESTELMASTA
TIETOJEN ANALYSOINTI - erillinen tietojen automaattinen
tai manuaalinen analysointi - raporttien muodostaminen
TIEDON TALLENNUSSOVELLUS - tiedon vastaanotto valvomoilta - mittausten skaalaus
- tietojen tallennus sopivaan tietokantamuotoon ja esim. verkkopalvelimen kovalevylle - mahdollinen automaattinen analysointi
TEHTAAN LÄHIVERKKO
PC-VALVOMO TAI MUU VASTAAVA - tiedon kysely ohjelmoitavalta logiikalta - mittaustietojen graafinen esitys käyttäjille - mahdollinen mittaustietojen skaalaus
- tiedonsiirto ylemmälle tasolle lähiverkon avulla
OHJELMOITAVAT LOGIIKAT - mittasignaalien vastaanotto - tiedon lyhytaikainen puskurointi - tiedon välitys seuraavalle tasolle
KUVA 4 Esimerkki tiedonkeruujärjestelmän työnjaosta.
2.2 Taustat ja syyt
Tiedon keräämisen taustalla on aina halu saada lisää informaatiota omasta tuotantoprosessista. Näitä tietoja käytetään laadunvalvontaan sekä tuotannon pullonkaulojen löytämiseen. Tietojen suurimpia hyödyntäjiä ovat
teollisuuslaitosten tuotannosta ja laadunvalvonnasta vastuulliset henkilöt sekä laitosten käyttöhenkilökunta.
Toisaalta valmistukseen käytettävien laitteiden itsenäisyys ja kyky tarkkailla valmistamiensa tuotteiden laatu- ym. tekijöitä, on siirtänyt kerätyn tiedon käyttöä kohti tuotantolaitteiden ennaltaehkäisevää huoltotoimintaa.
Uudempana merkittävänä taustatekijänä tiedonkeruujärjestelmän toteuttamiselle ovat asiakkaiden tai muiden ulkopuolisten tahojen vaatimukset tuotteen laadulle.
Varsinkin viimeisten vuosien aikana nämä seikat ovat yhä kasvavassa määrin alkaneet lisätä merkitystään.
Syyt tuotannon tiedonkeruujärjestelmän toteuttamiselle voidaankin jakaa seuraviin ryhmiin:
• tuotteiden laadunvalvonta
• tilastollinen laadunohjaus
• tuotannon tehostaminen
• tuotantolaitteiden valvonta
• asiakkaiden laatuvaatimukset
• muut syyt 2.2.1 Laadunvalvonta
Laadunvalvonta yrityksen tuotannossa lienee tärkein syy tiedonkeruujärjestelmän rakentamiselle. Valvontaa suorittaa lähes kaikissa tuotantolaitoksissa tuotteiden laadusta vastuullinen henkilö. Hänen tehtävänä on kehittää yrityksen laadunvalvonnan menetelmiä sekä ehdottaa mahdollisia tuotantotapoja koskevia muutoksia.
Laadunvalvontaa suoritetaan monista eri syistä. Näistä tärkeimmät ovat taloudelliset syyt sekä asiakkaiden ja viranomaisten vaatimukset.
2.2.1.1 Taloudelliset syyt
Laadunvalvonnan keinoin voidaan vähentää huomattavasti valmistettujen viallisten kappaleiden määrää. Jo muutaman prosentin vähennys viallisten kappaleiden määrässä voi merkitä huomattavia rahasummia. Rahaa säästyy suoraan vähentyneinä raaka-ainekustannuksina ja tuotantolaitteiden pidempinä elinikinä. Tuotannossa säästöjä syntyy vähentyneinä palkka- ym. kustannuksina yhtä valmistettua ehjää tuotetta kohden.
Laadunvalvonnan avulla voidaan paremmin valmistaa tuote oikean laatuiseksi.
Valmistettujen kappaleiden 7yl¡laatu' ei ole tavoiteltava asia. Turhan hyvä laatu lisää tuotteiden valmistuskustannuksia. Tuotteiden laadun pitäisi olla sopusoinnussa markkinoiden vaatimusten kanssa.
Parempi laatu vähentää tarvetta vaihtaa viallisia osia yrityksen omalla kustannuksella, koska viallisia tuotteita ei pääse enää yhtä paljon asiakkaille.
Lisäksi automaattisella lopputarkastuslaitteella hylätyiksi tulleet kappaleet usein joutuvat tarkempaan ihmisen työpanosta vaativaan tarkastukseen. Tämä lisää yrityksen kustannuksia työpanos- ym. kuluina.
Jos yrityksen tiedonkeruujärjestelmään liitetään myös saapuvien raaka-aine-erien valvonta, säästetään tällä tavoin myös yrityksen rahaa raaka-ainehankinnoissa.
Laatu on myös merkittävä markkinointitekijä. Jos laadunvalvonnalla voidaan vähentää markkinoille pääsevien viallisten kappaleiden osuutta, luo se positiivista mielikuvaa yrityksen tuotteista ja edistää tuotteiden myyntiä paremmin kuin moni mainoskampanja. Varsinkin pienillä - joko maantieteellisesti tai asiakasmääriltään - markkina-alueilla mielikuvat yrityksestä syntyvät nopeasti.
Yksittäisen tuotteen markkinoinnin kannalta ei ole paljoa merkitystä sillä saadaanko markkinoille pääsevien viallisten tuotteiden määrää vähennettyä tuotannon laadun paranemisen vai tarkan lopputestauksen ansiosta. Koko yrityksen imagoa ajatellen, laadun paraneminen tuotannossa nostaa yrityksen mainetta markkinoilla.
2.2.1.2 Yrityksen ulkopuolisten tahojen vaatimukset
Laadunvalvontaan liittyy myös muiden kuin yrityksen sisäisten tekijöiden muodostamat vaatimukset. Tällaisia ovat esimerkiksi viranomaisten asettamat laaduntarkkailuvaatimukset. Varsinkin elintarviketeollisuudessa viranomaisilla on korkeat vaatimukset tuotannon laadun suhteen. Esimerkiksi pakaste- elintarvikkeiden säilytys- ja kuljetuslämpötilat ovat tarkassa seurannassa elintarvikeviranomaisten taholta. Toinen aivan viime vuosina laajaa julkisuutta saanut alue on ympäristösuojeluun liittyvät mittausvelvoitteet. Moni yritys on joutunut investoimaan sellaiseen tiedonkeruujärjestelmään, jonka raportit voidaan säännöllisin väliajoin toimittaa ympäristöviranomaisille. Tähän tarkoitukseen sopivat usein hyvin nykyisten tehokkaiden PC-laitteiden yhteyteen liitetyt tiedonkeruujärjestelmät.
Ulkopuolisena tahona voidaan pitää myös mahdollisia laatusertifikaattien myöntäjiä, vaikka tämä tarkastustoiminta onkin lähtöisin yrityksen omasta halusta saavuttaa itselleen virallinen laatuluokitus. Tällaisen laatusertifikaatin hankkiminen kuuluu yrityksen omaan markkinointiin, mutta laukaisevana tekijänä voi olla myös asiakkaiden painostus. Tällä hetkellä kuumimpana kohteena on ISO 9000-sarjan laatusertifikaatit, joiden hankinta yrityksissä on räjähdysmäisesti kasvanut. Sertifikaattien lisääntymisen seurauksena tuotannosta kerättävän tiedon määrä on kasvanut valtavasti. Valtiotieteen tohtori U.E. Moisalan mukaan: "ISO 9000-laatustandardit ovat synnyttäneet myös tarpeetonta bittimassaa, tietoa, jota tuotetaan siksi, että sitä kuuluu olla." (Keskinen 1995, s.10)
2.2.2 Tilastollinen laadunohjaus
Tilastollinen laadunohjaus on pelkkää laadunvalvontaa pidemmälle viety malli yrityksen tuotteiden laadun parantamiseksi. Tilastollinen laadunohjaus sisältää usein automatisoidun tietojen analysointi laitteiston, joka suorittaa ennalta määritellyt analyysit sekä antaa prosessiohjainlaitteelle kehotteita uusista säätöarvoista, jos jokin asetettu raja ylittyy tai alittuu.
Tilastollista laadunohjausta käytetään nykyisin enemmän prosessi- kuin kappaletavarateollisuuden alalla. Kappaletavaroiden massatuotannossakin sillä voidaan saavuttaa merkittäviä hyötyjä. Nopeasti ja paljon tuotteita tekevä valmistuslinja alkaa ominaisuuksiltaan muistuttaa jatkuvatoimista prosessia.
Tilastollisen laadunohjauksen puutteeseen on usein syynä, ettei sitä tunneta tarpeeksi. Tämä koskee varsinkin yrityksen ylempää johtoa. Vaikka he ymmärtävätkin, mistä periaatteessa on kysymys, heiltä puuttuu ratkaiseva tieto miten toteutus tulisi järjestää. Toimivan ja hyödyllisen tilastollisen laadunohjauksen perusvaatimukset ovat: ylemmän johdon todellinen omistautuminen asialle ja asialleen omistautuva laatujohtaja.
On osoittautunut, että yrityksen ulkopuolisen kolmannen osapuolen, esimerkiksi laatukonsultin tai ulkopuolisen kouluttajan, vaikutus onnistumiselle on positiivinen. (Oakland 1990, s.217-219)
2.2.3 Tuotannon tehostaminen
Tiedonkeruujärjestelmän pystytys kappaletavarateollisuuden valmistuslinjan tuotantoa valvomaan on johtunut paitsi edellä mainituista laadullisista tekijöistä myös yrityksen halusta tehostaa oman tuotantolinjansa toimintaa. Oikein toteutettuna toimiva tiedonkeruujärjestelmä osoittaa ne tuotantolinjan kohdat, jotka muodostavat valmistuksen pullonkaulan. Tätä tietoa yrityksen tuotannosta vastaavien henkilöiden on helppo käyttää apuna, kun valmistuslinjan tehokkuutta halutaan parantaa.
Tehokkuuden nostaminen linjalla voidaan toteuttaa kahdella tavalla.
Tuotantolinjan laite voidaan vaihtaa uuteen nopeammin ja virheettömämmin toimivaan. Aina ei tarvitse vaihtaa koko laitetta, vaan sen toiminnan hiominen parempaan kuntoon saattaa riittää. Varsinkin silloin, kun kyseessä on jo kauan toiminnassa ollut linja, tulee tarkoin miettiä vaihdetaanko jokin vanha kone uuteen ja kalliimpaan. Vaihtoehtona voi olla kokonaan eri tavoin toimiva kone, jonka käytöllä voitaisiin parantaa muitakin tuotannon ongelmia.
Toisaalta, jos kerättyjä tietoja analysoimalla voidaan osoittaa, että kappaleet jossain vaiheessa linjaa vain seisovat ja osa linjan koneista joutuu odottelemaan aihioiden saapumista, saattaa linjan toiminnan uudelleen organisointi tulla kysymykseen. Yleensä tällaisessa tapauksessa investoinnit linjan toimivuuden parantamiseksi nousevat suuriksi.
Vähemmän merkityksellisenä mahdollisuutena voidaan pitää tiedonkeruujärjestelmän tuottamien tietojen analysointia valmistuksessa työskentelevien henkilöiden kannalta. Sopivalla tavalla rakennettu tiedonkeruujärjestelmä pystyy osoittamaan erot työntekijöiden välillä. Tällöin on kuitenkin muistettava, että ihmiset saattavat kokea johdon keräämän yksityiskohtaisen tiedon kontrolliksi ja kahlitsevaksi tekijäksi. Tuotannon olosuhteet tulisikin rakentaa siten, että valvontaa ei juuri tarvita. (Keskinen 1995, s. 10) Yhteistyössä työntekijöiden kanssa tällaisen järjestelmän pystytys väliaikaiseen käyttöön voisi olla mahdollista. Saatavan tiedon pohjalta voitaisiin analysoida millaista lisäkoulutusta kukin työntekijä mahdollisesti tarvitsee.
2.2.4 Tuotantolaitteiden valvonta ja virhetoimintojen ennakointi
Kaikessa tuotannossa on tärkeintä oikein ja keskeytyksettä toimivat tuotantolaitteet. Järjestämällä kappaletavaratuotannon tiedonkeruu siten, että saatavien tietojen perusteella voidaan valvoa tuotannossa olevien koneiden ja laitteiden kuntoa, saavutetaan tiedonkeruujärjestelmällä suurin hyöty. Osa tällaisesta seurannasta on päällekkäistä tuotteiden laadunvalvonnan kanssa ja samoihin mittauksiin perustuvien analysointien kautta tehtävissä. Modernimpiin koneisiin sisältyy usein niiden omaa toimintaa seuraava diagnostiikkajärjestelmä, joka itsenäisesti ilmoittaa vioista tai parhaassa tapauksessa ennakoi tulevia ongelmia.
Kun tiedoista tehdyt analyysit osoittavat, että jonkin laitteen kohdalla kerätyissä tiedoissa on tapahtunut merkittävää poikkeamaa, voidaan syytä lähteä selvittämään tarkemmin. Paitsi koneen rikkoutuminen syynä voi olla myös mittalaitteen epäkunto. Kerätyn ja tallennetun tiedon oikeellisuuden ja
suoritettujen analyysien kannalta tämä on yhtä ikävä asia kuin koneen huono toiminta.
Erittäin pitkälle viety tiedonkeruujärjestelmä mahdollistaa myös ongelmatilanteiden ennakoinnin ja kalliiden koneenosien hajoamisen. Tällöin tietoa tulisi olla talletettuna pitkältä ajalta, jotta ennakointia voidaan suorittaa.
Tyypillinen pitkän aikajänteen ilmiö on esimerkiksi koneen kuluminen. Tasaisesti yhteen suuntaan muuttuvan mittausarvon syynä saattaa olla koneen jonkin toiminnon vikaantuminen.
2.2.5 Asiakkaiden vaatimukset
Asiakkaiden vaatimukset liittyvät läheisesti laadunvalvonnan yhteydessä mainittuihin seikkoihin. Tämän lisäksi monet asiakkaat saattavat vaatia alihankkijoiltaan laaduntestausraportteja, jotka tulee toimittaa tilatun tavaran yhteydessä.
Joillakin teollisuuden aloilla asiakkaat saattavat haluta seurata jokaisen heille toimitetun kappaleen elinhistorian valmistusmateriaalien ominaisuuksista ja tuotannon eri vaiheista kerätyistä mittaustiedoista aina lopputestausraportteihin saakka. Tällaista teollisuuden toimialaa edustaa ainakin autoteollisuus, joka on hyvinkin tarkka yksittäisten komponenttien elinkaaresta. Autoteollisuuden turvallisuuselektroni ¡kaita edellytetään 15 vuoden jäljitettävyyttä. Jokaisen tuotteen materiaalierä ja tuotantotapahtuma on pystyttävä selvittämään näinkin pitkien aikojen kuluttua. (Laurila 1995, s.20) Toimiva tuotannon tiedonkeruu- ja tallennusjärjestelmä on tällöin välttämättön yrityksen toiminnalle.
2.2.5.1 CMP = Good Manufacturing Practise
GMP on lyhenne sanoista Good Manufacturing Practise, ja se koostuu valmistusnormeista lähinnä lääke- ja kemianteollisuutta varten. Pohjoismaiden ministerineuvosto julkaisi vuonna 1979 valmistusta koskevat pohjoismaalaiset normit. Normit sisältävät ohjeita, jotka koskevat tuotantotapaa, raaka-aineita, siivousta, valmistusprosessia, pakkausta, valvontaa, varastointia, arkistointia jne.
Tiedonkeruujärjestelmään liittyy kaikkein lähimmin valmistusprosessia ja arkistointia koskevat ohjeet. Niissä määritellään mitä tietoja jokaisesta valmistuserästä tulee säilyttää. Tällaisia tietoja ovat esimerkiksi:
valmistusajankohta, valmistusmenetelmä, valvontatoimenpiteet, raaka-aineita koskevat laatutodistukset jne. Lisäksi edellytetään, että jokaisesta raaka-aine- ja tuote-erästä säilytetään näytekappaleita. Raaka-aineista näytteitä tulisi säilyttää 5 vuotta viimeisestä käyttöajankohdasta laskien. Valmistetuista tuotteista näytteitä tulisi säilyttää vähintään 1 vuosi tai tuotteiden viimeiseen käyttöpäivään saakka.
(Pohjoismaiden ministerineuvosto 1979, s. 1-4)
2.2.6 Muut syyt
Yllä käsiteltyjen tärkeimpien tiedonkeruujärjestelmien toteutukseen johtaneiden syiden lisäksi löytyy joitakin muita mainitsemisen arvoisia asioita. Tällaisten muiden syiden lähteet voivat olla joko yrityksen sisällä tai ulkopuolella toimivien tahojen synnyttämiä.
Uuden tuotantoteknologian käyttäminen yrityksen tuotteiden valmistuksessa usein lisää kiinnostusta akateemisissa piireissä. Tällöin tiedonkeruujärjestelmä saatetaan toteuttaa yhdessä yrityksen ja jonkin tutkimuslaitoksen kanssa.
Tiedonkeruujärjestelmälle asetettavat vaatimukset poikkeavat tällöin pelkästään yrityksen omiin tarpeisiin riittävästä järjestelmästä.
Kiinnostus voi kohdistua myös työntekijöiden käyttämiin työtapoihin: miten kauan mihinkin tehtävään kuluu aikaa, miten se suoritetaan jne. Tällaisia tutkimuksia yritykset tekevät yhteistyössä tutkimuslaitosten ja työntekijöiden kanssa.
2.3 Historiallinen kehitys
Vaikka tiedonkeruuta on teollisuuden eri toimialoilla harjoitettu jo vuosikymmenten ajan, vasta viime vuosien mittausteknologian ja mittausten käsittelyyn erikoistuneiden ohjelmien kehittymisen myötä on tiedonkeruun merkitys kasvanut. Määrällisesti tietoa on tuotannon eri osa-alueilta ollut
mahdollista tuottaa vaikka kuinka paljon. Kerätyn tiedon suunniteltu ja merkittävä hyödyntäminen on kuitenkin vasta aluillaan.
2.3.1 Alkuvaiheet
Vielä parikymmentä vuotta sitten suuri osa kappaletavaroita valmistavien yritysten tiedonkeruusta tapahtui erilaisten paperiraporttien muodossa. Raportit olivat käsin täytettäviä taulukoita, joihin yleensä manuaalisesti mitatut tai erillisen testi laitteen antamat lukuarvot kirjattiin. Vaihtoehtoisesti saattoi olla käytössä sen verran automatisoitu järjestelmä, että tietojen käsinkirjoitusta ei tarvittu, vaan testausyksikköön liitetty kirjoitin suolsi tulokset valmiiksi paperille.
Usein tällaisten raporttien tuottaminen oli tärkeämpää kuin niistä saatujen tietojen laaja käyttö tuotannon ongelmien selvittämiseen tai tuotannon tehokkuuden ja laadun parantamiseen. Osasyynä tietojen käyttämättömyyteen oli, että paperimuodossa olevien tietojen tarkempi analysointi olisi ollut vaikeaa.
Haluttujen korrelaatioiden etsintä massiivisesta tietomäärästä käsin oli ylivoimaista suorittaa tai ainakin erittäin paljon työtunteja vaativaa.
Tiedonkeruun toteuttamiseen alettiinkin kiinnittää suurempaa huomiota vasta, kun tiedonkeruu laitteistot ja -ohjelmistot kehittyivät sille tasolle, että tiedoista alettiin saada irti kiinnostavia yksityiskohtia.
Aluksi tiedonkeruuta suoritettiin lähinnä selvien virheiden löytämiseksi tuotannosta tai mahdollisten tuotantoraporttien tekemistä varten. Laatuajattelun lisääntyminen toi uusia kiinnostuksen kohteita tiedonkeruun järjestämiselle.
2.3.2 Nykypäivän toteutukset
Tänä päivänä jonkin tasoinen tiedonkeruujärjestelmä sisältyy lähes kaikkiin toiminnassa oleviin kappaletavaratuotannon automaatiojärjestelmiin. Tähän ei juuri vaikuta onko järjestelmä toteutettu varsinaisella automaatiojärjestelmätason työkaluilla, kuten Damatic tai Alcont, ohjelmoitavien logiikoiden ja PC- valvomoiden tai PC:n tiedonkeruukorttien ja -ohjelmien avulla. Näistä
nimenomaan tiedonkeruukortteihin pohjautuvat ratkaisut yleistyvät melko nopeasti. On kuitenkin huomattava, että harvoin PC:n ja tiedonkeruukortin muodostamaa yhdistelmää voidaan suuressa tehtaassa hyödyntää niin massiivisessa määrin kuin koko tehtaan tiedonkeruun toteutus edellyttää.
Tiedonkeruun toteuttaminen osana käytössä olevaa valmistuksen ohjaus- ja valvontajärjestelmää tulleekin lisääntymään tulevaisuudessa.
Eräänä pullonkaulana massiivisten tietotaltiointien toteutukselle on ollut tiedon tallennuskapasiteetin hinta. Varsin vähän aikaa on kulunut siitä, kun PC:n kovalevyjen hinta/kapasiteetti suhde on kasvanut sellaiseksi, että sitä ei enää tarvitse pitää rajoittavana kustannustekijänä.
Jatkuvasti paperille ajettavista raporteista ollaan pääsemässä eroon ja tiedot talletetaan vain PC:n levytiedostoihin, joista niitä voidaan myöhemmin tutkia tai tulostaa. Valitettavan usein käytössä on tänäkin päivänä ratkaisu, jossa tiedon tallennus tapahtuu sellaisessa tiedostomuodossa, jota muut ohjelmat eivät pysty käsittelemään. Tästä rajoituksesta ollaan vähitellen pääsemässä eroon ja esimerkiksi uudet valvomo-ohjelmistot kykenevät tallettamaan tietoa useimpien taulukkolaskentaohjelmien ymmärtämässä muodossa. Esimerkiksi Control Software Oy:n maahantuoma P-CIM -niminen Windows-pohjainen valvomo- ohjelmisto sekä Klinkmann Oy:n maahantuoma InTouch tallettavat tiedot Microsoft Excekn ymmärtämään muotoon. Kumpaankaan ohjelmaan ei enää ole sisällytetty omaa laajaa raportointiympäristöä, vaan graafisten esitysten tekoon kehoitetaan käyttämään Microsoft Excel -taulukkolaskentaohjelmaa tai muuta vastaavaa yleisohjelmaa.
Tällainen suuntaus, jossa jokainen ohjelma tekee vain sen, johon se varsinaisesti on suunniteltu, yleistyy. Erilaisiin 'sivutehtäviin' käytetään ohjelmia, joiden ominaisuuksiin halutut piirteet kuuluvat valmiina. Koko valvonta- ja tiedonkeruujärjestelmään tulee halutut ominaisuudet yhdistellä muutamista eri ohjelmista. Tämä tietysti aiheuttaa paineita sovellusten tekijöille entistä suurempien ohjelmistomäärien ominaisuuksien tuntemisessa.
Mitattujen suureiden jälkikäsittely on nykyisinkin lapsenkengissä tai sitä ei suoriteta juuri lainkaan. Varsinainen kerätyn tiedon pidemmälle menevä analysointi saati sitten tulevien tapahtumien ennakointi kerätyn datan perusteella on vielä toistaiseksi olematonta.
2.3.3 Tulevaisuuden vaatimukset
Koska kiinnostus oman tuotannon yhä tehokkaampaan seuraamiseen ja sitä kautta tuotantokustannusten alentamiseen tulee yhä edelleen kasvamaan, tarvitaan kappaletavaroiden massatuotannon tiedonkeruun alueella yhä uusia ratkaisuja.
Ohjelmien omien tiedontallennusmekan ismien tilalle tulevat erilaiset tietokantaratkaisut, joissa tieto tallennetaan yleisesti tunnettuun tietokantamuotoon. Näistä tietokannoista voidaan tietoa hakea useilla eri ohjelmistoilla. Kukin tiedon tarvitsija käyttää sitä ohjelmaa, jonka hän parhaiten tuntee. Näin kerätyistä tiedoista saadaan yhä suurempi hyöty.
Tällainen tiedon jatkojalostusmahdollisuuksien parantaminen lieneekin avainasemassa uusia ratkaisuja etsittäessä. Käytettäessä jotakin yleistä tietokantamuotoa haittapuolena on mm. se, että tiedostojen käsittely on huomattavasti hitaampaa kuin ohjelmien omien tiedostomuotojen. Tästä syystä useimmat valvomo-ohjelmistot eivät käytä sisäisenä tiedontallennusmuotonaan esim. Paradox, DBase tai Access -tietokantaohjelmistojen tiedostomuotoja.
Useimpiin tällaisiin ohjelmistoihin kuitenkin liittyy jonkinlainen raportointimahdollisuus, jossa tiedot voidaan konvertoida tällaiseen muotoon säännöllisin väliajoin. Toisaalta PC-laitteiden tehokkuuden lisääntyminen ja hintojen halventuminen mahdollistaa erillisen PC:n hankkimisen esimerkiksi tiedonkeruun tarpeisiin. Taulukko 1 esittää tyypillisen PC:n ominaisuuksien ja hinnan kehitystä PC Magazine-lehden vuosien 1990-1994 tekemien vertailujen pohjalta. Hinnat ovat dollareita Yhdysvaltain markkinoilla.
Taulukon tietoja ei voi suoraan verrata teollisuudessa käytettäviin PC-laitteistoihin.
Niissä tarvitaan usein suurempia olosuhdevaihteluja kestäviä laitteita ja hinnat muodostuvat korkeammiksi. Taulukosta käy kuitenkin ilmi suuntaus, johon
tietokonealalla ollaan menossa. Jos tämän vuoden lukemat olisivat mukana taulukossa, voitaisiin havaita, että suunta on sama ja vauhti jopa suurempi.
1990 1991 1992 1993 1994
Suoritin 386DX/25 386DX/33 486DX/33 486DX2/66 486DX4/100
Keskusmuisti 4MB 4MB 4MB 8 MB 8 MB
Kovalevy 80 MB 120 MB 200 MB 340 MB 340 MB
Monitori 13" väri 14" väri 14" väri 14" väri 15" väri
OVH $3,000 $2,595 $2,495 $2,495 $2,200
TAULUKKO 2 PC-!aineiston ominaisuuksien ja hinnan kehitys.( Miller 1994, s.144)
Kappaletavaroiden massatuotannossa toteutetaan tiedonkeruuratkaisuja, joissa jopa jokaisen valmistuneen kappaleen ominaisuudet ja mittaustiedot voidaan pitkänkin ajan päästä selvittää. Tämä asettaa yhä suuremmat vaatimukset tiedonkeruujärjestelmien suunnittelijoille ja toteuttajille sekä järjestelmän toiminnalle. Puhtaasti laadun parantamisen takia toteutetussa tiedonkeruujärjestelmässä ei jokaisen kappaleen tietojen talletus ole järkevää.
Yhtä hyviin lopputuloksiin voidaan päästä käyttämällä apuna tilastollisia menetelmiä ja todennäköisyyslaskentaa.
Yksi tärkeimmistä ominaisuuksista uudessa kappaletavaratuotannon tiedonkeruujärjestelmässä tuleekin olemaan sen laajennusmahdollisuudet. Kaikkia tulevaisuuden tarpeita ei kenties heti voida toteuttaa tai osata ottaa huomioon.
Tällaisiin tarpeisiin tulee kuitenkin voida varautua siten, että uusien mittauspisteiden tai ominaisuuksien lisääminen ei halvaannuta nykyistä järjestelmää tai muodostu kohtuuttoman kalliiksi.
3. MASSATUOTANNON TIEDONKERUUN ERITYISPIIRTEET
Kappaletavaroiden massatuotannon tiedonkeruujärjestelmältä vaaditaan joitakin erityispiirteitä, joita esimerkiksi prosessiteollisuuden tai pitkän valmistusajan vaativien kappaletavaroiden tuotannon vastaavia järjestelmiä toteutettaessa ei tarvitse ottaa huomioon. Prosessiteollisuuden sektoriltakin löytyy osa-alueita, joissa tapahtumien nopeus muistuttaa nopeaa kappaletavaroiden massatuotantoa.
Tärkeimpinä kappaletavaroiden massatuotannon erityispiirteinä voidaan mainita viiveiden minimointi ja mittaustapahtuman nopeus. Tiedonkeruuta järjestettäessä nämä erityispiirteet aiheuttavat omia vaatimuksiaan esimerkiksi ohjainlaitteiden ja tiedonkeruulaitteiden väliselle tehtäväjaolle.
Kerättävän tiedon käyttötarkoitus sanelee ne luotettavuus- ym. kriteerit, joita tiedonkeruujärjestelmältä vaaditaan.
3.1 Viiveiden minimointi
Tiedonkeruulaitteiston tulee toimia nopeasti valmistavan laitteiston ohessa.
Pienetkin viiveet tuotantolinjojen toiminnassa saattavat vuositasolla johtaa merkittäviin volyymin alennuksiin. Se heijastuu koko yrityksen taloudelliseen tulokseen. Tapahtumapaikkansa mukaan tiedonkeruusta aiheutuvat viiveet voidaan jakaa neljään ryhmään:
• mittaustapahtuman aiheuttamat viiveet
• tiedonsiirron viiveet
• tietojen tallennuksesta johtuvat viiveet
• tietojen analysoinnin viiveet
Käytetystä tiedonkeruu laitteistosta riippuu muodostuvatko nämä viiveet kaikki yhdessä laitteessa vai jakaantuvatko ne usean eri laitteen kesken. Mikäli viiveet jakaantuvat eri laitteille, ne voivat tapahtua yhtäaikaisesti. Tämä vähentää
3.1.1 Mittaustapahtuman aiheuttamat viiveet
Kappaletavaroita valmistavan teollisuuden tuotannossa monien mittausten tekeminen edellyttää kappaleen pysäyttämistä hetkellisesti mittausten suorittamisen ajaksi. Mittauksessa viive muodostuu yleensä seuraavista osatekijöistä: kappaleen pysäyttäminen, mittausolosuhteiden luominen, mittauksen suoritus ja kappaleen vapautus.
Erityisten mittausolosuhteiden luomista ei kaikkien mittausten tekemiseksi tarvita, vaan ne voidaan suorittaa normaaleissa valmistusolosuhteissa. Erikoisolosuhteita ovat esimerkiksi kappaleiden jäähdytys, kuumennus, paineistus jne. Mikäli mittauslaite on pystytty rakentamaan tuotantolaitteen yhteyteen ei kappaleen pysäyttämiseen ja vapautukseen kulu juurikaan ylimääräistä aikaa.
Kun mittaustapahtuma suoritetaan laitteistolla, joka ei ole osa tuotantolaitteistoa, täytyy huolehtia siitä, että mittalaite ja muu tuotantolinja toimivat samassa tahdissa. Yksi tapa hoitaa ohjainlaitteiden ja mittalaitteiden välinen tahdistus on käyttää l/O-kättelyä. l/O-kättelyllä tarkoitetaan fyysisten tulojen ja lähtöjen käyttämistä laitteen tilan ilmoittamiseen toiselle laitteelle.
l/O-kättely
MITTALAITE O O :
CjO
oo ooo I—ia
C3 G3 ■■■■■■■■ O
KUVA 5 Esimerkki : Logiikan ja mittalaitteen välinen tahdistus.
Mittaustapahtumaan kuluva aika tulisi pystyä puristamaan mahdollisimman pieneksi. Jo sekunnin murto-osienkin pituiset viiveet tuotannossa, jossa kappaleita valmistetaan kymmeniä tuhansia päivässä, ovat suuri ongelma. Esimerkiksi, jos kappaleen valmistukseen kuluva aika jollakin valmistuslinjan laitteella on 3 sekuntia, niin 0.3 sekunnin viive mittaustapahtuman vuoksi aiheuttaa 10 prosentin
menetyksen kyseisen tuotteen tuotantoon. Tällaiseen kapasiteetin menetykseen ei yrityksellä ole varaa.
Yrityksen tuleekin laskea jokaisesta mittaustapahtumasta saavutettavat hyödyt ja tuotannon hidastumisesta johtuvat menetykset. Näiden kahden seikan avulla yrityksen täytyy löytää se optimi, joka määrää tehtävien mittausten määrän ja tarkkuuden.
Mittaustapahtuma tulisikin suunnitella suoritettavaksi mahdollisimman pitkälle siten, että se tapahtuu samanaikaisesti koneen suorittaman työstön yhteydessä.
Tämä ei aina ole mahdollista vaan mittaukset joudutaan suorittamaan erillisenä toimenpiteenä. Ainakin useat eri mittaukset pitäisi pyrkiä toteuttamaan siten, että ne voidaan suorittaa samanaikaisesti.
3.1.2 Tiedonsiirron viiveet
Tiedonsiirron aiheuttama viive muodostuu kappaletavaroiden massatuotannossa harvoin ratkaisevaksi. Tiedot pystytään lähettämään eteenpäin seuraavalle laitteelle ennenkuin seuraava kappale on saatu valmiiksi uutta mittaustapahtumaa varten. Tiedonsiirron merkitys korostuu vasta, kun mitattuja tietoja pyritään käyttämään kappaleen ominaisuuksien muuttamiseen ennen sen lähettämistä linjalla eteenpäin.
Tiedonsiirrosta aiheutuvat viiveet ovat suurempia silloin, kun käytetään PC:n sarjaliikenteeseen perustuvaa tiedonsiirtoyhteyttä, joka tyypillisesti kommunikoi joko 9600 tai 19200 baudin nopeudella. Verkkoyhteyden luominen tehtaan lähiverkosta mittaukset hoitavalle PC:Ile nopeuttaa tiedonsiirtoa.
Mikäli tiedot mittaava ja analysoiva laite on fyysisesti sama, ei tiedonsiirrosta aiheudu merkittäviä viiveitä.
Tiedonsiirto m ¡«aavalta laitteelta eteenpäin pitää järjestää siten, että se voidaan tehdä odotusajan puitteessa. Odotusaika aiheutuu jo mitatun kappaleen ja uuden kappaleen siirroista. Tiedonsiirtoa helpottaa mittauslaitteesta löytyvä
puskurimuisti, johon voidaan tallettaa lyhyen aikavälin mittatiedot odottamaan rauhallisempaa siirtohetkeä.
Tätä puskurointia ei voida käyttää, jos mitattujen suureiden perusteella on tarkoitus suorittaa valmistettavalle kappaleelle välittömästi tehtäviä säätöjä. Tässä tilanteessa välittömiin säätöihin käytettävien tietojen käsittely mittauslaitteen omalla kapasiteetilla on suositeltavampi vaihtoehto.
3.1.3 Tietojen tallennus
Tietojen tallennuksesta aiheutuvat viiveet korostuvat lähinnä toteutuksissa, joissa kaikki tiedonkeruun toiminnot on keskitetty yhteen laitteeseen. PC:n toiminnoista levytiedostojen luku- ja kirjoitustapahtumat ovat yleensä kaikkein hitaimpia.
Tiedon tallennus kannattaa järjestää erillisellä PC:llä, joka vastaanottaa dataa useammaltakin mittausasemalta ja huolehtii sen oikeasta tallettamisesta halutun tietokantamuodon ja -rakenteen mukaisesti.
Kun käytössä on tuotantoa ohjaavan ohjauslaitteen lisäksi myös jokin valvomo- tms. ohjelmisto, voidaan tiedon taltiointi hoitaa tämän avulla. Yleensä tietojen tallennus hidastuu, kun käytetään eri tietokantaohjelmistojen tiedostomuotoja tallennukseen. Kaikkein nopein tapa tietojen kirjoittamiseksi levylle olisi suora binäärikirjoitus ilman ryhmittelyjä tai esitystapamuutoksia. Tässä muodossa talletettu tieto on kuitenkin vaikeasti hyödynnettävissä. Kompromissina voidaan toteuttaa tiedon kirjoitus ASCII-muotoisena tekstitiedostona.
3.1.4 Tietojen analysointi
Tietojen analysointia harvemmin tehdään samalla laitteella, joka suorittaa tiedon mittaamisen. Analysoinnista aiheutuva viive muodostuu haittatekijäksi vasta silloin, kun mitattujen tietojen analysoinnin tulosten perusteella tehdään kappaleelle virityksiä mittauksen yhteydessä. Mikäli tälläiseen reaaliajassa tietoja analysoivaan järjestelmään on tarvetta, sen toteutus hoidetaan yleensä pitkälle erikoistuneilla mittaus- ja säätölaitteilla. Tällaiseen järjestelmään yhden tai
tämänkaltaiseen järjestelmään antamaan visuaalinen kuva järjestelmän toiminnasta. Ruudulla näkyvä tieto on usein tilastotietoa useamman viimeisen mitatun kappaleen arvoista.
Jos mittaustulosten perusteella tapahtuva kappaleen viritys tehdään vasta toisella laitteella, joka sijaitsee edempänä tuotantolinjalla, voidaan mittaustulosten analysointi tehdä PC-pohjaisesti.
3.2 Tapahtumien nopeus
Tapahtumien nopeudella kappaletavaroiden massatuotannossa tehtävien mittausten yhteydessä tarkoitetaan sitä, että kun kappaleen suoritusarvoja mitataan, tehdään yleensä useita mittauksia samanaikaisesti. Mittausten tulo 'datapurskeina' vaatii laitteilta ja ohjelmilta kykyä suoriutua tästä monien tietojen yhtäaikaisesta tulvasta.
3.2.1 Mittalaitteiden vaatimukset
PC:n tiedonkeruukortteihin pohjautuvilla järjestelmillä voidaan mitata monia signaaleja. Ne pystyvät tarvittaessa jopa megahertsin näytetaajuuteen. (Koivula &
Hänninen 1994, s.56-57)
Kun tiedonkeruu toteutetaan tuotantoa ohjaavilla laitteilla - esimerkiksi ohjelmoitavilla logiikoilla (PLC) - niiltä tulee edellyttää ulkopuolisen laitteen liityntää. Tämä laite on useimmiten käytännössä PC-laite. Metatiedon vastaanottaa prosessiohjain oman l/O-korttinsa kautta ja tiedonsiirto eteenpäin suoritetaan liityntäyhteyden avulla. Yhteyden luomiseen on tarjolla kaksi vaihtoehtoa. Se voidaan toteuttaa prosessiohjaimen ja PC:n välisenä sarjaliikenneyhteytenä, mikä on nykyisin yleisimmin käytetty ratkaisu. Joidenkin logiikkavalmistajien tuotevalikoimaan kuuluu PC:n sisälle asennettava, PLC-väylään liittyvä liikennöintikortti. Jälkimmäinen vaihtoehto on huomattavasti nopeampi.
Tiedonkeruu tavallisilla sarjaväylälikynnöillä on joskus mahdotonta, koska mittaushetkellä tietoa tulee enemmän kuin PC:n sarjaportti kykenee luotettavasti
vastaanottamaan. Käytettäessä sarjaliikenneyhteyttä data tulee kerätä väliaikaisesti ohjelmoitavilla logiikoilla tai erillisillä mittauslaitteilla. Näiltä laitteilta data siirretään erätyyppisenä PC:n jatkojalostettavaksi. Tämä ratkaisu edellyttää ohjainlaitteelta kykyä lyhytaikaiseen tiedon tallentamiseen.
Nopean sarjaportin kehittämisen tarve on tiedostettu jo monia vuosia, mutta silti tuttua RS232:ta käytetään niin mikroissa kuin ammattielektroniikan laitteissa.
Korvaajaksi suunnitellaan uudenlaista 12.5 megatavun sekuntinopeuden tarjoavaa P1394-väylää. Väylän kehittelyn takana on tietokoneyritysten lisäksi amerikkalainen Texas Instruments, joka tarjoaa väylään sopivia Iiitäntäpiirejä.
(Kosonen 1994, s.23-28) Sen toteutuminen ja varsinkin yleistyminen teollisuuden sovelluksissa vienee kuitenkin vielä vuosia.
Lähiverkkojen väylänä käytetty Ethernet-väylä saattaa sekin olla ratkaisu tiedonsiirto-ongelmiin. Se löytyy vakiona jo nyt lähes kaikista PC-laitteista ja on yleistynyt myös prosessiohjainlaitteissa.
3.2.2 Ohjelmistojen vaatimukset
Ohjelmistoille tietojen saapuminen purskeina aiheuttaa myös ongelmia. Monen tiedon yhtäaikainen käsittely riittävän nopeassa tahdissa voi osoittautua monelle ohjelmalle mahdottomaksi käsitellä. Tiedonkeruun eri osa-alueet voidaan jakaa useissa eri laitteissa toimivien ohjelmien vastuulle siten, että kukin ohjelma pystyy suoriutumaan omasta tehtävästään riittävällä nopeudella ja varmuudella. Tämä vaatii käytettäviltä ohjelmistoilta modulaarisuutta ja avoimuutta, joka mahdollistaa niiden välisen tiedonsiirron. Kappaletavaratuotannon tiedonkeruujärjestelmät ovat yleensä hajautettuja järjestelmiä. Tällaisissa järjestelmissä modulaarisuuden merkitys korostuu erityisesti.
Erityisvaatimus järjestelmään mahdollisesti kuuluvan ohjelmoitavan logiikan ohjelmalle on tietojen väliaikaisvarastona toimiminen. Tällöin mittaukset pysyvät tallessa sen ajan, kun tiedot vastaanottava osapuoli on estynyt hoitamasta tehtäväänsä. Tämä voi tapahtua esimerkiksi suurehkon levyoperaation tai PC:n
3.3 Luotettavuus
Luotettavuus on kappaletavaroiden massatuotannon tiedonkeruun toteutuksessa sen tärkein ominaisuus. Luotettavuus voidaan määritellä toisissa sovelluksissa väljemmin kuin toisissa. Kaikissa tiedonkeruujärjestelmissä ei ole haitaksi vaikka välillä tietoja hukkuisi. Usein väärien tietojen joutuminen historiatietojen joukkoon aiheuttaa suurempia ongelmia ja virheanalyysejä kuin yksittäisten tietojen puuttuminen. Tiedonkeruun luotettavuus jaetaan kahteen alueeseen, joita ovat määrällinen luotettavuus ja laadullinen luotettavuus.
3.3.1 Määrällinen luotettavuus
Määrällisellä luotettavuudella tarkoitetaan, saadaanko kaikki mittaukset varmasti tehtyä ja niiden tiedot talletettua kaikkien niiden kappaleiden osalta, joista mittaukset on tehty. Tämä ei tarkoita välttämättä jokaisen kappaleen tietoja.
Toimiva tiedonkeruujärjestelmä voi hyvin toimia näyte-erien pohjalta. Tällöin jokaisesta valmistuserästä otetaan satunnaisesti tarkastukseen jokin ennalta sovittu määrä ja tuloksista tehdään tilastollisten menetelmien avulla johtopäätökset koko valmistuserän ominaisuuksista.
Määrällisen luotettavuuden kriteerit voidaan täyttää hyvinkin eri tavoin toimivissa tiedonkeruujärjestelmissä. Niiden toteutuksen tulee kuitenkin onnistua ilman tietojen hukkumista. Mitattujen tietojen hukkuminen tai olemattomien tietojen tallentuminen tietokantaan voi aiheuttaa jatkokäsittelyn yhteydessä tehtäviin tilastollisiin analyyseihin tulosten epätarkkuutta tai suuria virheitä. Seurauksena voi olla väärien johtopäätösten teko tulosten perusteella. Pahimmassa tapauksessa valmistusprosessia muutetaan ilman syytä väärään suuntaan ja saadaan koko tuotanto sekaisin.
3.3.2 Laadullinen luotettavuus
Laadullisella luotettavuudella tarkoitetaan, ovatko kappaleista mitatut suoritusarvot varmasti oikeita. Laadullisen luotettavuuden varmistamiseksi tulisikin testilaitteiden kaikki toiminnot tarkastaa määrätyin väliajoin.
Tarkastamiseen tulee ryhtyä myös, kun tiedoista tehtävät analyysit osoittavat, että jonkin koneen arvot heikkenevät. Heikkenemisen syynä voi olla koneen vikaantumisen lisäksi mittalaitteen epäkunto.
Sekä määrällisen luotettavuuden että laadullisen luotettavuuden kriteerit riippuvat paljon tiedonkeruujärjestelmän käyttötarkoituksesta. Valmistuksessa käytettävien koneiden seurannan kannalta on melko merkityksetöntä vaikka mittaustulokset poikkeaisivatkin todellisista, kunhan tämän poikkeaman suuruus on aina vakio.
Tulosten muutos näkyy kuitenkin nousevana tai laskevana trendinä mittaustiedoissa.
Jos tietojen kerääminen tapahtuu laadunvalvonnan tai kappaleiden suoritusarvojen säilyttämisen takia, pitää mitattujen arvojen olla mahdollisimman tarkasti oikeita. Ilman riittävää tarkkuutta ei arvoilla ole käyttöä näihin tarkoituksiin.
4. TOTEUTUSMALLIT JA NIIDEN VALINTA
Toteutustapoja PC-pohjaisille kappaletavaroiden massatuotannon tiedonkeruujär- jestelmille löytyy lähes yhtä paljon kuin todellisia sovellutuksiakin. Kahden täysin samanlaisen tiedonkeruujärjestelmän löytäminen lienee mahdotonta. Eroja löytyy sekä yritysten, sovelluskohteiden että sovelluslaajuuksien väliltä.
Tiedonkeruujärjestelmän käyttökohde määrää ne ominaisuudet, jotka vaikuttavat eniten toteutusmallin valintaan. Valinta eri vaihtoehtojen välillä tehdään paljolti omien kokemuksien ja nykyjärjestelmän asettamien reunaehtojen mukaan.
Tietokonepohjaisen tiedonkeruu- ja mittausjärjestelmän yksinkertaistettu malli voidaan esittää seuraavan kuvan avulla. Mittausprosessin jakaminen kahden omalla prosessorilla varustetun laitteen kesken ja valitsemalla sopiva laitteiden välinen kommunikointimekanismi, voidaan reaaliaikaisia järjestelmiä rakentaa
UNIX- käyttöjärjestelmää käyttävillä tietokoneilla.(Groen 1993, s.688) Vaikka kuvassa esitetty malli pohjautuukin UNIX-käyttöjärjesteImän pohjalta laadittuun seminaariesitelmään, se sopii myös PC-pohjaisten mittaus- ja tiedonkeruujärjestelmien perusmalliksi.
GENERALIZED MODEL OF COMPUTER BASED MEASUREMENT SYSTEM
Analysis/
Presentation
Software
/ v
Software
Acquisition/
Control
Hardware < Л Hardware
WORKSTATION COMMUNICATION MEASUREMENT DEVICE
KUVA6 Tietokonepohjaisen mittausjärjestelmän perusmalli.(Groen 1993, s.686)
4.1 Mallien jaottelu
Tiedonkeruujärjestelmien jakaminen selvästi toisistaan erilaisiin toteutusmalleihin on vaikeaa. Mallien väliset rajat ovat monien ominaisuuksien kohdalla hämärät.
Ryhmittelyä voidaan kuitenkin tehdä esimerkiksi sen mukaan, kuinka monelle eri tasolle järjestelmä rakentuu, tai minkälaiset laitteet tai ohjelmistot on valittu toteutuksen perusvälineiksi. Moni asia voidaan toteuttaa vaikka peruslähtökohdaksi valittaisiin minkälainen järjestelmä tahansa.
Todellisuudessa kaikki käytössä olevat tiedonkeruujärjestelmät ovat yhdistelmiä eri luokkiin kuuluvista ohjelmistoista. Käytännössä voidaan hyvin harvoin toteuttaa puhtaasti jonkin mallin mukainen ratkaisu. Tämän esteenä on nykyjärjestelmän huomioiminen.
4.1.1 Järjestelmärakenteen mukainen jaottelu
Jaottelu järjestelmärakenteen mukaisiin malleihin perustuu tiedonkeruujärjes- telmän toimintojen jakamiseen usella eri tasolla toimivalle laitteelle. Suuren valmistuslinjan tiedonkeruu toteutetaan hajauttamalla mittausten suoritus, tietojen muokkaus, tallennus ja analysointi eri laitteille.
Hajautettujen järjestelmien erot syntyvät modulien välisen tiedonsiirron toteutustavasta. Tiedonsiirto on keskeisessä asemassa järjestelmän toiminnan kannalta. Hajautetun tiedonkeruujärjestelmän eri osien integrointiin voidaan pelkistetysti esittää kolme erilaista tapaa.
HIERARKKINEN OSITETTU RAKENNE
POINT-TO-POINT RAKENNE HIERARKKINEN
RAKENNE
KUVA 7Tietojärjestelmien integrointitapoja. (Kess 1987, s.4-5)
Täysin hierakkisessa järjestelmässä tiedonsiirto tapahtuu ennalta määrätyllä tavalla aina vertikaalisessa suunnassa. Point-to-point -rakenteessa yksittäisiä saarekkeita
rakenteessa samalla tasolla olevat järjestelmät voivat kommunikoida keskenään ilman ylemmän tason koordinointia. (Kess 1987, s.4-5)
Erilaisten tehdasväyläratkaisujen standardointi ja yleistyminen sekä lähiverkon tuominen tehtaan tuotantotilojen puolelle lisännee osittain hierarkkisten ratkaisujen osuutta.
4.1.2 Sovellusohjelmien mukainen jaottelu
Tiedonkeruujärjestelmä on mahdollista toteuttaa hyvin erilaisia ohjelmistoja käyttäen. Loppusovelluksen käyttötarkoitus on tärkein tekijä, kun tehdään valintaa eri ohjelmistoratkaisujen välillä.
PC-pohjaisten tiedonkeruujärjestelmien ohjelmistoratkaisut voidaan jakaa karkeasti seuraaviin luokkiin:
• valmiit tiedonkeruu- ja mittausohjelmistot
• valvomo-ohjelmistojen yhteyteen toteutetut tiedonkeruuratkaisut
• asiakaskohtaiset ohjelmistot
• muut ohjelmistoratkaisut
Valmiita PC-käyttöön tarkoitettuja mittausohjelmistoja löytyy useilta valmistajilta ja niiden hinnat vaihtelevat alle kahdesta tuhannesta lähes kahteenkymmeneentuhanteen markkaan.(Koivula & Hänninen 1994, s. 56-58) Mittausohjelmiin sisältyy usein monipuolisia tietojen analysointityökaluja ja tietojen raportointimahdollisuuksia. Jos ohjelman omat graafiset esitykset eivät riitä, niiden keräämä data voidaan välittää esimerkiksi taulukkolaskentaohjelmalle jatkojalostusta varten.
PC:ssä toimiva tiedonkeruuohjelma on mahdollista liittää prosessiin usealla tavalla. Seuraavassa kuvassa esitetään yleisimmät mittausohjelmiston liittämistavat.
COMPUTER
PLUG-IN DATA ACQUISITION yeOARDS
serial; INDUSTRIAL
VXI/VME
□ О 0 0 0
a a о о о
SIGNAL CONDITIONING
PROCESS
KUVA 8 Mittausohjelmiston liittäminen prosessiin. (National Instruments 1995, s.vi)
Teollisuusvalvomoon perustuvassa ratkaisussa valvomo-ohjelmistoa ajava PC liitetään tuotantoon kuten mittausohjelma. Tyypillisin edellisen kuvan mukaisista vaihtoehdoista on silloin PC:n liittäminen sarjaliikenne- tai logiikkaväylällä ohjelmoitavaan logiikkaan. Tässä ratkaisussa valvomo-ohjelmiston raportoi ntiom maisuuksia käytetään tarvittavien tietojen tallettamiseen.
Monimutkaisia analysointeja valvomo-ohjelmien avulla ei yleensä toteuteta.
Asiakaskohtaisten ohjelmistojen avulla toteutettu tiedonkeruujärjestelmä sisältää juuri sellaiset liityntäyhteydet ja toiminnalliset ominaisuudet kuin tarvitaan.
Sovellukset ohjelmoidaan lähes alusta loppuun jollakin ohjelmointikielellä kuten C++, Pascal tms. Tämä ohjelmistoratkaisu antaa yleensä kaikkein suurimmat
vapaudet järjestelmän toimintojen määritykselle. Sen toteutus on myös kaikkein eniten aikaa ja työtä vaativa.
Muut ohjelmistoratkaisut sisältävät sekalaisten valmisohjelmien avulla koottuja tiedonkeruujärjestelmiä. Liityntä mittalaitteisiin tapahtuu samoin kuin valvomo- ohjelmissakin. Liityntää varten ohjelmoidaan oma kommunikointiohjelma mittalaitteen ja PC:n välille. Tällainen ohjelmistoratkaisu perustuu yleensä käytettävän valmisohjelman sisältämään haluttuun ominaisuuteen.
Käytännön toteutuksissa eri ryhmiin kuuluvia ohjelmistoja yhdistellään tiedonkeruutarpeiden mukaan. Työssä esiteltävässä esimerkkiprojektissakin on käytössä melkein jokaiseen ryhmään kuuluvia ohjelmistoja. Osa sovelluksista on tehty valvomo-ohjelmistolla ja osa muilla valmisohjelmilla kuten taulukkolaskenta- ja tietokantaohjelmilla. Tietojen tallennus taas on ohjelmoitu asiakaskohtaisella ohjelmistolla.
4.2 Mallien ominaisuuksien vertailu
Toteutustapojen ominaisuuksien välinen vertailu toimii pohjana, kun lopullista valintapäätöstä tehdään. Seuraavassa vertaillaan yllä mainittuja malleja ja ohjelmistoluokkia tiedonkeruujärjestelmän ominaisuuksien mukaan. Lista ei kata kaikkien tiedonkeruusovel lusten tarpeita, mutta sisältää kappaletavaroiden massatuotannon kannalta tärkeät tekijät, joita ovat:
• järjestelmän nopeus
• tietojen luotettavuus
• järjestelmän laajennettavuus
• ohjelmointi- ja sovellustyökalut
• tietojen analysointimahdollisuus
• tietojen historiatallennus
• järjestelmätoteutuksen monimutkaisuus
• muut tekijät
