Materiaalin tavoitteena on muodostaa kokonaiskuva prosessiautomaation tehtäväkentästä ja toteutustekniikoista insinöörin näkökulmasta. Aluksi luodaan katsaus automaation kehitykseen ja historiaan. Tämän jälkeen perehdytetään automaation tehtäviin. Luvussa 4 tarkastellaan automaation perusdokumentteja ja näistä erityisesti PI-kaavioita. Luvussa luodaan katsaus säätötekniikan perusteisiin. Seuraavaksi käydään läpi automaation yleisrakenne automaatiojärjestelmien näkökulmasta. Keskeisenä osa-alueena materiaalissa on perehdyttää lukija automaation toteutusvaihtoehtoihin, kuten ohjelmoitavat logiikat sekä yksikkösäätimet. Huolimatta siitä, että kokonaisautomaatiojärjestelmiä ei käsitellä, muodostetaan yleiskuva hajautetuista järjestelmistä. Materiaalin lopussa esitetään automaatioprojektin pääosat.

2 AUTOMAATION KEHITYS

Tässä luvussa tarkastellaan automaation historiaa ja kehitystä, jossa luodaan lyhyt katsaus prosessiautomaation lähihistoriaan ja kehityssuuntiin siirryttäessä uudelle vuosituhannelle. Tietotekniikan nopea kehitys 1970- ja 1990- luvuilla on lisännyt mm. avointa teknologiaa ja suorituskyvyä automaatiojärjestelmissä. Lisäksi entistä paremmat käyttöliittymät mahdollistavat prosessista tulevan informaation tallentamisen, yhdistelyn ja esittämisen aivan eri tasolla kuin aikaisemmin on totuttu. Lisääntynyt informaatio helpottaa mm. poikkeustilanteiden käsittelyä ja kaataa perinteisiä organisaatioiden raja-aitoja.

2.1 Teollisuusautomaation vuosikymmeniltä 1960-1970 /SAS 2001/

Paperitehtaan instrumentoinnin ja prosessinohjauksen kehityspiirteitä: Martti Sanaksenaho

Mittaukset ja niiden perusteella tehtävät säädöt ja ohjaukset ovat aina olleet oleellinen osa paperitehtaankin tuotantotoimintaa. Kaukaisina vuosikymmeninä mittausinstrumentit olivat yksittäisiä mittareita putkistoissa ja säiliöissä. Venttiileitä käytiin käsin vääntämässä sopiviin asentoihin. Pian kuitenkin opittiin välittimien avulla keräämään mittaustiedot yhteen paikkaan, mittaritauluun. Taulussa oli lisäksi venttiilien ja pumppujen ohjaamiseen tarvittavia kojeita.

Valvomot syntyivät tarpeesta parantaa tuotantohenkilökunnan työskentelyoloja, ja niin rakennettiin mittaritaulujen ympärille ihmisiä suojaavat seinät. Ne eristivät melua, kaasuja ja lämpöä, ja edistivät siten työsuojelua. Ne muodostuivatkin siten käyttöväen varsinaisiksi työpaikoiksi. Paperikoneen hallintaa helpottivat perälaatikon paineen mittausjärjestelyt, nopeus- ja nopeuseromittaukset, tampuurivaa'at ja paria paperin laatuominaisuutta mittaavat analogiset mittauslaitteet. Mittaritauluissa oli suurikokoisia pyörökartalla varustettuja säätäjiä. Erikoisinstrumenttien puuttuessa tuotannon laadunvalvonta oli paljolti paperintekijöiden ammattitaidon varassa. Kämmenellä tunnustellen pääsi koneenhoitaja esimerkiksi paperiradan kosteutta arvioidessaan hämmästyttävän hyvään tarkkuuteen.

Instrumentointi. Kun siirryttiin 1970-luvulle, löi edellisen vuosikymmenen aikana kehitetty standardiviesti ajattelu itsensä lopullisesti läpi. Standardiviestilähettimien kehittäminen loi teknisen perustan koota mittaustietoja laajalta alueelta yhteen valvomoon. Kun samanaikaisesti paperikoneiden nopeudet ja leveydet kasvoivat, paperireseptit monimutkaistuivat, sellun keitto- ja valkaisumenetelmät kehittyivät, uusia kenttäinstrumentteja tuotiin markkinoille sekä valvomokalusteiden koot pienenivät, oli seurauksena Suomessakin hyvin laajojen valvomoiden syntyminen.

Pyrkimyksenä oli saada mahdollisimman paljon informaatiota ajomiehistölle. Tässä onnistuttiinkin erinomaisesti, ja niinpä parinkymmenen vuoden kehityksen seurauksena meiltä löytyi valvomoita, joissa oli satoja osoitinkojeita ja yksikkösäätimiä. Lisänä olivat moottoriohjauskytkimet ja ampeerimittarit. Merkkilampuilla varustetut prosessiopaskaaviot kuuluivat valvomoon oleellisena osana. Ne sijoitettiin yleensä taulun yläosaan. Valvomon yhteydessä, tavallisimmin sen alla, sijaitsi ristikytkentätila laite- ja riviliitintelineineen. Mittaus- ja ohjausviestit opittiin kuljettamaan ristikytkentätilasta kentälle ja päinvastoin moninapaisissa ja -putkisissa runkokaapeleissa. Kenttäkoteloista vedettiin kenttäkaapelit kenttälaitteille. Runkokaapelit purettiin auki riviliittimillä ja viestit johdotettiin mittaritaulussa olevaan oikeaan kojeeseen. Telineisiin asennettiin tarvittavat virta/paineilmamuuntimet ja ne vahvistimet, joita ei voinut asentaa kentälle.

Aikaisemmin niin lukuisat sekä sähköiset että pneumaattiset standardiviestialueet alkoivat vähetä. Magneettiset määrämittarit korvasivat vähitellen kuristuselimiä virtauksien mittauksissa. V-aukkoventtiilit ilmestyivät markkinoille. Tarjolla oli jo luotettavia kaasuanalysaattoreita. Tärkeää pH-mittaustekniikkaa kehitettiin jatkuvasti, ja markkinoille tuli kenttäkelpoisia johtokykylähettimiä. Automaatiosuunnittelun perusdokumentiksi vakiintui P&I-kaavio. Siihen liittyvät piirrosmerkit luotiin. Alkuaikoina oli tapana piirtää lukituskaaviotkin sen alalaitaan. Pian ne kuitenkin ryhdyttiin tekemään erillisille dokumenteille. Instrumentoinnin piirikaaviot vakiinnuttivat asemansa piirikohtaisina tärkeinä kunnossapidon työkaluina. Suunnitteludokumentaatioon kuuluivat lisäksi automaattiventtiilierittelyt, laiteluettelot, sijoituspiirustukset ja asennustyöselitykset.

Prosessitietokoneet. Suomessa toteutettiin ensimmäiset tietokoneohjaukset 1960-luvulla. Toteutuksille oli luonteenomaista suora numeerinen säätö. Kun tiedonkäsittelykapasiteettia oli runsaasti, hallitsivat tietokoneet suuria ohjattavia prosessialueita. Järjestelmien luotettavuus ei ollut kuitenkaan riittävä, ja kun lisäksi tietokoneilta puuttui lähes täysin kyky arvioida lukemansa mittaustuloksen luotettavuutta, niin suuret keskitetyt ohjausjärjestelmät eivät saaneet ilmaa siipiensä alle. Kehitys lähti etenemään ripeästi vasta kun ohjaustehtävä rajattiin esimerkiksi yhteen paperikoneeseen tai sellukeittimeen. Kun lisäksi erikoisinstrumentit liitettiin järjestelmään jo valmistajatehtaalla, päästiin luotettavuuskynnyksen yli. Tuloksena oli puunjalostusteollisuudessa ennennäkemätön tietokoneistamisen aikakausi. Installaatioita tehtiin maailmassa 1970-luvulla satoja kappaleita.

Tyypillinen paperikoneen tietokoneohjauspaketti sisälsi mittaraamissa radan poikki edestakaisin traversoivat kosteuden ja neliöpainon anturit, mittaussignaaleiden numeerisen käsittelyn, säätölaskelmat, ristikkäisvaikutuksien huomioonottamisen, ylemmän tason ohjausohjelmat ja laajan raportoinnin. Paperikonesaleihin ilmestyi uusi laite, videopääte näppäimineen, jonka avulla paperimiehet suorittivat ohjaustoimet, ja josta he lukivat prosessin tilan.

Prosessitietokoneiden läpimurto sattui standardiviestintää käyttävän analogisen instrumentointitekniikan kanssa samaan aikaan, ja sen vuoksi 1970-luvulla käsiteltiin laajalti liitäntäkysymyksiä. Vähitellen vakiintui virta- tai jännitetulo, ja ohjauspuolella tietokone säätölaskelmiensa perusteella ohjasi analogisäätimien asetusarvoja. Ratkaisulla oli se etu, että tietokonevian sattuessa analogisäätimet jatkoivat toimintaa. Pneumaattinen instrumentointi liitettiin muuntimien ja paineenalennusasemien avulla tietokoneeseen.

Prosessitietokoneiden avulla saatuja tuotannollisia ja sitä kautta taloudellisia tuloksia on tutkittu laajalti. Voitiin pitävästi osoittaa, että tuotanto on kasvanut, laatu parantunut, hylky vähentynyt, kemikaaleja säästynyt jne. Paperitehtaat saivat järjestelmätoimittajille maksamansa leasing-maksut nopeasti katettua.

Tietokonesäädön yleistyessä tehtiin 1960-luvun alkupuolelta alkaen korkeakouluissa säätöteorian voimakasta kehitystyötä. Syntyi erinomaiset teoreettiset valmiudet mm. uusien säätöalgoritmien, tilansiirtoprobleemien ja optimointikysymyksien ratkaisemiseen. Käytännön tasolle tulokset eivät vielä vuosikymmenen kuluessa ennättäneet. Koulutus ammattikouluissa ja teknillisissä oppilaitoksissa myös tehostui ja laajeni voimakkaasti vuosikymmenen aikana.

Prosessitietokoneiden huolto perustui alkuaikoina toimittajan kanssa tehtyihin sopimuksiin, joiden ydin oli jatkuvasti paikalla oleva huoltohenkilökunta. Kävivätpä eräässä kartonkitehtaassa kyläläiset jopa erikseen katsomassa tietokonemiestä. Vähitellen ovat paperitehtaat kouluttaneet oman henkilökuntansa huoltotehtäviin, ja toimittajat ovat niistä vetäytyneet.

Mikroprosessorin esiinmarssi. Ensimmäiset tiedot mikroprosessorista saatiin 1970-luvun alkaessa. Pienen komponentin laskentakyky tuntui uskomattomalta, ja eipä kulunut kuin pari vuotta kun ensimmäinen mikroprosessoripohjainen valvomoinstrumentointijärjestelmä esiteltiin. Suomessa seurattiin kehitystä tiiviisti, ja vuosikymmenen puolivälissä oli tilauksessa ensimmäinen järjestelmä. Suomalaiset valmistajat seurasivat kiitettävällä nopeudella perässä ja pian voitiin todeta maahantuojien joutuneen kovaan kilpailutilanteeseen kotimaisten yritysten kanssa.

Oleellinen mikroprosessorin mukanaan tuoma ulospäin näkyvä muutos oli valvomotekniikan täydellinen uusiutuminen. Pitkät kojetaulut korvattiin muutamalla monitorilla käyttönäppäimineen. Mittaritaulujen rakentaminen, etulevyjen puhkominen ja taulujen sisäinen johdotustyö muuttuivat toimistossa tehtäviksi uutta ammattitaitoa vaativaksi ohjelmointityöksi.

Rinnan edellä kuvatun ohjausjärjestelmän kanssa syntyi joukko pieniä prosessisovelluksia automaation erityistehtäviä varten. Prosessorit sijoitettiin kentälle, jossa ne suorittivat itsenäisesti ohjaus-, säätö-, laskenta- ym. tehtäviä.

Automaatio ja yhteiskunta. Mikroprosessorien läpimurto tapahtui samaan aikaan kun maailma kärsi lähinnä öIjyn hinnannousun aiheuttamasta lamasta. 1970-luvun loppupuolella käydyssä laajassa keskustelussa automaatiota ja mikroprosessoria pidettiin usein päävastuullisena laajaksi paisuneeseen työttömyyteen. Puunjalostusteollisuudessa ei automaatio ja uusi teknologia ole lisännyt työttömyyttä, vaan pikemminkin se on turvannut olemassa olevien työpaikkojen säilymistä. Lisäksi laitevalmistuksen, suunnittelun, ylläpidon ja asentamisen alueilla on luotu paljon uusia pysyviä työpaikkoja. Tekninen kehitys käynnisti tuotantotoiminnan ammatillisen rakennemuutoksen, jossa koulutetun ylläpitohenkilökunnan suhteellinen määrä ja merkitys jatkuvasti kasvaa.

Toinen suuri keskustelunaihe oli ympäristön pilaantuminen. Tehtaiden instrumentointiväelle se toi paineita asentaa vesistöihin ja ilmaan meneviä päästöjä mittaavia instrumentteja. Automaatiopäivillä -75 aihetta käsiteltiin jo muutamassa esitelmässä. Koettu energiakriisi pakotti tehtaan kiinnittämään paljon huomiota energiankäytön vähentämiseen. Näissä talkoissa oltiin mukana mm. kehittämällä kattilaohjauksia ja höyryn käytön valvontajärjestelmiä.

Työilmapiiristä. Käyttöhäiriön sattuessa paperimies hälytti hyvin usein vain mittarimiehen paikalle ilmoittaen, että mittari tai mittarit näyttivät väärin. Paikalle tulleen tehtävänä oli sitten löytää varsinainen häiriön aiheuttaja ja hankkia paikalle milloin sähkö-, milloin konemies tai molemmat.

Paperiliiton työehtosopimuksissa oli jo silloin pykälä, jonka mukaan aina on neuvoteltava palkoista, jos työoloihin tulee oleellinen muutos. Tämä pykälä on aiheuttanut monia jopa naurettavia tilanteita. Työntekijän toivomuksesta esimerkiksi ohjauspulpettiin sijoitettiin kytkin ja merkkilamppu helpottamaan kellarissa olevan pumpun käynnistystä ja valvontaa. Seurauksena oli palkkariita, joka eri ratkennut, ja asennetut laitteet piti purkaa. Samoin esimerkiksi pintaa mittaavan uuden instrumentin päälle piti laittaa huppu ja palata alkuperäiseen vaivalloiseen pinnanmittaukseen.

Vuosikymmenen päättyessä. Tehtaiden automaation tekninen taso kyettiin tunnustetusti pitämään jatkuvasti korkeana. Maailmalla se tiedettiin alan miesten keskuudessa. Kadun miehet eivät 1970-luvulla sen sijaan Suomesta paljon tienneet. Kirjoittaja oli työmatkalla, ja eräs taksinkuljettaja huomasi, että en ole amerikkalainen. Hän kysyi, että olenko Kanadasta. Kun en ollut sieltäkään, niin mistä sitten. Sana Finland ei tuonut hänen mieleensä yhtään mitään, ja niinpä helpotin asiaa kertomalla, että maa sijaitsi Euroopassa. Ilme kirkastui, ja hän pyysi minua viemään terveisiä kaverilleen Espanjaan.

Vuosikymmenen aikana tapahtunut kehitys oli automaatioalalla huimaava. Me mukana eläneet tunsimme muutokset jatkuvana oppimispaineena, ja kilpajuoksu kehityksen kanssa oli toisinaan läkähdyttävää. Pystyimme kuitenkin olemaan vauhdissa mukana, jopa välillä edelläkävijöinäkin. Tehty työ oli tuloksekasta, ja siltä pohjalta oli hyvä jatkaa seuraavalle vuosikymmenelle.

Kemianteollisuudeen automaatio: Aaro Myllyneva

1960-luvun lopussa kemianteollisuuden investointivauhti oli kova ja se jatkui kiihtyvänä. Huippu saavutettiin vuonna 1972. Vauhtia riitti vielä 1970-luvun puoliväliin asti. Rakennettiin suuria laitoksia. Ne olivat prosessilaitteiden kytkennöillä pitkälle integroituja. Vanhoja tehtaita uusittiin ajanmukaisiksi niin raaka-aineiden kuin tekniikan osalta. Myös tehtaita poistettiin käytöstä. Huomattakoon, että kemianteollisuuden prosessit vanhenevat paljon nopeammin kuin puunjalostuksen, koska tuotteita, tuotantomenetelmiä ja mahdollisia raaka-aineita on huomattavasti enemmän. Automaatio ja instrumentointi oli suunnittelun alusta alkaen mukana. Eräissä hankinnoissa huomattiin, että syntyneistä asiakirjoista puolet koski instrumentointia, mikä kuvaa pikkutarkkaa tiedon tarvetta.

Investointivauhti oli maan teollisuuden korkein. Vuotuinen kasvu vuosina 1970-1974 oli 12,4 %, kun se muussa teollisuudessa oli 5,3 %. Tuotteet menivät hyvin kaupaksi ja hinnat olivat hyviä. Jalostusarvo työntekijää kohden oli selvästi maan korkein. Tulevaisuus näytti valoisalta, ja tuotannon kasvun tulevaisuudessa ennustettiin olevan vuosittain 10 %:n luokkaa. Työvoiman värväys oli huipussaan, mutta ammattitaitoista henkilökuntaa, varsinkin automaatioalalle, oli vaikea saada. Investoinneissa ei voitu kuitenkaan välttyä muutamilta virheiltä jo silloin ilmenneiden raaka-aine-pohjan ja markkinatilanteiden yllättävien ja nopeiden muutosten takia.

Pneumatiikkaa, sähkötekniikkaa ja elektroniikkaa uusiin ja uudistettuihin laitoksiin hankittiin sekä eurooppalaisia, suomalaisia että amerikkalaisia instrumentteja sopivuuden ja hinnan mukaan. Vallitsevana oli 1960-luvun päätöksien osalta pneumatiikka, mutta mittauksissa oli runsaasti sähkötekniikkaa ja elektroniikkaa. 1970-luvun alun ratkaisuissa taas mentiin pneumatiikan ja elektroniikan sopivaan yhdistelyyn. Siellä missä tarvittiin hinnaltaan edullista, räjähdysvaarallisissa tiloissa turvallista ja korroosioita vastaan itseään huuhtelevaa mittausta ja säätöä, käytettiin pneumatiikkaa. Kohteissa, joissa tarkkuus tai suuri etäisyys, nopeusvaatimus ja prosessisuureiden laskennan tarve olivat etusijalla, käytettiin elektronista mittaus- ja säätötekniikkaa. Pääasiassa tällöin tulivat kysymykseen tuotannon laadun, saannon ja hyötysuhteen kannalta tärkeät kohteet. Ratkaisuilla päästiin hyvään hintalaatusuhteeseen.

Orgaanisen kemianteollisuuden puolella seurattiin öljynjalostuksen mallia ja siellä oli sähköinen instrumentointi. Se oli tällöin vielä sähköinen ja yli kaksi kertaa kalliimpaa kuin pneumatiikka, eikä sen ylivertaisuutta kaikissa käyttöoloissa oltu todistettu. On luonnollista, että vanhemmassa epäorgaanisessa teollisuudessa standardi oli muodostunut alempaan hintatasoon, ja täysin elektronisen instrumentoinnin hankintaperustelu ei olisi tuottanut myönteistä päätöstä. Mittaustekniikan puolella kuitenkin sekä orgaanisen että epäorgaanisen teollisuuden tekniikka oli samaa. Myös säätöventtiilien osalta ratkaisut olivat samanlaisia, eli toimilaitteet olivat pneumaattisia. Tästä tulee helposti poikkeus käytettyyn säätöteknologiaan: Koska toimilaite oli pneumaattinen, oli helppo ja halpa ratkaisu toteuttaa paikalliset säädöt pneumaattisilla kenttäsäätimillä varsinkin räjähdysvaarallisissa tiloissa. Näin tehtiin myös tehtaissa, joissa kerrottiin olevan täysin sähköinen instrumentointi. Valvomoon vietiin vain raja-arvoista hälytykset. Analysaattoreiden laatu oli tekniikaltaan, mm. räjähdyssuojaukseltaan, kehittynyt huomattavasti edelliseen hankintabuumiin verrattuna.

Näytteenotossa olivat oman henkilö-kunnan kokemukset ja ammattitaito ratkaisevia toimittajan osaamisen ohella. Hankintoihin kuului myös kromatografeja, joiden suoraan prosessiin kytkeminen oli vielä harvinaista. Tässäkin oikean näytevirran saaminen prosessista oli ratkaisevan tärkeää. Mutkikkaat ohjelmakoneistot olivat vielä vaikeasti toteutettavissa. Niissä oli moottoreita, ohjelmakiekkoja ja releitä. Myyjien toimittamissa esitteissä ja tutkijoiden esitelmissä alkoi jo näkyä uuden analysaattorisukupolven tulo. Nopeasti kehittyvän elektroniikan ja uusienmateriaalien vaikutuksesta uudet konstruktiot olivat mahdollisia. Etenkin avaruusteknologian kehittämien valon ja muun säteilyn suotimien vaikutus oli merkittävä. Ammatilliset kiistat olivat tällä vaikealla alalla yleisiä, joista seuraavassa esimerkki: Kemiran Oulun tehtailta ilmoitettiin toimittajalle kromatografin epätyydyttävä toiminta. Kromatografin virhetoiminnon oli todennut huoltotyötä tekevä sisukas asentaja. Tämän perusteella automaatio-osaston päällikkö, teoriatarkastelujen pohjalta, totesi väitteen todeksi. Koska virhe oli huomattu ajoissa ja osattiin tuloksiin korjata, ei se haitannut tehtaan tuotantoa. Ulkomaisen valmistajan asiantuntijan oli kuultu kertoneen todistavansa viidessä minuutissa, kuinka väärässä tilaaja oli. Tapaamisessa samassa ajassa tilaajan asiantuntijat saivat todistettua hänen tehneen virheen. Kysymys oli hänen loistavasta uudesta ideastaan, jossa mitattavan prosessisuureen fysikaalinen poikkeavuus oli unohtunut. Isku oli asiantuntijalle kova, mutta tilaajan ammattimiehet tihkuivat ammattiylpeyttä ja itsevarmuus kasvoi roimasti. Ulkomaalaisten kunnioitus oli vielä tiukassa.

Valvomot ja turva-automaatio yleistyivät. Valvontaa keskitettiin edelleen. Valvomot olivat suljettuja tiloja, joista ei ollut näköyhteyttä prosessiin. Useat prosessit sijaitsivat ulkoilmassa. Luonnollista oli siis rakentaa oma rakennus valvomolle, jossa lisäksi luontevasti sijaitsivat toimisto- ja korjaamotilat. Näissä kohteissa kulttuuri ja pneumaattisen mittaus-, ohjaus- ja säätötekniikan käyttö rajoittivat valvomon ja prosessilaitteiden etäisyyden muutamiin kymmeniin metreihin. Valvomojarakennettiin myös prosessilaitteiden välittömään läheisyyteen, niiden ollessa sisätiloissa. Käytettäessä sähköistä tekniikkaa, valvomot saattoivat sijaita yli sadan metrin päässä prosessista.

Merkittävässä asemassa olivat hälytys- ja suojausjärjestelmät, joiden yhteydessä puhuttiin lukituksista, käynnistyksistä ja pysäytyksistä. Suojausjärjestelmillä suojattiin sekä laitoksen henkilökuntaa että prosessilaitteita ja -katalyyttejä. Valvonnan keskittäminen yhteen huoneeseen vaati tietotulvan karsintaa, jotta operaattori pystyi hallitsemaan valvonta- ja ohjaustehtävänsä. Suoranaiseen prosessin ohjaukseen harvoin kuuluvista prosessin toimintaa kuvaavista suureista ohjaamoon tuotiin vain hälytys. Huomion kiinnittämiseksi poikkeaviin mittaustietoihin annettiin ensin esihälytys ja tilanteen pahennuttua hälytys ja vaaran jo uhatessa käynnistyivät suojatoiminnot. Tällöin pysäytettiin suunnitellussa järjestyksessä tarvittavien osaprosessien toiminta tai käynnistettiin varalaitteita. Turhaan ei osaprosessien toimintaa pysäytetty, sillä uudelleenkäynnistäminen saattoi viedä tunteja ja joskus jopa vuorokausia. Myös pysäyttäminen ja käynnistäminen on aina kova rasitus prosessilaitteille. Nämä hälytys- ja turvajärjestelmät kehittyivät sekä toiminnoiltaan että konstruktioiltaan hankinnasta toiseen. Aluksi ne oli tehty releillä ja myöhemmin seurasivat elektroniikan nopeaa kehitystä. Viimeisissä hankinnoissa suomalaisen valmistajan järjestelmä osoittautui ulkomaisia selvästi luotettavammaksi. Paremmuus piili osin siinä, että komponenttien määrä oli kaksinkertainen kilpailijoiden laitteisiin nähden. Uutta tekniikkaa oli tehdä loogiset porttipiirit transistoreilla ja niiden virtapiirit yksittäisillä komponenteilla. Ohjelmoitavaa tekniikkaa ei pidetty tarpeeksi luotettavana.

Tällainen suojausjärjestelmä, kylläkin englantilainen, joutui vuonna 1970 tositoimiin ja selviytyi siitä hyvin. Kysymyksessä oli prosessilaitteen särkymisestä johtunut suuri kaasuräjähdys silloin maailman suurimmassa yhteen integroidussa prosessissa. Materiaalivikaa ei mittausjärjestelmä voinut ennalta havaita. Jopa paikallinen lehti kirjoitti, että turva-automaatio pysäytti prosessin turvallisesti. Kuolonuhreilta vältyttiin kauhistuttavasta näkymästä huolimatta. Ajanmukaisesti lehtiä kiinnosti yleensä vain hyökkäävä ja asiatonkin kirjoittelu ilman ja vesistön saastuttamisesta.

Erikoista huolta, korjaustyötä ja uusintahankintoja aiheuttivat säätöventtiilit. Vaikeimmissa prosesseissa, joissa syöpymis- ja suurista virtausnopeuksista johtuva eroosiovaikutus oli suuri, eivät venttiilit kestäneet. Myös säätöventtiileiltä vaadittu tiivis sulkeutuminen aiheutti ongelmia. Monissa prosesseissa esim. voimaloissa oli erilliset sulkuventtiilit, jolloin säätöventtiililtä ei vaadittu tiiviyttä. Näissä kohteissa höyryvoimaloissa oli kulttuuri muutenkin toinen. Siellä vastaavissa kohteissa säätöventtiili sai maksaa moninkertaisesti, ja lopputulos oli harmittomana halvempi. Kovalla työllä ja käyttämällä omia materiaalifyysikkoja ja tunnettujen valmistajien asiantuntemusta ja tuotteita, päästiin jo ennen vuosikymmenen puoliväliä hyvään tulokseen. Mukaan alkoi tulla myös suomalaisen Neles Oy:n pallo- ja läppäventtiilit. Kun ensimmäisen kerran ehdotin Neleksen pallo- ja läppäventtiilien hankintaa, englantilainen konsultti nauroi pilkallisesti. Olin aikaisemmin palvellut puunjalostusteollisuutta 13vuotta. Tunsin Neleksen tuotteet hyvin 10 vuoden ajalta. Olin niitä ostanut ja myynyt.

Yllättäen sain vuonna 1971 kutsun Neles Oy:n perustajan ja omistajan Antti Nelimarkan vieraaksi. Antti oli kuullut mielenkiintoisista töistäni ja halusi tavata silmätysten. Kävimme läpi hänen insinöörinsä suunnitelmat ja määritimme Antin kanssa ensimmäisen

juurtoja, tiheyden ja suhteen laskentaa sekä venttiilin rakenteen. Se oli läppäventtiili, tuli pahaan paikkaan ja toimi hyvin. Myöhemmin asennettiin vielä palloventtiili koekäyttöön, jossa jo useamman valmistajan venttiili oli hajonnut. Neleksen venttiili kesti parhaiten. Käynnistä tein muistion, josta alkoi Neleksen tie kemianteollisuuteen. Tein muistion huolellisesti, sillä tehtaanjohtaja oli kiinnittänyt huomiota muuten asiallisen kutsun loppukaneettiin, mikä kuului seuraavasti: Iltaohjelma valmis. Vaimot mukaan. Loppukaneetti oli vauhdikkaan myyntipäällikön lisäämä. Hankinnoista neuvotellessa ei saanut rillutella, mutta tällaisella tutustumisvierailulla sain siihen luvan.

Sähkö-elektroniseen instrumentointiin ei vielä menty mm. seuraavista syistä: Ala vierasti perinteisesti muotivirtauksia, ja hankintahinnan piti pysyä alhaisena. Tietokoneista puhuttiin, mutta niistä ei, koska prosessit ostettiin ulkoa eikä omaa prosessikehitystä juurikaan ollut. Prosessiteknisillä uudistuksilla, muutoksilla ja sopeutumalla asiakkaan tarpeisiin, päästiin tuottotavoitteissa huomattaviin parannuksiin perinteisellä instrumentoinnilla. Alan asiantuntijoiden itsetunto ei vaatinut elektroniikalla keikarointia.

Pneumatiikka oli myös kehittynyt elektroniikan aiheuttaman kuolemanpelon alla.

Kerrottakoon eräs edistyksellisen järjestelmän hankinta. 1970-luvun alussa pneumatiikan ja elektroniikan rinnakkaishankinnoissa oli kohde, johon elektroninen järjestelmä oli välttämätön, koska pneumatiikalla laskutoimitusten suorittaminen oli hankalaa ja epätarkkaa tai jopa mahdotonta. Järjestelmässä oli myös digitaalitekniikkaa, mikä oli silloin kovin uutta. Tehtävänä oli mitata nesteen ja kaasun massavirrat ja säätää ne tarkasti tiedetyssä suhteessa prosessiin. Laitteisto tulkitsi lähettimien viestit, suoritti neliöjuurtoja, tiheyden ja suhteen laskentaa sekä sääti nestevirtaa. Laitteisto muodosti kaikkiaan massavirtauslaskimen, neljä lähetintä ja säätimen ja oli eräänlainen analogis-digitaalinen tietokone.

Tilaajan vastaava työnjohtaja ennusti edessä olevia vaikeuksia, vedoten edellisen tehtaan vastaavan järjestelmän vaikeuksiin. Näin ryhdyttiin asioita selvittelemään ajoissa. Huomattiin viestien menevän oikosulkuun, mikä analogiatekniikassa on herkästi vaarana. Lisättiin erotusmuuntajia. Asennusvaiheessa laskimen tulopiirit paloivat lähetinkaapelin johtimen koskettua prosessiputkea. Ei saatu selvää, minkä yhtälön mukaan laskenta tapahtui. Lopulta myyjä toi amerikkalaisen yhtiön Englannin tehtaalta järjestelmän suunnittelijan paikalle juuri ennen tehtaan käynnistystöiden alkamista. Mies toi raikkaan tuulahduksen ulkoisesta maailmasta. Vilkkaudestaan huolimatta hän oli tosi ammattimies.

Hän kysyi, mikä on vikana ja mitä haluatte laitteen tekevän. Avasi laukkunsa ja teki nopeasti oikeat asiat. Järjestelmä toimi moitteettomasti, kunnes aiheutti tehtaan pysähdyksen. Leveä monikosketinliitin oli hapettunut tehdasilmastossa. Lääkkeeksi tuli, että instrumenttiasentaja kerran kuussa liikuttaa liitintä. Oli käyty tahtojen taistelu ja rutistettu älynystyrät melkoisen kuiviin.

Merkittävänä edistyksenä tuli 1970-luvun alussa FET eli kanavavaikutustransistori. Yhdistettynä avaruusteknologiassa kehitettyihin integroituihin piireihin, se oli mullistava ja ylivoimainen. Vasta tämän jälkeen tulivat todella toimivat radioaktiiviset mittalaitteet, kuten nesteiden tiheyden ja pinnankorkeuden mittarit. Myös pH-arvon mittarit kokivat uuden tulemisen. FET ei juuri kuormittanut kohdettaan. Pienien jännitteiden mittaaminen piireistä, joissa oli suuri resistanssi, oli helpottunut. Komponentti tuli myös huollon mittareihin muuttaen aikaisemman kulttuurin. Ne olivat kalliita ja aluksi etupäässä jännitteen mittareita, mutta hinta ja koko putosivat kymmenessä vuodessa kymmenesosaan, kun puolestaan monipuolisuus oli kasvanut kymmenkertaiseksi yleismittariksi. FET tuli pian peruskomponenteiksi digitaalitekniikkaan, ohjaus-säätöjärjestelmiin ja tietokoneisiin.

Kaapelointi kehittyi. Asennusmateriaalit ja asennustekniikka kehittyivät tarkastelujakson aikana nopeammin kuin koskaan aikaisemmin vastaavana aikavälinä. Oli saatu kotimaisena tuotteena mm. instrumentointikaapelit. Myös pneumatiikanputkille oli kaapelinsa. Putkimateriaaleina käytettiin kuparia, alumiinia ja muovia. Muoviputket olivat yleisimmät.

Tavaksi oli tullut koota prosessista kaapeloinnit kenttäkoteloihin, josta viestit johdettiin runkokaapeleilla valvomoon. Koska prosessit usein sijaitsivat ulkona, kehittyivät lämpöeristetyt, lämmitettävät lähetinkotelot. Eräs hinnaltaan halpa kotelomalli paloi iloisesti soihtuna. Uusintaostoon saatiin öljynjalostuksesta tietää heidän valmistajansa. Näissä koteloissa materiaali hiiltyi pinnasta ja hidasti palamista. Lisääntyneen keskittämisen ja laite- ja kaapelimäärän takia taisteltiin valvomon koje- ja ristikytkentätilasta. Perinteet olivat taas vastassa. Eiväthän pienet instrumentit tarvitse paljon tilaa.

Sattuipa kerran niin, että suunnittelija ylpeili saavutuksellaan, kun oli saanut valvomon lattian alle kontattavan tilan kaapeleiden kulkureitiksi. Kiukku ja suuri hämmästys oli kuitenkin edessä. Tilan korkeutta olisikin riittänyt yli kaksi metriä, koska alla olevan sähkökeskuksen tilan korkeudeksi tuli peräti viisi metriä. Tietokonetekniikkaan varautumista ehdotettiin ajoittain johtajille, mutta he eivät innostuneet. Muun muassa korkeakouluopiskelijat olisivat halunneet opinnäytetyönään selvittää tietokoneen soveltamista prosessin ohjaukseen ja säätöön.

1970-luvun puoliväliin mennessä kemianteollisuuden suljetut virtausprosessit oli pääkohteiltaan automatisoitu itsetoimiviksi ilman optimoivia menetelmiä. Mekaanisten kuten säkitys- ja lastauslaitosten automaatio oli vähäistä. Mittaustekniikka asetti omia rajoituksiaan, mutta se parani vuosi vuodelta. Säätöjen toteutukset olivat kaksiasento-, P-, PI- ja PID-säätimillä toteutettuja. Lisäksi oli yksinkertaisia laskusuorituksia. Säätölaitteiden tekniikassa ei tapahtunut muutamaan vuoteen mitään mullistavaa uutta. Valmistajat kävivät kertomassa uutuuksistaan, mutta uudistukset olivat lähinnä kosmeettisia.

Energiakriisi ja 1970-luvun jälkipuolisko. Vuonna 1974 alkanut energiakriisi muutti kaiken. Öljyntuottajat laskivat kertaiskulla tuotantomääriään ennen kokemattoman alas tavoitteenaan tuottajahinnan huima korotus. Raaka-aineiden hinnat nousivat huimasti, kerrottiinpa jopa 10-kertaisista hinnoista. Kemiantuotteet eivät menneet kaupaksi ja teollisuudenala kamppaili olemassaolostaan. Energiakriisi iski luonnollisesti kaikkeen teollisuuteen, mutta kovin isku tuli kemianteollisuuteen. Vuodesta 1974 vuoteen 1975 tuotannon bruttoarvossa koettiin kolmen prosentin lasku, kun muussa teollisuudessa oli vielä pienoista nousua.

Uusia investointeja ei käynnistetty. Aloitetut investoinnit saatettiin loppuun. Kemianteollisuus kävi olemassaolon taistelua niiden lähes kontrolloimattomien kasvunvuosien jälkeen, jotka päättyivät vuoden 1974 myötä. Tuotteiden hinnat ja tehtaiden käyntiajat olivat alhaalla. Toisaalta lama iski koko yhteiskuntaan, ja yleinen apatia levisi.

Kemianteollisuus kuitenkin tarvitsi tiettyjä investointeja, jotta sen peittävyys ja tuotanto-rakenne eivät olisi jääneet vajaaksi ja araksi maailmanmarkkinoiden vaihteluja vastaan. Tämä tiesi tuotannon suuntaamista uusille alueille maailmanmarkkinoiden vaihtelut huomioonottaen. Vanhaa tuotantoa tuli lakkauttaa, uutta aloittaa ja joustavuutta lisätä.

Uudelleen harkituissa investoinneissa tuli automaatiolle haasteeksi kannattavuus, tuottavuus ja raha. Kova paine kohdistui työvoimakustannuksiin, vaikka se vallinneessa työttömyystilanteessa tuntuikin epäeettiseltä. Lisätty automaatio osaltaan edisti tätä tavoitetta, muta sillä saavutettiin enemmän muita etuja. Toteutettujen uusinvestointien jälkeen tehdyssä kyselyssä tuli esille seuraavia asioita: tuotantomäärän kasvu, hävikin pieneneminen, vajaalaatuisuuden väheneminen, käyttöhäiriöiden väheneminen, käyttökustannusten pieneneminen, käyttöhenkilöstön ajan vapautuminen muunlaisiin valvontatehtäviin ja ympäristöhaittojen väheneminen.

Ajalle oli myös ominaista vaatimukset tuoda automaation menetelmät yhä ylemmäksi organisaatiossa. Siitä olisi tehtävä johdon työkalu. Automaatiota suunniteltaessa tulivat prosessiasiantuntijat entistä aikaisemmin ja tiiviimmin mukaan suunnitteluun. Vuosikymmenen lopulla alkoikin olla automaatioasteen nostamiselle lisää hyviä työkaluja. Energiansäästö monin teknisin parannuksin alkoi näkyä. Eritoten mikroprosessoreiden tulo markkinoille vuosikymmenen puolivälissä aloitti monien uudistusten ajan. Vuonna 1977 esiteltiin jo laitteita, joiden olemassaoloa kolme vuotta aikaisemmin ei osattu edes kuvitella. Jatkoa ajatellen oli tehty pitkä lista mikroprosessoreilla mahdollisesti tehtävistä laitteista.

Uskottiin uuden tekniikan tuovan monia pettymyksiä, kuten aina ennenkin oli käynyt, ja keskusteluissa niiltä haluttiin suojautua. Takaiskuilta kuitenkin lähes säästyttiin, sillä kolme vuotta myöhemmin kansainvälisissä tapahtumissa ja näyttelyissä kävijöiden hämmästys oli suuri. Mikroprosessorin soveltaminen oli onnistunut yli odotusten. Valmiita laitteita oli jo runsaasti nähtävänä. Energiakriisi, ympäristönsuojelu, energiansäästö, tuotteiden laadun korottaminen määrän asemesta ja mikroelektroniikan suorastaan hurja eteneminen olivat aiheuttaneet optimistisimpienkin ennusteiden ylittymisen teknisessä kehityksessä.

Kuitenkin automaatiotekniikassa käytettiin edelleen samoja laitteistoja ja menetelmiä kuin vuosikymmenen alussa, mutta uuden elektroniikan vaikutus alkoi näkyä. Ensin se tuli mukaan uusissa ja uusituissa mittalaitteissa. Tämä näkyi mm. analysaattoreissa, virtaus-, paine- ja paine-erolähettimissä ja monen prosessimuuttujan yhteisvaikutuksen mukaan ottamisessa. Massavirtauslähettimien markkinoille tulo oli merkittävä parannus. Laskentaa lisättiin parantuneiden laitteistojen myötä.

Mikroprosessoripohjainen instrumentointijärjestelmä oli tullut koekäyttöön Yhdysvalloissa vuonna 1975, ja Suomen ensimmäinen asennus tehtiin paperikoneeseen v.1977. Jo se antoi heti yllättävän hyviä tuloksia. Informaatiotiheys ja suorituskyky sata kertaistui, ja koko tehdas voitiin valvoa ja ohjata istualtaan näyttöruutujen ja näppäimistön avulla.

Kemianteollisuuteen tällainen järjestelmä tuli v. 1979 Siilinjärven tehtaan apatiittikaivokselle. Valmistaja oli suomalainen Valmet Oy. Muihin kemiantehtaisiin valmisteltiin myös vastaavia järjestelmiä. Niissä säätimet ja ohjauslogiikat olivat lähellä prosessia ja valvonta ja ohhjaus oli keskitetty valvomoon. Entiset tuhannet johdinparit voitiin korvata yhden johdinparin sisältävällä kaapelilla ja digitaaliviesteillä. Kyse oli hajautetusta säädöstä ja keskitetystä valvonnasta.

Uusi tekniikka tuli täytenä yllätyksenä. 0ltiin tietokoneenomaisessa automaatiossa. Rakenne oli aivan toinen kuin oltiin kuviteltu. Tietokoneille nähtiin tulevan uudenlainen rooli uudenlaisina rakenteina. Runsasta laskentaa vaativia ja kehittyneempiä säätömenetelmiä voitiin nyt toteuttaa entistä helpommin. Nyt alkoi kemianteollisuuskin tulla mukaan täysillä. Sillä oli nyt samat ongelmat kuin puunjalostusteollisuudella; oli taisteltava muutaman prosentin tuottotavoitteisiin saakka. Siihen alkoi olla keinot. Monessa tapauksessa kemianteollisuuden uudistuminen ja elpyminen alkoi vasta seuraavalla vuosikymmenellä.

2.2 Automaatio tietoyhteiskunnan ytimessä.

/Paavo Tuomi, Suomen Automaatioseura ry/

Tietoyhteiskunta, Informaatioyhteiskunta, Tietämysyhteiskunta. Nykyajalla on monta nimeä, joiden nimeämien käsitteiden sisällöt poikkeavat jonkin verran toisistaan. Yhteistä näille kaikille käsitteille on se, että niiden merkittävänä tukijalkana on automaation moninaiset sovellukset, joiden tarkoituksena on helpottaa ihmisen jokapäiväistä elämää ja joiden myötävaikutuksella ihminen on saavuttanut uusia ja taloudellisemmin.

Tietoyhteiskunnan näkyvät ja näkymättömät tunnusmerkit. Tietoyhteiskunta näkyy jokapäiväisessä elämässä useimmiten tietokoneiden käytön yleistymisenä, Internetin sovellutuksina yleensä sekä sen erilaisina verkkopalveluina ja sähköpostin käyttönä, matkapuhelimien käytön leviämisenä, pankkipalvelujen sähköistymisenä, kauppojen kassatoimien viivakoodinlukijoina, liikenteen ohjausjärjestelminä sekä erilaisina lippuautomaatteina jne. Nämä ovatkin tietoyhteiskunnan jokaiselle näkyviä aineellisia tunnusmerkkejä. Jokapäiväisessä elämässä näkyvän taustalla on lisäksi joukko näkymättömiä tietoyhteiskunnan rakennuspalikoita. Tällaisia ovat esimerkiksi tieteellisen tutkimuksen, teollisuuden, lentoliikenteen, avaruusteknologian ja sairaan- ja terveydenhoidon moninaiset järjestelmät, jotka on myös tehty helpottamaan ihmisen arkipäiväistä elämää. Useissa näistä sovellutuksista on yhteisenä perustana jonkin toiminnan automatisoiminen. Ihminen on ratkaissut aikaisemmin mahdottomina pidettyjä tehtäviä tai korvannut raskaita, tarkkuutta vaativia tai muuten vaikeita tehtäviä automatisoimalla ne. Usein syyt ovat olleet myös taloudellisia. Automatisoinnin edellytyksenä on kyky mitata, säätää ja toteuttaa haluttu toimenpide ihmisen ennakkoon asettamien vaatimusten mukaisesti. Yksinkertaisimmillaan tämä voi olla vaikka vesihanan tuottaman vesimäärän ja Iämpötilan säilyttäminen haluttuna tai sähkösilitysraudan Iämpötilan säilyttäminen silitettävälle kohteelle sopivana. Se voi olla myös pesukoneen tai hissin toiminta tai kaupan ovien avaaminen kulkijalle automaattisesti. Monimutkaisimmillaan se voi olla vaikka usean miljoonan transistorin valmistaminen yhden neliösenttimetrin piisirulle tai Mars-planeetalle laskeutuvan luotaimen itsenäinen hallinta ja sen toimintojen ohjailu Maasta käsin.

Automaation eräiden tärkeiden havaintojen ja sovellutusten historia ulottuu jo Leonardo da Vincin (1452-1519) ja James Wattin (1736-1819) aikaan. Automaatio-käsite liitettiin 1900-luvun alkupuoliskolla yleisesti vain teollisuuden prosessien tai muiden toimintojen suorittamiseen ihmistyövoimaa korvaavana. Nykyaikaisen automaation katsotaan kuitenkin syntyneen ja saaneen tärkeitä lisäyksiä työkalupakkiinsa vasta 1940-luvulla toisen maailmansodan aikana suoritetun tutkimus- ja kehitystyön tuloksena. Näiden lisäysten seurauksena automaation sovellutukset laajenivat jokapäiväisen elämän näkyvillekin alueille.

Automaation seuraukset. Tietoyhteiskunta-käsitteen syntyyn automaatio vaikutti 1970-luvulla herättäessään aluksi pelkoa siitä, että teknologisen kehityksen ja automaation seurauksena menetetään työpaikkoja. Eri maissa tunnettiin myös huolta siitä, että niiden kilpailukyky kärsii automaation seurauksena.

Huoli työpaikkojen menetyksestä on toteutunut. Menneen teollisen yhteiskunnan työpaikkoja on menetetty, mutta ne ovat korvautuneet ja tulevat korvautumaan uusilla tietoyhteiskunnan työpaikoilla. Maantieteellisesti ne saattavat jakautua eri tavalla kuin teollisessa yhteiskunnassa. Kilpailukyvyn säilyttämiseksi on kaikissa teollisissa yhteiskunnissa sovellettu automaatiota. Kyky soveltaa automaatiota oikeisiin paikkoihin ja taitavasti onkin tietoyhteiskunnassa ja kansantaloudessa kilpailuetu. Työn tulokseen on alkanut vaikuttaa myös tieto, kun teollisessa yhteiskunnassa panoksina tunnistettiin vain ihmistyö ja raha.

Automaatio-teknologioiden poikkitieteellisenä yhteenliittymänä. Automaatio ei ole erillinen saareke teknologian valtameressä vaan monien teknologioiden poikkitieteellinen kohtaamis- ja yhteenliittämispaikka. Automaatiossa sovelletaan ja kehitetään perusteknologioita toimivaksi kokonaisuudeksi. Automaatiota voidaan tarkastella eri näkökulmista: ihmisen, tehtävän, säädettävän prosessin tai sen toteutukseen käytettyjen teknologioiden, kuten tietokoneen, mittauksen, säätäjän, säädön tai automaatioon oleellisena kuuluvan toimilaitteen näkökulmasta. Sitä voidaan tarkastella myös toteuttamisessa sovellettujen perusteknologioiden, kuten mekaniikan, pneumatiikan, sähkötekniikan, optiikan, elektroniikan tms. näkökulmasta. Näitä kaikkia näkökulmia on käytetty erillisissä oheismateriaaleissa, joilla on pyritty valottamaan automaatio-käsitteen sisältöä ja sovellutuksia yksityiskohtaisemmin.

2.3 Automaation muutosprosessi

Perinteisesti automaatiototeutuksissa voidaan erottaa seuraavat pääosat:

kenttälaitteet (mitta- ja toimilaitteet),

keskusyksikkölaitteet (viestien vastaanotto- ja lähetinlaitteet, säätimet, muuntimet jne.) sekä

valvomolaitteet (näyttölaitteet, piirturit, hälyttimet jne.)

Digitaalisissa automaatiojärjestelmissä monet erilliset laitteet ovat korvautuneet järjestelmän ohjelmilla (esim. säädin, laite -> säätöalgoritmi, lohko-ohjelma). Tätä laitteiden lukumäärän vähenemistä voidaan pitää ratkaisevana etuna ylläpidon, kustannusten ja huollon kannalta.

Digitaalisessa automaatiojärjestelmässä voidaankin erottaa edelliseen verrattuna vain seuraavat tasot:

1. kenttälaitetaso ja

2. järjestelmätaso.

Rajana edellisten välillä voidaan pitää ristikytkennän XL- ja JL-liittimiä (esitetään tarkemmin myöhemmin). Monissa automaatioprojekteissa tätä rajaa käytetään myös vastuualueiden rajana (kenttälaite- ja vastaavasti järjestelmävastaava).

Ns. älykkäiden kenttälaitteiden ja digitaalisen kenttäväylän käyttöönotto hävittää osaltaan vielä järjestelmän ja kenttälaitteiden rajapinnan sekä vähentää prosessiliitynnän elektroniikkaa ja instrumentoinnin vaatimaa kaapelointia. Voidaan oikeastaan sanoa, että silloin automaatiojärjestelmä ulottuu kentälle asti.

Erityisesti kenttäväylien käyttöönotto tuo mukanaan toimintojen hajauttamisen edelleen kenttälaitetasolle asti myös tavanomaisissa sovelluksissa. Oman prosessorin ja muistia sisältävät kenttälaitteet antavat mahdollisuuksia informaation jalostamiseen jo kentällä, jolloin vastaavasti varsinaisen järjestelmän liityntäasemien ja prosessiasemien laskentakapasiteettia vapautuu muuhun käyttöön.

Selvästi näkyvä kehityssuunta on ollut myös tehostuva tietoliikenne esim. tehdasväylissä ja liitynnöissä tavanomaisiin toimistolähiverkkoihin. Tämä antaa mahdollisuuksia integroida (liittää toisiinsa ja yhdistää) erityyppisiä toimintoja perusautomaation kanssa. Tyypillisesti kunnonvalvonta-, tuotannonohjaus- ja yrityksen johdon informaatiojärjestelmät voidaan liittää osaksi kokonaisautomaatiota puhumattakaan erilaisista optimoivista (parhainta tuotannon kokonais-toimintatilaa hakevista) ns. ylemmän tason säädöistä, joista on jo tullut vakiintunut osa normaalia automaatiota.

Laitteiden muistikapasiteetin ja laskentatehokkuuden kasvulle ei ainakaan vielä näy rajaa ja laitteiden ("kovon", hardwaren) hinta on ollut edelleen laskussa. Tämä suorituskyvyn kasvu tuo mukanaan aivan uudet mahdollisuudet monimutkaisempien ja laskennallisesti raskaampien menetelmien käytölle. Osaltaan ja ehkä ratkaisevampana tähän tulee vaikuttamaan automaation suunnittelu- ja toteutusympäristöjen yhdistäminen yhdeksi kokonaisuudeksi. Aiemmin näitä on tehty eri laitteilla ja eri ohjelmilla. Tämän suuntaista kehitystyötä on jo meneillään. Laskentatehon monikertaistuminen antaa myös mahdollisuuksia tähän saakka mahdottomina pidetyille tekoäly-, neuroverkko- ja muille vastaaville sovelluksille.

Järjestelmien laitekehityksen mukana myös laitteiden varusohjelmistot (“pehmo”, software) ovat kehittyneet ja kehittyvät jatkuvasti yhä laajemmiksi ja monimutkaisemmiksi. Käytännössä suuri osa tästä kehityksestä näkyy sovellussuunnittelijalle tehokkaampana ja helpommin hallittavana suunnitteluympäristönä ("ohjelmoitavuus" helpottuu, virheherkkyys vähenee) ja loppukäyttäjälle mm. parempina itsediagnostiikkaominaisuuksina (huolto ja kunnossapito) sekä jouhevampana operointina (käyttö). Toisaalta ohjelmistoympäristön laajeneminen näkyy uusissa laiteversioissa varsinkin aluksi erilaisina toimintovirheinä, jotka voivat häiritä ja hidastaakin järjestelmien käyttöönottoa.

Parin viime vuoden aikana on osin kenttäväylätekniikkaan liittyen alettu puhua yhä enemmän avoimuudesta yhtenä automaation perusvaatimuksena. Sillä tarkoitetaan laajaa eri laitevalmistajien laitteiden ja ohjelmien yhteensopivuutta sekä järjestelmän aiempaa laajempaa ulottuvuutta esim. Internet- ja puhelinverkkoyhteyksien kautta.

Järjestelmien kehitystä alkaa osaltaan jarruttaa se tosiasia, että uusista ominaisuuksista saatava välitön taloudellinen hyöty on vaikeampi osoittaa ja se voi myös todellisuudessa olla varsin vähäinen verrattuna ensimmäisen sukupolven järjestelmien käyttöönoton aikoihin saavutettuihin tuloksiin. Automaatiojärjestelmän laajeneminen osaksi laajaa koko tehtaan informaatiojärjestelmää ja sieltä saavutettavat hyödyt lienevät jatkossa perusautomaation kehitystä merkittävämpiä.

3 AUTOMAATION TEHTÄVÄT

Automaatiotekniikka käsittelee koneiden, laitteiden ja prosessien ohjaamista automaattisesti ilman ihmisen välitöntä vaikutusta. Automaatiosta on tullut välttämätön ja erottamaton osa tuotantoprosessia sekä prosessiteollisuudessa, kuten sellu- ja paperiteollisuudessa, että kappaletavaratuotannossa. Toisaalta automaatiosta on tullut erityisesti kone- ja sähköteollisuudessa välttämätön ja erottamaton osa myytävää tuotetta; monet suomalaiset koneet ja laitteet ovat kilpailukykyisiä juuri edistyksellisen integroidun ohjausautomaation ansiosta. Kestävän kehityksen idea tuotannossa voidaan toteuttaa vain kehittyneen automaation ja säätötekniikan avulla.

Automaatiotekniset järjestelmät toteutetaan useimmiten tietotekniikalla, tyypillisesti Iähiverkon avulla hajautettuina moniprosessorijärjestelminä. Yksittäisillä koneilla ja osajärjestelmillä on tyypillisesti erilliset automaatio-ohjaimet, esim. prosessiteollisuuden osaprosessin tai robotin ohjain, ja nämä liitetään yhteen muiden automaation osatoiminnoista huolehtivien yksiköiden kanssa toimivaksi kokonaisuudeksi, jossa toimintoja valvovan ja ohjaavan ihmisen liitäntäpinnan rooli on usein keskeinen. Mekatroniset automaatiototeutukset ovat tyypillisesti sulautettuja järjestelmiä. Automaatiojärjestelmät suunnitellaan ja ohjaus- ja säätöratkaisut kehitetään tietokoneavusteisesti. Tietoteknisen toteutusympäristö lisäksi automaatiossa oleellisen ulottuvuuden muodostaa mittauksiin, havainnointiin ja toimintojen ohjauksiin liittyvä instrumentointitekniikka.

Automaation toimialoja ovat prosessi-, kappaletavara, -kone ja rakennusautomaatio, joista tämän kurssin yhteydessä perehdytään prosessi- ja kappaletavara-automaatioon. Em. Automaatioaloihin suuntautuessa keskeisiä asiakokonaisuuksia ovat mittaus-, prosessi- ja säätötekniikka sekä ohjausjärjestelmät sekä automaation informaatiotekniikka.

3.1 Järjestelmien tehtävät

Automaatiojärjestelmän edellytetään huolehtivan ohjattavasta kohteesta kaikissa neljässä perustilassa:

1. seisokki,

2 käynnistys (ylösajo),

3. tuotantoajo/häiriötilanteet ja

4. pysäytys (alasajo).

Seisokkitilanteessa järjestelmän tehtäväksi jää joidenkin perustoimintojen ylläpidon lisäksi lähinnä erilaisten huoltoa ja kunnossapitoa palvelevien tietojen tuottaminen ja jalostaminen.

Automaattisessa käynnistyksessä ja pysäytyksessä järjestelmä huolehtii ohjauslogiikkansa (sovellusohjelmiston osa) avulla pumppujen, puhaltimien, kuljettimien jne. sekvenssi-ohjauksista. Nämä sekvenssit perustuvat loogisiin ehtoihin (esim. jos tämä ja tämä ehto voimassa niin tee tuo toiminto) tai aika-, kappale- ja määrälaskureihin (kun viisi sekuntia kulunut edellisestä toiminnosta tee seuraava). Lukitus- ja suojaustoiminnot toteutetaan usein automaatiojärjestelmän ulkopuolisilla laitteilla.

Tuotantoajossa prosessi pidetään automaatiojärjestelmän avulla optimaalisessa ja häiriöttömässä tilassa varsinaisten stabiloivien (vakaassa tilassa pitävien) ja optimoivien (parasta toimintatilaa hakevien) säätöalgoritmien (ohjelmoitujen säätimien) avulla. Tuotantoajossa tarvitaan paitsi takaisinkytkettyjä säätöpiirejä (closed loop control, mittaus on takaisinkytketty niin että ohjaus muuttuu sen mukana) myös ohjauspiirejä (open loop control, mittaus ei vaikuta ohjaukseen, vaan ohjaus tapahtuu suoraan ennalta määrätysti).

Automaatiojärjestelmän perustoimintoihin kuuluvat

- mittausautomaatio ja mittaustietojen tallennus,

- ohjausautomaatio,

- prosessihallinta sekä

- valvonta ja raportointi.

Mittausautomaatiolla tarkoitetaan kaikkia järjestelmän lukemia analogisia ja binäärisiä mittauksia sekä siihen syötettyjä manuaalisia suureita (laboratorioanalyysit). Erilaisten mittausautomaattien tuki on myös osa mittausautomaatiota.

Mittausten osalta automaatiojärjestelmä huolehtii informaation sisäänluvusta, mittaustiedon esikäsittelystä (esim. suodatus, linearisointi) sekä tietojen ohjauksesta jatkokäsittelyyn, näyttöön ja tallennukseen. Lisäksi mittausten käsittelyyn voidaan lukea kuuluvaksi erilaiset hälytys- ja mielekkyysrajojen tarkistukset sekä niihin liittyvien varoitusten ja hälytysten generointi.

Ohjausautomaatioon kuuluvat yksittäisten toimilaitteiden ohjaukset, automaattiset säädöt, ryhmäkäynnistykset, sekvenssiohjaukset, hälytykset sekä lukitukset.

Toimilaitteen ohjauksella tarkoitetaan tässä yhteydessä sekä fyysistä ohjausta järjestelmän elektroniikkakortilta että niiden ohjelmien toimintaa, joilla ohjauskäsky toteutetaan. Yleiskäyttöisiltä automaatiojärjestelmiltä edellytetään, että niillä on käytössä mahdollisimman laaja valikoima liitäntämahdollisuuksia erityyppisille toimilaitteille.

Automaattisilla säädöillä tarkoitetaan tässä kaikkia niitä erilaisia takaisin- ja myötäkytkentätyyppisiä jatkuvaan säätöön tarkoitettuja toimintoja. Yleensä järjestelmät sisältävät tietyn standardivalikoiman säätöalgoritmeja sekä mahdollisuuden määritellä omia algoritmeja jollakin lausekielellä.

Ryhmäohjauksia käytetään silloin, kun halutaan kerralla käynnistää tai ohjata useita moottoreita tai moottoriventtiilejä. Ryhmäohjauksessa ohjattavat toimilaitteet (moottorit, moottoriventtiilit) käynnistetään tietyssä järjestyksessä ja tietyin määrävälein. Tämä siksi että toiminta olisi prosessin kannalta tarkoituksenmukaista ja että sähköverkon kuormitus jakautuisi tasaisemmin. Sillä prosessiteollisuudessa yleisimmin käytetyt oikosulkumoottorit ottavat käynnistyessään 5…10-kertaisen virran verrattuna käynti ajoon.

Esimerkki ryhmäohjauksesta on kuvan 1: tapauksessa Jossa moottorit käynnistetään ylösajotilanteessa siten, että ensimmäisenä käynnistetään hihnankuljettimen moottori M-1, sen jälkeen ruuvikuljettimen moottori M-2 ja viimeisenä siilon levytäryttimen moottori M-3.

Kuva 1. Ryhmäkäynnistys esimerkki välisäiliön täytöstä.

Sekvenssiohjaukset eroavat edellä mainitusta ryhmäohjauksista siinä, että sekvenssiohjaukset riippuvat prosessista tulevista raja- ja kytkintiedoista. Sekvenssiohjauksilla saadaan prosessissa tapahtumaan erilaisia käynnistys- ja pysäytystoimintoja esimerkiksi prosessin ylös- ja alasajo. Seuraavassa on kuva 2, joka kuvaa sekvenssiohjauksen periaatetta.

Kuva 2. Esimerkki säiliövirtauksen sekvenssiohjauksesta.

Hälytyksien tarkoitus on kiinnittää käytöstä vastaavan henkilön huomio sellaiseen prosessin tila muutokseen, joka vaatii käyttäjän toimenpiteitä. Ja josta voi olla vaaraa tai haittaa prosessin toiminnalle.

Hälytykset jaetaan kahteen luokkaa kosketinhälytykset ja analogiahälytykset. Kosketinhälytyksissä prosessissa on aina jonkinlainen kytkin joka tilaansa vaihtamalla antaa hälytyksen. Kun taas analogiahälytykset ovat toteutettu siten että lähettimen mittausviestiä verrataan hälytysrajaan.

Kosketinhälytyksen kytkimien periaate on kuvan 3 mukainen. Sulkeutuvaa kytkintä käytetään vain poikkeus tapauksissa, eikä koskaan prosessinkannalta kriittisissä tapauksissa. Avautuva kytkin on yleisimmin käytetty hälytyskytkimenä, koska hälytys tarkkailee myös virtapiirin kuntoa. Esimerkiksi jos kaapeli on vaurioitunut niin virtapiiri katkeaa ja saadaan hälytys tieto. Vaihtokytkin on paras vaihtoehto hälytyskytkimeksi, sillä tilan vaihtuminen voidaan erottaa mahdollisesta kaapelivauriosta.

Kuva 3. Kosketinhälytys.

Analogihälytykset ovat hälytyksiä jotka saadaan aikaan vertaamalla mittausviestiä aseteltavan hälytysrajaan. Analogiahälytyksen periaatetta esitetään kuvan 4 avulla. Analogiahälytyksillä on joitakin etuja verrattuna kosketinhälytyksiin. Tällaisia ovat esimerkiksi hälytysrajan portaaton säätö, sekä se että ei tarvitse asentaa erillisiä rajakytkimiä prosessiin. Myös asennus- ja kaapelointikulut ovat pienemmät.

Kuva 4. Analogiahälytyksen kytkeytyminen.

Lukitukset ovat järjestelmiä jotka on tehty suojaamaan prosessin osia ja ympäristöä. Niillä estetään prosessin laitteiden vaurioituminen, esimerkiksi pumpun käyminen kuivana. Ympäristön suojelemiseksi prosessissa on lukituksia jotka estävät esimerkiksi vaarallisten aineiden ylivirtauksen avosäiliöstä.

Prosessihallinnalla ymmärretään kaikkia niitä fyysisiä ja ohjelmistollisia välineitä, joilla prosessin valvoja valvoo ja operoi prosessia. Tähän ryhmään kuuluvat kaikki toimilaitteiden suorat käsiohjaukset, päällekytkentä-, käynnistys- ja viritystoiminnot, mittaustietojen esittäminen, hälytysrajojen asettaminen yms. Tavallisesti prosessihallintaan käytetään funktiotyyppisiä näppäimistöjä, joissa toiminnot muuttuvat näyttökuvan mukana sekä apuvälineinä rullapalloa ja/tai -pyörää, valokynää, hiirtä ja kosketusnäyttöjä.

Raportointi koostuu tapahtumaraporteista (toimenpiteiden kirjaaminen) ja tulosraporteista ( esim. vuoro- , vuorokausi- ja viikkoraportit), joissa raportoidaan prosessin taloudellista tulosta.

Prosessista saatavan informaation määrä on suuri ja kerrallaan esitettävissä ja ihmisen seurattavissa oleva tietomäärä erittäin rajallinen, minkä vuoksi valvonta järjestetään hierarkkisella periaatteella. Tällöin voidaan erottaa eritasoisia valvontanäyttöjä kuten

yleisvalvonnan laite- ja prosessikaaviot, yleisnäytöt

sekä suoritusvaihekaaviot,

suurekohtaisen valvonnan ryhmänäytöt, operointi-näytöt ja hälytysnäytöt sekä

tarkemman suurekohtaisen valvonnan aikatrendit.

Hierarkkiatasojen määrä ja nimitykset voivat vaihdella eri järjestelmissä, mutta periaate on aina samankaltainen. Vastaavantyyppistä hierarkkiaperiaatetta noudatetaan raporteissa. Kaikki kaupalliset automaatiojärjestelmät tukevat tämäntyyppistä informaation jakoa ja ryhmitystä.

3.2 Toimilaiteohjaukset

Toimilaitteella tarkoitetaan laitetta, joka säätimeltä saamansa viestin perusteella vaikuttaa prosessiin sopivalla tavalla. Tavallisin toimilaite on säätöventtiili - muita ovat esimerkiksi säätöläpät, annostelupumput ja lämmitysvastukset. Myös elektronisesti tai mekaanisesti säädettyjä moottorikäyttöjä voidaan pitää toimilaitteina.

Säätöventtiili on se säätöpiirin osa, jolla toimielimenä toimivan venttiilin avautuman muutoksen kautta prosessi ohjataan hallitusti haluttuun tilaan. Säätöventtiilillä tarkoitetaan tällöin venttiili-toimilaite-asennoitin –yhdistelmää. Asennoitin on siis eräänlainen asentosäädin ja vahvistin, jonka asetusarvona toimii ohjaava viesti ja mittauksena karan asento. Kuvassa 5 on esitetty lohkokaaviona säätöventtiili, joka muodostuu pneumaattisesta asennoittimesta, pneumaattisesta sylinteritoimilaitteesta ja toimielimenä toimivasta venttiilistä. Kuvassa 5 on myös esitetty sähköpneumaattinen muunnin, jolla säätimeltä tuleva ohjaussignaali i muutetaan pneumaattiseksi ohjausviestiksi p. Varsinaista asennoitinta kuvaava rajapinta on kuvassa 5 merkitty pistekatkoviivalla.

Kuva 5. Lohkokaavio i/p-muuntimella varustetusta säätöventtiilistä. Asennoitinta kuvaava rajapinta on esitetty pistekatkoviivalla.

Optimikokoisen säätöventtiilin valinta alkaa venttiilin sisäisen ominaiskäyrän valinnalla. Jokaiselle säätöventtiilityypille on laboratoriotestein määritetty sisäinen ominaiskäyrästö.

Venttiilin sisäinen ominaiskäyrä määritetään siten, että paine-ero venttiilin yli Dp pidetään vakiona. Tällöin virtaus venttiilin läpi q saadaan yhtälöstä:

(1)

missä C_v on venttiilin kapasiteettikerroin, joka kuvaa venttiilin tehollista poikkipinta-alaa. Venttiilin sisäinen ominaiskäyrä kuvaa venttiilin tehollisen poikkipinta-alan muuttumista venttiilin suhteellisen asennon h funktiona. Kuvassa 6 on esitetty yleisimpien venttiilityyppien sisäiset ominaiskäyrät.

sisainen ominaiskayra

Kuva 6. Venttiilin sisäisiä ominaiskäyriä, 1) Palloventtiili, 2) Palloventtiili 0,5*putken koko, 3) Läppäventtiili, 4) Lineaarinen ominaiskäyrä ja 5) Lautasventtiili.

Suhteellinen kapasiteettikerroin f määritetään yhtälöllä:

(2)

missä C_v(h) on venttiilin kapasiteettikerroin suhteellisella avautumalla h ja C_v(1,0) on venttiilin kapasiteettikerroin venttiilin ollessa täysin auki.

Normaalitoimintaolosuhteissa säätöventtiili on osa prosessiputkistoa. Paine-ero venttiilin yli on harvoin vakio koko venttiilin avautuma-alueella, koska virtauksen dynaamiset painehäviöt aiheuttavat venttiilin tulopaineen laskemisen ja lähtöpaineen nousemisen virtausnopeuden kasvaessa. Asennetun venttiilin ominaiskäyrä, virtausnopeuden q riippuvuus avautumasta h, on täten funktio prosessiputkistosta sekä venttiilin sisäisestä ominaiskäyrästä.

Prosessiputkiston ominaisuuksia kuvaavat putkiston painesuhdekertoimet DP_f ja DP_m, joiden alaindeksit viittaavat virtaustilanteisiin, joissa venttiili on täysin auki (f) tai venttiili on sen verran auki, että prosessin maksimivirtaus saavutetaan (m). Prosessin painesuhdekerroin DP_f määritetään yhtälöllä:

(3)

missä Dp_f on paine-ero venttiilin yli, kun venttiili on täysin auki ja Dp₀ on paine-ero suljetun venttiilin yli.

Kuvassa 7 on esitetty lineaarisen ja tasaprosenttisen venttiilin asennetun ominaiskäyrän muuttumista, kun venttiili on asennettu putkistoon.

asennettu ominaiskayra_ver2

Kuva 7. Lineaarisen ja tasaprosenttisen asennetun venttiilin ominaiskäyriä.

3.3 Sähkömoottorikäytöt

Sähkömoottorikäytöllä tarkoitetaan syöttöverkon ja prosessin välistä energiamuunninta, joka muuntaa verkon energiaa moottorin käyttämän työkoneen avulla hyötytyöksi prosessiin (kuva 8). Muunnosprosessia voidaan hallita muuttajalla (converter), joka perustuu puolijohdetehokytkimillä toteutettuihin tasasuuntaajiin, vaihtosuuntaajiin ja tasasähkökatkojiin. Sähkömoottorikäyttö jakautuu energiaa siirtävään sähkömekaaniseen osaan ja sitä ohjaavaan säätöosaan.

Kuva 8. Sähkömoottorikäyttö osana sähkökäyttöjärjestelmää.

Teollisuuden yleisin sähkömoottorityyppi on oikosulkumoottori, joka vielä nykyään on useimmiten kytketty suoraan syöttävään sähköverkkoon ja pyörii näin likipitäen vakionopeudella. Moottorin ja prosessin pyörimisnopeudet voidaan sovittaa tarvittaessa toisiinsa käyttäen vakio välityssuhteen omaavaa kiinteää vaihdetta. Tyypillisesti tällaisia käyttöjä ovat pumppu- ja puhallinkäytöt sekä erilaiset kuljettimet. Mikäli tarvitaan kahta melko kiinteää pyörimisnopeutta, voidaan oikosulkukone varustaa esimerkiksi kaksilla eri napapariluvun omaavilla staattorikäämityksillä. Useimmiten, kun sähkökone pyörii vakionopeudella, joudutaan prosessin mahdollinen säätäminen tekemään keinoilla, jotka eivät ole energiataloudellisia. Tyypillinen esimerkki on pumppukäyttö, jossa virtausmäärää pienennettäessä koneen pyörimisnopeuden säädön sijasta virtausta kuristetaan säätöventtiilillä. Toisaalta monessa prosessissa moottorikäyttöjen tarkka pyörimisnopeuden säätö kasvattaa merkittävästi prosessin tuottavuutta.

Yleisin ja paras keino muuttaa sähkömoottorin pyörimisnopeutta on taajuusmuuttajien käyttö. Sen tehtävänä on muuttaa sähköverkon vakiotaajuinen ja –jännitteinen vaihtosähkö sellaiseksi, että taajuusmuuttajan syöttämän moottorin pyörimisnopeus on haluttu.

Taajuusmuuttajia on olemassa kahta päätyyppiä, välipiirillisiä ja suoria. Välipiirilliset taajuusmuuttajat perustuvat sähkön muuttamiseen ensin tasasähköksi ja sitten taas vaihtosähköksi. Suorissa taajuusmuuttajissa syöttävän vaihtosähköverkon sähkö pilkotaan puolijohdekytkimillä suoraan halutun taajuiseksi ja jännitteiseksi vaihtosähköksi. Tällä hetkellä välipiirilliset taajuusmuuttajat ovat eniten käytetty taajuusmuuttajatyyppi. Toiminnallisesti välipiirillinen taajuusmuuttaja voidaan jakaa neljään eri pääyksikköön (kuva 9).

Kuva 16. Taajuusmuuttajan periaatekaavio (välipiirillinen).

Kuva 9. Välipiirillisen taajuusmuuttajan pääosat.

Eri pääyksiköiden tehtävät voidaan jakaa karkeasti seuraavasti: tasasuuntaajan tehtävänä on muuttaa kolmivaiheinen vaihtojännite tasajännitteeksi, välipiiri suodattaa tasajännitteen ja vaihtosuuntaaja muuttaa lopuksi syötettävän jännitteen taajuuden sopivaksi.

Ohjauspiiri on taajuusmuuttajan neljäs päälohko. Sillä on kaksi tehtävää: ohjaa taajuusmuuttajan puolijohteita, sekä ottaa vastaan ympärillä olevista laitteista taajuusmuuttajaan tulevia viestejä tai lähettää niitä muihin laitteisiin. Näitä viestejä voi antaa käyttäjä ohjauspaneelista tai ylemmän tason säätö- ja ohjausjärjestelmä.

Taajuusmuuttajan mikroprosessori laskee optimoidun pulssikuvion käytetylle moottorille. Kuvassa 10 on esitetty PAM (pulse amplitude modulation) –ohjattu taajuusmuuttaja, jossa on välipiirin hakkuri. Ohjauspiirin on siten ohjattava sekä hakkuria että vaihtosuuntaajaa. Tämä tapahtuu välipiirin jännitteen hetkellisarvon perusteella.

hakkuri ohjatun valipiiri

Kuva 10. Hakkuriohjatun välipiirin periaate.

Välipiirin jännite ohjaa piiriä, joka toimii datamuistin osoitelaskurina. Tässä muistissa on vaihtosuuntaajan puolijohteiden pulssikuvion lähtösekvenssi. Jos välipiirin jännite nousee, laskeminen tapahtuu nopeammin. Sekvenssi etenee nopeammin ja lähtötaajuus kasvaa. Hakkuriohjausta varten verrataan välipiirin jännitettä ensin aseteltuun ohjearvoviestiin. Tämä on jänniteviesti, jonka oletetaan tuotavan oikean lähtöjännitteen ja –taajuuden. Jos ohjearvoviesti poikkeaa välipiirin viestistä, PI-säädin lähettää viestin piiriin, joka muuttaa hakkuritaajuutta.

Välipiirillisestä taajuusmuuttajasta on useita erilaisia muunnelmia, mutta toimintaperiaate on lähes aina esitetyn kaltainen. Taajuusmuuttajat valtaavat alaa nopeasti ja niitä sovelletaan nykyään kaikenlaisiin mahdollisiin käyttökohteisiin.

Taajuusmuuttajien merkittävimpiä etuja ovat energian säästö, moottorin kulumisen väheneminen ja käytön helppous.

4 AUTOMAATIOSTANDARDIT JA INSTRUMENTOINNIN PIIRROSMERKIT

PI-kaavioihin merkitään koneet ja laitteet, putkistot ja automaatiolaitteet. Automaatiolaitteiden kuvaamiseen käytetään standardimerkkejä, jotka on määritelty ao. standaredeissa. PI-kaavioon voidaan merkitä myös ohjauksessa käytetty laitetyyppi: prosessitietokone, säätöjärjestelmä tai ohjelmoitava logiikka. Säätökaaviolla esitetään yhden tai useamman säätöpiirin tarkka toiminta. Kaaviossa näkyvät kaikki loogiset toiminnot ja kaikki laitteet, jotka liittyvät kyseisen piirin toimintaan.

SFS-EN ISO 10628 Prosessikaaviot. Tämä kansainvälinen ISO-standardi määrittelee yleiset ohjeet prosessikaavioiden laatimiselle. Nämä kaaviot esittävät prosessilaitosten rakenteen ja toiminnan sekä muodostavat yhtenäiset osat laitoksen hankesuunnittelussa, kone- ja laitesuunnittelussa, rakentamisessa, johtamisessa, käyttöön ottamisessa, käytössä, ylläpidossa ja purkamisessa tarpeellisesta täydellisestä teknisestä dokumentaatiosta. Prosessikaaviot myötävaikuttavat yksinkertaistamaan informaation vaihtoa näiden prosessilaitosten kehittelyssä, kone- ja laitesuunnittelussa, rakentamisessa, käytössä, ylläpidossa mukana olevien osapuolien välillä. Tämä kansainvälinen ISO-standardi ei koske sähköteknisiä kaavioita. http://www.sfs.fi/luettelo/sfs.php?standard=SFS-EN%20ISO%2010628

SFS-ISO 14617-5 Kaavioissa käytettävät piirrosmerkit. Osa 5: Mittaus- ja ohjauslaitteet. Standardin ISO 14617 tämä osa määrittelee kaavioissa esitettävien, mittaus- ja ohjausjärjestelmissä käytettävien komponenttien ja laitteiden piirrosmerkit. Kaavioissa käytettävien piirrosmerkkien laatimisen ja soveltamisen perussäännöt, ks. standardi ISO 81714-1. Standardin ISO 14617 yleiskatsaus, informaatio kaavioissa käytettävien piirrosmerkkien tunnusnumeroiden muodostamisesta ja käytöstä, ohjeet näiden merkkien esittämiselle ja soveltamiselle sekä niiden käyttö- ja soveltamisesimerkeille on nähtävissä standardissa ISO 14617-1. http://www.sfs.fi/luettelo/sfs.php?standard=SFS-ISO%2014617-5

SFS-ISO 14617-6 Kaavioissa käytettävät piirrosmerkit. Osa 6: Mittaus- ja ohjaustoiminnot. 1 Soveltamisala Standardin ISO 14617 tämä osa määrittelee kaavioissa esitettävien mittaus- ja ohjaustoimintojen piirrosmerkit. Samoilla piirrosmerkeillä voidaan toimintojen sijaan esittää yksinkertaisissa sovelluksissa sen kaltaisia toimintoja toteuttavia komponentteja tai laitteita. Mittaukseen ja ohjaukseen käytettävien komponenttien ja laitteiden piirrosmerkit on nähtävissä standardissa ISO 14617-5. Kaavioissa käytettävien piirrosmerkkien laatimisen ja soveltamisen perussäännöt, ks. standardi ISO 81714-1. Standardin ISO 14617 yleiskatsaus, informaatio kaavioissa käytettävien piirrosmerkkien tunnusnumeroiden muodostamisesta ja käytöstä, ohjeet näiden merkkien esittämiselle ja soveltamiselle sekä niiden käyttö- ja soveltamisesimerkeille on nähtävissä standardissa ISO 14617-1. http://www.sfs.fi/luettelo/sfs.php?standard=SFS-ISO%2014617-6

Kuvassa 11 on esitetty standardien ja automaatiokuvausten välistä suhdetta. Kuvassa esitetyt standardit ovat kuitenkin vanhentuneet ja korvattu uusilla.

Kuva 11. Automaation toimintaa esittävät piirustukset.

- Vuokaaviolla kuvataan jonkin laitteen tai laitoksen perättäisiä toimintoja, voidaan käyttää myös tietokoneohjelmien toimintojen kuvaamiseen. Kaavio ei

välttämättä sisällä rakennetietoa eikä myöskään tarkasti esitä lopullista toteutusta.

- Ryhmäohjauskaaviossa (Sekvenssikaaviot) esitetään useampien yksittäisohjauksien keskinäiset suhteet, käynnistys- ja lukitusehdot. Yksittäisohjauskaaviossa esitetään yhden toimilaitteen ohjaus lukituksineen.

- Logiikkakaavioilla kuvataan laitteiden loogisia toimintoja yksityiskohtaisesti.

- Hälytykset, prosessihälytykset, järjestelmähälytykset. Näillä kuvataan laitteen tai laitoksen tilaa, estetään virhetoimintoja ja annetaan tietoja käyttäjälle. Toiminnat voidaan piirtää omille kaavioilleen tai niistä voi olla omat luettelonsa. (Lukituskaaviot)

- Toimintaselostus, jota voidaan täydentää vuo- ja sekvenssikaavioilla kutsutaan reseptiksi.

Virtapiirikaavioon on merkitty KAIKKI kyseiseen piiriin tai piirinosaan kuuluvat laitteet, liittimet, kaapelit, kotelot tai tilat, joissa ko. piiri sijaitsee. Jos piiri ei kokonaan mahdu yhdelle paperille, niin papereita tehdään tarvittava määrä.

Kun signaali menee piirustuksesta toiseen, se merkitään jollakin systeemillä. Viittauksessa tulisi olla piirustuksen nimi, johon signaali menee, ja mahdollisesti siellä oleva koordinaatti tai laite ja sen liitin tai signaalin yksilöllinen nimi. Jos signaali menee samasta paikasta useisiin piirustuksiin, niin kaikki piirustukset merkitään. Tämä on tärkeää muutoksia tehtäessä.

Laitteiden sisäisiä kytkentöjä ei välttämättä esitetä, vaan laitteet kuvataan vain laatikkoina. Virtapiirikaaviolla esitetään usein myös pala prosessikaaviota, johon ko. kaavio liittyy, sekä ko. piirin laiteluettelo ja prosessiarvot. Tällä pyritään siihen, ettei huoltomiehen tarvitsisi käyttää kuin yhtä piirustusta, etsiessään vikaa tietystä piiristä.

Prosessiarvot voidaan esittää myös PI-kaavio-osuudessa ja laitetiedot piirikaaviossa, jolloin erillistä luettelo-osuutta ei tarvita.

Järjestelmästä riippuen säätöpiirin eri osat voidaan piirtää omiin piirustuksiinsa. Näitä voivat olla esim.

- mittauspiirrustus,

- säätöpiirustus tai

- toimilaiteohjaus.

Ohjelmoitavilla järjestelmillä toteutetuissa automaatiojärjestelmissä tarvitaan vielä erilliset ohjelmakaaviot. Näillä kaavioilla kuvataan signaalin kulku tietokoneen ohjelmistoissa mahdollisimman tarkasti. Uusimmat automaatiojärjestelmät ja ohjelmoitavat logiikat osaavat tulostaa järjestelmään konfiguroidun sovellusohjelman paperille standardipiirrosmerkkejä käyttäen.

Ja päinvastoin logiikan tai automaatiojärjestelmän konfigurointi saattaa olla logiikkapiirrosmerkkien tai toimilohkojen piirrosmerkkien kuvaputkelle sijoittelemista ja kytkemistä.

4.1 AUTOMAATION RAKENNEKAAVIOT

Sijoituspiirrustukset. Rakennustekninen kaavio, johon on sijoitettu instrumentit ja kotelot. Kaaviossa näkyy prosessin rakenteet pääkohdittain; pylväät, seinät jne. Tähän kaavioon piirretään myös kaapelihyllyt. Yksityiskohtaiset laitetilojen, laitekaappien ja koteloiden kalustuspiirustukset, laitteiden sijoitus.

Kytkentätaulukot. Instrumentoinnin asennus- ja kytkentätyö suoritetaan liitinrimakohtaisten kytkentätaulukkojen avulla. Liitinlistoilla esitetään piirikaavion tiedot vähän eri tavalla kuin piirikaaviossa. Voidaan myös kysyä, eikö hyvin tehty kytkentätaulukko korvaa piirikaavion. Itse asiassa korvaakin, mutta kunnossapitohenkilöstö on tottunut katselemaan piirikaaviomuodossa esitettyjä kytkentätietoja, ja pitää sitä helpompana ymmärtää.

Kytkentätaulukossa esitettävät tiedot:

- riviliitinkiskon nimi

- tila, jossa kisko sijaitsee

- liittimen numero

- osoitteet, mistä johdin tulee ja minne se menee

- virtapiirikaavion nimi, jossa ko. liitin esiintyy (muutoin on vaikeaa myöhemmin tarkistaa kytkennän oikeellisuus)

- kaapelimerkinnät; kaapelinumero, tyyppi, säie

- liittimien väliset kytkennät

Asennuspiirrustusten periaate on esitetty kuvassa 12.

Kuva 12. Tyypillinen virtausmittauksen asennuspiirrustus.

Laite- ja materiaaliluettelot:

- Mittapisteluettelo

- Venttiililuettelo

- Moottoriluettelo

- Kaapeliluettelo

- Piirikohtainen laiteluettelo

Luettelot on usein tehty laitoksen hankintavaiheessa, eivätkä ne ehkä palvele kovin hyvin huoltoa. Mutta varaosien hankinnassa niitä voi hyödyntää. Nykyisillä työkaluilla eri tyyppisten luetteloiden tekeminen on helppoa valitsemalla rajausehdoksi kulloinkin haluttu ominaisuus tai laitetyyppi. Esimerkiksi tarjouspyyntöön voidaan luetteloida projektissa tarvittavat painelähettimet.

Piirustusluettelo laaditaan piirustusnumerojärjestyksessä. Jokaisella yksittäisellä piirustuksella on oma tunnuksensa. Kun piirustukset on arkistoitu vain tietokoneen muistiin, ei erillistä piirustusluetteloa tarvita, vaan haku voidaan suorittaa pelkästään positionumerolla tai millä tahansa muulla hakukriteeriksi määritetyllä tunnuksella. Esim. tunnus PIC-001, nimi painesäilön L1 paineensäätö.

Usein käytetään SFS 4103 standardin mukaista merkitsemistapaa. Laitteet merkitään sekä piirustuksissa, että luonnossa kirjaintunnuksin. Tätä tunnusta sanotaan piirin tai laitteen positioksi. Piirustukset merkitään vastaavin toimintaa kuvaavin tunnuksin. Esim.

- PI-kaavio Kattila

- Säätökaavio LICA-001

- Virtapiirikaavio LICA-001

- Lukituskaavio LICA-001

- Ohjelmakaavio LICA-001

Kunnossapito tarvitsee edellisten dokumenttien lisäksi laitteiden käyttöohjeet ja laitteiden sisäiset kytkennät. Nämä ovat tietenkin laitetyyppikohtaisia.

Laitteen viritysarvoista tehdään tarkistuspöytäkirja. Laitteen tarkkuuden pysyvyyttä voidaan seurata näistä pöytäkirjoista. Parametroitavien laitteiden parametriluettelot tai ohjelmatiedostot.

AUTOMAATION KUVAAMISESSA JA ASENNUKSESSA TARVITTAVIA STANDARDEJA

- Prosessikaavion piirrosmerkit, SFS 4286

- Sähköpiirrosmerkit ja piirustukset (useita standardeja),

- Hydrauliikka ja pneumatiikka, esim. SFS 2247

- Esitystapastandardit, esim. lohkokaavio SFS 4285

- Automaatiopiirustukset

- SFS 4103 Piirrosmerkit

- SFS 5098 Piirustukset

- SFS 5018 Järjestelmät (TK LOG AUT.JÄRJ)

- SFS 5019 Säätökaaviot

- Virtapiirikaaviot

- SFS 4612 Logiikkapiirrosmerkit

- SFS-IEC 848 Ohjausjärjestelmän toimintadiagrammien laatiminen IEC 1131-3 Ohjelmoitavien järjestelmien ohjelmat

- Sopimusstandardit

- Esim. PSK 3301 S + H + A vastuun jako

- PSK 2601 Hankinta-asiakirjat

- Asennusstandardit

- Mittaussuhteet SFS 5051 –5058

- Laitteiden sijoitus SFS 5059

- Asennustyyppikuvat PSK 5201 -5209

- Signaalistandardit, mitoitukset

- SFS-IEC 381-1 analogiasignaalit, tasavirta

- II 381-2 analogiasignaalit, tasajännite

- II 534-2 säätöventtiilit, mitoitus, nesteet

- II 534-2-2 kaasut

- Laitetoimittajien "standardinomaiset ohjeet"

Automaatioalan standardointia toteuttaa Suomessa SESKO. SESKO:n asiantuntijoina toimivat eri yritysten ammattihenkilöt. SAS, Suomen Automaatioseura on mukana standardointityössä. Standardeja voi ostaa SFS:stä, PSK:sta ja nykyisin myös SESKO:sta.

4.2 INSTRUMENTOINNIN PIIRROSMERKIT

Automaation peruskäsitteiden määritelmiä:

mittauspiste: Se prosessin kohta, jossa mittaus suoritetaan.

instrumentti: Laite tai laiteyhdistelmä, jota käytetään muuttujan suoraan tai epäsuoraan mittaukseen, säätöön, ohjaukseen, näyttöön tai viestin muokkaukseen. Tätä termiä ei käytetä instrumentin sisäisistä komponenteista, kuten vastuksista.

valvomoinstrumentti: Instrumentti, joka on asennettu valvomoon, ja joka on siellä operaattorin käytettävissä.

paikallisessa ohjauspaikassa sijaitseva instrumentti: Instrumentti, joka sijaitsee kentällä olevassa mittaritaulussa, -kaapissa tai alavalvomossa.

paikallisesti asennettu: Instrumentti, jota ei voi käyttää valvomosta.

toimiyksikkö: Yksikkö, joka sisältää toimilaitteen ja -elimet vaikuttaen toimisuureeseen esim. säätäjältä tulevan viestin suhteessa.

toimintasuure: Prosessin toimintaan vaikuttava neste-, kaasu-, sähkö- yms. virta.

toimilaite: Se osa toimiyksiköstä, joka vaikuttaa toimielimeen, esim. sylinteri tai kela.

toimielin: Se osa toimiyksiköstä, joka vaikuttaa toimisuureeseen, esim. venttiili.

hälytys: Toiminta, joka kiinnittää huomion havaittuun epänormaaliin tilaan kuuluvalla tai näkyvällä signaalilla, mutta joka ei puutu korjaavaan toimintaan.

asetusarvo, tavoitearvo: Säätäjään asetettu, prosessin haluttua tilaa vastaava viesti tai osoitus.

ohjesuure: Prosessin haluttu tila.

ohjeviesti: Viesti, joka vastaa ohjesuuretta.

johdotuskaavio: Kaavio, joka esittää järjestelmän eri yksiköiden väliset kytkennät.

PI-kaaviot

Tarkoitus:

- antaa tiedot prosessin teknillisestä ratkaisusta .

- esittää putkien ja muiden kuljetusteiden yksityiskohtainen kulku

- antaa perustiedot putki-, instrumentointi- ja asennuspiirustusten laatimista varten

- antaa tiedot materiaaliluettelon ja kustannusarvion laatimista varten

- ym.

Sisältö:

- kaikki laitteet

- putket ja muut kuljetustiet

- kaikki venttiilit

- mittauspisteet ja säätöpiirit yleispiirrosmerkkejä käyttäen

- laitenumerot

- putkitunnukset

- venttiilien tunnukset

- tulevien ja lähtevien virtojen osoitteet

- ym.

Piirtäminen:

- Lomakkeen jako kenttiin on eo. kuvan mukainen ilman aine- ja energiavirtakenttää.

Piirustuskentän täyttäminen:

- laitetiedoista merkitään PI-kaavioon nimi ja laitenumero

Yleisjärjestely:

- prosessin mukaisesti yleensä vasemmalta oikealle

- putket piirretään mahdollisimman lyhyiksi välttäen mutkia ja risteilyä

- virtausnuoli piirretään putkien liittymiin, laitteeseen tuloon sekä yleensä putkien kulmiin välittömästi ennen suunnan muutosta

- tekstissä suositellaan käytettäväksi isoja kirjaimia

Putkitunnusten merkitseminen PI-kaavioon:

- merkitään putkea kuvaavalle viivalle

- tunnuksesta tulee käydä selville putken numero, virtaava aine, putken koko ja putkiluokka

- putkien osoitteet

- tulevien ja lähtevien putkien osoitteet merkitään

Taulukko 1. Instrumentoinnin
tiedonkäsittelyn toimintojen kirjaintunnukset standardin 14617-6 mukaan

	MITTASUURE (alkuperä)	LISÄMÄÄRITE	TOIMINTA
A			hälytys
B			eri tilojen näyttö
C			ohjaus
D	tiheys	ero
E	sähkösuureet		anturitoiminta
F	virtaama	suhde, murtoluku
G	suhde,asento,pituus		tarkastelu
H	käsiohjaus
I			osoitus
J	voima	pyyhkäisy, jaksottainen toiminta
K	aika	muutosnopeus
L	pinnankorkeus
M	kosteus	hetkellisesti
N	käyttäjän valittavissa		käyttäjän valittavissa
O	käyttäjän valittavissa
P	paine, alipaine		testauskohdan yhteys
Q	laatu	yhtenäinen, kokonainen	yhdistäminen, summa
R	säteily		rekisteröinti, tallennus
S	nopeus, taajuus		kytkentä
T	lämpötila		lähettäminen
U	monimuuttuja		monitoiminta
V	käyttäjän valittavissa		vaikuttaminen toimilaitteella
W	paino, voima	kertominen
X	määrittelemätön		määrittelemätön
Y	käyttäjän valittavissa		muuntaminen, laskenta
Z	tapahtumien lukumäärä		hätä- tai turvatoiminta

5 Säätötekniikan perusteet

Prosessilla tarkoitetaan monimutkaista järjestelmää, jossa esiintyy sekä mekaanisia että sähköisiä ilmiöitä. Prosessi sisältää nesteiden, kiinteän aineen ja kaasujen virtausta, lämmön siirtymistä, kemiallisia reaktioita jne. Prosessit voidaan jakaa pienempiin osiin, osaprosesseihin, jotka ovat itsekin prosesseja. Osaprosessissa taas voi olla säätöpiirejä, joita tässä yhteydessä lähinnä tarkastellaan. Instrumentoinnilla tarkoitetaan niitä mittalaitteita, säätimiä ja toimilaitteita, joita käytetään prosessin säädön toteutukseen ja sen toiminnan valvontaan. Prosessin säädössä keskeisenä käsitteenä on prosessidynamiikka, jolla tarkoitetaan prosessin tulon muutoksen vaikutuksen etenemistä prosessissa ajan mukana. (Harju & Manninen 2001, 9.)

Kuva. Suljetun säätöpiirin lohkokaavioesitys.

Mitään olemassa olevaa prosessia ei ole mitenkään mahdollista säätää yhtään sen tarkemmin kuin miten sen tilaa onnistutaan mittaamaan. Näin ollen mahdollisimman tarkka mittaaminen on hyvin olennaista prosessinhallinnassa.

Mittauksia tehdään, jotta saataisiin selville jonkin suureen arvo. Mittauksen kohdetta voidaan kutsua järjestelmäksi eli systeemiksi. Järjestelmä voi tarkoittaa lähes mitä tahansa, minkä käyttäytymistä tutkitaan. Järjestelmään tulee erilaisia vaikutteita, joita kutsutaan herätteiksi eli tulosuureiksi tai tulosignaaleiksi. Tulosignaalit saavat järjestelmässä aikaan tapahtumia, joita kutsutaan vasteiksi eli lähtösignaaleiksi. Sama järjestelmä voi antaa erilaisia lähtösuureita riippuen siitä mitä asioita järjestelmästä mitataan. Jos järjestelmään tulee herätteitä, on siinä myös lähtösuureita riippumatta siitä, mitataanko niitä. (Aumala 1989, 7.)

Hyvin usein prosessissa ollaan kiinnostuttu vain yhdestä tulosuureesta ja yhdestä lähtösuureesta. Mittaustekniikka tutkii sitä, millaisilla laitteilla ja menetelmillä mittaukset voidaan ja pitää tehdä, jotta mittaustulokset olisivat riittävän oikeita, ja tiedettäisiin mittausvirheen mahdollinen suuruus. (Aumala 1989, 7.)

Prosessin mittaustietojen käyttötarkoitus voidaan jakaa kolmeen ryhmään:

- halutaan määrittää järjestelmän tila

- halutaan tutkia järjestelmän ominaisuuksia

- halutaan säätää järjestelmän käyttäytymistä. (Aumala 1989, 8.)

Ensimmäisessä tapauksessa halutaan vain tietoa järjestelmän tilasta pyrkimättä suoranaisesti vaikuttamaan järjestelmän käyttäytymiseen. Tätä varten mitataan järjestelmän tulosuureita ja / tai lähtösuureita. Esimerkkeinä mainittakoon säähän liittyvät mittaukset (lämpötilan, kosteuden ja tuulen suunnan ja voimakkuuden mittaaminen) ja ihmisruumiin lämpötilan mittaaminen. Myös monet teollisuuden mittaukset kuuluvat tähän ryhmään. (Aumala 1989, 8.)

Toisessa tapauksessa halutaan tutkia järjestelmän ominaisuuksia. Sitä varten annetaan järjestelmälle sopiva ja tunnettu tulosuure ja mitataan järjestelmän antama lähtösuure tai lähtösuureet. Lähtösuureen suuruus ja muoto antavat tietoa järjestelmän ominaisuuksista. Suuri osa laboratoriomittauksista kuuluu tähän ryhmään. (Aumala 1989, 8.)

Kolmannessa tapauksessa mittaus ohjaa suoraan järjestelmän käyttäytymistä. Mittaustulos kytketään takaisin vaikuttamaan järjestelmän tulosuureeseen eli järjestelmän lähtösuure vaikuttaa takaisin tulosignaalina. Tämän tilanteen nimi on takaisinkytkentä ja kokonaisuutta sanotaan suljetuksi säätöpiiriksi. Jotta voitaisiin hallita suljetun säätöpiirin käyttäytyminen, on tunnettava sen eri osien ominaisuudet. (Aumala 1989, 8.)

5.1 Säätöpiirien peruskytkennät

Säätöpiiri koostuu säädettävästä prosessista toimilaitteineen, mittausanturista ja -lähettimestä sekä säätimestä. Säädin antaa ohjauksen toimilaitteelle tyypillisesti analogiamuotoisena (standardi) virtaviestinä (4-20 mA) - tulevaisuudessa kenttäväylän myötä digitaalisena viestinä. Toimilaite (hydraulinen, pneumaattinen, mekaaninen, sähköinen) vaikuttaa prosessin suureisiin (lämpötilaan, pinnankorkeuteen, pyörimisnopeuteen, pitoisuuteen, paineeseen, jännitteeseen jne.), usein vielä samanaikaisesti moneen eri suureeseen.

Säädettävä suure mitataan (oloarvo) ja mittausviesti kytketään takaisin säätimelle, missä sitä verrataan käyttäjän tai jonkin muun säätimen antamaan asetusarvoon. Säädin laskee erosuureen perusteella ohjauksen toimilaitteelle. Todellisiin järjestelmiin liittyy myös häiriöitä esim. mittauskohinaa ja kuormitushäiriöitä. Käytettyjä signaaleja merkitään usein seuraavasti: asetusarvo

r, erosuure e, ohjaus u, säädettävä suure y jne. Tässä yhteydessä käytetään seuraavan kuvan mukaisia kirjainlyhenteitä.

Kuva. Säätöpiirin peruskomponentit.

Säätötekniikka perustuu takaisinkytkentään, jossa säädin käyttää prosessinohjaukseen mittaustietoa systeemin käyttäytymisestä. Takaisinkytkennällä pyritään juuri eliminoimaan eri häiriöiden vaikutus. Lukuisista hyvistä ominaisuuksista huolimatta takaisinkytkennällä on myös haittapuolensa. Niistä merkittävin on mahdollisuus epästabiiliin käyttäytymiseen, millä tarkoitetaan sitä, että ohjaus alkaakin vahvistaa piirissä koko ajan kasvavaa värähtelyä, kunnes se karkaa kokonaan käsistä. Säätöpiiri on suljettu, kun säädin on automaatilla eli takaisinkytkentätietoa käytetään hyväksi. Avoimeksi systeemiksi kutsutaan järjestelmää, jossa säädin on käsiohjauksella, eli takaisinkytkentälenkki ei ole käytössä.

Tarkastellaan esimerkkinä sekoitusprosessia seuraavassa kuvassa (esim. sakeuden säätö), jossa kaksi nestettä sekoitetaan pumpun imupuolella. Ongelmia tässä prosessissa aiheuttavat säiliön sakeusvaihtelut, muuttuvat kulkuaikaviiveet, virtausmäärien vaihtelut, laimennusveden paineenvaihtelut, mittausepätarkkuudet ja kaikki prosessilaitteiden epäideaalisuudet. Perustakaisinkytkennässä yhdellä ohjaussuureella säädetään yhtä mittaussuuretta.

Esimerkissä sakeudensäätö ja virtaussäätö on siis toteutettu kahdella erillisellä säätimellä. Kyseessä on siis yksinkertainen takaisinkytkentä. Takaisinkytkentä on yksinkertainen ja kohtuullisen helppo virittää. Säätövirhettä pyritään poistamaan säätövirheellä (erosuure on tulosignaali säätimelle), joten suorituskyky ei välttämättä ole paras mahdollinen. Takaisinkytkentä toisaalta poistaa säätövirheet riippumatta siitä, mikä ne on aiheuttanut.

Kuva. Kaksi takaisinkytkettyä säätöpiiriä: virtaussäätö FIC ja sakeussäätö CIC.

Kaskadikytkennässä on useita ohjaussuureita ja yksi säädettävä suure, siis varsinaisen suureen ohjaus säädetään toisen suureen kautta. Säätöä pystytään nopeuttamaan, kun varsinaisen säätimen lisäksi käytetään apusäätäjää, joka reagoi nopeammin ohjausmuutoksiin. Kaskadipiiri siis muodostuu sisäkkäisistä säätösilmukoista (Kuva 13). Ulommaista säädintä kutsutaan yläsäätimeksi (isäntäsäädin, pääsäädin), ja apusäädin on alasäädin (renkisäädin).

Kuva. Kaskadisäätö PI-kaavio esityksenä.

Pääsäätimen ohjaus kytketään apusäätimen asetusarvoon eli apusäätimen toimintatila on remote. Tarkasteltaessa esim. Alcont 3000 -toteutusta (ed Kuva) havaitaan helposti tarvittavat mittaus- ja ohjaussuureet: sakeuden asetusarvon C_ref lisäksi tarvitaan sekä sakeus- (C) että virtausmittaus (F), ja ohjaus (CON) on kytketty laimennusvesiventtiilille. Kaskadikytkennässä tavallaan poistetaan ne häiriöt, jotka vaikuttavat sisempään piiriin jo ennen kuin ne ehtivät vaikuttaa prosessiin.

Jos prosessin kuormitushäiriö voidaan mitata ja jos käytössä on soveltuva ohjaussuure, voidaan toimilaitteen ohjaukseen summata myötäkytkentä. Tarkka kompensointi edellyttää, että viive ohjauksen ja säädettävän suureen välillä on pienempi tai yhtä suuri kuin häiriön ja säädettävän suureen välinen viive. Myötäkytkentä tekee korjauksen ohjaussuureeseen jo ennen ennen kuin häiriön vaikutus näkyy säädettävässä suureessa.

Kuva. Myötäkytkennän PI-kaavio. Sakeussäätimen ohjaukseen summataan termi, joka riippuu massavirtauksen muutoksista.

Suhdesäätö on tyypillinen monissa annostelu- ja sekoitusprosesseissa. Päämääränä tässä säätötavassa on ylläpitää kahden tai useamman prosessimuuttujan välillä tietty suhde (seur. Kuva). Tarkastellaan sellu- ja paperiteollisuuden esimerkkinä lajitinta, jossa päävirtauksesta (a) erotetaan rejekti (b) ja aksepti (c), (Kuva 20) ja (Kuva 21). Rejektivirtaus seuraa päävirtausta tietyllä suhteella (r), jota voidaan pitää suhdesäätimen asetusarvona.

Kuva. PI-kaavio painelajittimen suhdesäädöstä.

5.2 PROSESSIEN säätö

Kaikki teolliset prosessit tarvitsevat säätöä ja ohjausta ainakin jossain määrin. Säätö voi olla prosessin käyttäjän tekemiä manuaalisia ohjaustoimenpiteitä tai automaattista säätimen tekemää säätöä. Ohjaus tarkoittaa, että järjestelmälle annetaan ennalta määrätty ohjaussignaali ilman, että tiedetään prosessin todellista arvoa. Automaattinen säätö tarkoittaa sitä, että ohjaussignaali perustuu prosessimittauksesta saatuun informaatioon. (Harju & Manninen 2001, 9.)

Takaisinkytkentä prosessin tilasta on oleellista säätötekniikassa. Takaisinkytkentä on aina hieman viivästynyt prosessin viiveiden ja hitauksien vuoksi, ja tämä aiheuttaa ongelmia säätimen sopivien viritysparametrien löytämiseen. Säätöjärjestelmien käytön luonnollinen syy on ulkopuolisten häiriöiden vaikutuksen eliminointi. Ulkopuolisilla häiriöillä tarkoitetaan ulkoisten olosuhteiden muutoksen tai toisten säätöpiirien vaikutusta tarkasteltavaan säätösuureeseen. Säätöjärjestelmä toimii automaattisesti, mutta se vaatii huolellista suunnittelua ja säätimien virittämistä ja siten enemmän työpanosta kuin pelkkä ohjausjärjestelmä. (Harju & Manninen 2001, 9.)

Prosessilla tarkoitetaan myös säädön kohdetta. Säädön tavoitteena on saada tietty mitattava tai laskennallinen prosessin suure seuraamaan mahdollisimman tarkkaan asetusarvoa. Jos asetusarvo pysyy enimmäkseen vakiona ja vain harvoin tehdään tasonmuutoksia, voidaan puhua vakio- asetusarvon säädöstä. Asetusarvon muutokset liittyvät usein suoraan tuotantotason muutoksiin. Uusi prosessin toimintapiste tulisi saavuttaa mahdollisimman nopeasti, kuitenkin ilman suuria ylityksiä. Tällöin säätöpiirin tärkeimmäksi tehtäväksi jää häiriöiden vaikutusten poistaminen. (Harju & Manninen 2001, 10.)

Jos prosessin säädön asetusarvo muuttuu ajan mukana, voidaan silloin puhua seurantasäädöstä tai mekaanisten laitteiden suureiden yhteydessä servosäädöstä. Asetusarvo siis muuttuu jatkuvasti esim. jonkin ennalta määrätyn asetusarvoprofiilin mukaisesti. Mittaussignaali voidaan myös asettaa seuraamaan toisen säätimen ohjausta. Tällöin kyseessä on ns. kaskadikytkentä. Yleisesti sanottuna säätöjärjestelmä tulisi suunnitella niin, että tyypillisimmät asetusarvon muutostilanteet ja yleisimmät häiriötyypit on otettu huomioon suunnittelussa. (Harju & Manninen 2001, 9.)

Prosessin säädettävät suureet ovat yhä riippuvaisempia toisistaan. Sanotaan, että prosessit integroituvat toiminnallisessa mielessä. Koska suureet muuttuvat enemmän ja enemmän toisistaan riippuvaisimmiksi, voivat pienenkin häiriötilanteen vaikutukset levitä laajalle eri prosessin vaiheisiin. Siksi prosessien ohjaus ja säätö sekä automaatio yleensä ovat yhä keskeisemmässä asemassa tuotannon hallinnassa. (Harju & Manninen 2001, 10.)

Nykyään säätötekniikan tehtävät hoidetaan usein keskitetysti prosessinohjausjärjestelmän avulla. Ohjausjärjestelmä eli automaatiojärjestelmä tekee haluttaessa itsenäisesti sille annetut tehtävät ja pitää käyttöhenkilöstön tietoisena prosessitapahtumista hälytyksillä, ilmoituksilla ja raporteilla. Automaatiojärjestelmän tehtävänä on kerätä ja käsitellä prosessista sekä toimilaitteilta saadut mittaus- ja tilatiedot, valvoa ja ohjata prosessia, hoitaa lukitukset, sekvenssiohjaukset sekä reseptiohjaukset, kerätä historiatietoa ja näyttää sitä trendinäytöillä, tukea valvomotilan laitteita ja hoitaa raportointia. (Harju & Manninen 2001, 10 - 11.)

Prosessia voidaan ohjata toimilaitteiden avulla automaattisesti vasta kun prosessia ohjaava ohjausjärjestelmä on ohjelmoitu asianmukaisesti. Toimilaitteita hallitaan matemaattisiin kaavoihin perustuvilla algoritmeilla. Sopivan algoritmin löytämiseksi on syytä paneutua kohteena olevan prosessin toimintaan ja dynamiikkaan.

5.3 PID-säätö

Käytännössä on koettu, että n.90% käytössä olevista erilaisten prosessien säätöpiireistä saadaan toimimaan perinteisillä PID -säätimillä.

Teollisuudessa yleisimmin käytetty säädin on rakenteeltaan PID -säädin (Proportional-lntegral-Derivative). Vaikka säädin on rakenteeltaan yksinkertainen. se toimii hyvin myös piireissä, joissa vaikuttaa useita häiriö- ja epä- varmuustekijöitä. PID -säädin laskee ohjauksen kolmen eri osan summasta, kun säätimen tulona on erosuure. Toimilaitteelle menevään signaaliin summataan tarvittaessa myötäkytkentä tai bias -termi, joka tarkoittaa nollasta poikkeavaa vakiotasoa. (Harju & Manninen 2001, 44.)

Teollisissa sovelluksissa säätimiksi lähes poikkeuksetta valitaan PID -säädin, jonka yksinkertainen rakenne mahdollistaa edullisen ja helposti hallittavan toteutuksen ja ylläpidon. Huolimatta sääteorian voimakkaan kehityksen mukanaan tuomien uusien säädinmahdollisuuksien tulvasta PID -säädin ei ole menettänyt asemaansa. Uudet teoreettiset menetelmät ovat osaltaan edistäneet PID -säätimen kehitystä tuomalla uusia keinoja säätöpiirin viritykseen ja analyysiin. (Harju & Manninen 2001, 11.)

PID -säätimen viritys perustuu Kp-, Ti- ja Td- kertoimien arvojen suhteisiin, jolloin säädin painottaa toivotulla tavalla eri ohjaustermien vaikutusta säätimen kokonaisohjaukseen (kuvio 6). Lisäksi vahvistuksen absoluuttiarvo vaikuttaa kertomalla ohjauksen tason oikeaksi. Viritysparametreille ei ole olemassa yhtä ja ainoata oikeaa suhdetta, vaan erilaisilla parametriyhdistelmillä saavutetaan hyvin samantyyppinen prosessin käyttäytyminen. (Harju & Manninen 2001, 50.)

KUVIO 6. PID- säätimen signaalit ja periaatteellinen rakenne

PID -säädin voidaan esittää matemaattisena algoritmina kaavalla 8:

PID –säätimen algoritmi voidaan esittää myös siirtofunktiona kaavalla 9:

Tarvittaessa PID -säätimen algoritmista digitaalinen toteutus jatkuva-aikainen algoritmi tulee muuttaa aikadiskreetiksi kaavalla 10:

PID -säätimessä on kolme viritysparametriä:

- vahvistuskerroin (Kp)

- integrointiaika(Ti)

- derivointiaika(Td).

Vahvistuskerroin (Kp) on suhdekerroin säätimen ohjauksen ja erosuureen välillä. Vahvistus näkyy erosuureen askelmuutoksessa säätimen ohjauksen perustason arvona. Vahvistusta kasvattamalla nopeutetaan järjestelmän käyttäytymistä. P-säädin tuntee siis erosuureen suuruuden ja etumerkin. (Harju & Manninen 2001, 50.)

Integrointiosa (Ti) käyttää ohjaukseen järjestelmän historiatietoja, siis erosuureen vanhoja arvoja. Sen päätarkoituksena on poistaa jatkuvuustilan virhe, sillä pienikin erosuureen arvo kasvattaa integrointiosan ansiosta säätimen lähtöä. Integrointiaika (Ti) on aika, jossa I-osa saa aikaan samansuuruisen muutoksen ohjaussuureeseen kuin P-osa askelmaisessa erosuureen muutoksessa. Mitä suurempi integrointiaika, sitä pienempi I-osan vaikutus on. Pieni integrointiaika aiheuttaa suuren ohjauksen kasvunopeuden. Koska integrointiaika on kaavassa muotoa 1/Ti, havaitaan että laittamalla Ti äärettömän suureksi sen vaikutus katoaa ja PI -säädin alkaa muistuttaa P-säädintä. PI -säädin tuntee siis erosuureen suuruuden, etumerkin ja kestoajan. (Harju & Manninen 2001, 50.)

D-osa muodostaa ohjauksen erosuureen tai tarkasteltavan säädettävän suureen muutosnopeuden pohjalta. Muutosnopeutta voidaan pitää ennustuksena järjestelmän käyttäytymisestä tulevaisuudessa. Prosessin dynamiikasta johtuen ohjauksen muutokset havaitaan järjestelmän lähdössä vasta pienen ajan kuluttua. Suljetun piirin suorituskyvyn ja vaimennuskyvyn parantamiseksi em. voidaan kompensoida käyttämällä ennustamista. Mitä suurempaa derivointi- aikaa käytetään, sitä voimakkaampi D-osan vaikutus on. Mikäli prosessissa on viivettä, täytyy derivaattaan suhtautua varovaisesti. Haittapuolena on se, että D-osa korostaa korkeita taajuuksia, siis esim. mittauskohinaa. Tämän vuoksi tarvitaan joko signaalien suodatusta tai derivaatan laskemista hieman eri tavalla. Tämän takia derivoiva säätö on harvemmin käytössä prosessiteollisuudessa, jossa mittaussignaalit sisältävät aina kohinaa. Mekaanisten järjestelmien yhteydessä D-osan käyttö onkin jo yleisempää, osaltaan johtuen lyhyistä signaalien siirtoteistä. PID -säädin reagoi erosuureen suuruuteen, etumerkkiin, kestoaikaan ja muutosnopeuteen. (Harju & Manninen 2001, 50.)

Erosuureen muuttuessa PID -säätimen derivointi-osa, (D) reagoi tavalla, joka kuviossa (kuvio 7) näkyy säätimen ohjauksessa piikkinä. Derivoinnin suodatuksella jaetaan derivaatan vaikutusaikaa pidemmälle aikavälille, joka kuviossa näkyy piikin vaimenemisena. Säätimen vahvistus-osa, (P) antaa ohjaukseen perustason sopivalla vahvistuksella. Säätimen integrointi-osa, (I) kasvattaa säädön lähtöä niin kauan kuin erosuuretta on olemassa. (Harju & Manninen 2001, 52.)

~AUT0006

KUVIO 7. PID -säädön käyttäytyminen askelvasteella (Harju & Manninen 2001, 52.)

5.4 Säätöpiirin virittäminen

Säätöpiirin toiminnan kannalta on oleellista, että kaikki piirin elementit ovat normaaleissa toimintaolosuhteissa sekä mittausanturi ja -lähetin toimivat mahdollisimman hyvin. Prosessiin kuuluvia elementtejä ovat säädin ja prosessia ohjaava toimilaite. On aina muistettava, että pelkällä säätöpiirin virityksellä ei pystytä poistamaan laitevioista, väärästä suunnittelusta tms. johtuvia ongelmia. Ennen kuin säätöpiiri kannattaa virittää, on varmistuttava että kaikki sen komponentit ovat kunnossa. (Harju & Manninen 2001, 11.)

Jotta säädöstä ylipäätään olisi saatavissa jotakin hyötyä, tulee säädön olla hyvin viritetty. Virittämisellä tarkoitetaan tässä yhteydessä oikeiden viritysparametrien määrittämistä. Säätömenetelmien teorian pohjalta tiedetään, että hyvässä säätöjärjestelmässä ei saa esiintyä liiallista värähtelyä ja säätöpoikkeaman eli ohjearvon ja oloarvon erotuksen tulisi olla mahdollisimman pieni. Näillä perusteilla voidaan tietenkin lähteä virittämään järjestelmää kokeilemalla eri suuria parametriarvoja. Tämä onnistuu kohtuullisesti P-säädön osalta, onhan siinä vain yksi viritettävä parametri, sen sijaan PI- ja PID -säädössä tulee jo melkoisia vaikeuksia. (Savolainen & Vaittinen 2001, 48.)

PID -säätimen P-toiminto (Proportional) saa aikaan säätimen ohjauksen muuttumisen suoraan verrannollisesti erosuureen suuruuteen ja suuntaan. Säätimen I-toiminto (Integral) saa aikaan säätimen ohjauksen muuttumisen erosuureen integraaliin verrannollisena. Säätimen D-toiminto (Derivate) saa aikaan säätimen ohjauksen muuttumisen erosuureen derivaattaan eli muutosnopeuteen verrannollisena. Mitä nopeammin säätimen erosuure muuttuu, sitä suurempia ohjausamplitudeja säätimessä syntyy. Tällöin säätö kokonaisuudessaan nopeutuu.

Jotta arpajaisilta vältyttäisiin, on säätöjärjestelmien virittämiseksi kehitetty erilaisia systemaattisia menetelmiä, joista kaksi yleisintä ovat askelvaste- ja värähtelyrajamenetelmä. Nämä Ziegler-Nicholsin menetelminä tunnetut viritysperiaatteet soveltuvat hyvin järjestelmille, joilla voidaan katsoa olevan yksi määräävä aikavakio ja viivettä. Käytännössä hyvin monien järjestelmien voidaan katsoa käyttäytyvän jollakin tarkkuudella tällä tavoin. (Savolainen & Vaittinen 2001, 48.)

Säädön tavoitteita määriteltäessä on otettava huomioon, mitä suureita säädetään, sekä kuinka tarkka ja nopea säätö on. Prosessin hyvyyttä sen käyttäytymisen perusteella voidaan arvioida esimerkiksi seuraavilla kriteereillä: nousuaika, maksimiylitys, asettumisaika, häiriöiden sietokyky, säätösignaalille asetetut rajoitukset ja säädön herkkyys parametrien muutoksiin. Säätösuunnittelussa käytetyssä mallissa täytyy varsinaisten säätösuureiden vastata mahdollisimman paljon todellisen järjestelmän säätösuureita. Mallinnus on siten kiinteä osa strukturointia. Mallin rakenteen valinta on eräs säätösuunnittelun keskeisimmistä osista. (Hietanen 1997)

Ziegler-Nicholsin askelvastemenetelmässä tehdään säädettävälle järjestelmälle täydellinen askelvastekoe eli määrätyssä tasapainotilassa tehdään järjestelmän ohjaukseen askelmainen muutos ja talletetaan järjestelmän käyttäytyminen esim. piirturille. Säädin tulee olla kytkettynä käsisäädölle. Säädettävällä järjestelmällä tarkoitetaan tässä yhteydessä järjestelmää, joka käsittää myös ohjauslaitteet ja mittausjärjestelmän. Koe tulee tehdä sellaisen tasapainotilan läheisyydessä, jossa järjestelmä normaalistikin toimii. Askelvastekokeesta määritellään arviot määräävälle aikavakiolle "t ja viiveelle T d. Tämän lisäksi askelvastekokeesta määritetään säädettävän järjestelmän suhteellinen vahvistuskerroin. (Savolainen & Vaittinen 2001, 48.)

Kun viritysparametrit on laskettu, tulee virityksen onnistuminen tarkastaa. Tämä voidaan tehdä siten, että kytketään järjestelmä automaattisäädölle ja tehdään ohjearvoon pieniä muutoksia alkuperäisen tasapainotilan läheisyydessä. Jos säädön viritys on onnistunut, seuraa säätösuure ohjearvosuureeseen tehtyjä muutoksia nopeasti ilman merkittävää värähtelyä. Joskus hyväksi viritykseksi katsotaan sellainen, jossa säätösuureessa esiintyvä värähtely vaimenee neljännekseensä yhden Jakson aikana, kun ohjearvoon on te tehty askelmainen muutos. (Savolainen & Vaittinen 2001, 49.)

Käytännön säätöjärjestelmää pitää vielä hienovirittää hyvän säätötuloksen aikaansaamiseksi, usein riittää pelkän vahvistuksen muuttaminen. Jos säätösuureessa esiintyy liiallista värähtelyä (ylivireinen säätö), pienennetään vahvistusta. Jos säätösuureessa ei esiinny mainittavaa värähtelyä ja samanaikaisesti säätösuureen asettuminen ohjearvoonsa kestää kauan (alivireinen säätö), voidaan vahvistusta hieman kasvattaa. Ellei vahvistuksen hienovirittäminen riitä tyydyttävän säätötuloksen saamiseen, voi yrittää muutella varovasti integrointi- ja derivointiaikavakioita. Integrointiaikavakion pienentäminen nopeuttaa säätösuureen asettumista ohjearvoonsa, samalla kuitenkin värähtely yleensä lisääntyy. Derivointiaikavakion kasvattaminen nopeuttaa säätöä äkkinäisissä muutostilanteissa; liian suuri derivointiaikavakio aiheuttaa taas liiallista värähtelyä. (Savolainen & Vaittinen 2001, 49.)

Viritettäessä PID–säädin askelvastemenetelmää käyttäen syötetään avoimelle säätöpiirille askelmainen muutos. Prosessin askelvasteesta määritetään kuollut aika, nousuaika ja vahvistus.

PID -säätimen parametrit lasketaan askelvastemenetelmän laskukaavoilla 11:

Värähtelyrajaperiaatteessa ohjataan järjestelmä ensiksi käsiohjauksella haluttuun tasapainotilaan, jossa järjestelmä normaalistikin toimii. Ainakin säätösuure kytketään piirturiseurantaan, mieluusti myös ohjaus. Viritetään säätö P-säädöksi eli asetetaan integrointiaikavakio TI äärettömäksi tai ainakin mahdollisimman suureksi Ja derivointiaikavakio TD nollaksi. Vahvistus Kp kannattaa valita melko pieneksi. Tämän jälkeen kytketään järjestelmä automaattisäätöön ja tehdään ohjearvoon pieni edestakainen muutos, jotta säätö lähtisi toimimaan. Jos järjestelmän säätösuureessa ei esiinny nyt minkäänlaista värähtelyä, kasvatetaan vahvistusta ja tehdään taas ohjearvoon pieni heilautus. Tarkkaillaan edelleen säätösuureen käyttäytymistä piirturilta. Jos vieläkään ei synny värähtelyä, kasvatetaan vahvistusta lisää. Näin jatketaan, kunnes säätösuure alkaa värähdellä. Jos värähtely vaimenee, kasvatetaan vahvistusta vielä hiukan, jos värähtely on kasvavaa, tulee vahvistusta puolestaan vähän pienentää. Vahvistusta muuttamalla pyritään etsimään kriittistä värähtelyä eli sellainen tilanne, jossa säätösuure värähtelee vakioamplitudilla ("aallon korkeus pysyy vakiona"). Kriittistä värähtelyä etsittäessä tulee välttää tilannetta, jossa ohjaus tai säätösuure heilahtelevat laidasta laitaan minimi-

ja maksimiarvon välillä. (Savolainen & Vaittinen 2001, 49.)

PID -säätimen parametrit värähtelykoemenetelmällä voidaan laskea laskukaavoilla 12:

Säätöpiirin viritykseen on Zieglerin ja Nicholsin (1942) virityssääntöjen jälkeen kehitetty lukuisa joukko erilaisia viritysmenetelmiä, joista osa perustuu enemmän tai vähemmän kokeellisiin sääntöihin (esimerkiksi Cohen-Coon, Foxboron Exact) tai jopa sumean logiikan sääntöihin. osa erilaisten tunnuslukujen optimointeihin (esimerkiksi ISE. IAE). osa prosessin matemaattisen mallin suoraan hyödyntämiseen (esimerkiksi IMC, Lambda). Eri menetelmien vertailu yksikäsitteisesti on vaikeaa. Itse asiassa jo säädön hyvyyden määrittelyssä törmätään vaikeuksiin. Zieglersin ja Nicholsin mukainen viritys esimerkiksi johtaa asetusarvon muutostilanteessa tyypillisesti 20% -30% ylitykseen, mikä aiemmin epätarkkojen toimilaitteiden aikana oli usein välttämätöntä jotta säätöpiirin asentovirhe saataisiin pienemmäksi. Nykyään tämä ei enää ole tarpeellista eikä suotavaa. (Harju & Manninen 2001, 11.)

Nykyaikaiset PID -säätimet toteutetaan mikroprosessipohjaisilla ratkaisuilla. Tietokonepohjaisella säädöllä saavutetaan monia etuja. Olemassa olevan säätöalgoritmin muokkaaminen on suhteellisen helppoa ja kustannuksiltaan kohtuullista eikä toteutettavan laskennan monimutkaisuudelle ole rajoja. Mikroprosessorissa tietojenkäsittely perustuu peräkkäisiin toimintoihin, joten laskentaan kuluu aikaa. Tällöin uusia signaaleja voidaan ottaa vastaan vain tietyin aikavälein. Digitaalinen, diskreettiaikainen PID -säädin vastaa ominaisuuksiltaan analogista, aikajatkuvaa PID -säädintä. Kun toteutustekniikka otetaan huomioon, niin olennaisena lisäpiirteenä. on säädön viritykseen vaikuttava uusi parametri, säätöväli. Säätövälin (h) ajan digitaalinen säädin pitää lähtöarvonsa vakiona. Koko laskenta perustuu näytteisiin, joten säätimet toimivat digitaalisena. (Harju & Manninen 2001, 54.)

Digitaalisen säätimen virityksessä pätee yleensä kaikki samat virityssäännöt kuin analogiasäätimenkin. Näin on erityisesti silloin kun säätöväli on melko lyhyt verrattuna säädettävän järjestelmän nopeuteen. Säätimen parametrien valinnassa joudutaan huomattavasti vaikeampaan tilanteeseen, jos säädössä ei ole mahdollista käyttää riittävän lyhyttä säätöväliä. Enää parametrejä ei voi valita pelkän jatkuva-aikaisen mallin perusteella vaan järjestelmää täytyy analysoida tarkemmin. Automaatiojärjestelmissä käyttäjä antaa aikajatkuvat parametrit, ja säädin käyttää laskennassaan säätövälin mukaan skaalattuja arvoja. (Harju & Manninen 2001, 54.)

Digitaalisen säätimen toteutuksen takia säädin suorittaa uuden ohjaustoimenpiteen aina tietyn ajan välein. Tätä ajankohtaa kutsutaan säätöväliksi. Digitaalisen järjestelmän käyttäytymistä ei tunneta kuin pisteittäin. Diskreettien säätimien ollessa kyseessä eivät aikajatkuvan säädön tarkastelut enää kelpaa, vaan on tutkittava säätimen todellista sisäistä toimintaa. Aikajatkuvat säätimet voidaan muuttaa digitaaliseen muotoon. (Harju & Manninen 2001, 54.)

Säätöväli vaikuttaa vähiten säädön P- ja l-osiin. Digitalisointi muuttaa erosuuretta aikajatkuvaan verrattuna ja siten vaikuttaa jopa P- osaan. Sen sijaan derivoinnin piikki muuttuu huomattavasti kun säätöväli kasvaa. Säätövälin aiheuttamat portaat ohjauksessa ovat selvästi havaittavissa kun säätöväli kasvaa. Säätöviili konfiguroidaan automaatiojärjestelmässä, eikä sitä virityksen yhteydessä mielellään muuteta. Tähänkin saatetaan joutua prosessikokeiden yhteydessä, jos säätöväli on liian pitkä verrattuna prosessin omaan nopeuteen. Pieni säätöväli kuormittaa prosessiasemia, joten monesti joudutaan resurssisyistä turvautumaan liian suuriin säätöväleihin. (Harju & Manninen 2001, 54.)

Jotta mittaussignaalin näytteenotto voi yleensäkään onnistua, tulee näytteenottotaajuuden olla vähintään kaksinkertainen korkeimpaan tarkasteltavaan taajuuteen nähden. Tämä edellyttää. että mittaussignaalista suodatetaan liian korkeat taajuudet pois ennen näytteenottoa. Mikäli näytteenottoväli on liian pitkä. tapahtuu niin sanottu laskostumisilmiö (aliasing). (Harju & Manninen 2001, 54.)

Asia on ongelmallinen nopeimpien säätöpiirien yhteydessä. Automaatiojärjestelmän operointiasemalla ei välttämättä ole riittävän nopeaa päivitysväliä trendin piirtotyökaluissa. ja näin pääteltynä piirin värähtelyn jaksonaika saattaa olla jotain ihan muuta kuin todellisuudessa. Laskostumisilmiö voidaan päätellä helposti muuttamalla trendin päivitysväliä. Mikäli samalla muuttuu tutkittavan signaalin taajuus, niin voidaan päätellä laskostumisilmiön olemassaolo. (Harju & Manninen 2001, 54.)

Automaatiojärjestelmän trendien yhteydessä kannattaa muistaa myös se, että suodatus, näytteenotto sekä datan keskiarvottaminen vaikuttavat trendillä näkyvään signaaliin. Mikäli säätöpiirin toimintaa halutaan analysoida tarkasti joudutaan usein mittausdatan keruu järjestämään itse. Näin voidaan varmistua siitä, että kerätty data todellakin edustaa juuri sitä mitä sen halutaan esittävän. (Harju & Manninen 2001, 54.)

Digitaalisen PID -säätimen ohjaus voidaan laskea kaavalla 13:

Näin saatua algoritmia kutsutaan asentoalgoritmiksi (= absoluuttitila), koska joka ajanhetki k (k = 1,2, 3,...) algoritmi kertoo ohjauksen u(k) sen hetkisen absoluuttisen (todellisen toimilaitteelle menevän) arvon.

Säätimen ohjauksen ns. nopeusalgoritmi eli säätimen inkrementtitila voidaan laskea kaavalla 14:

Säätimen ohjauksen todellinen tila voidaan laske kaavalla 15:

Joissakin tapauksissa lähdön tilojen summaaminen voidaan yhdistää suoraan laskenta-algoritmiin. Nopeusalgoritmi on toiminnaltaan täsmälleen samankaltainen asentoalgoritmin kanssa kunhan säätimien alkuarvot vastaavat toisiaan ja säätimien vahvistuksia ei muuteta. (Harju & Manninen 2001, 56.)

Nopeusalgoritmimuodossa esitettynä säädin soveltuu sellaisenaan myös järjestelmiin, missä itse toimilaitteessa on asentotieto. Asentotieto saadaan esimerkiksi akselin asennosta, jota ohjataan askelmoottorilla. Tällainen säädin antaa vain pulssiohjausta. Tällöin inkrementtitilassa säädin antaa lähtösignaaliksi ohjauksen muutoksen. Nämä inkrernentti-säätimet ovat tyypillisiä varsinkin voimalaitoskäytössä, joissa toimilaitteella ohjataan suuria ilmapeltejä. Toimilaitteina käytetään askel- ja oikosulkumoottoreita. (Harju & Manninen 2001, 57.)

5.5 Säädön suunnittelu

Säädön suunnittelussa eräs varteenotettava tekijä on prosessin viiveellisyys. Pienen aikaviiveen sisältävät prosessit voidaan suunnitella käyttämällä tavallisia säätöalgoritmeja. Suuren aikaviiveen aiheuttama vaihesiirto heikentää systeemin stabiilisuutta ja vaikeuttaa hyvän säätötuloksen aikaansaamista. Lisäksi aikaviive hankaloittaa huomattavasti säädön suunnittelua, sillä monet menetelmät eivät sovellu viiveellisille prosesseille tai niistä tulee hyvin monimutkaisia.

Systeemin mallinnus eli identifiointi mahdollistaa matemaattisten mallien luomisen dynaamisista systeemeistä mitatulle datalle. Matemaattiset mallit luodaan periaatteessa virittämällä annetun mallin parametrejä siten, että mallin ulostulo vastaa mahdollisimman hyvin mitattua dataa. Mallia voidaan testata sellaisella systeemin datalla, jota ei käytetty mallintamisessa. Tällöin voidaan selvittää mallin hyvyyttä ja sen käyttäytymistä verrattuna vastaavaan todelliseen.

- Heuristisesti (keksimään johtavasti) säädön hyvyys voidaan jakaa kolmeen tasoon:

- Optimaalinen säätö, joka minimoi annetun kustannusfunktion, ts on paras mahdollinen säätö, edellyttää kuitenkin kaikkien suunnittelun lähtöoletusten olevan voimassa.

- Suboptimaalinen säätö, joka on riittävän lähellä optimaalista käytännön tarkoitusperiä ajatellen.

- Epäoptimaalinen säätö, jonka säätötulos on merkittävästi optimaalisen säädön säätötuloksia huonompi.

6 AUTOMAATION YLEISRAKENNE

Tässä luvussa esitellään automaatiojärjestelmistä ne yleiset ja yhteiset piirteet, joita voidaan pitää tuotemerkistä riippumattomina. Yleisesti kaikki kokonaisautomaatiojärjestelmät noudattavat rakennetta, jossa omiin tehtäviinsä erikoistuneet mikrotietokoneet eli ala-asemat on kytketty toisiinsa järjestelmäväylän avulla. Kuhunkin ala-asemaan liittyy tehtävän mukaisesti muita laitteita kuten valvomolaitteita ja kenttälaitteet prosessiliitynnän (I/O-kehikko) kautta (kuva 21).

Kuva 21. Kokonaisautomaatiojärjestelmän yleisrakenne.

Ala-asemat (3E-kehikko), prosessiliityntä (liityntäkehikko) ja tehonsyöttö kootaan järjestelmäkaappeihin, jotka suunnitellaan kalustetaan laite- ja projektikohtaisesti. Järjestelmäkaappeihin tuodaan sekä tietoliikenneväylät että kenttäkaapelointi (kuva 22).

Kuva 22. Automaatiojärjestelmän laitekaappi.

6.1 Ala-asemat

Automaatiojärjestelmän tehtäväorientoituneen mikrotietokoneen l. ala-aseman kokoonpano on tyypillisesti seuraava:

- CPU-kortti,

- muistikortit (RAM ja ROM; 1-5 kpl) ja

- tietoliikennekortti.

Ala-aseman tehtävän mukaisesti CPU-kortteja voi olla useampaa tyyppiä, esim. Intel 386- ja 486-pohjaisia. Vastaavasti tarvittava muistikapasiteetti vaihtelee prosessiaseman suppeasta kapasiteetista raportti- ja trendiaseman tai back up -aseman laajaan muistitarpeeseen. Liityntä väylään ja tiedonsiirtotehtävät on nykyisin tavallisesti toteutettu omalla elektroniikkakortilla ja apuprosessorilla.

Tehtävänsä perusteella ala-asemiin liittyy myös muita laitteita: prosessiasemien I/O-liityntä, valvomoasemien kuvankäsittely- ym. liityntäelektroniikka, sovelluskehitys-asemien laiteliitynnät jne.

6.2 Tiedonsiirtoratkaisut

Nykyisten automaatiojärjestelmien väyläratkaisut noudattavat standardilähiverkkoratkaisuja (Local Area Network, LAN): topologialtaan (rakenteeltaan) ne ovat väyliä tai renkaita (myös puumaista verkkorakennetta on käytetty) ja kanavan käyttöoikeuden osalta (channel access) sovelletaan hajautettuja ratkaisuja: joko kilpavarausväylää (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection, CSMA/CD) tai valtuudenvälitysverkkoa (Token passing). Aiemmin suosittu, keskitetysti yhdeltä asemalta ohjattu ns. pollaava (kiertokyselyyn perustuva) verkkoratkaisu on jäämässä pois käytöstä.

Fyysinen siirtotie on yleensä koaksiaalikaapeli ns. järjestelmäväylänä ja optinen kuitu eri järjestelmien välisenä ns. tehdasväylänä. Periaatteessa myös tavallinen kierretty parikaapeli soveltuu digitaaliseen tiedonsiirtoon, mutta sitä ei käytetä tavallisesti järjestelmäväylänä vaan kenttälaitteet yhteenkytkevänä kenttä-väylänä.

Tietoliikennetekniikan nopea kehittyminen on tuonut mahdollisuuksia ja tarpeita myös hyvin laajojen kokonaisuuksien (tehdas, yritys, konserni) ja toimintojen (tuotannonohjaus, logistiikka, vikadiagnostiikka, yrityksen johdon tietojärjestelmät) integrointiin, jolloin perusautomaatiojärjestelmä voidaan kytkeä digitalisoidun, laajakaistaisen televerkon (Integrated Services Digital Network, ISDN ja Asyncronous Data Mode, ATM) kautta muihin tieto- ja viestintäjärjestelmiin. Tyypillisesti myös Internet/Intranet- verkko palveluineen on liitetty automaatiojärjestelmiin.

6.3 Prosessiliityntä

Liittyminen kenttälaitteisiin tapahtuu ns. prosessiliitynnän kautta. Prosessiliityntä koostuu I/O-korteista, joiden tehtävänä on suorittaa jännitteen sovitus, potentiaalierotus, A/D- ja D/A-muunnokset sekä häiriöiden vaimennus. Kokonaisautomaatiojärjestelmät sisältävät tavallisesti laajan valikoiman erityyppisten signaalien tulokortteja sekä vastaavasti kortteja erilaisten lähtösignaalien muodostamiseen (Analog Input Unit = AIU, Binary Output Unit =BOU jne).

Periaatteessa prosessiliityntä voidaan toteuttaa kullekin asemalle keskitettynä, jolloin I/O-kortit ovat yhteydessä suoraan ao. aseman sisäiseen väylään tai hajautettuna, jolloin I/O-kortit on koottu erillisiksi moduleiksi, joista on nopea tietoliikenneyhteys prosessiasemaan (kuva 23).

Kuva 23. Prosessiliityntä, erillinen I/O-moduuli.

6.4 Signaalitie ja kaapelointi

Tiedonsiirto kenttälaitteelta järjestelmään tapahtuu tyypillisesti seuraavaa signaalitietä:

1. Mittalähettimen muodostama standardianalogiaviesti (4-20 mA tai 1-5 V) tuodaan prosessiliityntään, missä suoritetaan potentiaalierotus, ylijännitesuojaus, suodatus, näytteenotto ja pito (multipleksointi) sekä A/D-muunnos.

2. Prosessiliityntä kytkeytyy prosessiaseman sisäiseen väylään, mistä tieto kulkeutuu joko I/O-rekisterien kautta prosessorin käsittelyyn ja keskusmuistiin tai suoraan ns. suoran muistikanavan kautta (Direct Memory Access, DMA).

Kaapeloinnin kannalta tarkasteltuna tarvitaan yleensä jokin erikoiskaapeli anturin ja mittalähettimen välille. Standardiviesti kuljetetaan laitekaapelissa, joka on useimmiten kierrettyä parikaapelia, jakokotelon ja mittalähettimen tai toimimoottorin välillä. Jakokotelosta standardiviestit siirretään ristikytkentään runkokaapelissa, joka sisältää useita parikaapeleita (esim. 24 kpl). Ristikytkentäkaapissa runkokaapelin sisältämät numeroidut parikaapelit kytketään XL-liittimille, mistä ne 'räpätään' langoilla järjestelmän JL-liittimille. Kultakin JL-liittimeltä viestit kuljetetaan lattakaapeleilla järjestelmän I/O-korteille, mistä ne ovat siis suorassa yhteydessä aseman CPU:n sisäiseen väylään (kuva 24).

Kuva 24. Kaapelointi ja ristikytkentä.

Perinteinen kaapelointi, jossa signaalitie kulkee merkittävältä osaltaan standardiviestinä on altis häiriöille. Mittausviesti sisältää usein ns. kohinaa, jota nimitetään mittauskohinaksi. Tämä voi alla peräisin anturista tai sitten prosessin mitattavassa kohteessa todella esiintyy nopeita vaihteluita. Jälkimmäisessä tapauksessa puhutaan prosessikohinasta. Prosessikohina voi alla peräisin myös säätöpiirin toimilaitteen heikosti toimivasta asennoittimesta, minkä vuoksi toimilaite ei asetu vakaasti haluttuun asentoon, vaan värähtelee. Kohinaa signaalitielle voivat aiheuttaa myös viestijohtimiin kytkeytyvät sähköiset häiriöt. Häiriölähteitä on tehdasympäristössä runsaasti:

1. Lähellä toisiaan olevat johtimet aiheuttavat häiriöitä toisiinsa ns. kapasitiivisen kytkeytymisen vaikutuksesta. Näitä häiriöitä voidaan välttää peittämällä viestijohdot maadoitetulla vaipalla.

2. Salamaniskut, moottoreiden käynnistykset, sulakkeiden palamiset sekä kontaktoreiden ja magneettiventtiileiden vetämiset aiheuttavat induktiivisesti kytkeytyviä häiriöitä. Näiden estämiseksi käytetään yleisesti kierrettyjä viestijohtimia ja joskus myös ferromagneettista suojaa, esim. rautaputkea. Nämä häiriöt ovat kestoltaan tavallisesti lyhytaikaisia, joten elektroniikkatulopiireissä voidaan käyttää myös RC-piiriä (vastus-kondensaattori -kytkentä) suodattamaan häiriöitä.

3. Kaikissa sähköisissä järjestelmissä esiintyy myös galvaanisesti kytkeytyviä häiriöitä, joita voidaan vähentää suorittamalla maadoitukset asianmukaisesti (maadoituspisteet oltava samassa sähköisessä potentiaalissa eli jännitetasossa).

Digitaalisissa järjestelmissä kohinahäiriöiden haitallisia vaikutuksia voidaan estää myös itse tietokoneessa, jossa se voidaan tehdä ohjelmien avulla. Tällaiset ohjelmat ovat tietyntyyppisiä keskiarvoa laskevia suodattimia tai liian nopeasti tapahtuvia suuria muutoksia tasaavia rajoittimia, joilla viestit saadaan tasoitettua. Automaatiojärjestelmissä apuvälineitä kuuluu aina varusohjelmiston toimilohkoihin.

6.5 Varusohjelmisto

Automaatiojärjestelmän varusohjelmistolla tarkoitetaan tässä yhteydessä kaikkia niitä ohjelmiston osia, joita järjestelmän toimittaja on kehittänyt ja jotka kuuluvat järjestelmään joko vakio-osana tai erikseen hankittavana optiona. Vastaavasti kuhunkin sovellukseen kehitettyjä ohjelmia nimitetään sovellusohjelmistoksi. Viime vuosina nämä ohjelmistot ovat kehittyneet ja laajentuneet merkittävästi. Tyypillisesti automaatiojärjestelmän varusohjelmisto koostuu esimerkiksi seuraavista osista:

1. käyttöjärjestelmä (resurssien ja muiden ohjelmien hallinta, reaaliaikainen, moniajoon kykenevä),

2. tietoliikenneohjelmisto (väylien hallinta),

3. ajurit (laitteiden ohjainohjelmat),

4. liityntäohjelmat (liittyminen muihin järjestelmiin ja tietokoneisiin ja niiden ohjelmistoihin),

5. tietokantaohjelmat (relaatiotietokantojen hallinta),

6. sovellusohjelmoinnin ja -suunnittelun tukiohjelmat (editorit, piirto-ohjelmat, simulaattorit, debuggerit, projektinhallintaohjelmat ym.),

7. toimilohkokirjastot,

8. kaaviosymbolikirjastot sekä

9. raportointi-, laadunohjaus-, resepti- ym. erikoistoimintokirjastot.

6.6 Konfigurointi

Konfiguroinnilla tarkoitetaan automaatiojärjestelmän tehtävä-orientoitunutta 'sovellusohjelmointia', jota voidaan tehdä kolmella eri periaatteella järjestelmästä ja/tai toiminnosta riippuen:

- lohko-ohjelmointina,

- kaavakkeen täyttönä (fill in the blanks) ja/tai

- vastaamalla kysymysjonoihin.

Konfiguroinnilla pyritään korvaamaan perinteistä lausekielistä ohjelmointia ja siten nopeuttamaan ja helpottamaan sovellusohjelmointityötä. Konfigurointi-termi tulee latinakielisistä sanoista con (=liittää yhteen) ja figura (=muoto, osa) ts. kysymys on osien yhteenliittämisestä. Näitä osia kutsutaan tavallisesti lohkoiksi (siitä nimitys lohko-ohjelmointi) ja toimintatapaa lego-periaatteeksi. Yksittäiset lohkot toteuttavat säätöteknisen (esim. PID-algoritmi), matemaattisen (esim. signaalien kertolasku), loogisen (esim. OR-toiminto) tms. toiminnon. Lohkot kytketään toisiinsa joko parametrien avulla tai graafisesti viivoilla. Vastaavasti puhutaan

- käskylistamuotoisesta ja

- graafisesta konfiguroinnista.

Tavallisesti lohko-ohjelmoinnilla toteutetaan kaikki prosessiasemien toiminnot. Sen sijaan esim. raportoinnin konfigurointi pohjautuu tyypillisesti kaavakkeen täyttö-tapaan. Kysymysjonoja suositaan vain joissakin järjestelmämerkeissä (esim. TDC 3000) ja monissa PC-valvomo-ohjelmistoissa.

Vaikka suurin osa automaation sovellustyöstä voidaan tehdä konfiguroimalla, edelleen tarvitaan myös lausekielistä ohjelmointia esimerkiksi joissakin matemaattisesti vaativissa töissä tai uusien laiteajurien ja järjestelmäliityntöjen kehityksessä.

Kuva 25. Esimerkki graafisesta konfiguraatiosta.

6.7 Toimintojen varmistus

Automaation keskeisimpiä tavoitteita on taata kohteen hallittu ja häiriötön toiminta, joten itse järjestelmä ei saa aiheuttaa toimintakatkoksia eikä virhetilanteita. Tämän vuoksi järjestelmät varmennetaan usein kahdentamalla keskeiset asemat ja väylät. Vastaavasti varmentamista l. redundanssia voidaan toteuttaa limittämällä tehtäviä useammalle asemalle niin, että jonkun aseman vikaantuessa sen tehtävät jakaantuvat muille toimintakuntoisille asemille. Tietoliikenne väylillä sisältää runsaasti redundanssia, mm. sanomien redundanttibitit ja sanomien kuittausperiaate. Varmennuksia toteutettaessa varatoiminnot on priorisoitava, jotta vältetään toimilaitteiden ristiinohjausmahdollisuus.

Suurin osa automaatiossa tapahtuvista vioista on peräisin kenttäinstrumentoinnista, mutta niitä voidaan käsitellä järjestelmätasolla. Likaantuminen, kuluminen, tukkeutuminen ja materiaalien väsyminen aiheuttavat sekä mitta- että toimilaitteissa vikaantumista ja häiriöitä, jotka edelleen voivat aiheuttaa järjestelmään ohjelmoiduissa (takaisinkytketyissä) suljetuissa säätöpiireissä pahojakin vahinkoja.

Joillekin antureille on tyypillistä ns. ryömiminen, mikä tarkoittaa sitä, että sen antama mittausviesti alkaa vähitellen, usein melko hitaasti, poiketa oikeasta arvosta. Suljetussa säätöpiirissä tämä merkitsee sitä, että säädin pyrkii vian seurauksena korjaamaan poikkeamaa, jota ei todellisuudessa ole olemassa. Kuvitellaanpa esimerkiksi painesäiliötä, jonka painemittaus alkaa ryömiä siten, että sen antama paine näyttää todellisesta poiketen liian vähän. Tällöin toimilaite suljetussa piirissä pyrkii korjaamaan mitatun ja halutun arvon välistä poikkeamaa lisäämällä aina vain enemmän painetta ja tilanne voi johtaa onnettomuuteen ellei sitä havaita ajoissa. Vian havaitseminen valvomosta voi alla hankalaa, koska kaikki suureet näyttävät normaaleilta niistä mitattujen suureiden osalta. Ainoa näkyvä asia voi olla prosessin vahvistuksen muuttuminen l. vastaavaan mittausarvoon pääsemiseksi tarvitaan tavallista suurempi ohjaussuureen arvo.

Anturit voivat vikaantua myös yhtäkkisestikin, jonkin materiaalivaurion seurauksena. Tällöin mittausviesti joutuu tavallisesti hälytysrajojen ulkopuolelle, jolloin tilanteesta saadaan hälytys. Muussa tapauksessa vian voi havaita esim. automaatiojärjestelmän trendikuvista epänormaalin nopeana muutoksena ja/tai prosessin vahvistuksen muutoksena.

Toimilaitteille ovat tyypillisiä kulumisesta seuraava tehon väheneminen ja erilaiset tukkeumat ja säätöventtiilin ajoittaiset jumiutumiset. Tukkeumat ja jumiutumiset voi havaita valvomosta nopeina muutoksina. Tehon väheneminen voidaan havaita säädön hidastumisena tai prosessin vahvistuksen muutoksena. Esimerkiksi pumpun pumppaustehon väheneminen voidaan havaita normaalia hitaampana pinnankorkeuden asetusarvon seurantana ja pinnankorkeuteen nähden epänormaalin korkeana pyörimisnopeutena. Valvomoon saatava tieto ei vikatilanteessa välttämättä ole sama kuin toimilaitteen todellinen ohjaus, vaan usein pelkästään säätimen toimilaitteelle lähettämä viesti.

Joissakin tapauksissa antureiden vikaantumisesta seuraavia vahinkoja on pyritty välttämään asentamalla samaan prosessiin useampia antureita, jolloin niiden vikaantuminen voidaan havaita mittausarvojen erosta. Mittausten moninkertaistaminen on kuitenkin niin kallista, että sitä käytetään vain erittäin tärkeiden suureiden mittaamisessa esim. ydinvoimaloissa. On kehitelty myös automaatiojärjestelmissä käytettäviä laskennallisia menetelmiä, jotka seuraavat prosessin dynamiikassa tapahtuvia muutoksia ja voivat niiden perusteella ilmaista muuten vaikeasti havaittavat vikoja. Nämäkin ovat kuitenkin aika työläitä ja vaativia ylläpidettäviä ja ne käyttävät runsaasti ala-asemien laskentakapasiteettia, joten niitäkin käytetään toistaiseksi vain erikoistapauksissa.

7 AUTOMAATION TOTEUTUSVAIHTOEHDOT

Tässä luvussa tarkastellaan ensimmäiseksi automaation tehtäviä, jotka prosessin perusajotilanteessa ovat seisokki, käynnistys eli ylösajo, tuotantoajo sekä pysäytys eli alasajo. Toisena kokonaisuutena tarkastellaan nykyaikaisten digitaalisten automaatiototeutusten vaihtoehtoja lähinnä teknisten valintakriteerien perusteella. Lisäksi lähemmin tarkastellaan kolmen eri valmistajan yksikkösäätimiä: Siemens Sipart DR 20, Honeywell UDC 2000 ja Protonic PS. Lähdemateriaaleina olivat yritysten (mm. Siemensin, Honeywellin ja Hartman & Braunin) esitteet ja käyttöohjeet.

Nykyaikaisen digitaalisen automaatiototeutuksen perusta voidaan rakentaa jollakin/joillakin seuraavista vaihtoehdoista:

- logiikat,

- logiikat ja erillislaitteet (yksikkösäätimet),

- logiikat, erillislaitteet ja PC-valvomo (hajautettu PC-toteutus),

- suora PC-toteutus,

- avoimet järjestelmät,

- kokonaisautomaatiojärjestelmät ja

- kenttäväyläpohjainen automaatioratkaisu.

Seuraavissa kappaleissa tarkastellaan näitä toteutusvaihtoehtoja sekä niiden soveltuvuutta erityyppisiin automatisoitaviin kohteisiin. Tässä jaksossa keskitytään perusautomaatioon yksikkösäätimiin, logiikoihin ja PC-pohjaiseen automaatioon. Kokonaisautomaatiojärjestelmistä ja kenttäväyläpohjaisesta automaatiosta on omat opintojaksonsa.

7.1 Toteutustavan valintaperusteet

Harkittaessa automaation toteutusperiaatetta lähtökohtana voidaan pitää ainakin seuraavia teknillisiä valintakriteerejä:

- I/O-pisteiden (lähdöt output ja tulot input) lukumäärä,

- I/O:n laatu (binääri-/analogiamittaukset ja –ohjaukset, yksiarvoiset, binääriset ja erisuuruisilla lukuarvoilla ilmoitettavat, analogiset),

- säätöpiirien, sekvenssien, ohjaus- ja mittauspiirien lukumäärä, sekä näiden lukumäärien suhde (laskentakapasiteetin ja muistin tarve),

- automatisoitavan kohteen luonne: turvallisuus- ja

- käytettävyysnäkökohdat, valvonnan ja operoinnin tarve

Näiden lisäksi automaatiototeutukseen vaikuttavat monet taloudelliset ja ei-teknilliset seikat, joihin ei tässä yhteydessä puututa (esim. tunnettuus, aiemmat liikesuhteet, kotimaisuus, ym. vastaavat kaupankäyntiin liittyvät asiat).

Absoluuttisia suositeltavia lukuarvoja edellä esitetyille valintakriteereille ei oikeastaan voi antaa, koska ne vaihtelevat eri kohteissa. Sen sijaan asiaa voidaan tarkastella kvalitatiivisesti (laadullisesti) seuraavien periaatteiden mukaisesti:

Suuri I/O-pisteiden lukumäärä (tuhansia) merkitsee "raskaamman" toteutustavan valintaa, mikä tarkoittaa varsinaisia kokonaisautomaatiojärjestelmiä tai siihen verrattavia laitteita. Vastaavasti pienempi I/O-pisteiden lukumäärä antaa mahdollisuuden harkita logiikka-, yksikkösäädin- ja PC-toteutusvaihtoehtoja.

Jos I/O on luonteeltaan pääasiassa binääristä, lähtökohtana voidaan pitää logiikkatoteutusta, jota täydennetään tarvittaessa yksikkösäätimillä ja muilla erillislaitteilla. Näillä laitteilla voidaan hallita hyvinkin suuria I/O-määriä, mutta valvonnan ja operoinnin mielekäs, keskitetty toteutus vaatii jo varsin kohtuullisillakin I/O-pisteiden lukumäärillä (luokkaa sata tai enemmän) erillisen valvomoympäristön (tyypillisesti PC-valvomon). Analogiaohjauksiin ja -mittauksiin painottunut I/O toteutetaan yleensä digitaalisilla yksikkö- ja ryhmäsäätimillä. Tällaisissa tapauksissa voidaan harkita (ainakin periaatteessa) myös suoraa PC-toteutusta (PC ohjaa suoraan toimilaitetta, DDC-toteutus), mutta näiden laitteiden luotettavuus sekä soveltuvuus teollisuusympäristöön on ainakin tähän saakka rajoittanut niiden käyttöä. Teollisuus-PC:t täyttävät vaatimukset "kovon" osalta, mutta hintakin on silloin 1,5...10-kertainen ja ohjelmistoissa esiintyviin ongelmiin tämä ei tietysti vaikuta.

Pienautomaatiojärjestelmät, joilla tarkoitetaan tässä yhteydessä kokonais-automaatiojärjestelmien "kevennettyjä" ja/tai "riisuttuja" versioita, voivat olla myös soveltuva vaihtoehto rajallisen analogiapainotteisen I/O:n hallintaan. Samoin erityyppiset ns. avoimet järjestelmät, jotka on koottu eri valmistajien tietyn standardin mukaisista tuotteista (esim. VME-väylätuotteet).

7.2 Yksikkösäätimet

Yksikkösäätimellä tarkoitetaan itsenäisesti toimivaa säädintä, jonka säätötoimenkuva on suhteellisen kapea. Termi yksikkösäädin ei ole aivan yksiselitteinen, sillä termejä ryhmäsäädin ja monitoimisäädin käytetään samantyyppisistä laitteista. Yhdellä säätimellä voidaan toteuttaa useita erillisiä säätöpiirejä ja säätöpiirissä voidaan käyttää useita säätötapoja. Yksikkösäätimet koostuvat ohjelmistosta, prosessorista ja akkuvarmennetusta muistista.

Nykyiset digitaaliset yksikkösäätimet ovat kehittyneet analogiasäätimien pohjalta, joten niillä voidaan toteuttaa vähintään kaikki samat toiminnot kuin analogiasäätimillä. Digitaalisissa yksikkösäätimissä toiminnot toteutetaan ohjelmallisesti, mikä on mahdollistanut toimintojen lisäämisen ja monipuolistamisen. Yleensä yksikkösäätimet sisältävät ainakin P-, PI- ja PID säätötoiminnot, usein lisäksi esim. sarja- ja suhdesäädöt. Osa yksikkösäätimistä on varustettu säätö- ja trendinäytöillä. Yksikkösäätimet sisältävät sarjaväyläliitännän ylemmän tason järjestelmiin ja PC-valvomoihin. Sarjaväyläliitännän avulla voidaan muodostaa isompia kokonaisuuksia. Yksikkösäätimiin kuuluu myös itsediagnostiikka. Sumealla logiikalla toimiva yksikkösäädin soveltuu erityisesti epälineaarisiin, ajasta riippuviin järjestelmiin, joita ei voida hallita täsmällisillä matemaattisilla malleilla.

Säätimen “ohjelmointi” (konfigurointi, määrittely) tapahtuu joko omalla näppäimistöllä taskulaskimen tapaan tai tavallisella PC-koneella. Monipuolisimmat säätimet ovat vapaasti ohjelmoitavia laitteistoja, joihin valmistajan laatimien ohjelmalohkojen avulla määritellään sovellukseen halutut toiminnot. Erilaisten säätö- ja matematiikkalohkojen lisäksi käytettävissä on yleensä myös joitakin ohjelmoitavien logiikoiden toimintoja. Joissakin säätimissä käyttäjä voi itse ohjelmoida vapaasti lisää erilaisia toimintoja (omia lohkoja).

Perinteisesti säätimen virityksen ovat suorittaneet kokemusta omaavat henkilöt. Mikroprosessoritekniikan myötä säätimiin on liitetty erilaisia automaattisia viritysmenetelmiä, joilla viritystoimintaa voidaan helpottaa ja säästää aikaa. Automaattivirityksellä hyviin tuloksiin päästään kuitenkin vain tietyissä olosuhteissa, joten automaattivirityksen merkitys on kuitenkin edelleen lähinnä avustavaa. Yleisimmin ovat käytössä automaattiviritykset, joissa säädin laskee käyttäjän käskystä säätöparametrit säätämästään prosessista. Lasketut ohjearvot annetaan käyttäjälle ohjearvoiksi tai ne sijoitetaan automaattisesti uusiksi viritysparametreiksi. Kehittyneimmissä laitteissa on myös mahdollisuus virityksen käynnistämiseen erilaisista muutostiloista (sopeutuvuus muutoksiin, adaptiivisuus). On havaittu, että yksi viritysmenetelmä ei sovellu kaikkiin tilanteisiin. Sen vuoksi viritysjärjestelmä saattaa sisältää useita eri viritysmenetelmiä.

Siemens Sipart DR 20

SIPART DR 20 kuuluu Siemensin yksikkösäädinperheeseen. Laitteen perusversio soveltuu lähes kaikkiin prosessiteollisuuden, kone- ja laitevalmistuksen säätötarpeisiin. Säädin sisältää ohjauspiirin, johon on valmiiksi ohjelmoitu erilaisia säätö- ja signaalinkäsittelyalgoritmeja.

Rakenteeltaan SIPART DR 20 on modulaarinen eli sen rakennetta voidaan muuttaa ja toiminta-aluetta laajentaa uusilla komponenteilla. Laitteen peruskokoonpanoon sisältyy:

- 2 kpl analogiatuloja 4-20 mA tai 0-20 mA,

- 1 kpl binääritulo 24V,

- 1 kpl analogialähtöjä 4-20 mA tai 0-20 mA ja

- 1 kpl binäärilähtö 24V.

Säätäjän lähtösignaalit täytyy tarvittaessa sovittaa toimilaitteelle. Tärkeimmille toimilaitetyypeille käytetään kahta säätäjätyyppiä: 3-pistesäätäjä sähköiselle toimilaitteelle ja jatkuva säätäjä pneumaattisille ja hydraulisille toimilaitteille. Epäjatkuvasti kytkeviä 2- ja 3-pistesäätäjiä käytetään ohjaamaan releitä, kontaktoreita tai tyristorikytkimiä, jotka kytkevät sähköisiä lämmitys- ja jäähdytystehoja. laitteeseen voidaan asentaa neljä signaalinmuunninyksikköä. Analogia-tuloille on kaksi pistokepaikkaa, joihin voidaan liittää:

- tulomoduuli elektronisella potentiaalierotuksella 1 kpl binäärilähtö 24V,

- tulomoduuli vastusanturille ja

- tulomoduuli PT100 - vastustermometrin liittämiseen.

Binäärituloille on 1 pistokepaikka, johon voidaan liittää:

- rele raja-arvolähdöille,

- s-lähtö neljän binäärilähdön kautta ja

- lisätulo ohjelman syötön lukitsemiseen.

Yksi pistokepaikka on varattu sarjaliityntäyksikölle. Sarjaliityntäyksikön avulla säädin voidaan liittää ylemmän tason automaatiojärjestelmiin, prosessitietokoneeseen, logiikkaan tai PC-tietokoneeseen. Sarjaliityntäkortin avulla säätimeen voidaan tuoda ulkoisia parametri-, rajakytkin- tai prosessisuuretietoja ja se voi lähettää esim. ulkoisia ohjauksia. Ylemmän tason väylään voidaan liittää enimmillään 32 säätäjää.

Säätäjällä operointi tapahtuu selkeiden "lyhytliike"-painikkeiden avulla, joustavan kytkentälevyn välityksellä. Säätäjän prosessori seuraa painikkeita rinnakkaismuodossa, joten useamman painikkeen samanaikainen painaminen on sallittua. Etupaneelissa on aktivoituna eri toimintojen edellyttämät painikkeet ja näytöt. Siemens Sipart DR 20 on esitetty kuvassa 26.

Kuva 26. Siemens Sipart yksikkösäädin.

Säätimen parametrointitasolle pääseminen on tehty hankalaksi, jotta parametreja ei näppäilyvirheen seurauksena voitaisi muuttaa vahingossa. Parametrien muutostilaan pääsemiseksi on tehtävä useampia toimenpiteitä lyhyessä ajassa. Muussa tapauksessa laite siirtyy automaattisesti takaisin prosessikäyttöön.

Erilaisten säätötehtävien toteuttamiseksi on säätimen muistissa suuri joukko valmiita toimintoja. Toimintojen valitsemiseksi ei tarvita ohjelmointikokemusta, sillä kaikki asettelut tehdään laitteen etupaneelista ilman erityistä ohjelmointilaitetta. Valmis tehtävänasettelun mukainen ohjelma tallentuu datamuistin pysyvään osaan virtakatkoksilta suojatuksi.

Honeywell UDC 3000

Honeywellin UDC 3000 yksikkösäädin on digitaalinen mikroprosessoripohjainen yksikkösäädin. Säätimeen on ohjelmoitu suuri joukko erilaisia säätöä tukevia algoritmeja. Säätimen näyttö on selkeä ja näkyvät opastetekstit helpottavat käyttöä. Säätimen käyttöönotto on helppoa, koska säädin kysyy kohta kohdalta tarvittavat tiedot englanniksi (kysymysjonoperiaate). Mahdollisia sovelluskohteita ovat erilaiset prosessien säätötehtävät. Kuvassa 28 on esitetty UDC 3300 yksikkösäätimen etupaneeli.

Kuva 28. Honeywell UDC 3300 yksikkösäätimen etupaneeli

Honeywell UDC 3000:n mitat ovat 96·96·191 mm eli säädin voidaan sijoittaa hyvin pieneen tilaan. Etupaneeli on pöly- ja vesisuojattu standardin IP54 mukaan. Säätimen etupaneelissa on digitaalinen kaksoisnumeronäyttö. Näytössä on myös patsasnäyttö säätöpoikkeaman visualisointiin. Kun näyttö on VIHREÄ, prosessi on säädössä ja kun näyttö on PUNAINEN, on poikkeama ± 10 % säätöalueesta.

Tietoliikenneyhteys säätimen ja prosessin välille voidaan toteuttaa esimerkiksi tavallisella RS 422/485-liitynnällä.

Tuloviestityyppejä on useita: mA-, mV- ja jänniteviestejä logiikka- ja moottorikäytöille. Lähtöviestityyppeinä käytetään analogia- (2 kpl) ja binäärilähtöjä (3 kpl). Säätimessä on myös kolmipistesäätömahdollisuus.

Hälytykset voidaan määritellä 2 kpl kullekin konfiguroitavalle mittausarvolle tai poikkeamalle. Lisäksi voidaan asettaa hälytykset asetusarvoille ja lähtöviestille.

Mahdollisia säätöalgoritmeja ovat perinteiset P-, Pl-, PD- ja PID-säädöt. Säätimellä on mahdollista toteuttaa myös kaskadisäätö, suhdesäätö ja vahvistustaulukointi kahdella eri vahvistuksen arvolla (muuttuvavirityksinen ns. gain scheduling –säätö).

UDC 3000:n konfigurointi tapahtuu säätäjässä olevien funktionäppäimien kautta. Säätimessä on selkeä, vaihe vaiheelta etenevä ohjeistus konfigurointiapuna.

Seuraavassa kuvataan konfiguroinnissa käytettävien funktio-näppäinten toimintoja sekä selvitetään UDC 3000:n konfigurointia yleisesti.

Etupaneelissa on kaksi numeronäyttöä:

Ylänäyttö osoittaa normaalitoiminnassa mittausarvoa neljällä numerolla. Konfiguroitaessa se osoittaa parametrien numeroarvoja ja valittavia toimintoja.

Alanäyttö osoittaa normaalitoiminnassa asetusarvoa, tai säätimen ollessa käsiajolla lähtöviestiä (%). Säädintä konfiguroitaessa alanäyttö osoittaa konfigurointiryhmiä ja niiden alakohtia.

Painikkeet:

SET UP -painikkeella saadaan säädin konfigurointitilaan, jolloin sen toimintoja voidaan muutella. Haluttu konfigurointiryhmä valitaan selaamalla valintoja.

Kun konfigurointiryhmä on valittu SET UP – painikkeella, valitaan FUNC – painikkeella ryhmän alakohdat. Kun FUNC - painiketta painetaan normaalitoiminnassa ilman edeltävää SET UP-painallusta, vaihtuu käytettävä säätöpiirin asetusarvo (esim. paikallinen/ulkoinen tai paikallinen 1/paikallinen 2). Jos käyttöön on konfiguroitu vain yksi asetusarvo, ei vaihtoa tietenkään tapahdu.

NUOLI YLÖS/ALAS-painikkeilla muutetaan normaalitoiminnassa asetusarvoa, käsitoiminnossa ohjausta tai konfiguroitaessa toimintavalintoja ja parametrien numeroarvoja.

LOWR DISP-painikkeella saadaan alanäyttöön vaihdeltua alla luetellut ja selitetyt keskeiset kirjainyhdistelmät ja niitä vastaavat numeroarvot. Painikkeella saadaan lisäksi palautettua säädin konfigurointitilasta normaalitoimintaan.

OUT - lähtöviesti %,

SP - asetusarvo,

2SP - toinen paikallinen asetusarvo,

RSP - ulkoinen asetusarvo,

1IN - tuloviesti 1 eli mittausarvo,

2IN - tuloviesti 2 eli ulkoinen asetusarvoviesti,

CSP - tietokoneasetusarvo,

DEV - säätöpoikkeama ja

PIDSETX - säätöparametrit.

Säätötoiminnon vaihto automaatti- ja käsiajolle tapahtuu MAN/AUTO-painikkeella. AUTO - alanäytössä asetusarvo insinööriyksikköinä. MAN - alanäytössä lähtöviesti prosentteina.

AUTO TUNE-näppäin käynnistää säätöparametrien (PID-arvojen) automaattisen virityksen.

RUN HOLD –painike käynnistää tai pysäyttää asetusarvorampin tai ohjelmasäädön etenemisen ja palauttaa konfiguroitaessa muutettavana olevan numeroarvon lähtö-arvoonsa.

Konfigurointi on lohkorakenteinen. Konfigurointiryhmiä on 13 kpl ja ne löytyvät SET UP -painikkeen alta. Konfigurointiryhmien alla on seuraavia konfiguroitavia tekijöitä: viritysparametrit, asetusarvoramppi/ohjelmasäätö, automaatti-viritys, säätöalgoritmit, tuloviesti 1/mittausarvo, tuloviesti 2/ulkoinen asetusarvo, säätöparametrit, väyläliitäntä, hälytysparametrit ja kalibrointitoiminnot.

7.3 Logiikat

Puhuttaessa logiikoista tarkoitetaan nykyisin lähes poikkeuksetta ohjelmoitavia logiikoita. Muutkin logiikkatoteutukset (rele- ja langoitetut logiikat) ovat kuitenkin edelleen käytössä joissakin erikoistapauksissa kuten sellaisia lukituksia ja suojauksia toteutettaessa, joissa vaaditaan erittäin suurta nopeutta ja luotettavuutta. Seuraavassa keskitytään kuitenkin pelkästään ohjelmoitaviin laitteisiin.

Ohjelmoitava logiikka voidaan määritellä seuraavasti:

Ohjelmoitava logiikka on laite, joka koostuu tuloista, lähdöistä, keskusyksiköstä, muistista ja jännitteen syöttöyksiköstä. Se toteuttaa ohjaustehtäväänsä suorittamalla muistiin ohjelmoidut käskyt keskusyksikkönsä avulla. Perustana käytetään tulotietoja ja päättelyt ohjataan lähtöihin.

General Motors toi markkinoille ensimmäisenä muistiin ohjelmoitavan logiikkalaitteen jo 60-luvulla ja sen jälkeen laitteet ovat yleistyneet nopeasti. Ratkaisevana etuna ohjelmoitavilla laitteilla muihin toteutuksiin verrattuna on tietenkin joustava ja nopea muutosten teko. Mikroelektroniikan nopea kehitys 70- ja 80-luvuilla on muokannut ohjelmoitavia logiikoita yhä monipuolisemmiksi ja laajimmat logiikkajärjestelmät muistuttavatkin nykyisin automaatiojärjestelmiä ja raja näihin on näin hämärtymässä. Ehkä ratkaisevimpana erona voidaan edelleen pitää valvomotoimintojen toteutusta ja binäärisen informaation käsittelyyn painottunutta laskentakapasiteettia.

Perusmuodossaan ohjelmoitava logiikka sisältää seuraavat osat (kuva 30):

- tuloyksiköt (tulosovitus),

- lähtöyksiköt (lähtösovitus),

- keskusyksikön (CPU, Central Processing Unit),

- ohjelmamuistin,

- jännitteen syöttöyksikön ja

- ohjelmointilaitteen.

Kuva 30. Ohjelmoitava logiikka.

Viestit tuodaan logiikkaan tuloyksiköiden kautta, joissa tapahtuu jännitteen sovitus (24 V DC, 220 V AC ->5 tai 10 V DC), potentiaalierotus sekä häiriöiden vaimennus. Lähtöyksiköt ohjaavat toimilaitteita (tyypillisesti binäärinen päälle/pois ohjaus), joissa tarvittavat tehot voivat vaihdella mW:sta kW:hin. Kytkiminä lähtöyksiköissä käytetään relekoskettimia, transistoreja ja triakkeja.

Keskusyksikkö suorittaa ohjelmamuistissa olevien ohjeiden ja apumuistissa olevien tilatietojen mukaisesti jatkuvaan ohjelmakiertoon perustuvaa toimintaa. Keskusyksikkö voi olla toiminnaltaan pyyhkäisevä tai reaaliaikainen.

Pyyhkäisevässä logiikassa toiminta tapahtuu kolmessa vaiheessa:

- luku (input): luetaan tuloliitännät apumuistiin,

- ohjelmajakso: keskusyksikkö käy läpi ohjelmamuistin käyttäen hyväksi lukujakson aikana apumuistiin luettuja tiloja ja

- kirjoitus (output): kirjoitetaan ohjelman tuloksena saadut liitäntätiedot lähtöpiiriin.

Ohjelmakierroksen aikana ei voida suorittaa muutoksia, mistä johtuu pyyhkäisevän logiikan hitaus. Ohjelmankiertoaika voi olla kiinteä tai vaihteleva.

Reaaliaikaiset logiikat eivät sisällä apumuisteja, vaan I/O muuttuu todellisen tilan mukaan. I/O:n tila voi muuttua myös ohjelmajakson aikana, joten logiikkakaavioesitys ei päde tarkalleen. Tästä voi olla seurauksena toiminnan ajoituksesta johtuvia loogisia virheitä eli hasardeja, jotka kuitenkin voidaan välttää huolellisella ohjelmointi- ja ohjelmantestaustyöllä.

Logiikan tiedonsiirrossa sisäinen tiedonsiirto tapahtuu sisäistä, laitekohtaista väylää pitkin. Ulkoisessa tiedonsiirrossa käytetään yleisstandardin mukaan RS-232-kaapelia jänniteviestille ja RS-422-kaapelia virtaviesteille. Logiikoiden väliseen tiedonsiirtoon käytetään yleensä verkkoja. Ohjelmoitavia logiikoita verkottamalla saadaan aikaan vaativiakin automaatiotoimintoja, mutta yleensä halvempi vaihtoehto on kuitenkin yksi suuri logiikka kuin useita pieniä verkossa. Käytetyimpiä logiikkaverkkoja ovat Siemensin Sinec L1 ja H1, Allen-Bradleyn Datahighway- sekä Modiconin Modbus -verkot. Logiikkaverkkoja voidaan muodostaa myös sarjamuotoisella RS-232- tai RS-422-kaapeliyhteydellä, mikä on yleisin tapa liitettäessä erimerkkisiä logiikoita toisiinsa.

Logiikkojen ohjelmointi tapahtuu omalla ohjelmointikielellä. Ohjelmointikielissä on tavallisesti käytössä loogiset operaatiot (JA, TAI, EI-TAI, POIS SULKEVA TAI, ...), laskurit, ajastimet, siirtorekisterit sekä vaihtelevasti erilaisia erikoistoimintoja (esim. tilakoneet).

Ohjelmointikielet ovat laitekohtaisia ja ne voivat olla:

1) tikapuumuotoista

2) käskylistamuotoista

3) kaaviomuotoista

4) askelgraafimuotoista (askelohjaukset)

tai

5) strukturoitua tekstiä (muistuttaa tavallista ohjelmoinnin lausekieltä)

Yleensä logiikkojen ohjelmointitavat ja -kielet ovat käskyvalikoimaltaan melko suppeita, joten niiden oppiminen ei ole hankalaa, mikäli omaa yleiset valmiudet loogisen tiedon ja päättelyn käsittelyyn.

Ohjelmoitavien logiikkojen käyttöä rajoittavat nykyisinkin vielä puutteet yhtenevien standardien käytössä sekä ohjelmiston luotettavuuden vaikea arviointi. Parannusta tilanteeseen on kuitenkin luvassa: automaatiostandardi IEC-1131 tarkentuu ja samalla myös sen käyttö on yleistymässä.

Logiikoita ohjelmoidaan joko off-line, jolloin toiminnot ohjelmoidaan ohjelmointilaitteen muistiin etukäteen ja otetaan sieltä käyttöön, kun ohjelma on valmis, tai on-line, jolloin ohjelmointi tapahtuu logiikan toiminnan aikana suoraan keskusmuistiin. Off-line-ohjelmointi ei kuormita toimivaa yksikköä ja se voidaan testata erikseen ennen varsinaiseen toimintaan siirtoa. On-line-ohjelmointi mahdollistaa nopeat muutokset ohjelmaan toiminnan aikana, mutta voi olla riskialtista. Yleensä ohjelmankehitys tapahtuu RAM-muistissa (Random Access Memory, nopea hakumuisti), mikä mahdollistaa kehityksen nopeuden. Käyttöönoton jälkeen ohjelma siirtyy ROM-muistiin (Read Only Memory, vain luvun ei suoraa tallennusta mahdollistava muisti), mikä takaa ohjelman hyvän säilyvyyden.

PC on nykyisin tavallisin ohjelmointilaite. Ohjelmistosta riippuen PC:tä voidaan käyttää logiikkakuvien ja kaavioiden piirtämiseen, käskylistojen tekemiseen sekä ohjelmistojen dokumentointiin ja kommentointiin. Kehittyneempien ohjelmointimenetelmien kehittäminen on helppoa.

Erillinen käsiohjelmointilaite näyttää yhden ohjelmarivin kerrallaan. Ohjelma kirjoitetaan siinä tavallisesti käskylistana käsky kerrallaan logiikan muistiin eikä siihen voida lisätä kommentteja. Ohjelman tallennusmahdollisuudet tällöin ovat yleensä heikot ja dokumentointi jää yleensä käsityön varaan. Käsiohjelmointilaite soveltuu kunnossapidon seurantavälineeksi. Sen käsiohjelmointilaitteen avulla voidaan tutkia logiikan tulojen, lähtöjen ja apumuistien tiloja sekä muuttaa ajastimien ja laskurien asetusarvoja. Käsiohjelmointilaitetta käytetään yleensä, jos ohjelman koko on alle yhden kilotavun. Käsiohjelmointilaitteet ovat yleensä laitekohtaisia tai soveltuvat käytettäväksi vain yhden valmistajan logiikoiden kanssa.

Näyttöruutupohjaisissa ohjelmointilaitteissa ohjelma kirjoitetaan suoraan logiikkakaaviona tai kosketinkaaviona. Myös käskylistoja voidaan kirjoittaa. Monimutkaisten toimintojen toteuttamista varten on valmiita kirjasto-ohjelmia. Ohjelma voidaan tallettaa ja siihen voidaan lisätä kommentteja. Nämäkin ohjelmointilaitteet ovat yleensä laitekohtaisia, mutta monet niistä ovat yhteensopivia PC-mikrotietokoneiden kanssa, jolloin tietoa voidaan siirtää PC:n ja ohjelmointilaitteen välillä.

Ohjelmoitavalla logiikalla toteutetaan tyypillisesti askeleittain etenevää ohjausta, varmistuksia, lukituksia ja suojauksia. Pienillä I/O-määrillä varustettuja ohjelmoitavia logiikoita käytetään esimerkiksi pienten koneiden (pakkauskoneet ym.) ohjauksessa. Suurempia ja monipuolisempia logiikoita käytetään erilaisissa prosessiteollisuutta vastaavissa kohteissa kuten meijereissä ja veden-puhdistamoissa, jotka sisältävät jonkin verran jatkuvaa ohjausta ja säätöä loogisten toimintojen lisäksi. Nykyään ohjelmoitavat logiikat hoitavat usein erilaisten koneiden ohjauksen ja niiden yläpuolella on PC-tietokoneet, joiden avulla on toteutettu valvomotoiminnat. Ohjelmoitavia logiikoita käytetään myös korvaamaan kokonais-automaatiojärjestelmiä pienehköissä sovelluksissa.

7.4 PC-pohjainen automaatioratkaisu

PC-pohjaisen automaation ohjelmistotarjonta on kasvanut erittäin nopeasti 80-luvun lopulta lähtien. Alunperin DOS-käyttöjärjestelmään pohjautuvat järjestelmät ovat saaneet rinnalleen Unix-, OS/2- ja Windows-pohjaisia versioita ja niiden käyttötarkoitus on laajennut tiedonkeruujärjestelmistä valvomo-ohjelmistoiksi ja nähtävästi myös enenevässä määrin suoriin toteutuksiin (PC ohjaa suoraan toimilaitetta), joskin näiden luotettavuuskysymykset ovat ainakin tähän saakka rajoittaneet käyttöä.

Tässä luvussa tarkastellaan PC-automaatiojärjestelmän ominaisuuksia, kerrotaan sovelluksen luomisesta sekä esitellään sovelluksen käyttöä eli operointia. PC-automaatiojärjestelmä ei tavallisesti voi toimia yksin prosessinohjauksessa, vaan se tarvitsee useimmiten toimiakseen jonkin erillislaitteen esim. logiikan apua.

IBM aloitti PC- teknologian kehittämisen 1980-luvun alussa toimistoja ja työpaikkoja varten ajatuksena että jokaisen pöydällä on ennenpitkää oma henkilökohtainen tietokone. Koska PC määrittely tehtiin täysin avoimeksi ja julkiseksi se mahdollisti muidenkin yritysten kuin IBM:n aloittaa määrittelyn mukaisen tietokoneen valmistuksen ja markkinoinnin. Tämä synnytti kokonaan uuden teollisuuden sekä tietokoneiden että niiden oheislaitteiden valmistuksessa. Ohjelmistopuolella Microsoft ja Windows on saavuttanut myös ristiriitaisia tuntemuksia herättävän valta-aseman. Toisaalta Windows-käyttöjärjestelmän valta-asema PC-maailmassa on mahdollistanut laajan sovellusohjelmateollisuuden syntymisen ja kasvun.

PC-teknologian ilmeinen houkuttavuus myös automaatiosovelluksiin perustuu:

avoimuuteen,

avoimuuden johdosta siitä on kehittynyt main stream-teknologia, joka tarjoaa halpaa ja monipuolista laitteisto- ja ohjelmistoteknologiaa,

laajan levinneisyyden takia käyttöliittymät ja monet sovellusohjelmistot ovat tuttuja toimisto- ja kotiympäristöstä.

Tiedonkeruusovelluksissa PC:n rooli on vain tiedon kerääminen prosessista ja aineiston käsittely sekä havainnollinen esittäminen. Usein näin orientoituneista sovelluksista käytetäänkin nimitystä mittausohjelmisto. PC:n käyttö mittauksissa on toteutuksena usein edullisempi kuin ns. dataloggerin (erillinen tiedonkeruulaite) käyttö.

PC-valvomosovelluksissa siirretään tietoa myös prosessiin päin (esim. yksittäiset ohjaukset ja asetusarvotiedot). Varsinaiset säädöt ja ohjaukset toteutetaan kuitenkin erillisissä yksiköissä (logiikat, yksikkösäätimet) ja prosessiliitäntä on siten hajautettu. Tällainen PC:n valvomokäyttö on yleisin tapa käyttää PC:tä automaatiossa. Nykyaikaiset PC-pohjaiset valvomo-ohjelmistot ovat monipuolisia verkkojärjestelmiä, joilla voidaan toteuttaa joko suora keskitetty PC-automaatiojärjestelmä tai hajautettu automaatioratkaisu (mukana erillislaitteita kuten yksikkösäätimiä ja logiikoita, kuva 31).

Kuva 31. Hajautettu PC-automaatioratkaisu.

Suorassa tietokonesäädössä (DDC) käytetään tarkoitukseen kehitettyjä liitäntäkortteja prosessi-I/O:n toteutukseen sekä valvomo-ohjelmistoa, jossa on tarvittavat loogisten operaatioiden ja säätöalgoritmien konfigurointimahdollisuus. Tällainen PC:n käyttötapa tulee kysymykseen lähinnä pienissä automatisoitavissa kohteissa, jotka eivät ole turvallisuuden kannalta kriittisiä ja joissa käyttöhäiriöt eivät aiheuta suuria ongelmia eivätkä kustannuksia. Toteutuksena suora PC-säätö on usein varsin edullinen vaihtoehto. Ohjelmistoissa on lisäksi vakio-ominaisuuksina tiedonkeruumahdollisuus, säätöominaisuudet, ohjaustoiminnat ja trendinäytöt. Lisäksi on mahdollista laajentaa kokonaisuutta erilaisilla erikseen ostettavilla analyysi, simulointi-, materiaalihallinta- ja tarvelaskentaohjelmistopaketeilla.

PC-laitteiden osalta erotetaan toimisto-PC:t ja teollisuus-PC:t. Edelliset ovat kaikille tuttuja jokapäiväisiä työkaluja, joita ei ole rakennettu vaativiin ympäristöihin. Teollisuuskäytössä PC joutuu usein alttiiksi kosteudelle, lämpötilavaihteluille, pölylle, tärinöille ja iskuille sekä häiriölliselle jännitesyötölle. Tällöin erityisesti kortinreunaliittimet sekä levy- ja levyke-asemat vikaantuvat helposti. Haittoja on torjuttava suojaamalla koneet ympäristöhaitoilta tai hankittava vaikeita olosuhteita paremmin kestävä laite. Teollisuus-PC:ssä on kestävämmät rakenne-ratkaisut:

koteloinnilla suojatut kortit ja levyt,

mekaanisesti kestävämmät liittimet,

tärinänvaimennusmekanismeja kovalevylle,

keraamisia komponentteja,

suojattu operointinäppäimistö (kalvonäppäimistö),

tärinäsuojattu 20`` näyttö ja

lukittavat (tietosuojan kannalta paremmat) levyke- ja CD-ROM-asemat.

Teollisuus-PC:t on lisäksi suunniteltu modulaarisiksi (helposti vaihdettavista yksiköistä koostuvaksi), jolloin korttien ja kovalevyjen vaihto on nopeaa. Teollisuus-PC:t varustetaan usein myös paremmin vaihtelevaa sähkönsyöttöä kestäviksi ja ne liitetään usein UPS-yksikköön (Uninterrable Power Supply), joka sisältää akkuja ja vaihtosuuntaajia ja mahdollistaa laitteen toiminnan sähkökatkon aikana. Herkästi rikkoutuvan pyörivän kovalevymuistin tilalla käytetään myös esimerkiksi ns. flash-muistia, joka on kalliimpi mutta ei sisällä lainkaan liikkuvia ja kuluvia osia.

Ohjelmistoja ovat tähän saakka hallinneet DOS-käyttöjärjestelmään perustuvat tuotteet, joissa on automaatiosovellusten vaatimat piirteet:

moniajo (monen ohjelman yhtaikainen suorittaminen),

suojaus (eri ohjelmat eivät saa häiritä toisiaan ja käyttää samaa muistialuetta) ja

priorisointi (ohjelmien tärkeysjärjestys ja tärkeyttä vastaava muistin ja keskusyksikköajan jako eri ohjelmien kesken).

Nämä piirteet on toteutettu vanhemmissa järjestelmissä joko DOSin käyttöjärjestelmälaajennusten avulla (esim. Top View-, Desq View- ja Mondrian-tuotteilla) tai siten, että vain konfigurointi (ohjelmallinen määrittely) tehdään DOS- käyttöjärjestelmän alaisuudessa ja itse sovelluksen ajo tapahtuu jonkin reaaliaikakäyttöjärjestelmän alaisuudessa. Uudemmat valvomo-ohjelmistot toimivat usein kokonaan jonkin paremmin moniajoon pystyvän käyttöjärjestelmän kuten Unixin tai OS/2:n alaisuudessa. Myös Windows-järjestelmän (erityisesti Windows NT:n) alaisuudessa toimivia ohjelmistoja on tarjolla, mutta tähän saakka niissä on esiintynyt jonkinverran ongelmia. Kokemuksia näistä valvomo-ohjelmistoista on vielä toistaiseksi rajoitetusti.

Konfiguroinnin osalta on tarjolla pitkälti samankaltaisia ratkaisuja kuin varsinaisissa kokonaisautomaatiojärjestelmissäkin. Tyypillisesti ohjelmat sisältävät piirtotyökalut erilaisille kaavioille sekä joko käskylistan muodossa tapahtuvan tai graafisesti toteutetun lohko-ohjelmoinnin. Kysymyslista-muotoista konfigurointia käytetään myös edelleen. Tehtävien välinen kommunikointi (tiedonvaihto) on tavallisesti hoidettu jonkin kiinteäkokoisen tietokannan kautta.

PC-valvomo-ohjelmistot poikkeavat toisistaan sekä ominaisuuksiensa että hintansa puolesta huomattavasti ja valikoima alkaa olla todella mittava. Ohjelmiston valintaperusteissa kannattaa painottaa kokemuksia valmiista sovelluksista enemmän kuin tarjolla olevia ominaisuuksia.

National Instrumentsin Lookout-ohjelmisto on hyvä esimerkki toimivasta ja helppokäyttöisestä PC-automaatiosovellutuksesta. Ohjelmisto toimii Windows ympäristössä. Se voidaan kytkeä esimerkiksi ohjelmoitaviin logiikoihin ja perinteisten automaatiojärjestelmien I/O:hon. Tyypillisiä sovelluskohteita löytyy erilaisten teollisuusprosessien tarkkailu- ja valvontatehtävistä, sekä toisaalta erilaisista säätö- ja eräajosovellutuksista. Eräajolla tarkoitetaan jaksottaista, tietyn systemaattisen kaavan mukaista tuotantoa, esim. sellun eräkeittoa.

Lookoutin avulla voidaan tuottaa vähällä vaivalla erilaisia graafisia näyttöjä tuotantoprosessista. Prosessin hallinnan kannalta merkittävät tekijät kuten mitta- ja prosessilaitteet, erilaiset katkaisijat, luku- ja kuvanäytöt on helppoa luoda ja ottaa käyttöön. Sovellukseen voidaan liittää hälytysnäyttöjä ja se voidaan tarvittaessa liittää tietokantaan. Näyttöön voidaan liittää ääntä ja liikkuvaa kuvaa. Sovelluksen operointi voidaan toteuttaa kosketusnäytön avulla.

Lookoutiin on liitetty useita erilaisia nykyajan vaatimukset täyttäviä ominaisuuksia. Tällaisiä ovat esimerkiksi SPC eli tilastopohjainen prosessin hallinta (Statistical Process Control), ohjeen mukainen tilan muutos (eräajon edellytys), sisään rakennettu turvajärjestelmä ja liityntä tietoverkkoon.

Konfiguroinnin eli sovellusmäärittelyn ja -ohjelmoinnin kannalta Lookoutissa on reaaliaikatoiminto eli tarvittaessa ohjelmaa voidaan muuttaa tai parantaa ajon aikana. Lookout tukee Windowsin moniajo-ominaisuuksia eli yhtäaikaisesti sovelluksen pyöriessä PC:llä voidaan myös tarvittaessa käsitellä ja analysoida mittauksia tai kirjoittaa vuororaporttia samalla työasemalla käyttäen jotain toista ohjelmistoa.

7.5 Kokonaisautomaatiojärjestelmät

Kokonaisautomaatiojärjestelmällä tarkoitetaan järjestelmää, joka on alusta loppuun suunniteltu yhdeksi yhtenäiseksi tuotteeksi ja jossa käytetään alunperin teollisuusautomaation käyttöön tarkoitettua elektroniikkaa, mekaniikkaa ja ohjelmistoa.

Tyypillisesti tällainen tuote käsittää muutamasta standardielektroniikkakortista koostuvia tehtäväänsä erikoistuneita ala-asemia, jotka eroavat toisistaan lähinnä ohjelmiston osalta; nopean lähiverkkoteknologiaan perustavan tietoliikenneverkon sekä prosessi-I/O:n tarvitseman elektroniikan sekä valikoiman valvomolaitteita. Oleellinen osa näitä tuotteita on myös laaja varusohjelmisto, joka kattaa nykyisin automaation suunnittelun, operoinnin, valvonnan ja sovellusohjelmoinnin tuen sekä integroinnin muihin ympäristöihin.

Suomessa järjestelmämarkkinoita ovat hallinneet nimenomaan tämänkaltaiset "järeät" tuotteet ja erityisesti niiden kotimaiset edustajat Valmetin Damatic XD/XDi ja Classic sekä Ahlstrom Automationin (nyk. Honeywell) Alcont -järjestelmät. Muista Suomessa edustetuista järjestelmistä voidaan mainita esim. Siemensin Teleperm, VDO:n Micon sekä ABB:n Master -järjestelmät.

Kokonaisautomaatiojärjestelmiä tarkastellaan yksityiskohtaisesti Automaatiojärjestelmät kurssilla.

7.6 Kenttäväyläpohjaiset Automaatioratkaisut

Kun standardointi etenee ja yhteensopivuus eri valmistajien kenttäväylätuotteiden kesken paranee, tullee tästäkin ratkaisuvaihtoehdosta realistinen myös prosessi-automaatiossa. Kappaletavarateollisuudessa se alkaa olla jo arkipäivää. Teknillisessä mielessä se on jo täysin toteutettavissa kaikenlaisissa sovelluksissa valmiilla kaupallisilla tuotteilla.

- Kenttäväyläteknologia tulee muuttamaan automaatio-toteutuksia todella merkittävästi. Keskeisimmät muutokset ovat seuraavia:

- liityntäelektroniikka ja kaapelointi vähenee,

- älykkäille laitteille voidaan sälyttää sekä aiemmin järjestelmäasemilla toteutettuja, että kokonaan uusia, esim. diagnostiikkaan ja kalibrointiin, liittyviä tehtäviä,

- nykyisenkaltaiset kokonaisautomaatiojärjestelmät muuttuvat huomattavasti merkittävän osan nykyisistä tehtävistä siirtyessä kenttälaitteille,

- suunnittelu-, asennus- ja ylläpitotyö helpottuu ja nopeutuu ja

- PC:n käyttö valvomoratkaisuna yleistyy.

Kenttäväyläpohjaisia automaatioratkaisuja tukevat nykyään kaikki suuret automaatiotoimittajat. Markkinoilla uusista yrittäjistä on pinnalle noussut mm. PCS7- ja DeltaV-järjestelmät, joista enemmän kenttäväylät kurssissa.

8 AUTOMAATIOPROJEKTIT

Tässä luvussa tarkastellaan automaatioprojektin eri vaiheita: automaation suunnittelua, toteutusta ja käyttöönottoa. Tarkastelussa esitetään lähestymistapa, jolla tilaaja ja laitetoimittaja pystyvät systemaattisesti tunnistamaan ja kuvaamaan yrityksen, prosessin ja käyttäjien tarpeet sekä määrittelemään näiden pohjalta automaatiojärjestelmän toiminnot ja muut ominaisuudet.

Automaatioprojekteilla tarkoitetaan tässä yhteydessä toimintaa, jossa suunnitellaan ja hankitaan ja otetaan käyttöön tuotantolaitoksen automaatiolaitteita. Kysymyksessä on tällöin aina jonkinlaisesta tilaajan ja loppukäyttäjän sekä suunnittelijan ja laitetoimittajan välisestä yhteistyöstä. Asioita tarkastellaan tässä lähinnä tilaajan ja loppukäyttäjän näkökulmasta, jolloin projektin lähtökohtana on jokin valmis laitteisto, jota sovelletaan yrityksen tuotantoprosesseissa. Toimittajan näkökulma sisältää sovellusprojektien lisäksi laitteisiin ja ohjelmistoihin liittyvät kehitysprojektit, joihin ei tässä puututa. Automaation hankinta- ja käyttöönottoprojekteja voidaan tarkastella pääotsikon mukaisesti kolmen perusvaiheen kannalta:

1. suunnittelu,

2. toteutus ja

3. käyttöönotto.

8.1 Suunnittelu

Suunnittelu voidaan jakaa periaatteessa seuraaviin vaiheisiin:

- esisuunnitteluun,

- spesifiointivaiheeseen ja

- toimittajan valintaan.

Esisuunnittelua edeltää usein jokin tutkimus- tai esiselvitysprojekti, josta ajatukset automaation kehittämiseen ja uusimiseen tai kokonaisen uuden tehdasprojektin käyntiinsaattamiseen ovat saaneet alkunsa. Esisuunnittelussa pyritään selvittämään kohteen automatisointitarpeet, tehdään kannattavuuslaskelmia mahdolliselle investoinnille ja sitä varten joudutaan jo alustavasti määrittelemään automaatiolaitteiston koko ja tyyppi. Edelleen on tärkeää löytää ne nimenomaiset kohteet, joihin automaation kannattavuus voidaan perustaa. Esisuunnittelussa harkitaan myös projektin toteutusorganisaatio sekä työn jakautuminen oman yrityksen, toimittajan ja muiden mahdollisten projektiosapuolten kesken.

Spesifiointivaihe käsittää yksityiskohtaiset määrittelyt ja suunnitelmat. Siinä määritellään mm. kaikki järjestelmän toiminnot sekä piirretään tarvittavat kaaviot ja piirustukset. Mikäli järjestelmän tyyppi ja laitemerkki ovat selvillä, suunnitellaan jo laitteiston ja ohjelmiston kokoonpanokin varsin yksityiskohtaiselle tasolle. Tavallisesti tyydytään kuitenkin siihen tasoon, joka tarvitaan toimittajille lähetettävään tarjouspyyntöön. Tarjouspyynnössä tilaaja määrittelee, mitä hän haluaa ostaa.

Tarjouspyyntöihin saadut vastaukset, tarjoukset, pyritään saamaan vertailukelpoisiksi toimittajan valintaa varten. Tarjouksessa toimittaja määrittelee, miten ja mihin hintaan tarjouspyynnössä esitetyt asiat aiotaan toteuttaa. Toimittajan valintaan vaikuttavat tarjouksen lisäksi mm. aikaisemmat kokemukset, referenssitoimitukset, toimittajan valmiudet hoitaa koulutus, käynnistys ja ns. jälkihoito. Edelleen päätökseen voi vaikuttaa myös esim. kotimaisuusaste sekä huollon ja varaosatoimitusten järjestäminen.

Kun järjestelmän toimittaja on valittu, voidaan oikeastaan vasta tehdä lopullinen päätös projektin toteuttamisesta. Mikäli hanke käynnistyy, laaditaan hankintasopimus, jossa määritellään mahdollisimman yksityiskohtaisesti ja tarkasti kaikki tilaajan ja toimittajan väliset suhteet (oikeudet ja velvollisuudet) sekä menettely riitatapauksissa.

7.2 Toteutus

Toteutus koostuu periaatteessa kahdesta erillisestä tehtäväkokonaisuudesta:

- asennuksesta ja

- sovellusohjelmoinnista (konfiguroinnista).

Asennus käsittää instrumenttien asennukset sekä kenttäkaapelien kytkennät ja ristikytkennän rakentamisen. Sovellusohjelmoinnissa laaditaan mm. tietokannat, säätöohjelmat sekä valvontaan ja raportointiin liittyvät ohjelmat.

Molemmissa tehtävissä onnistumisen perusta muodostuu suunnitteluvaiheessa tuotettujen dokumenttien kuten toiminta- ja johdotuskaavioiden, toimintakuvausten sekä sijoitus-, kokoonpano- ja asennuspiirustusten oikeellisuudesta, ymmärrettävyydestä sekä yksityiskohtaisuudesta. Koska toteutusvaiheessa täytyy pystyä työskentelemään ryhmänä, jossa on erilaisen ammatillisen koulutuksen ja kokemuksen omaavia henkilöitä, huomiota on kiinnitettävä erityisesti dokumenttien selväkielisyyteen ja ymmärrettävyyteen. Asennustyö toteutetaan usein alihankintana erikseen määritellyllä sopimuksella joltakin asennusliikkeeltä ja konfiguroinnissakin käytetään monesti jonkin ulkopuolisen toimiston työvoimaa. Tämä asettaa erityisiä vaatimuksia projektin hallinnalle ja töiden johtamiselle.

7.3 Käyttöönotto

Käyttöönottovaiheessa tehdään aluksi koestukset, joissa varmistetaan asennusten ja ohjelmoinnin karkean tason virheettömyys. Koestusten yhteydessä tehdään usein ns. vesiajoja, joissa suunniteltuja toimintoja voidaan testata pienempinä osina. Kun erikseen testattavissa olevat asiat alkavat olla kunnossa, voidaan aloittaa varsinainen tuotantoajo (start l. ylösajo). Tässä yhteydessä esille tulee usein vielä paljon virheitä ja puutteita, joita sitten korjaillaan.

Käyttöönottovaiheessa tehtävät korjaukset tulevat erittäin kalliiksi, koska ne sitovat runsaasti henkilöstöä, joka tapauksesta riippuen on enemmän tai vähemmän kuormitettuna erilaisissa muutos- ja korjaustilanteissa. Tämän vuoksi nykyisin panostetaan huomattavasti ns. FAT-testeihin (Factory Acception Test), joissa pyritään testaamaan sovelluskonfiguraatio mahdollisimman pitkälle jo ennen laitteiston siirtoa kohdepaikalle. Kun laitteisto sitten siirretään kohdepaikalle, sille tehdään vain ns. SAT-testi (System Acception Test), jossa nopeasti varmistetaan, että laitteisto on tullut ehjänä perille.

Käyttöönottovaihetta seuraa vielä ns. jälkitarkkailu, jossa prosessia seurataan varsinaisessa tuotantoajossa, jotta kaikki mahdolliset ajotilanteet tulisivat esille. Tässä vaiheessa tehdään vielä pieniä muutoksia ja virityksiä. Hankintasopimukseen mahdollisesti sisältyvien takuiden vaatimat suorituskykytestit tehdään myös jälkitarkkailuvaiheessa. Kun ne on tehty ja sovittu aika on kulunut, projekti katsotaan päättyneeksi ja sen tulokset luovutetuksi tilaajalle sopimuksen mukaisesti.

Syksy 2009

1 JOH­DAN­TO

5 Säätötekniikan perusteet

1 JOHDANTO