PuukuitulusikankäsittelyjapakkausruiskuvalusolussaTuomoMarjolaOpinnäytetyöHelmikuu2020TekniikanalaInsinööri(AMK),sähkö-jaautomaatiotekniikka

Kuvailulehti

Tekijä(t)Marjola,Tuomo

JulkaisunlajiOpinnäytetyö,AMK

PäivämääräHelmikuu2020

Sivumäärä109sivua

JulkaisunkieliSuomi

Verkkojulkaisulupamyönnetty:x

TyönnimiPuukuitulusikankäsittelyjapakkausruiskuvalusolussa

Tutkinto-ohjelmaInsinööri(AMK),sähkö-jaautomaatiotekniikantutkinto-ohjelma

Työnohjaaja(t)MarkkuStröm,VesaHytönenToimeksiantaja(t)KaptasOy

Tiivistelmä

EuroopanUnionikieltääkertakäyttöistenmuovistenruokailuvälineidenkäytönvuoteen2021mennessä.Toimeksiantajanasiakkaanatoimivayritystoimarkkinoillepuukuidustavalmistetutruokailuvälineet,joidenontarkoituskorvataperinteisetmuovisetkertakäyttö-aterimet.Asiakasyrityshalusivastataaterimienkasvaneeseenkysyntääninvestoimallalu-sikka-,haarukka-javeitsiautomaatteihin,joillasaavutettiinkorkeampituotantotehokkuus.

Opinnäytetyöntavoitteenaoliautomatisoidapuukuitulusikankäsittely-japakkaustoimen-piteet.Tavoitteenaolikaksinkertaistaanykyinentuotantomääräjapoistaaoperaattorei-denkäsikokoonpanontyövaiheet.Työntoteuttamiseksiolivalittavatoimilaitteidenauto-maattisenohjaukseen,kappaleenkäsittelyynjaturvallisuustoteutukseenvaaditutohjaoh-jausjärjestelmä,teollisuusrobottijaturvaohjain.

Opinnäytetyössäotettiinkäyttöönautomaatiojärjestelmä,johonkenttäväyläyhteyksiähyö-dyntäenliitettiinturvaohjainjateollisuusrobotti.Automaatiojärjestelmä,turvaohjainjate-ollisuusrobottiohjelmoitiinjatoimintatestattiin.Automaattiotettiinkäyttöönasiakkaantoimitiloissajaautomaatillesuoritettiintoimintajärjestelmänmukaisethyväksyntäajot.Tie-toperustaakerättiinkirjallisuudesta,verkkojulkaisuistajalaiteoppaista.Tutkimusmenetel-mänähyödynnettiinbenchmarking-jateemahaastatteluja,joidenavullakerättiintutki-musaineistoa.

Opinnäytetyöntuloksenaruiskuvalukoneenruiskuvalamatpuukuitulusikatsaatiinkäsiteltyäjapakattuasiten,ettäautomaatinlopputuotteenasaatiinpakattujaaterinpusseja.Toimek-siantajanasiakkaantuotannollisiintavoitteisiinpystyttiinvastaamaankaksinkertaistamallatuotantojapoistamallaoperaattoreidentyövaiheet.

Avainsanat(asiasanat)Teollisuusautomaatio,ohjausjärjestelmä,turvaohjain,robotiikka,Ethernet/IP,EtherCATMuuttiedot(salassapidettävätliitteet)

Description

Author(s)Marjola,Tuomo

TypeofpublicationBachelor’sthesis

DateFebruary2020Languageofpublication:Finnish

Numberofpages109pages

Permissionforwebpubli-cation:x

TitleofpublicationHandlingandpackingofwoodfiberspoonsinaninjectionmoldingcell

DegreeprogrammeDegreeprograminElectricalandAutomationEngineering

Supervisor(s)Ström,MarkkuandHytönen,VesaAssignedbyKaptasOy

Abstract

TheEuropeanUnionwillbantheuseofdisposableplasticcutleryby2021.Thecustomeroftheprincipallaunchedcutlerymadeofwoodfiberwhichwillreplacethetraditionalplasticcutlery.Environmentallyfriendlymaterialsincreasedthedemandforwoodfibercutlery.Thecustomercompanywantedtorespondtotheincreaseddemandforcutlerybyinvest-inginspoon,forkandknifemachines,whichachievedhigherproductionefficiency.

Theaimofthisthesiswastoautomatethehandlingandpackingofwoodfiberspoons.Theaimwastodoublethecurrentproductionvolumeandtoeliminatetheoperationalstepsofthemanualassemblyofoperators.Theworkwascarriedoutbyselectingacontrolsteeringsystem,anindustrialrobotandasafetycontroller.Thesedeviceswereusedtocontroltheautomaton,toprocessthepartsandtoimplementsafety.

Theworkbeganwiththeintroductionofanautomationsystem.Asafetycontrollerandanindustrialrobotwereconnectedtotheautomationsystemviafieldbuses.Thecontrolsys-tem,thesafetycontrollerandtheindustrialrobotwereprogrammedandfunctiontested.Themachinewastakenintouseatthecustomer`spremisesandthemachinewasap-provedaccordingtotheoperatingsystem.Theknowledgebasedwascollectedfromlitera-ture,onlinepublicationsanddevicemanuals.Benchmarkingandthematicinterviewswereusedasaresearchmethodtocollectresearchmaterial.

Asaresultofthisthesis,woodfiberspoonsmadebyaninjectionmoldingmachinewerehandledandpackedautomatically.Thecustomer`swisheswerefulfilledwithasolutionthatdoubledproductionandeliminatedoperatorworkflows.

Keywords/tags(subjects)Industrialautomation,controlsystem,safetycontroller,robotics,Ethernet/IP,EtherCATMiscellaneous(Confidentialinformation)

1

Sisältö

1 Johdanto.........................................................................................................7

1.1 Opinnäytetyönlähtökohta.........................................................................7

1.2 Opinnäytetyöntavoite................................................................................7

1.3 KaptasOy....................................................................................................9

2 Käytetyttutkimusmenetelmät........................................................................9

3 Ohjelmoitavalogiikka....................................................................................10

3.1 Rakenne....................................................................................................11

3.2 Logiikanvalinta.........................................................................................13

3.3 Logiikanohjelmointi.................................................................................13

3.4 Turvalogiikka.............................................................................................17

3.5 Relejaturvarele.......................................................................................17

4 Kenttäväylät..................................................................................................18

4.1 OSI-malli...................................................................................................18

4.2 Ethernet/IP-kenttäväylä...........................................................................21

4.2.1 Toimintaperiaate...........................................................................21

4.2.2 Osoitteet........................................................................................23

4.2.3 EDS-tiedosto..................................................................................24

4.3 EtherCAT-kenttäväylä...............................................................................24

4.3.1 Toimintaperiaate...........................................................................25

4.3.2 Osoitteet........................................................................................25

4.3.3 Turvallisuusprotokolla...................................................................26

5 Teollisuusrobotit............................................................................................26

5.1 Teollisuusrobotintyypit............................................................................27

5.2 Teollisuusrobotinvalinta..........................................................................28

5.3 Teollisuusrobotinohjainyksikkö...............................................................28

5.4 Teollisuusrobotinkoordinaatistot............................................................29

5.5 Teollisuusrobotinohjelmointi..................................................................29

5.6 Teollisuusrobottitarrainjatyökalut..........................................................30

2

5.7 Digitaalisettulo-jalähtösignaalit.............................................................31

6 Koneturvallisuus............................................................................................32

6.1 Standardit.................................................................................................33

6.2 Riskienarviointi........................................................................................33

6.3 Luokat,suoritustasotjaturvallisuudeneheytystasot...............................36

6.4 Turvatoiminnotjakomponentit...............................................................41

6.4.1 Turvasuojat....................................................................................41

6.4.2 Hätäpysäytys..................................................................................43

7 Paineilmatoimilaitteetjalähestymiskytkimet................................................43

7.1 Paineilma..................................................................................................44

7.2 Sylinterit...................................................................................................44

7.3 Anturit......................................................................................................45

7.4 Venttiilit....................................................................................................47

8 Työntoteutus................................................................................................50

8.1 Lähtöasetelma..........................................................................................50

8.2 OmronNX1P2-ohjelmoitavalogiikka.......................................................51

8.2.1 Ohjelmoitavanlogiikanvalinta......................................................51

8.2.2 NX1P2-ohjelmoitavanlogiikanrakenne........................................52

8.2.3 SysmacStudio-ohjelmisto..............................................................55

8.3 OmronNX-turvaohjain............................................................................55

8.3.1 Turvaohjaimenvalinta...................................................................55

8.3.2 Turvayksiköt...................................................................................56

8.4 YaskawaGP12-teollisuusrobotti..............................................................58

8.4.1 Robotinvalinta...............................................................................58

8.4.2 YaskawaGP-12-teollisuusrobotti..................................................59

8.4.3 YRC1000-robottiohjain..................................................................60

8.4.4 Robotintyökalu..............................................................................61

9 Laitekonfiguraatiot........................................................................................62

9.1 Projektinluominenjayhteysasetustenmäärittäminen...........................62

9.2 EtherCAT-kenttäväylänkonfiguraatio......................................................63

3

9.3 Ethernet/IP-kenttäväylänkonfiguraatio...................................................65

10 Ohjelmointi....................................................................................................71

10.1 Logiikkaohjelmointi..................................................................................71

10.1.1Fyysistentulojenjalähtöjenyhdistäminenmuuttujiin.................72

10.1.2Ohjelmarakenne............................................................................73

10.1.3Pakkaukoneenohjaus....................................................................74

10.1.4Leikkaimenohjaus.........................................................................75

10.1.5Kääntöpöydänohjaus....................................................................77

10.2 Turvaohjaimenohjelmointi......................................................................81

10.2.1Riskianalyysi...................................................................................81

10.2.2Turvapiirinrakenne........................................................................82

10.2.3TurvakomponenttienyhdistäminenturvaI/O-yksiköihin.............83

10.2.4Turvaohjaimenohjelmointi...........................................................85

10.3 Teollisuusrobottiohjelmointi....................................................................87

10.3.1Työkalu-,I/O-jamuuttujamääritykset...........................................88

10.3.2Ohjelmarakenne............................................................................90

10.3.3Alkuehdotjalaatikointi..................................................................91

10.3.4Kääntöpöydältähaku.....................................................................92

10.3.5Pakkauskoneellevienti..................................................................94

10.3.6Tarttujanohjausjahäiriöngenerointi............................................94

10.3.7Ohjelmasuorituksenaloittaminen.................................................95

11 Käyttöönotto.................................................................................................96

11.1 Toiminnantestaus....................................................................................96

11.2 Automaatintestauksetjahyväksyntäajo.................................................97

12 Tutkimustuloksetjapäätelmät......................................................................98

12.1 Tuotannonautomatisointi........................................................................98

12.2 Tuotannollisethyödyt...............................................................................99

12.3 Päätelmät...............................................................................................100

4

13 Pohdinta......................................................................................................101

Lähteet................................................................................................................103

Liitteet................................................................................................................106

Liite1.Puukuitulusikka-automaatinlayout-kuva...............................................106

Kuviot

Kuvio1.Ohjelmoitavanlogiikanrakenne....................................................................11

Kuvio2.LadderDiagram-esitystapa...........................................................................15

Kuvio3.FunctionBlockDiagram-esitystapa..............................................................16

Kuvio4.Ethernet/IP-verkonCIP:nyhteysOSI-malliin.................................................22

Kuvio5.Ethernet/IP-verkonyhteysOSI-malliin..........................................................23

Kuvio6.Matriisitaulukkoriskienarviointiin................................................................35

Kuvio7.Suoritustaso,luokanvastaavuusjaturvallisuudeneheytystasoSIL...............37

Kuvio8.PL-tasonarviointi...........................................................................................38

Kuvio9.MatriisimenetelmäSIL-tasonmäärittämiseksi..............................................39

Kuvio10.Ohjausjärjestelmänmerkitysriskienhallinnassa.........................................40

Kuvio11.Suojauksenkytkennänliittäminenkoneentoimintaan...............................42

Kuvio12.Johdesylinteri..............................................................................................45

Kuvio13.3/2-suuntaventtiilinrakenne.......................................................................48

Kuvio14.5/2-suuntaventtiilinrakenne.......................................................................49

Kuvio15.5/3-suuntaventtiilinrakenne.......................................................................49

Kuvio16.OmronNX1P2-9024DT1-ohjelmoitavalogiikka...........................................53

Kuvio17.OmronNX1P2-9024DT1-tuloterminaali......................................................54

Kuvio18.OmronNX1P2-9024DT1-lähtöterminaali....................................................54

Kuvio19.Turvaohjaimenmasterjaslavejärjestelmäkokoonpano.............................57

Kuvio20.YaskawaGP12-teollisuusrobotti.................................................................59

Kuvio21.YRC1000-robottiohjain................................................................................60

Kuvio22.YRC1000-robottiohjaimenIN1-8tuloryhmä...............................................61

Kuvio23.YRC1000-robottiohjaimenOUT1-8lähtöryhmä.........................................61

Kuvio24.Yhteysasetustenmäärittäminen.................................................................63

5

Kuvio25.EtherCAT-slave-laitteenlisäys.....................................................................64

Kuvio26.TurvaI/O-yksiköidenlisäys.........................................................................65

Kuvio27.Ethernet/IP-adapterinasetukset................................................................66

Kuvio28.I/O:nosoitealueet.......................................................................................67

Kuvio29.Ethernet/IPI/O-datatyyppimäärittelyt.......................................................68

Kuvio30.Ethernet/IPI/O-muuttujat..........................................................................68

Kuvio31.SysmacStudioEthernet/IPyhteysasetukset...............................................69

Kuvio32.SysmacStudioEthernet/IP-yhteysrobotille...............................................70

Kuvio33.Ethernet/IP-yhteydentestaus....................................................................70

Kuvio34.OhjelmoitavanlogiikanjaturvaohjaimenI/O-kaavio..................................72

Kuvio35.OhjelmoitavanlogiikanI/O:nyhdistäminenmuuttujiin..............................73

Kuvio36.Logiikkaohjelmamoduulipakkaus...............................................................74

Kuvio37.Logiikkaohjelmoduulileikkaimensekvenssiohjaus.....................................76

Kuvio38.Logiikkaohjelmamoduulileikkaimenlähdöt................................................77

Kuvio39.Logiikkaohjelmamoduulikääntöpöydänohjaus..........................................79

Kuvio40.Logiikkaohjelmamoduulisekvenssiohjaus...................................................80

Kuvio41.Ohjelmamoduulikääntöpöydänulkoisetkättelyt.......................................81

Kuvio42.Turvatulojenyhdistäminenturvatuloyksikköön..........................................84

Kuvio43.Turvalähtöjenyhdistäminenturvalähtöyksikköön......................................84

Kuvio44.TurvaI/O:nmuuttujamäärittelyt.................................................................85

Kuvio45.Hätä-seis-piirinohjaus................................................................................86

Kuvio46.Turvapiirinohjaus........................................................................................87

Kuvio47.Työkalupisteenmääritys..............................................................................88

Kuvio48.TeollisuusrobotinI/O-määritykset...............................................................89

Kuvio49.Teollisuusrobotinpääohjelmarakenne........................................................91

Kuvio50.TeollisuusrobotinLAATIKKO-aliohjelma.....................................................92

Kuvio51.TeollisuusrobotinKÄÄNTÖPÖYTÄ-aliohjelma............................................93

Kuvio52.TeollisuusrobotinTARTTUJA-aliohjelma.....................................................95

6

Taulukot

Taulukko1.OSI-viitemallinkerrokset..........................................................................19

Taulukko2.Suoritettavattoimenpiteetriskienarviointiluokanmukaisesti...............35

7

1 Johdanto

1.1 Opinnäytetyönlähtökohta

AutomaatiolaitteidenlaitevalmistajanatoimivaKaptasOyonsaanutasiakkaaltaan

toimeksiannontoteuttaapuukuituaterimienkäsittely-japakkaustoimenpiteidenau-

tomatisointi.Automaateillapakattavienpuukuituaterimienontarkoituskorvatape-

rinteisetmuovistavalmistetutkertakäyttöaterimet.Ympäristökuormanpienentä-

miseksipuukuituaterimienraaka-aineenakäytetäänpuukuitumassaa,jokaonsekoi-

tuspuukuitupellettiäjasokeriruo’ostavalmistettuapolyeteeniä.

EuroopanUnionikieltääkertakäyttöisetmuovisetruokailuvälineetvuoteen2021

mennessä.Euroopankomissionmukaanyli80%meressäolevastaroskastaonmuo-

via.Vuonna2021kiellettävätmuovituotteetkoskevatkertakäyttöisiämuovistaval-

mistettujapumpulipuikkoja,pillejä,juomasekoittimiajaruokailuvälineitä.(Parla-

menttisinetöikertakäyttömuovin...2019.)

Muovistavalmistettujenruokailuaterimienkieltovuoteen2021onjonythidastanut

kertakäyttöistenmuoviaterimienkysyntääEuroopassa.Markkinoilletarvitaanuusia,

ympäristöystävällisistämateriaaleistavalmistettujaaterimia,joillakorvataankerta-

käyttöisetmuoviaterimet.Tähänkysyntäänvastataantulevaisuudessapuukuidusta

valmistetuillaruokailuaterimilla.Toimeksiantajanasiakasyrityksentavoitteenaon

vastatakasvaneeseenkysyntääninvestoimallauusiinlusikka-,haarukka-javeitsiau-

tomaatteihin,joillasaavutetaankorkeatuotantotehokkuus.

1.2 Opinnäytetyöntavoite

Tämänopinnäytetyöntavoitteenaoliautomatisoidapuukuitulusikankäsittelynpak-

kaustoimenpiteet.Tavoitteenaoliluodaratkaisu,jossaruiskuvalukoneenvalamat

puukuituaterimetkäsitelläänjapakataanautomaattisestiniin,ettälopputuotteena

saadaanpakattujaaterinpusseja.Automatisoinnintavoitteenaonkaksinkertaistaa

nykyinentuotantomäärä.Lisäksiopinnäytetyöntavoitteenapyrittiinvähentämään

8

operaattoreilleaterimienkäsikokoonpanostaaiheutuviaterveysriskejä.Operaattorin

tehtävänäkäsikokoonpanossaoliaterimienirrotusruiskuvalukoneenvalamastaate-

rinviuhkasta,jostaoperaattorijoutuiirrottamaanlusikatyksitellen.Aterimetjärjes-

teltiinjapinottiinkäsin,minkäjälkeenneasennettiinpussiin.Operaattorilämpösau-

masijaasettitarranpussiin,jollointuotepussiolivalmiinajatkokäsittelyyn.Automati-

soinnintavoitteenaolisaadapoistettuaoperaattorinkäsikokoonpanontyövaiheet.

Puukuituaterimienkäsittelyjapakkaustoimenpiteidenautomatisointiprojektinaoli

laajakokonaisuus.Projektinläpivieminenvaatiyhteistyötäyrityksenjohdon,meka-

niikkasuunnittelun,sähkösuunnittelun,laatutiiminsekäsähkö-jamekaniikka-asen-

nuksenkesken.Tämäopinnäytetyörajattiinsähkösuunnittelunosuuteen,jokapai-

nottuiohjausjärjestelmä-jatoimilaitevalintoihin,toimilaitteidenliityntärajapintoihin,

ohjelmointiinjakäyttöönottoon.

Ohjausjärjestelmänätoimivatohjelmoitavalogiikka,turvaohjainjateollisuusrobotti

olivalittavaprojektivaatimustenmukaisesti.Automaatinsisältämientoimilaitteiden

liitäntärajapinnatolisuunniteltavasiten,ettäneovatohjattavissaohjelmoitavallalo-

giikalla.Logiikka-jarobottiohjelmointiolitoteutettavasiten,ettätoimilaitteidenliik-

keetjakappaleenkäsittelyvoidaansuorittaaautomaattisesti.Automaatinkäyttäjä-

turvallisuudentoteuttamiseenkäytettiinturvaohjainta.Turvaohjaimenohjelmointija

siihenliitettävätturvakomponentitolisuunniteltavasiten,ettäkäyttäjäturvallisuus

toteutuiriskianalyysinmukaisesti.Käyttöönottovaiheessaautomaatintoimintaolito-

dennettavatekemälläautomaatilletilaajayrityksentoimintajärjestelmänmukaiset

testaukset.Operaattoreillepidettiinkäyttäjäkoulutusautomaatinturvalliseenkäyt-

töönliittyenjatoimitettiinautomaatinkäyttöohje.Virallisethyväksyntäajotsuoritet-

tiinasiakkaanjatoimeksiantajansopimuksenmukaisesti.

Laajuudentakiaaiheestarajattiinpoissähkösuunnittelu-osio,jokasisälsikomponent-

tiluettelonjasähkökuvatoteutuksen.Lisäksiaiherajattiinyhteenautomaattiin,eli

puukuitulusikanpakkaamiseen.Lusikkavalittiinkohteeksi,koskasenautomaatinval-

mistusajankohtaoliaikataulutettuensimmäiseksi.Haarukka-javeitsiautomaatitpys-

tytääntoteuttamaantämänopinnäytetyöntutkimustulostenperusteella.

9

1.3 KaptasOy

OpinnäytetyöntilaajaonautomaatioteknologianasiantuntijayritysKaptasOy.Yritys

sijaitseeLiperissäItä-Suomessa.Kaptastarjoaaasiakkailleenasiantuntijapalveluita,

kappaleenkäsittelyä,tuotannonautomatisointiratkaisuitasekäautomaatiolaitteiden

huolto-jaylläpitopalveluita.Asiakkainaonlääketeollisuuden,metallin,muovin,

elektroniikanjaelintarvikealanyrityksiä.Tuotantomenetelmienjaprosessienkehityk-

sessähyödynnetäänkattavastirobotiikkaa,simulointia,konenäköä,mittaustekniik-

kaa,kappaleensyöttöä,keinoälyäjabigdataa.

Automaatiokäsitteenätarkoittaaitsestääntoimivaa.Automaatiossatoimintatapah-

tuuilmanihmisenohjaavaataisuorittavaaosuutta.Automaattionautomaattisesti

eliitsestääntoimivakonetailaite.Tuotantoautomaatiovoidaanjakaaprosessi-jako-

neautomaatioon.Prosessiautomaatiokäsitteleevirtaavianesteitäjaniidenohjaus-

tekniikkaa.Koneautomaatioymmärretäänyleensäkappaletavara-automaatioksi.

Kappaletavara-automaatiossatuotteetkulkevatkuljettimiapitkinjaniitäkokoonpan-

naan,pakataan,varastoidaanjalajitellaanautomaattisesti.(Keinänen,Kärkkäinen,

Lähetkangas&Sumujärvi2007.)

2 Käytetyttutkimusmenetelmät

Tämäopinnäytetyötoteutettiinkehittämistutkimuksena.Opinnäytetyötävoipitää

kehittämistutkimuksena,koskasilläkehitettiinolemassaolevaatuotantomenetel-

mää.Kehittämistutkimuksellatähdätäänmuutokseen.Muutoksenaikaansaamiseksi

kehittämistutkimuksessakehitetäänmenetelmää,tuotettataiorganisaatiotayms.

Kehittämistutkimuksentaustallaonainateoriataiteoriat,joihinkehittäminenperus-

tuu.Kehittäminenvaatiimyöstutkimuksellistaotetta,jolloinvoidaanpuhuakehittä-

mistutkimuksesta.(Kananen2012,76.)

10

Kehittämistutkimuksessahyödynnetäänerilaisiatutkimusmenetelmiä.Tässäopin-

näytetyössäkäytettiinlaadullisenelikvalitatiivisentutkimuksenmenetelmiä.Kvalita-

tiivisessätutkimuksessaensinperehdytääntutkimusongelmaanjasenmäärittämi-

seen,jotaseuraatavoitteet,joihinpyritäänhankkimallatarvittavaaineisto.Tutkimus

prosessivoidaanmyösvaiheistaatutkimuksensuunnittelu-,tiedonkeruu-,analyysi-ja

tulkintavaiheisiin.(Kananen2010,36.)Tämänopinnäytetyöntärkeimpinätutkimus-

kysymyksinä,joihinhaetaanvastauskehittämistutkimusmenetelmienavullaovat:

- Kuinkatuotantoautomatisoidaan?- Kuinkatuotannollisethyödytsaavutetaan?

Tässäopinnäytetyössätutustuttiinensinprojektinlähtötietoihin,jotkaoliluotunyky-

tilankartoittamisentuloksena.Lähtötiedotsisälsivätasiakkaanhyväksymätmekaani-

setratkaisutjatoimintaperiaatteenautomaatintoimintaanliittyen.Lisäksitietoläh-

teitäkerättiinsähkö-jamekaniikkasuunnittelijoidenhaastatteluilla.Mekaniikkasuun-

nittelijanhaastatteluntavoitteenaolikerätätutkimusaineistoaautomaatinmekaa-

nistentoimilaitteidenmäärästäjatoimintarutiineista,joidentietämysolioleellisen

osanaautomaatinohjausjärjestelmävalintaajaohjelmointia.Ohjausjärjestelmävalin-

noissasekäniidenohjelmoinnissahyödynnettiinbenchmarking-menetelmää.Säh-

kösuunnittelijoidenbenchmarking-haastatteluillakerätyllätutkimusaineistollasaatiin

tietoaaiemminhyväksihavaituistalogiikkamalleistajaohjelmarutiineista.

Kerättyjentietolähteidenjaprojektinlähtötietojenperusteellaautomaatinohjausjär-

jestelmäjatoimilaitevalinnatsaatiinvalittua.Logiikan-,turvaohjaimen-jarobotinoh-

jelmointijakenttäväyläkonfiguraatiottoteutettiinbenchmarkingtutkimustuloksiaja

laitevalmistajanlaiteoppaitahyödyntämällä.

3 Ohjelmoitavalogiikka

Ohjelmoitavalogiikka(PLC=ProgrammableLogicController)onyksittäinen,itsenäi-

nen(StandAlone)automaatiojärjestelmä,jotakäytetäänreaaliaikaistenautomaatio-

prosessien,esimerkiksikoneidentaituotantolinjojenohjaukseen.Ohjelmoitavassa

11

logiikassaontulo-jalähtöportteja,joihinkytketäänkaikkikenttälaitteet.Ohjelmoi-

tavalogiikkaohjaakenttälaitteitaladatunsovellusohjelmanmukaisesti.Logiikkakehi-

tettiinalunperinkorvaamaanmonimutkaisiarelekytkentöjä.Logiikallavoikorvata

satojataituhansiareleitäjaajastimia.(Keinänenym.2007,212.)

3.1 Rakenne

Kuviossa1onesitettynäohjelmoitavanlogiikanrakenne.Teholähteen(Power)tehtä-

vänäontuottaalogiikankeskusyksikönjaI/O-yksiköidenvaatimateho.Kenttälaittei-

denvaatimatehootetaanyleensäerillisestäteholähteestä,jonkakäyttöjänniteon

yleensä24VDC.Teholähteenkäyttöjännitteenäkäytetään230VACtai24VDC.(Fonse-

lius,Pekkola,Selosmaa,Ström&Välimaa1996,107.)

Kuvio1.Ohjelmoitavanlogiikanrakenne.(Kippo&Tikka2008,56)

KeskusyksikköeliCPU(CentralProcessingUnit)lukeekäsittelyohjeetohjelmamuis-

tistajakeskusyksikköohjaatoimilaitteitaohjelmanmukaisesti.Keskusyksikköonto-

teutettupoikkeuksettamikroprosessorilla.Logiikassavoiollauseampiaprosessoreita

jajokaisellaprosessorillaonomaerikoistehtävänsä.(Kippo&Tikka2008,54,57.)

Logiikanohjelma-jadatamuistiovattyypiltäänRAM(RandomAccessMemory)–

muistia.Tämäntyyppinenmuistivoiollahaihtumatontaihaihtuva.Ohjelmamuistion

yhdelläRAM-alueella,jonkaonsäilyttäväsähkökatkonyli.Vanhemmatlogiikkajärjes-

12

telmättarvitsevatakunvarmentamaanohjelmamuistinsäilymisen.Näissäjärjestel-

missäakunloppuminenaiheuttiohjelmankatoamisenohjelmamuistista.Uusissa

alustoissaohjelmamuistitallennetaaneihaihtuvallealueelleesimerkiksiSecudeDigi-

tal(SD)RAM:iin.Logiikoidenmuistikokoilmoitetaanyleensäohjelmarivienmääränä,

jonkaperusyksikköon1K=1024käskyä.Muistikootvaihtelevatpienlogiikan0,25K

muisteistaainaisojenjärjestelmien256kiloon.(Keinänenym.2007,225;PLCMe-

mory2006.)

Ohjelmoitavassalogiikassaontulo-jalähtöportteja,joihinonkytkettykaikkiproses-

sinkenttälaitteet.Tulopiirienavullakentältätulevatsignaalitkytketäänohjelmoita-

vaanlogiikkaan,esimerkiksirajakytkimet,mittausanturit,painonapitjalähettimet.

Lähtöpiiritohjaavatautomaatinsisältämiätoimilaitteitakutenventtiileitä,taajuus-

muuttajiataiservo-ohjaimia.Tulo-jalähtöpiirienyhteisnimityksenäkäytetäännimi-

tystäI/O(input/output).(Kippo&Tikka2008,59.)

Tulot-jalähdötovatmonestirinnakkaisiabittiryhmiäelitavuja(Byte)jasanoja

(Word).Bittionpieninmuistiyksikkö,jokavoisaadaarvon0(epätosi)tai1(tosi).Kah-

deksanrinnakkaistabittiämuodostaatavun.Tavuvoisaada2"eli256arvoajasana

2#$eli65536arvoa.(Keinänenym.2007,227.)

LogiikatvoivatollavarustettujakiinteälläI/O-määrällätainevoidaankootamonesta

yksittäisestäyksiköistä.KiinteälläI/O-määrällävarustetutlogiikatsoveltuvatyksittäis-

tenlaitteidenohjaukseen.Näissälaitteissaeiyleensäolemahdollisuuttalaajentaa

I/O-määrää.Suuremmissamodulaarisissalogiikkajärjestelmissätulo-jalähtöportit

voidaanhajauttaakentälleerillisiinkenttäväyläyksiköihin,jolloinpuhutaankenttä-

väylästä.Kenttäväyläonkytkettylogiikkaantiedonsiirtokaapelillakäyttäenlogiikan

tukemaakenttäväyläprotokollaa.Protokollallatarkoitetaankieltätaikielioppia,mitä

laitteetkäyttävätkussakinkenttäväylässä.(Keinänenym.2007,212,214.)

HMI(HumanMachineInterface)tarkoittaakoneenjaoperaattorinvälisenvuorovai-

kutuksentarvittavialaitteitajaohjelmia,joidenavullaoperaattoriohjaakonettatai

prosessia.Tätävuorovaikutustakutsutaankäyttöliittymäksi.(Kippo&Tikka2008,

13

46.)Käyttöliittymänävoitoimiayksinkertaisimmillaankäynnistys-japysäytyspainik-

keet.Tavallisestikäyttöliittymänäkäytetäänkosketusnäytöllävarustettuaoperointi-

paneelia.Automaatiolaitteensisältämänteollisuusrobotinkäsiohjaintavoidaankäyt-

täärobottitoimintojenohjauksenlisäksi,myöskäyttöliittymänä.Käyttöliittymäliite-

täänohjelmoitavaanlogiikkaantiedonsiirtokaapelillakäyttäenlogiikantukemaatie-

donsiirtoprotokollaa.(Keinänenym.2007,220.)

3.2 Logiikanvalinta

LogiikanvalintaanvaikuttaviatekijöitäovatI/O-määrä,liitettävientoimilaitteiden

määräjaprotokolla,toimintojenmonimutkaisuus,turvalaitteidentarvejahinta.En-

simmäisenäonselvitettävätarvittaviendigitaalistensekäanalogistentulojenjaläh-

töjenmäärä.Lisäksionselvitettävä,onkoosaI/O:statarvehajauttaakentälle,jolloin

ontarvekenttäväylälle.Modulaarisetlogiikatmahdollistavamonienerikoisyksiköi-

denliittämisenlogiikkaan,joillavoitoteuttaaesimerkiksisäätöjä,mittauksiataipai-

koituksia.Modulaarisenlogiikanetunaonmyöslaajennettavuusmahdollistenmuu-

tostenvaralta.Pienemmissälogiikoissayksiköidenlisäämineneiainaolemahdollista.

Toimilaitteet,mukaanlukienturvalaitteetliitetäänlogiikkaankäyttäenstandardisoi-

tuatiedonsiirtoprotokollaa,jokaonhuomioitavalogiikanvalinnassa.(Fonseliusym.

1996,107.)

3.3 Logiikanohjelmointi

Logiikkavalmistajiaonmonia,jotenohjelmoinnistaeiolemahdollistaesittääauko-

tontakokonaisuuttaohjelmasisällöntoteutustavasta.Ohjelmointionluovaatyötäja

samaanlopputulokseenvoidaanpäästäuseillaeriohjelmointitavoillajaohjelmara-

kenteilla.Ohjelmoinnissaonpyrittävämahdollisimmanselkeäänjaluettavaankoko-

naisuuteen,jotamyösulkopuolisenohjelmoijanonhelppoymmärtää.(Keinänenym.

2007,227.)

14

Ohjelmoinninlähtökohtanaontarkatlähtötiedotohjelmoitavastaohjauskohteesta.

Saatujenlähtötietojenperusteellaohjelmoijatekeetarvittavatmuistiinpanot,rele-

kaaviot,logiikkakaaviottaitoimintadiagrammit,joidenperusteellaitseohjelmointi

kirjoitetaanlogiikalleohjelmointilaitteenavulla.Ohjelmankirjoittamiseenkäytetään

yleisestilogiikkavalmistajanohjelmistoympäristöä,jossaonkäytössämonenlaisiaesi-

tystapoja.YleisimminkäytettyjäesitystapojaovatstandardissaIEC61131-3määrite-

tytlogiikkakaavio(FunctionBlockDiagram),relekaavio-(LadderDiagram),struktu-

roituteksti(StructuredText)jasekvenssiohjausohjelmointi(SequentialFunction

Chart)sekäkäskylista(InstructionList).Ohjelmayksikötkoostuvatvirtapiireistä,jotka

ontoteutettujoillakinedellämainituistaesitystavoista.(Fonseliusym.1996,117.)

Ohjelmansisällöstätehdäänmodulaarinen,jokatarkoittaa,ettäohjelmatoiminnot

jaetaanpienempiinkokonaisuuksiin.Osaohjelmamoduulientoiminnoistasuoritetaan

jokaisellaohjelmakierrolla,osatietyinväliajointaiosatietynehdontäytyttyä.Ohjel-

mamoduulinsisältöävoijakaaosakokonaisuuksiin,joitakutsutaannimelläaskel

(Rung).Ohjelmasisältääulkoisia-(Global)japaikallisia-(Local)muuttujia.Ulkoiset

muuttujatovatjokaisenohjelmamoduulinkäytettävissäjapaikallisetainoastaanyh-

denohjelmamoduulinsisällä,jonneneonmääritetty.(Fonseliusym.1996,117.)

Relekaavio-ohjelmointi(LadderDiagram,LD)onperinteisinohjelmoinninesitystapa.

Senkäyttöaloitettiinlogiikoidenkehityksenalkuvaiheessa,jolloinlogiikkakehitettiin

korvaamaanperinteisiäreleitä.Releohjausonhelppomuuttaarelekaavio-ohjelmaksi.

Relekaaviostakäytetäännimitystäkosketinkaaviotaitikapuukaavio.Relekaavio-oh-

jelmasisältäävirtapiirejä,jotkakoostuvatJA-jaTAI-kytkentäisistäkoskettimista.Li-

säksiohjelmavoikoostuatoimilohkoista(FunctionBlock,FB),joitaovatajastimet,

RS-piirit,matemaattisettoimilohkot,laskurit,datamuunnoksetjatrigonometriset

funktiot.(Fonseliusym.1996,119-120.)Kuviossa2esitelläänLadderDiagram-ohjel-

maesitystapaa.

15

Kuvio2.LadderDiagram-esitystapa.(LadderLogicTutorial2019)

Logiikkakaavio-ohjelmointi(FunctionBlockDiagram,FBD)perustuuIEC61131-3stan-

dardissamääritettyjenlogiikkasymboleidenkäyttöön.FBD-kaavionesitystavassa

etunaonvalmiitohjelmatoimintosymbolit,joitavoiesittäähavainnollisestijatiiviste-

tystikuvion3mukaisesti.EsimerkiksiJA-jaTAI-operaatiotovatvalmiinayksittäisinä

ohjelmasymboleina.(Fonseliusym.1996,121.)

16

Kuvio3.FunctionBlockDiagram-esitystapa(FunctionBlockDiagram…2018)

Käskylista(InstructionList,IL)ohjelmointimuistuttaaAssembly-kieltä.IL-

ohjelmoinnissakäskyrivitkoostuvatkäskystäjasiihenliitetystäoperandistajamah-

dollisestakommentista.Käskytmuistuttavatlogiikkakaavionjarelekaavionohjelma-

rakenteita.Virtapiirialoitetaanlatauskäskyllä,jonkajälkeenseuraajoukkoJA-jaTAI-

lukituksia.Virtapiiripäättyylähdöntaimuistipaikanohjaukseen.(Fonseliusym.1996,

122.)

Strukturoituteksti(StructuredText,ST)onkorkeammantasonohjelmointikieli,joka

sisältäämoderninohjelmointikielentärkeätelementit.ST-kielisisältäävalintalausek-

keita(THEN-IF-ELSEIF-END-ENDIFjaCASE-ELDE-END_CASE)sekäerilaisiasilmukkara-

kenteita(FOR-END_FOR-NEXT,WHILE-END-END_WHILEjaUNTIL-REPEAT-

END_REPEAT,EXIT).Tekstipohjaisenohjelmaympäristönetunaon,ettäohjelmakoodi

saadaanpienempääntilaanjaST-kieleenvoiyhdistääeriohjelmointikieliä.Esimer-

kiksiohjelmansisältämäntoimilohkonsisällävoiollastrukturoidussatekstissäkirjoi-

tettujatoimintoja.(Fonseliusym.1996,123.)

Sekvenssiohjausohjelmointi(SequentielFunctionChart,SFC)ontarkoitettuaskel-

lusohjauksiensuorittamiseen.SFC-ohjelmointiakäytetään,kuntoimintojasuorite-

17

taanperäkkäin.Seuraavallekäskyrivillesiirrytäänvasta,kunedellisetehdotovattäyt-

tyneet.Sekvenssiohjelmointionyleistäkappaletavara-automaatiossa,jossatoimilait-

teettoistavatsamojatoimintojakertatoisensajälkeen.(Fonseliusym.1996,123.)

3.4 Turvalogiikka

Turvalogiikka(SafetyProgrammableLogicController)toimiitavallisenohjelmoitavan

logiikantavoin,muttaseonrakennettu,sertifioitujatestattuvastaamaankansainvä-

lisiäturvallisuusvaatimuksia.Turvalogiikkatukeeintegroitujaturvatoimintojajasitä

käytetäänhallitsemaanautomaatiolaitteidenturvatoimintoja.Turvalogiikkavalvoo

jatkuvastiturvalaitteidentulo-jalähtöporttientilatietoja.Turvalaitteidenaktivoitu-

essaturvalogiikkaonohjelmoitusuorittamaanautomaattisestitoimenpiteetproses-

sintaikoneenturvallisentilansaavuttamiseksi.

Turvalogiikkamahdollistaaturvallisuudenhallinnanjastandardiohjauksen.Tavallinen

ohjelmoitavalogiikkatarjoaaainoastaanstandardiohjauksen.Turvalogiikankäyttö

turvallisuustoimintojentoteutuksessavähentääkenttäjohdotustenmäärää,koska

turvareleitäeitarvita.Tästäjohtuenturvalogiikanympärillesuunniteltuturvajärjes-

telmäonerittäinjoustava,jotaonhelppomuokata.Muokkausvaatiiainoastaanoh-

jelmamuutoksia,muttaeijohdotuksenmuutoksiatailisäreleitä.(Goble2003.)

3.5 Relejaturvarele

Releonsähkömekaaninentaielektroninenkytkentälaite,jonkakelaanohjatullavir-

rallavoidaanohjataohjausvirtaannähdenmoninkertaisiavirtoja.Releitäkäytetään

heikonohjaussignaalinvahvistamiseen,toimilaitteidenvälistenrajapintojenpotenti-

aalierotukseen,tasa-javaihtojännitteidensovittamiseensekäkoneturvallisuudenpa-

rantamiseen(turvarele).Mekaanisenrelekoostuukelasta,palautusjousesta,ankku-

ristajakosketinryhmästä.Kunkelaantuodaansähkövirta,kelarautasydämineen

muodostaasähkömagneetin,jokavetäärautaistaankkuriapuoleensa.Ankkurivaih-

taakosketinkärkienpaikkaa,jolloinvirtapiirisulkeutuu.Jousipalauttaaankkurin,kun

kelanohjausvirtapoistetaan.(Keinänenym.2007,52.)

18

Turvareleentehtävänäonlisätäkoneturvallisuutta.Turvareleitäkäytetäänhätä-seis-

piireihin,kaksikäsiohjauksiin,turvakytkimiin,valoverhoihinjakoneidentulosekäläh-

tötietojenvalvontaan.Turvareleitäkäytetäänerilaisissakoneautomaatiosovelluk-

sissa,kutenautomaatiotuotantojarobottisovelluksissa.Neovatyksitaikaksikanavai-

siaturva-taihätä-seispiirinkytkeviälaitteita,joidenavullavoidaanestäähallitsemat-

tomattoiminnotjasitenvähentääinhimillisiäjaaineellisiavahinkoja.(Keinänenym.

2007,54.)

4 Kenttäväylät

Ihmistentavoinkoneidenvälinenkommunikointivaatiitietytrajatjasäännöt,joita

noudattamallakoneetpystyvätkeskustelemaankeskenään.Näitärajojakutsutaan

protokolliksi.Koneidenvälinentiedonsiirtovaatiiyhteisenprotokollanlisäksiyhteen-

sopivatlaitteistot,joidenonkyettävälähettämäänjavastaanottamaantietoa.Laittei-

denonoltavayhteensopivia,jottakommunikaatiosaadaantoimimaan.Laiteverkotja

kokonaisuudetvaativatpoikkeuksettaomatsääntömallinsa,jottalaitekokonaisuuk-

sientiedonsiirtoonnistuuongelmitta.(Pyyskänen2007,9.)

Kenttäväyläonkaksisuuntainendigitaalinenväyläliityntäinentiedonsiirtoratkaisu,

jokayhdistääerilaisiamittaus-jaohjauslaitteetyhdeksiautomaatiojärjestelmäkoko-

naisuudeksi.Kenttäväylänavullaautomaatiojärjestelmäkytketäänkenttälaitteisiin.

Kenttälaitteinavoivatolla,hajautettuI/O,käyttöliittymä,robotit,turvaohjainsekä

älykkäätmittausjaohjauslaitteet.(Piikkilä&Salhstén2017,28.)

4.1 OSI-malli

OSI-(OpenSystemInterconnection)mallionkansainvälisenISO-(InternationalStan-

dardsOrganization)standardinkehittämäseitsemänkerroksenrakennetiedonsiirto-

järjestelmälle.OSI-malliitsessääneioletiedonsiirtoprotokolla,vaansemahdollistaa

standardisoiduntoimintamallintiedonsiirtoprotokollienkäyttöön.OSI-mallinneljä

19

alintakerrostamuodostavattietoliikennepalvelut,johonrajoittuutiedonsiirrontek-

ninentoteutus.Ylempienkerrostentarkoituksenaonpalvellasovellusohjelmistojaja

käyttäjätoimintoja.(Piikkilä&Salhstén2017,62.)Taulukossa1onesitettyOSI-mallin

seitsemänkerroksentiedonsiirtomalli.

Taulukko1.OSI-viitemallinkerrokset.(Piikkilä&Salhstén2017)

Fyysisen(Physical)kerroksentehtävänäonhuolehtiatiedonsiirrostafyysisellätasolla

tarjoamallamekaanisetjasähköisetominaisuudetsekämenetelmätfyysisenyhtey-

denylläpitämiseksi,purkamiseksijamuodostamiseksi.Fyysinenkerrossignaloibitti-

virtojasähköiseksisignaaliksi,moduloisignaalitmediallejavastaavastipurkaamodu-

laatiotvastaanottavassalaitteessajamuuntaasignaalittakaisinbittivirroiksi.Liitäntä

fyysiseensiirtotiehentoteutetaanmäärittämällätiedonsiirtonopeus,signaalinjänni-

tetasotjaajoituksetbittitasolla.(Piikkilä&Salhstén2017,64.)

Siirto(yhteys)kerroksentehtävänäontiedonsiirtovierekkäistenlaitteidenjajärjestel-

mienvälillä.Tämäontoteutettukerroksessasiten,ettäsehuolehtiisanomiensiir-

rostasolmupisteienvälilläyhteiskäytännönmukaisesti.Lisäksisiirtokerroshuolehtii

siirtoyhteydenpurkamisestajarakentamisestasekäbittitasonvirheentarkastuksesta.

Sesiirtäämuodostettujakehyksiävieruslaitteellejavalvoosiirtotapahtumanlä-

pinäkyvyyttäjaeheyttä.(Piikkilä&Salhstén2017,64.)

Verkkokerroshuolehtiiverkkoonliittyvienongelmienratkaisemisesta.Sielläkäyte-

täänjatulkitaanverkko-osoitteitasekäsiirretäänsanomiavälittävienlaitteidenyli.

Tehtävänäontietojenvälitystoiminnotjatiedonsiirtotientoteutus.Siirtämistäväli-

tinlaitteidenyli,kutsutaanreititykseksi,koskakerrospäättääjokaisestalaitteesta,

20

mistäportistaseuraavaksisanomalähetetääneteenpäin.(Piikkilä&Salhstén2017,

63.)

Kuljetuskerroksentehtävänävarmistaatiedonsiirtopäästäpäähän.Sevalvoolähetys-

eriensisältämienosienkeskinäistäjärjestystäjahoitaalähettäjänjavastaanottajan

välistävuonohjausta.Kuljetuskerroshuolehtiiyläpuolelleenjatkuvantiedonsyötön,

jottaylemmätkerroksetvoivatollavälittämättäalempienkerrostenjärjestelmäntoi-

minnasta.Kuljetuskerrostarjoaaläpinäkyvänkuljetuspalvelunyhteysjaksokerroksille,

jotkakommunikoivatkeskenään.Kerroshuolehtiiesimerkiksisiirtopalveluidenopti-

moinnista,liikenteenvalvonnastajaosoitteenmuuttamisestaverkko-osoitteeksi.

(Piikkilä&Salhstén2017,63.)

Yhteyskerroksentehtävänäonhuolehtiatahdistustoiminnoistajaistunnoistaelivies-

tintäsuhteidenhallinnasta.Näitäovathuolehtiminenloogisestayhteydestäesimer-

kiksiyhden-taikahdensovelluksenjakäyttäjänvälilläsekäpurkamisesta,ylläpitämi-

sestäjarakentamisestahuolehtiminen.Tiivistettynäyhteyskerroshuolehtiitapahtu-

mienkorkeantasontahdistamisesta.(Piikkilä&Salhstén2017,63.)

Esitystapakerroksentehtävänäontietojenesittäminen,esimerkiksisalaaminen(kryp-

taus)jatiedontiivistäminen(kompensointi).Tässäkerroksessahuolehditaansiirret-

tävientietojenkuvaamisestasekäsuoritetaantiedonkoodimuutokset-jaesitystapa.

Kahdenylemmänkerroksenosaltatarkkatyönjakoonvieläselkiytymätön.Suosituk-

sinaonkäynnistys,töidensiirto,päätekäytäntöjatiedonsiirto.(Piikkilä&Salhstén

2017,63.)

Sovelluskerrossisältäätietoliikennearkkitehtuurinkäyttöpalvelut.Sovellusviitekehys

määrittääliitännänOSI-viestintäpalveluun.Sentehtäväonpalvellasuoraanylempää

kerrostaelikäyttäjää(sovellusta),joitaovatesimerkiksimerkkivalikoima-jaohjel-

mointistandardit.Palveluinaovatsähköposti,tiedostonsiirto,verkonhallintapalvelut

jasovellustentarvitsematteknisetpalvelut.(Piikkilä&Salhstén2017,63.)

21

4.2 Ethernet/IP-kenttäväylä

Ethernet/IP(EthernetIndustrialProtocol)onvuonna2001käyttöönotettukenttä-

väyläprotokolla,jokapystyykäsittelemäänsuuriamääriädataanopeudella10Mbps

tai100Mbpsjaenimmillään1500tavuapakettiakohden.Ethernet/IPonyksisuosi-

tuimmistateollisuudenethernet-verkkoratkaisuistajasitäkäytetäänmonillateolli-

suudentoimialoilla.(Technologyoverviewseries:Ethernet/IP2016.)

4.2.1 Toimintaperiaate

Ethernet/IP-verkkoperustuuOSI-malliin,kutenmuutkinCIP:nkenttäväylät.Sekäyt-

tääOSI-mallinneljääalintakerrostasekäylintäsovelluskerrosta.Ethernet/IPkuuluu

CommonIndustrialProtocol(CIP)-perheeseen.CIPsisältääkattavanvalikoiman

viesti-japalvelupakettejateollisuudenerisovelluksiin.Käyttöonyleistäesimerkiksi

ohjaus-,turva-,liikkeenohjaus-taiohjelmoitavienlogiikoidensovelluksissa.Media

riippumattomanaprotokollanaCIPtarjoaakäyttäjilleenyhtenäisenviestintäarkkiteh-

tuurinkokotuotantoympäristössä.Ethernet/IPtoteuttaaOSI-malliasiirto-javerkko-

kerroksellasekäCIP:ntehtäviäyhteyskerroksellajasenyläpuolella.(Technology

overviewseries:Ethernet/IP2016.)Kuviossa4onhavainnollistettuCIP:ntoimintaa

Ethernet/IP-verkonjaOSI-mallinyhteydessä.

22

Kuvio4.Ethernet/IP-verkonCIP:nyhteysOSI-malliin(Technologyoverviewseries:Ethernet/IP2016)

Ethernet/IPkäyttääTCP/IP-jaUDP-protokollia.TCP/IP-protokollaakäytetääntiedon-

siirtoonlaitteidenvälilläjaUDP-protokollapääasiassaI/O-viesteihin.TCP/IP-

protokollanTCP-osaonsuuntautunutpisteestäpisteeseen(PointToPoint)-kuljetus-

mekanismiin.Solmutvastaanottavatviestitjakuittaavatviestinlähettäjällevastaan-

otetunviestin.Ethernet/IPkäyttääTCP/IP:täkapseloimaanCIP-viestit,joitakäyte-

täänyleensäkonfigurointi-jadiagnostiikkaviestienlähettämiseensekäreaaliaikai-

seentiedonsiirtoonlaitteidenvälillä.TCP/IP-protokollanIP-osavarmistaapaketinrei-

tityksenuseidenpolkujenläpi.Silläonkykylähettääviestejämääränpäähän,vaikka

ensisijainenpolkuolisihäiriintynyt.(Technologyoverviewseries:Ethernet/IP2016.)

Kuvio5esittääOSI-mallinyhteydenTCP-jaUDP-protokollienviestirakenteenEther-

net/IP-verkossa.

23

Kuvio5.Ethernet/IP-verkonyhteysOSI-malliin(Technologyoverviewseries:Ether-net/IP2016)

4.2.2 Osoitteet

JokaisellaEthernet/IPlaitteellatuleeollaomaIP-osoite,jottayhteydenmuodostami-

nenverkkokomponenttienvälilläolisimahdollista.Ethernet/IPkäyttäätiedonsiir-

rossaTCP-jaUDP-protokollia,tuleejokaisellaverkonlaitteellaollaIP-osoiteyhtey-

denmuodostamistavarten.IP-osoitteetasetellaanjokaiselleverkonlaitteellejasuo-

ritetaankonfigurointiennenverkonkäynnistämistä.(Technologyoverviewseries:Et-

hernet/IP2016.)

IP-osoitteenlisäksiEthernet/IP-verkonlaitteilleonmääritettäväMAC-osoite.MAC-

osoitekoostuu6-tavunnumerosta.MAC-osoitettakäytetäänkehyksenlähdeosoite-

(SA)jakohdeosoite-(DA)kentässä.SA-kenttäosoittaa,mikäsolmukehyksenlähetti

jaDA-kenttäosoittaakehystenmäärän.(Technologyoverviewseries:Ethernet/IP

2016.)

24

Ethernet/IPverkkotopologiavoiollatähti,väylä,puutairengasrakenteinen.Raken-

teetovatmyösyhdistettävissäsamaanverkkoon.TiedonsiirtoonEthernet/IP-ver-

kossavoidaankäyttääCAT5-,CAT5e-jaCAT6-kaapeleita.Kaapelinliittimenävoiolla

M12-liitintaiRJ-45-liitin.(Technologyoverviewseries:Ethernet/IP2016.)

4.2.3 EDS-tiedosto

EDS-(ElectronicDataSheet)tiedostotovatyksinkertaisuudessaanASCII-tiedostoja,

jotkakuvaavat,kuinkalaitettavoidaankäyttääEthernet/IP-verkossa.Tiedostossaku-

vataanlaitteessakäytettävissäolevatattribuutit,objektitjapalvelut.(EtherNet/IP

EDSUpdate2012.)

EDS-tiedostovälittäälaitteenidentiteettitiedot,joitatarvitaanlaitteentunnistami-

seen.Ethernet/IP-verkossatiedonsiirtotapahtuuI/O-sovittimien(I/O-Adapter)ja

skannereiden(I/O-Scanner)välillä.I/O-sovitinvastaanottaakommunikaatioyhteys-

pyynnönI/O-skannerilta.I/O-sovitinlähettääI/O-datansovitullanopeudellaI/O-

skannerille.(EtherNet/IPEDSUpdate2012.)

EDS-tiedostoontallennetuntiedonmäärävaihteleelaitteidenvälillä.Toisetvalmista-

jattallentavatpienimmänmahdollisenmääräntietoaEDS-tiedostoon,kuntoisettal-

lentavatkaikkiattribuutit,objektitjapalvelut.EDS-tiedostoyleensätuleelaitteen

mukana,kutenmuistitikulla.ToisinaanEDS-tiedostotovatsaatavillavalmistajanverk-

kosivuilta.(EtherNet/IPEDSUpdate2012.)

4.3 EtherCAT-kenttäväylä

Vuonna2003Beckhoff:nkehittämäEtherCAT(EthernetControlAutomationTechno-

logy)onEthernetinreaaliaikaratkaisu.EtherCATonIEC-61158standardissaesitelty

protokollajasitäkäytetäännopeastavasteajastajohtuenmonissaautomaatioteknii-

kansovelluksissa,kutenI/O:ssa,liikkeenohjauksessa,mittauksissajatestauksessa.

(EtherCAT2019.)

25

4.3.1 Toimintaperiaate

EtherCATstandardinprotokollaratkaisuonEthernetstandardistapoikkeava.Tiedon-

siirtoverkossaisäntälaite(master),javerkonloputlaitteetovatorjalaitteita(slave).

Isäntälaitelähettääyhdenkehyksen,jokakulkeejokaisenorjalaitteenläpijaviimei-

nenorjalaitelaitelähettääkehyksentakaisinisäntälaitteelle.Kehyksenkulkiessaorja-

laitteenohi,orjalaitelukeesilleosoitetuttiedotjakirjoittaasentiedotkehykseen.

Kehysluetaanjakirjoitetaanlähessamanaikaisesti,kehyksenohittaessaorjalaitteen.

EtherCATisäntälaiteonsegmentinainoasolmu,jollaonoikeuslähettääkehyseteen-

päin.Orjalaitteetainoastaansiirtävätkehystäeteenpäin.Kyseisillätoiminnoillaeste-

täänkehyksenprosessoimiseenjavastaanottamiseenkäytettävääaikaa.(EtherCAT

2019.)

EtherCAT-verkkoperustuumuidenEthernet-väylientavoinOSI-malliin.EtherCAT-

verkkokäyttääOSI-mallinkahtaalintakerrostasekäsovelluskerrosta.Kahdenalim-

mankerroksentehtävänäonhuolehtiaaikakriittisistätoiminnoistakuten,muistitoi-

minnoistajakehystenreitittämisestä.Sovelluskerrostakäytetäänsyklistenjaasyklis-

tentietojenvälittämiseensekäsovellustoimintaan.EtherCAT-verkossatämäkerros

toteutetaanyleisestimikrokontrollerinlaiteohjelmistossa.Toinenvaihtoehtoon

käyttääkehyksenkuljettamiseenUDP-protokollaa(UserDatagramProtocol),joka

mahdollistaanormaalinIP-reitityksenkäytön.UDP-protokollaakäytetäänvähemmän

aikakriittisissäsovelluksissa,koskatiedonsiirtonopeuslaskeehuomattavastisenkäy-

tössä.EtherCAT-verkkoeitarvitseulkoisiakytkimiä,vaanjokainenlaitesisältääkaksi

RJ-45-porttia.Yksiporttionkytkettyverkonedelliseensolmuunjayksionvapaana

seuraavansolmunkytkemistävarten.(EtherCAT–theEthernetfieldbusn.d.)

4.3.2 Osoitteet

EtherCAT-väylässävoiollavainyksiisäntälaite.IsäntälaitekäyttäävakionaMAC-

osoitejärjestelmääilmanylimääräistäviestintäprosessoria.MACtarjoaa100Mbit/s

kaksisuuntaisenrajapinnanlaitteidenvälille.Isäntänävoitoimiamikätahansalait-

teistoalusta,jossaontarvittavaohjelmisto.(EtherCAT–theEthernetfieldbusn.d)

26

EtherCAT-orjalaitteidenosoitteetvoidaanmäärittääautomaattisestitaikiinteästi.

Osoitekonfiguraatiotmääritelläänisäntälaitteenasetuksista.Automaattisessaosoite-

konfiguraatiossaensimmäinenorjalaitesaaosoitteen0seuraava1janiinedelleen.

Kiinteänosoitemääritetäänkullekinorjalaitteelleerikseen.Osoitteitavoiorjalait-

teillaollayhteensä65535eli16bitinverran.Orjalaitesaaosoitteenväylänkäynnisty-

mienjälkeenensimmäiselläsuorituskierroksellajaosoitetallennetaanlaitteenpysy-

väismuistiin.(EtherCAT–theEthernetfieldbusn.d.;Principleofoperation2016.)

4.3.3 Turvallisuusprotokolla

NormaalintiedonsiirronlisäksiEtherCAThyödyntääFSoE(FailSafeoverEtherCAT)-

avointaturvallisuusprotokollaa.FSoEonkehitettystandardinIEC61508mukaisestija

seonsertifioitujastandardisoitustandardiinIEC61784-3.Protokollasopiikäytettä-

väksienintäänSIL3-tasonturvallisuussovelluksiin.TämänvuoksiEtherCAT:nkäyttö

turvalogiikoidentiedonsiirtoprotokollanaonyleistä.

EtherCAT-vakioviestijärjestelmäkäyttääyhtäkanavaavakio-sekäturvallisuuskriitti-

sendatansiirtämiseen.EtherCAT-kehysturvallisuus,jotatunnetaan”turvasäiliönä”

sisältääturvallisuuskriittisiäprosessitietojajalisätietoaturvatietojensuojaamiseksi.

Turvasäiliötkuljetetaanosanaviestinnänprosessitietoja.Turvasäiliöonanalysoitu

turvallisestilaitteissasovellustasolla.(EtherCAT:Technologyn.d.)

5 Teollisuusrobotit

Teollisuusrobottionsähköisesti,paineilmallataihydraulisestiliikkuva,kappaleitatai

työkalujakäsittelevätietokoneohjattulaite,jonkaliikeradatovatohjelmallisestimuu-

tettavissa.Robotinmäärittelyynkäytetäänvähintäänkolmeavapaastiohjelmoitavaa

liikeakseliajayhtätyökalua.Pääkäyttötarkoituksenakappaleenkäsittely,kokoon-

pano,hitsaus,paketointijapakkaus.Robotillapyritäänvähentämäänihmiselleras-

kaitataivaarallisiatyövaiheita.Robottejakäytetääntuotannontehostamiseenjasaa-

27

vuttamaantasaisempituotannonlaatu.Teollisuusrobottejaonmekaaniseltaraken-

teeltaanuseanlaisiajarobottityyppionvalittavasovelluskohteenmukaisesti.(Keinä-

nenym.2007,259.)

5.1 Teollisuusrobotintyypit

Nivelrobottionteollisuudessayleisimminkäytettyrobottityyppi,koskasitävoidaan

käyttäämonissaeriteollisuudentyötehtävissä.Siinäonyleisesti6-liikkuvaaakseliaja

senliikealueonpallomainen.Robotintarttujanasentoonvapaastiohjelmoitavissa

mihinasentoontahansarobotinliikealueella.6-akselisiarobottejaonsaatavillamo-

niinerisovelluksiinkappaleenkäsittelykyvynsekäulottuvuudenmukaisesti.(Keinä-

nenym.2007,260)

SCARA-robotti(SelectiveComplianceAsseblyRobotArm)luetaannivelrobotteihinja

onyleisestiteollisuudessakäytettyrobottityyppi.SCARA-roboteissaonkaksitai

kolmesamassatasossaliikkuvaaniveltäsekäyksilineaarinenpystyliike.Näilläomi-

naisuuksillasaavutetaansuuretliikenopeudetjahyväliiketarkkuus.SCARA-robottia

käytetäänkappaletavaraautomaatiossatuotteidenkokoonpanoonjapinoamiseen.

(Keinänenym.2007,259)

Lineaarirobottielilineaarisestiliikkuvarobottitoimiikolmensuorakulmaisenvapaus-

asteenX,YjaZmukaisesti.Liikuteltavatyökaluvoiollanivelöity,jokamahdollistaa

kappaleenkääntämiseneriasentoihin.Lineaarirobottejakäytetäänpakkaus-ja

lavaustehtävissäsekäruiskuvalukoneidenpalvelustehtävissä.(Kuivanen1999,16.)

Yhteistyörobotitovattarkoitettujatyöskentelemäänyhdessäoperaattoreiden

kanssa.Yhteistyörobotiteivättarvitseerillisiäturva-aitojaympärilleen,vaankäyttäjä-

turvallisuusonotettuhuomioonrobotinsisäisilläominaisuuksilla.Yhteistyörobotin

työtehtävätkeskittyvätmonestiprosessinlopputuotantoonvalmiidentuotteiden

nouto-japakkaustehtäviin.(Shikany2014.)Robotillevoidaanluodaerilaisiaturva-

alueita.Operaattorinsaapuessaturva-alueellerobottihidastaanopeuttajapysähtyy

28

operaattorinsaapuessaliianlähelle.Robotinjokaisessaakselissaonomattörmäys-

tunnistimet,jotkaaktivoituvattörmäyksentapahtuessa.(Bélander-Barette2015.)

5.2 Teollisuusrobotinvalinta

Robottivalmistajiajarobottityyppejäonuseitamoniinerikäyttötarkoituksiin.Robotti

valitaanainatapauskohtaisestikäyttötarkoituksenmukaisesti.Robottienominaisuu-

detjaohjelmaympäristötvaihtelevaterivalmistajienvälillä.Tavallisestirobottiava-

linnassahuomioidaansentyöaluesivultajapäältä,kantokyky(payload),nivelten

suurimmatnopeudetsekäpaino.Toistotarkkuudellatarkoitetaantilastollistatark-

kuutta,jollarobotintyökalunpistepalaatakaisinaiemminopetettuunpisteeseen.

Robotinabsoluuttinentarkkuuskertoomillätarkkuudellarobotinrunkoonsidotussa

koordinaatistossarobottisaadaanhaluttuunpisteeseen.Absoluuttinentarkkuuson

useinjopakymmeniäkertojaepätarkempi,kuintoistotarkkuus.(Kuivanen1999,14.)

Tavallisimmatrobotitovat6-vapausasteenteollisuusrobotit,jotkaovatmonikäyttöi-

simpiä.Työkaluvoidaanasettaamihintahansaasentoonsenliikealueella.6-vapaus

asteenrobotinhankintaavoidaanperustellatyökaluasemanerityismuodoilla.(Kuiva-

nen1999,17-18.)

5.3 Teollisuusrobotinohjainyksikkö

Teollisuusrobotinohjainyksikkökoostuukeskusyksiköstä,käsiohjaimesta,ohjelma-

muististajaakselikohtaisistapaikoitusjärjestelmistäsekäulkoisistaliitynnöistä.Oh-

jainyksiköntehtävänäontulkitaohjelmakomennotliikekäskyiksijaohjatasenperus-

teellaliikeakseleita.Robottiohjaimenonpystyttäväohjaamaanjokaistaliikeakselia

samanaikaisestijaoikeassaasemassasekäoikeallanopeudella,jottakuudellaakse-

lillavarustetturobottivoisuoriutuasuoraviivaisestaliikkeestä.Robottiohjaimenon

kyettäväohjaamaanjokaistaliikeakseliatuhansiakertojasekunnissa.Tästäsyystäro-

bottiohjaimetovatsuuritehoisiaprosessitietokoneita.Jokaisellarobottivalmistajalla

29

onomaohjainyksikkö,eikäkaikilleroboteilleyleispätevääohjaintaolesaatavilla.Oh-

jausyksiköitäonsaatavillasuurempinaversioina,joissaonvarattukytkentätilaaul-

koistenlaitteidenkytkennöille.(Keinänenym.2007,261.)

5.4 Teollisuusrobotinkoordinaatistot

Teollisuusrobotinkoordinaatistollaontarkoituksenakertoarobotille,minkäympäris-

tönsuhteenrobotinakseleitaliikutetaan.Yleisimmätkoordinaatistotovatmaailma-,

työkalu-japeruskoordinaatisto.

Maailmakoordinaatistoonsidotturobotintoimintaympäristöönjaseonmuutetta-

vissasovelluksenmukaisesti.Maailmakoordinaatistonkäyttöonsuositeltavaa,kun

robotinasematmääräytyvätulkoistenlaitteidenperusteella.Esimerkiksirobotinol-

lessaasennettunaseinälletaisolunkattoon,onhyvämuuttaakoordinaatistotyöase-

mansuuntaisesti.(Keinänenym.2007,260.)

PeruskoordinaatistoonrobotinjalansuuntaisestisidottuX,YjaZkoordinaatisto.X

jaYakselitmuodostavatvaakasuorantasonrobotinalapinnantasolle.Zakselion

pystyakseli,jokakulkeerobotin1-akselin,elipyörähdyskeskipisteenkautta.(Keinä-

nenym.2007,261.)

Työkalukoordinaatistoonsuorakulmainenkoordinaatisto,jonkaorigoonsidottu

oletuksenarobotintyökalunlaippaan.Työkalupisteonmuutettavissakäytettävän

työkalunmukaisesti.TyökalukoordinaatistossaX,YjaZliikkeetovatainatyökalun

suuntaisialiikkeitä.Esimerkiksityökalupisteenmäärittämisenpihtitarttujanpäähän

auttaaliikeratojenohjelmoinnissasiten,ettärobottiavoipyörittäätyökalupisteen

ympärillävapaastityönkalunkärjenpysyessäpaikallaan.(Keinänenym.2007,261.)

5.5 Teollisuusrobotinohjelmointi

Ohjelmoinnillarobotilleopetetaantehtävät,joitasentuleesuorittaaluodunohjel-

manmukaisesti.Ohjelmointitapojajaohjelmointiohjelmistojaonerilaisiariippuen

30

robottivalmistajasta.Yleisimmätohjelmointitavatovatopettamallaohjelmointi,off-

lineohjelmointijajohdattamallaohjelmointi.

Opettamallaohjelmoinnissarobotintyökaluajetaankäsiohjaimellahaluttuunpaik-

kaan.Tämänjälkeenpaikkatallennetaanrobotinmuistiin.Opetettavatpaikkapisteet

nimetäänkuvaavasti,jolloinohjelmanlukujapisteenuudelleenkäyttöohjelmassa

helpottuu.Jokaisellepisteelleonannettavaliikekomentosenmukaisestimillänopeu-

dellajamillätavallapisteeseenhalutaansiirtyä.Käsiohjaimellaohjelmointisoveltuu

yksinkertaisiinsovelluksiin,missäliikekäskytovatpisteestäpisteeseenkomentoja.

Ohjelmointitapaaonkäytettyyleisestipakkausjapaletointisovelluksissa.(Keinänen

ym.2007,262.)

Off-lineohjelmointitarkoittaatietokoneellatapahtuvaaohjelmointiarobottivalmis-

tajanohjelmistonavullailmanrobottiinluotuayhteyttä.Monestirobottiohjelmaavoi

testatasimuloidun3D-mallinavulla,jotkatoimivatvastaavasti,kuintodellinenro-

botti.Off-lineohjelmointionyleisinohjelmointitapajasenetunaonhavainnollinen

käyttöliittymäjamonipuolisetliikekäskyt.Robottiavoisimuloidajaohjelmoidarobo-

tinliikkuessa.(Keinänenym.2007,262.)

Johdattamallaohjelmoinnissarobotinliikeakselitvapautetaanjaihminenvoiliikut-

taarobotintyökaluahaluttualiikerataapitkin.Robottiohjaimenollessaopetustilassa

selukeeliikeradanmuistiinsajaopetuksenjälkeenpystyytoistamaanopetetunliike-

radan.Useatyhteistyörobotitovatjohdattamallaohjelmoitavia.Etunaonnopeaja

yksinkertainenliikeratojenmuokattavuus.(Keinänenym.2007,262.)

5.6 Teollisuusrobottitarrainjatyökalut

Teollisuusrobotinyleisintyökaluontarrain.Työkaluiksimääritelläänesimerkiksipro-

sessiinosallistuvatjarobotillakäsiteltävätmaalausruiskutaihitsauspistooli.Tarrain

voiollapneumaattinen,sähköinentaihydraulinentoimilaitejasenohjausvoiolla

yksi-taikaksitoimen.Yleensäsevarustetaanmagneettitunnistimella,jolloinsiitäsaa-

31

daantilatietoautomaatiojärjestelmään.(Keinänenym.2007.)Pneumaattistatart-

tujaakäytetäänsennopeantoiminnanjapehmeänkiinnitystavantakia.Tarttumis-

menetelmätjakautuvatkolmeenyleiseenryhmään:mekaaniseen-,imu-jatyhjiö-

sekäsähkömagneettitartuntaan.(Kuivanen1999,60.)

Mekaaninentarrainonyleisinjayksinkertaisintarttumismenetelmä.Mekaaninen

tartuntatoteutetaanpihtitarttujalla,jonkaliikettävoidaanohjatapneumaattisesti,

sähköisestitaihydraulisesti.Tarkoissaasennuksissapihtimuotoillaankäsiteltävän

kappaleenottopinnanmukaisesti,jolloinkappalesaadaanpaikoitettuatarttujaan.

(Kuivanen1999,60.)

Imu-jatyhjiötarraimenkappalettakäsitelläimukuppienavulla.Imutartunnassakap-

palettakäsitelläänyleensävainyhdeltäsuunnalta.Tarttumismenetelmääkäytetään

sovelluksissa,jossamekaanisentartunnankäyttöonhankalaa.Imukupiteivätnaar-

mutakäsiteltävääpintaa.Imukupitvaativattasaisen,puhtaanjasileänottopinnan.

(Kuivanen1999,63.)

Sähkömagneettitarraimellavoidaankäsitellävainmagneettisiakappaleita.Etunaon,

ettäpienikokoisellatarraimellavoidaansaadaaikaansuurinostovoima.Nostovoi-

maanvaikuttaakuitenkinkäsiteltävänpinnanlaatu,muoto,lämpötilajailmarako.

(Kuivanen1999,64.)

5.7 Digitaalisettulo-jalähtösignaalit

Ohjelmoitavanlogiikantavoin,teollisuusrobotitsisältävätsähköisiätulo-jalähtösig-

naaleja,joitavoidaankäsitellärobotinohjelmassa.Tulosignaalienavullarobottilukee

antureidentilatietoja.Lähtösignaaleillarobottivoiohjataoheislaitteita.Yksinkertai-

sissajärjestelmissä,robotillavoikorvataohjelmoitavanlogiikankäytön.Signaalivies-

tityppinävoikäyttääanalogisia,digitaalisiataiväyläviestejä.(Kuivanen1999.)

32

Digitaalistentulo-jalähtöpiirienkäyttöonyleistänykypäivänrobottisovelluksissa.

Puolijohdetulot(+24V)ovatyleensägalvaanisestierotettujavalodiodituloja.Tulotie-

toonkytketään24voltinjännite,jollointuloaktivoituu.Tulotonyleensäjaoteltukah-

deksantulonryhmiksi,joillaonyhteisetsignaalimaat.Tulopiireissäkäytetäänreleitä

galvaanistaerotustavarten.Tulosignaalinjänniteohjaatulopiirinreleenkäämiä,jol-

loinrelesaaohjauksen.Releenkärkitietoohjaatilaneteenpäinohjausjärjestelmälle.

PuolijohdelähtöjenohjauksessakäytetäänjokoPNP-taiNPN-transistoria,joidenoh-

jauspiiritonerotettugalvaanisestioptoerottimenavulla.Puolijohdelähdötsijaitsevat

piirilevyllä,jotenniidenmaksimilähtövirtaonyleensävainpuoliampeeria.Tämäriit-

tääyleensäyhdenventtiilinohjaukseen.Induktiivisiakuormiaohjattaessa,onlähtö-

astesuojattavanegatiivisiltavirtapiikeiltädiodinavulla.(Kuivanen1999,52-53.)

6 Koneturvallisuus

Tuhansienvuosienajanihmisetovatkäyttäneetkoneita,joidentoimintaperiaatepe-

rustuivattuuli-javesivoimaansekäihmistenjaeläintenlihasvoimaan.Suomessakin

sahatjateollisuuslaitoksetperustettiinjokienjakoskienvarsiin,jolloinkoneiden

käyttöönvoitiinkäyttääkoskissavirtaavanvedenvoimaa.Teollistumisenalkuvai-

heessaeiollutolemassalainsäädäntöjäeikävalvontaa,jotkaaiheuttivattyöpaikoilla

työkyvyttömyyttäjajopakuolemia.Teollisuudenmaatryhtyivätsaattamaanvoimaan

työolosuhteitasääteleviälakeja,jolloinperustettiinvirkojavalvomaanlakiennoudat-

tamista.(Siirilä&Tytykoski2016,24-25.)

Suomessanykyisinvoimassaolevatkoneturvallisuuttakoskevatsäädöksetperustuvat

direktiiveihin,jotkasaatetaanvoimaanyleensävaltioneuvostonasetuksina.Koneita

koskevatdirektiivitovetpääasiassavalmistajiakoskeviatuotedirektiivejätaityönan-

tajaakoskeviatyöolosuhdedirektiivejä.NykyisinvahvistetutdirektiivitovatEuroopan

Unionindirektiivejä,joidentunnusonEU.Tuotedirektiivitasetetaanvoimaansellai-

senaankokoEuroopantalousalueelle.Tuotevoidaansaattaamarkkinoille,valmistaa

33

jaottaakäyttöönsekäsiirtäätoiseenmaahantaimyydä,kuntuoteonsitäkoskevien

direktiivienmukainen.(Siirilä&Tytykoski2016,29.)

6.1 Standardit

Standardeillatarkoitetaansopimuksia,jotkamahdollistavattuotteidenyhteensopi-

vuudenerivalmistajienvälillä.Standardijärjestöjäonuseita,kutensähköalankan-

sainvälinenIEC(InternationalElectrotechnicalCommission),jokaperustettiin1906.

(Piikkilä&Salhstén2017,24.)KansainvälisiästandardijärjestöISO(Internatiolan

StandardizationOrganization),jokaperustettiinvuonna1946.SuomenSähköteknilli-

nenStandardikomiteaasetettiinlaatimaansähköalanSFS-standardejajamuitasuosi-

tuksiavuonna1926.Vuonna1949Suomiliittyikansainvälisenstandardijärjestön

IEC:njäseneksi.(Siirilä&Tytykoski2016,85-86.)

Direktiivejätäsmentävätyksityiskohtaisetteknisetturvallisuusvaatimuksetesitetään

eurooppalaisessaEN-standardissa.Yleensäyhdenmukaistettustandardiliittyyvain

yhteentiettyyndirektiiviin.Tällöinstandardienvaatimuksetkatsotaantäsmentävän

kyseistädirektiiviätaisenjotainvaatimusta.Koneturvallisuusvaatimuksetovatmelko

yksityiskohtaisiamuttaniihinjääsiltitulkinnanvaraa.Standardeistalöytyytäsmennys

läheskaikkiinkoneasetuksiinliittyen.(Siirilä&Tytykoski2016,93.)

Vaikkayhdenmukaistettujenstandardeintarkoituksenaontäsmentääkonedirektii-

viä,onniistäkumminkinmahdollisuuspoiketa.Poikkeavaaratkaisuakäytettäessäon

huolehdittava,ettästandardissamääritettyturvallisuustasosaavutetaan.Poikkeavan

ratkaisunosoittaminenstandardintasoavastaavaksieiainaoleyksinkertaista.Tästä

syystästandardiakannattaanoudattaaaina,kuinmahdollista.(Siirilä&Tytykoski

2016,94-95.)

6.2 Riskienarviointi

Koneidenriskienarvioimiseenonkäytössäkymmeniäerilaisiamenetelmää.Laiteval-

mistajanonvalittavaomaantarkoitukseensasopivamenetelmä,jonkakäyttötuntuu

34

luontevaltajajokaeisystemaattisestiannaliianpieniäarvoja.Kaikilleriskienarvioi-

mismenetelmilleyhteistäonseuraavienriskienarvioinninyleisenmenettelytavan

käyttäminen:

1. Tunnistetaankoneenominaisuudetjaniihinliittyvätvaarat.2. Arvioidaanjokaisestavaaratekijästäaiheutuvienhaitallistenseuraustenvakavuus.3. Arvioidaanhaitallistenseuraustentoteutumisentodennäköisyys.4. Määritetäänriskinsuuruusseuraustenvakavuudenjaniidentoteutumisentodennä-

köisyydenperusteella.5. Arvioidaanriskinmerkittävyys:onkoriskiriittävänpienivaionkoriskiäpienennet-

tävä.6. Josriskiäonpienennettävä,päätetäänpienentämistavoistajasuoritetaanarviointi

uudelleen.7. Käsitelläänjäännösriskit.

(Siirilä&Tytykoski2016,222-223.)

Yleisimminkäytettymenetelmäriskienhallintaanonmatriisimenetelmä,jossaverra-

taantaulukossaseuraustenvakavuuttaseuraustentodennäköisyyteen.Kunseuraus-

tenvakavuusjatodennäköisyysonvalittu,matriisissapäädytääntiettyynriskitasoon.

(Siirilä&Tytykoski2016,224)

35

Kuvio6.Matriisitaulukkoriskienarviointiin.(Siirilä&Tytykoski2016,224)

Kuvion6mukaisestiseuraustenjatodennäköisyydenriskitonjaettukolmeenerita-

soonsekäriskinsuuruusviiteentasoon.Esimerkiksiseuraustenvakavuudenollessa3

tällöinpäädytäänkohtalaiseenriskiin,vaikkatodennäköisyysolisipieninmahdolli-

nen.Taulukko2määrittäätoimenpiteetriskienarviointiluokanmukaisesti.Kohtalai-

sessa,merkittävässäjasietämättömässäriskissäolisipienennettävätaikohennettava

koneenturvallisuusominaisuuksia.Mikäliseuraustenvakavuuttaeivoipienentää,on

tällöinpyrittäväpienentämääntodennäköisyyttä.(Siirilä&Tytykoski2016,224.)

Taulukko2.Suoritettavattoimenpiteetriskienarviointiluokanmukaisesti.(Siirilä&Tytykoski2016,228)

36

Koneitasuunnitellessaonmonestimahdollistamuuttaakoneenominaisuuksiasiten,

ettäriskitsaadaanvähäisiksitaisiedettäviksi.Yleensäkoneenvoimaa,nopeuttatai

muitaominaisuuksiaeiolemahdollistamuuttaa.Tässätapauksessaonpyrittäväpie-

nentämääntodennäköisyyttä.Taulukko2.Esittäätoimenpiteet,mitkäovattarpeen

milläkinriskitasolla.(Siirilä&Tytykoski2016,228.)

Riskienarvioinnitondokumentoitavakoneturvallisuudenperusstandardinmukai-

sesti.Standardimäärittäädokumentoinnillesisällöllemuunmuassaseuraaviavaati-

muksia:

• koneentiedot,jollearviointiontehty(teknisettiedot,koneenkuvaus,käyttötarkoi-tusjne.)

• tehdytoletukset(koneentaisenrakenneosienkäyttöikä,kuormituksetjne.)• tunnistetutvaaratekijät,vaaratilanteet,riskitjaseuraustentoteutumisentodennä-

köisyys• valitutturvatoimenpiteettunnistettujenvaarojenpoistamiseksitairiskienpienentä-

miseksi• jäännösriskit• arvioinninjohtopäätös• mahdollinentäsmentäväaineisto

Dokumentointiontoteutettavaselkeästijayksityiskohtaisesti,jottaarviointiinosal-

listuneethenkilötsaavatoikeankäsityksenarvioinnintuloksista.Arvioinnineitarvitse

ollayhteenpaikkaantulostettunataikoottuna.Yhteenvetoasiakirjassaonoltavaviit-

taukset,jottalisädokumentaatioonlöydettävissähelposti.(Siirilä&Tytykoski2016,

251-252.)

6.3 Luokat,suoritustasotjaturvallisuudeneheytystasot

Koneenturvatoimintojasuunniteltaessaontoivottavaa,ettäturvatoiminnotolisivat

käytettävissä,kunniitätarvitaan.Nykyisinturvatoiminnottoteutetaanohjausjärjes-

telmänavulla.Ohjausjärjestelmienontoimittavaluotettavastisiten,ettävikaantumi-

37

nenonepätodennäköistä.Tärkeidenturvallisuustoteutuksienosaltaohjausjärjestel-

mänontarvittaessapystyttävätoimimaan,vaikkajärjestelmässäilmenisivika.(Siirilä

&Tytykoski2016,560.)

Ohjausjärjestelmänluotettavuuttaturvatoiminnonsuorittamistavikaantuneenakäsi-

telläänuseissastandardeissa,joitaverrattukuviossa7.Eurooppalainenstandardijär-

jestönimesijärjestelmätturvallisuusluokkiinB,1,2,3ja4niidenrakenteenjaluotet-

tavuudenperusteella.KansainvälinenstandardijärjestöIECnimesijärjestelmättur-

vallisuuseheytysSIL(SafetyIntegrityLevel)tasoihin1,2,3ja4,senmukaisestimiten

vaarallinenvikaantuminenarvioidaan.SIL-tasoa4einormaalistikäytetäkoneturvalli-

suussovelluksissa.Eurooppalaisenohjausjärjestelmästandardinuusimisenyhteydessä

siitätulikansainvälinenISO-standardi.LuokkienvaatimuksiatäsmennettiinIEC-

standardimallinmukaiseksivikaantumisentodennäköisyyttätuntiakohden.Tätäto-

dennäköisyyttänimitetäänISO-standardissaPL(PerformanceLevel)a,b,c,djaesuo-

ritustasoksi.(Siirilä&Tytykoski2016,560-561.)

Kuvio7.Suoritustaso,luokanvastaavuusjaturvallisuudeneheytystasoSIL.(Malm,Venho-Ahonen&Vanhala2010)

Ohjausjärjestelmäntoiminnallisenturvallisuudentasoavoidaanarvioidariskinarvi-

oinnintaistandardinperusteella.PL-turvatasotmääritelläänkonekohtaisissaISO-

38

standardeissa.Suunnittelijaonkuitenkinarvioitava,onkostandardinluokituskysei-

seenkohteeseensopiva.Standardeistavoidaanpoiketahyvilläperusteilla.Mikäli

standardistaeilöydyturvatoiminnollePL-tasoa,onpäätöstehtäväriskienarvioinnin

perusteella.SFSENISO13849-1esittääriskinarviointiinriskigraafia,jossaPL-taso

määritelläänkolmellakysymyksellä:

1. Mikäonvammanvakavuus?2. Mikäonvaarallealtistumisentaajuus(taikesto)?3. Onkomahdollistavälttäävaaraataipienentäävahinkoa?

Kuvion8.menetelmäontarkoitettuPL-tasonarviointiin.

Kuvio8.PL-tasonarviointi.(Malm,Venho-Ahonen&Vanhala2010)

SIL-tasonmäärittämiseenkäytetäänSFSEN62601standardinmäärittäväämatriisi-

menetelmääkuvion9mukaisesti.Menetelmässäarvioidaanseuraustentodennäköi-

syyttä,taajuutta,vakavuuttajavälttävyyttä.Menetelmässälasketaansaadutpisteet

yhteen(eivakavuus),jokamukaisestitaulukkonäyttääsaavutetunpistemääränpe-

rusteellavaaditunSIL-tason.

39

Kuvio9.MatriisimenetelmäSIL-tasonmäärittämiseksi.(Malm,Venho-Ahonen&Vanhala2010)

Ohjausjärjestelmääkäytetäänyleisestiturvatoimintojentoteuttamisessa.Merkittävä

osariskienalentamisestatehdäänkuitenkinmuillatoimenpiteillä,kuinohjausjärjes-

telmänturvatoiminnoilla.Esimerkiksikiinteidensuojienkäyttökoneenriskienhallin-

nassaontärkeäämuttaohjausjärjestelmälläeivoidavaikuttaatällaisenriskinalenta-

mistoimenpiteeseen.Samoinkoneenkompastumis-japutoamisriskiäalentavattyö-

tasot,portaatjakaiteetovatohjausjärjestelmästäriippumattomiatoimenpiteitäris-

kienhallinnassa.

40

Kuvio10.Ohjausjärjestelmänmerkitysriskienhallinnassa.(Siirilä&Tytykoski2016,

570)

Kuvion10.Mukaisestiosaariskeistävoidaanpienentääohjausjärjestelmänturvatoi-

millataiohjausjärjestelmästäriippumattomillatoimenpiteillä.VaihtoehdossaAsuu-

rempiosariskeistäonpoistettuohjausjärjestelmästäriippumattomillatoimenpiteillä,

jolloinohjausjärjestelmällätoteutettujenturvallisuustoimienmerkitysjääpienem-

mäksi.VaihtoehdossaBohjausjärjestelmälläontoteutettusuurinosariskienalenta-

misesta,jolloinohjausjärjestelmästäriippumattomattoimenpiteetjäävätvähäisem-

miksi.(Siirilä&Tytykoski2016,570.)

Useimmillatyössäkäytettävilläkoneillapäästäänturvallisuustasoonetaid(turvalli-

suudeneheytystasoon3tai2).Tämäonturvallisuudenkannaltahyväasia,mutta

joissakintapauksissaseaiheuttaaturhaaylimitoitusta.(Siirilä&Tytykoski2016,

570.)

41

6.4 Turvatoiminnotjakomponentit

Koneenyleisenmääritelmänmukaisestikoneessaonainaliikkuviaosia.Tästäjoh-

tuenkoneeseenliittyviävaarojaovatliikkuvistaosistaaiheutuvattapaturmat.Ihmi-

seenosuessaanliikkuvatosatiskevät,leikkaavat,hankaavattaitekevätjotainmuuta

haitallista.Turvakomponenteillajasuojillapyritäänpienentämääntaipoistamaan

edellämainittujariskejä.Turvalaitteitaonolemassamoniinerikäyttötarkoituksiin.

Tässäopinnäytetyössäperehdytäänpuukuitulikanpakkausautomaatinsisältämiin

turvakomponentteihinjaniidenominaisuuksiinsekäliittämiseenturvalogiikkaan.

Turvakomponenttionnimensämukaisestikomponentti,jollavaikutetaanturvallisuu-

teenjajotailmankinkonepystisitoimimaan.Komponenttiavoipitääasetustentar-

koittamanturvakomponenttina,kunseonerikseenhankittavissaeikäesimerkiksiko-

neenvalmistajanitseomaankoneeseenrakentama.(Siirilä&Tytykoski2016,251-

252.)

6.4.1 Turvasuojat

Suojienkäyttökappaletavara-automaateissaonyleistä.Useimpienautomaatinsisäl-

tämientoimilaitteidenrakennettataitoimintaperiaatettaeisuunnittelutoimillapys-

tytäkokonaanpoistamaan.Tällöinfyysistenesteiden(suojien)lisääminenkoneeseen

onvälttämätöntä.Suojantarkoituksenaonestääihmisenulottumisenliikkuvaan

osaanjaliikkuvanosanosumisenihmiseen.Yleisinsuojausmenetelmäonkiinteän

suojanasentaminen.Kiinteälläsuojallatarkoitetaansuojaa,jonkairrottamiseentarvi-

taantyökalua.Kunsuojavoidaanavatailmantyökalua,senonoltavakytkettyko-

neentoimintaan.Suurissakonejärjestelmissäsuojaukseenkäytetäänturvavyöhyk-

keenympäröivääsuoja-aitaa.Suojissaonoltavaoviataiaukkoja,joistaihminenpys-

tyykulkemaan.Aitojenovetonoltavakoneentoimintaanliitettyjäjaturvalaitteilla

suojattuja.(Siirilä&Tytykoski2016,370,382.)

Kunkoneensuojissataimuussaosassaolevaturvalaitesaaaikaanpysäytyskäskyn,on

koneenpysähdyttävätilaan,jossasenliikkeellelähteminentaikäynnistyminenon

42

riittävänepätodennäköistä.Suojauksenkytkennäntoteuttamiseenkäytetäänylei-

sestiturvakomponenteiksiluokiteltujarajakytkimiä,jotkavoivatollavarustettujalu-

kinnallataiilman.Lukinnallavarustettujarajakytkimiäkäytetäänyleisestisuoja-aito-

jenovissa.Lukinnallavarustetunsuojauksentoiminnanvoikuvatakuvion11mukai-

sesti.

Kuvio11.Suojauksenkytkennänliittäminenkoneentoimintaan.(Siirilä&Tytykoski2016,426)

Ohjausjärjestelmäsalliilukinnanavaamisenvasta,kunkoneenliikeonpysähtynyttai

suojantakanaolevamuuvaaraonpoistunut.Lukinnanavaaminenjasuojauksen

avaaminenontunnistettavaerikseen.Koneenkäynnistäminensallitaanvasta,kun

ohjausjärjestelmätunnistaasuojanolevansuljettujalukittu.Monestikäynnistämisen

yhteydessäkäytetäänkuittausta,jollaaktivoidaansuojienlukintajakäynnistyssalli-

taan.(Siirilä&Tytykoski2016,426.)

43

6.4.2 Hätäpysäytys

Hätäpysäytyksentarkoituksenaontoimiavaratoimena,josnormaalipysäytysei

toimi.Sillävoidaanmyösestäätapaturmataikoneessatapahtuvaodottamatonta-

pahtuma.Hätäpysäytystäpidetäänturvallisuuttatäydentävänätoimenpiteenä,eikä

varsinaisenaturvatoimintona.(Siirilä&Tytykoski2016,496.)

Hätäpysäytystoimintoonsuunniteltavasiten,ettähätäpysäytyksenaktivoituessako-

neensaavuttaminenturvalliseentilaantapahtuumahdollisimmannopeasti.Koneen

uudelleenkäynnistämineneiolesallittuaniinpitkään,kuinhätäpysäytinonlukittu-

neenaSEIS-asennossa.Lukituksenpalauttaminentoimintavalmiiksieisaakäynnistää

konetta.Monimutkaisemmissakoneissavaaditaanerillinenkuittaus,ennenkuin

koneonmahdollistakäynnistääuudelleen.(Siirilä&Tytykoski2016,499,501.)

7 Paineilmatoimilaitteetjalähestymiskytkimet

Liikkeentoteutuksessapuhutaanyleisestiohjauksestajasäädöstä,joillavoidaanvai-

kuttaaprosessintoimintaan.Ohjauksenperusperiaateon,ettäohjaustoimiiilman

takaisinkytkentää.Ohjausviestionyleensäbinäärinenelikaksitilainen,esimerkiksi

käyntiin/seisjaauki/kiinniohjausviesti.Säätöönpuolestaanliittyyjatkuvatoiminen

takaisinkytkentä.Säädössäprosessisuureenarvoaverrataansäätimeenasennettuun

ohjearvoonjatämänvertailunperusteellaohjataanprosessiinvaikuttavaatoimin-

tayksikköä.Kappaletavara-automaatiossasäätöäkäytetäänesimerkiksiservo-ohjauk-

sissa.Suurintavoimaavaativatliikkeettoteutetaanyleensähydraulisestijanopeim-

matliikkeetpneumaattisesti.Servo-jaaskelmoottoreillasaavutetaantarkimmatsää-

döt.(Fonseliusym.1996,11.)

44

7.1 Paineilma

Paineilmankäyttöperustuupääasiassatoimilaitteidenliikkeidentoteuttamiseen.

Liikkeitäaikaansaavatkomponentitovatesimerkiksisylintereitä,tarttujiataipaineil-

mamoottoreita.Liikkeidenohjaustapahtuuerilaistenventtiilienavulla,joitaohjataan

sähköisesti,pneumaattisestitaimekaanisesti.Kappaletavara-automaatiossaliikkei-

denohjaukseenkäytetäänsähköistäohjausta,jollointoimilaitteitavoidaanohjata

ohjelmoitavanlogiikanavulla.Paineilmaväliaineenaonherkkäliikkeistä,jolloinsaa-

daanaikaannopeitaliikkeitä.(Keinänen&Kärkkäinen2005,21.)

Paineilmantuottotapahtuupaineilmakompressorinavulla.Kompressoriksikutsutaan

laitetta,jollavoidaannostaakaasunpainettavähintäänkaksinkertaiseksiverrattuna

imupaineeseen.Pienempiäpaineitatuottavialaitteitakutsutaanahtimiksitaipuhalti-

miksi.Kompressorintuottamanpaineenmäärävaihtelee,muutamistalitroistatuhan-

siinkuutiolitroihinminuutissa.Kompressoritjaotellaanyleisestimäntä-,ruuvi-jala-

mellikompressoreiksi.Ruuvikompressoritovatyleisimminkäytettyjä,joillamahdollis-

tetaanhyvättuotto-japaineominaisuudet.Lamellikompressoritsoveltuvatpienem-

milletyöpaineille,jonkatuottojääruuvikompressoreitapienemmäksi.Mäntäkomp-

ressoritovatparhaimmillaanjärjestelmissä,joissailmanpainevaihteleekäytönai-

kanajajosjärjestelmänpainevaatimusonkorkea.(Keinänen&Kärkkäinen2005,26-

27.)

7.2 Sylinterit

Paineilmasylinteritovatpneumatiikanyleisimpiätoimilaitteita.Sylintereitävoidaan

käyttääkappaleidenkiinnittämiseen,siirtämiseen,leikkaamiseen,painantaantai

kääntöön.Standardimitoitettujasylinterityyppejäonsaatavillavakiosylintereitä,joh-

desylintereitä,männänvarrettomiasylintereitä,lukkosylintereitä,vääntösylintereitä

jalyhytiskusylintereitä.(Keinänen&Kärkkäinen2005,21.)Yleisestikäytettyjoh-

desylinteriesitettykuviossa12.

45

Kuvio12.Johdesylinteri.(Tuotteettehdas-japrosessiautomaatioon2018)

Sähköisiätilatietojavartensylinterinmännänasentoonvoitavatunnistaa.Paineilma-

sylinterinrungonurajohteeseenvoidaankiinnittäätunnistusanturi.Sylinterijohtee-

seenonyleensäkiinnitettykestomagneettipala,jokatunnistetaansylinterinuraan

kiinnitetynanturinavulla.AnturitovatyleensäNO-tyyppisiäjavarustettumerkkiva-

lolla.

Sähköpneumaattisensylintereidenohjaustapahtuupaineilmalla,jotaohjataansuun-

taventtiileidenavulla.Sylinterineteen/taakse-ohjaukseenkäytetäänmagneettike-

loillavarustettujasuuntaventtiileitä.Venttiilitvoivatollayksittäisiäventtiileitätaiter-

minaalirakenteisia.Terminaalinetunaonsuuretläpivirtausmäärätjamoninapakaa-

pelinkäyttö.Lisäksikaikkiventtiilitvoidaanliittääyhteenterminaaliin.(Keinänen,

Kärkkäinen,Metso&Putkonen2001,74.)

7.3 Anturit

Koneautomaatiolaitteettarvitsevattietojenkeräämiseenjatoimilaitteidentilatieto-

jenhavaitsemiseenlaitteita,joitakutsutaanyleisnimelläanturit.Anturimuuttaami-

tattavanprosessisuureenarvonsiihenverrannolliseksivirtaviestiksi.Anturintun-

toelin,jotavoidaankutsuatunnistimeksi,mittaelimeksitaimittauselimeksi,määrit-

tääsuureenarvon,jonkajälkeenanturiosamuuttaatuloksenhalutunmuotoiseksi

46

virtaviestiksi.Anturillavoidaantunnistaasuureitakuten,paikkaa,lämpötilaa,pai-

netta,voimaa,pituutta,nestepintaataikulmaa.Prosessiteollisuudessakäytetään

yleisestianalogia-antureita,jonkasuuremuunnetaanlähettimessästandardiviestiksi.

Useinanturijalähetinonrakennettukiinteästiyhteen.(Keinänenym.2007,187-

188.)

Seuraavaksikäsitelläänkappaletavara-automaatiossayleisestikäytettäviäläsnäolon

havaitsemiseenkäytettäviälähestymiskytkimiäjaantureita,joitavoidaankäyttää

pneumaattisensylintereidenasennontunnistamiseen,kappaleiden-jasiirtoliikkeiden

havaitsemiseen.Lähestymiskytkimeksikuvataankytkintä,jokaavaajasulkeevirtapii-

rinsäkappaleensaapuessatoimintaetäisyydelle.Toimintaperiaatteenmukaisestilä-

hestymiskytkimetjaotellaaninduktiivisiin-,kapasitiivisiin-,magneettisiin-jaoptisiin

kytkimiin.Kyseistenlähestymiskytkintentoimintaetäisyydetovat0-150mmvälillä.

Lähestymiskytkimetkoostuvatelektronisistakomponenteista,eikäniissäoleliikkuvia

osia,jonkavuoksiniidenkäyttöikäonmekaanisiaantureitapidempi.

Induktiivisetlähestymiskytkimettunnistavatainoastaanmetalleja.Tunnistettaessa

metallinlähestyvänanturintuntopäätämagneettikenttävaimenee.Tästäseuraake-

lanvirranpieneneminen,jolloinanturinelektroniikkamuuttaatiedonvirtamuutok-

senon/ei-tiedoksi.Mitäsuurempionanturintuntopinta,sitäsuurempionkappaleen

tunnistusmatka.Yleensäinduktiivisenlähestymiskytkimenlukumatkaon2-5mm

muttavoiollajopa150mm.(Fonseliusym.1996,33-35.)

Kapasitiivinenlähestymiskytkinreagoimelkeinmihintahansamateriaaliin.Anturike-

hittääympärilleensähkökentän,jokaheikkeneekappaleensaapuessalukuetäisyy-

delle.Tuntopääjaanturinrunkomuodostavatyhdessäkondensaattorin,jossailma

toimiieristeenä.Tunnistettavankappaleenlähestyessäkondensaattorinkapasitanssi

jaanturinsisältämänoskillaattorintaajuusmuuttuvat.Vahvistinantaaon-taiei-tyyp-

pistäsignaalia.Kapasitiivisenanturinlukuetäisyysonyleensäaseteltavissa.Anturityy-

pinkytkentätaajuusvaihtelee10-1500Hzvälillä.Kapasitiivisiäantureitakäytetäänin-

duktiivisienantureidentapaantunnistamaanmuitamateriaaleja,kuinmetallisia.Esi-

merkiksimakasiinien,levyjen,muovistenkappaleidenjasäiliössäoleviennesteiden

47

tunnistamiseen.Toisenaineenlävitsetunnistettaessatunnistettavanaineenpermit-

tiivisyydenonoltavasuurempi,kuinväliaineen.(Fonseliusym.1996,37-38.)

MagneettisiinlähestymiskytkimiinvoidaanluokitellaReed-kytkimetjaHall-anturit.

Kyseisetanturitvaativattunnistamiseentunnistusalueellemagneetin.Reed-kytki-

messäontoiminnallinenkielikytkin,jonkakosketinsulkeutuujoutuessamagneetti-

kenttään.Kytkentäetäisyysontyypillisesti5-10mmjakatkaisuetäisyys10-15mm.

Reed-kytkimiäkäytetäänsylintereidenasentotunnistiminajaakseleidenpyörimisen

tunnistamiseen.Hall-anturionmikropiirikoteloonrakennettuanturi.Segeneroi

magneettikentänvoimakkuuteenverrannollisensignaalin,jokalähestymiskytkinso-

vellusmuokkaaon/ei-tiedoksi.Hallanturinetunaon,ettäsevoihavaitanopeitapuls-

seja,jopa100000pulssia/s.Hall-antureitakäytetäänesimerkiksimoottoreidensyty-

tysjärjestelmissäjaasemanilmaisimissa.(Fonseliusym.1996,38-39.)

Optisetlähestymiskytkimetkäyttävätlähettimenänäkyväävaloataiinfrapunavaloa

lähettävää(emitoitavaa)diodia.Sädeonmoduloituelisädettäkatkotaanalle10kHz

taajuudella,jolloinvastaanotinreagoilähetintaajuisiinvalopulsseihin.Anturinherk-

kyyttäonmahdollistasäätääsäätöruuvilla.Maksimikytkentätaajuusvaihtelee25-

10000Hzanturityypistäriippuen.Optinenlähestymiskytkinvoisisältääyhteenraken-

netunlähetinvastaanottimen,jokavoiollakappaleestaheijastavataiheijastintakäyt-

tävä.Toinenvaihtoehtoon,ettäkäytetäänerillisiälähetinjavastaanotinyksiköitä.

(Fonseliusym.1996,39-40.)

7.4 Venttiilit

Pneumaattinenventtiiliyleisnimitystäkäytetäänniille,toimilaitteille,joillasäädetään

jaohjataanpneumaattistajärjestelmää.Venttiilitsijaitsevatpainelähteenjatoimilait-

teidenvälissä.Venttiilitjaetaansuuntaventtiileihin,vastaventtiileihin,paineventtiilei-

hinsekävirta-jasulkuventtiileihin.Tässäopinnäytetyössäkäsitelläainoastaansylin-

tereidenohjauksiinkäytettäviäsuuntaventtiileitä.

48

Suuntaventtiileidentarkoituksenaonmäärittääpaineilmanvirtaussuunta.Paineilma-

sylinterinmäntäävoidaanohjataeteenjataakse.Venttiilivoiollaerillinenventtiili,

taiuseatventtiilitvoidaankootayhteenventtiiliterminaaliin.Automaatiosovelluk-

sissaventtiiliterminaalitovatyleisiäjaventtiileinäkäytetäänsähköohjattujasuunta-

venttiileitä.Venttiiliterminaalinetunaonmoninapakaapelinkäyttöjaterminaalisallii

suuretläpivirtausmäärät.Suuntaventtiilitovatyleensä3/2-,5/2-tai5/3-venttiilejä.

(Keinänen&Kärkkäinen2005,60-61.)

3/2-suuntaventtiileissäonkuvion13mukaisestikolmeliitäntäaukkoa,yksitulo(1)-,

yksilähtö(2)-jayksipoistoaukko(3).Normaalistisuljetunsuuntaventtiilinohjauksen

ollessapoispäältä,ilmaeipääsetuloliittimestä1lähtöliitäntään2.Ohjauksenakti-

voituessapoistoliitäntä(3)sulkeutuujatuloliitännästä(1)avautuuyhteyslähtöliitän-

tään(2)jasylinteriohjataaneteen.3/2suuntaventtiileitäkäytetäänpääasiassapai-

neohjattujenyksitoimistensylintereidenohjaamiseen.(Hulkkonen2008.)

Kuvio13.3/2-suuntaventtiilinrakenne.(Hulkkonen2008)

5/2-suuntaventtiileissäkuvion14mukaisestionviisiliitäntäaukkoa,tuloaukko(1),

kaksilähtöaukkoa(2ja4)jakaksipoistoaukkoa(3ja5).Sylinterinmännänvarrensi-

säänohjauksessailmavirtaohjataantuloliittimestä(1)lähtöliittimeen(2).Samanai-

kaisestilähtöliitännästä(4)onyhteyspoistoliitäntään(5).Sylinterinmännänulosoh-

jauksessailmavirtaohjataantuloliittimestä(1)lähtöliittimeen(4).Samanaikaisesti

49

lähtöliitännästä(2)avautuuyhteyspoistoliitäntään(3).5/2-suuntaventtiileitäkäyte-

täänkaksitoimistensylintereidenohjaamiseen,kahteensuuntaapyörivänpaineilma-

moottorinohjaamiseentaikääntöpöytäsovelluksiin.(Hulkkonen2008.)

Kuvio14.5/2-suuntaventtiilinrakenne.(Hulkkonen2008)

5/3-suuntaventtiilissäonkuvion15mukaisestiviisiliitäntäaukkoajakolmetoiminta-

asentoa.Ääriasennotjaliitäntäaukotovatsamat,kuin5/2-venttiileissä.Mikälivent-

tiilissäonsuljettukeskiasento,ilmaeipääsesenlävitse.5/3-venttiilissäkaksitoimisen

sylinterinmännänasentovoidaanlukitamihinasentoontahansa.Tuloliittimenol-

lessasuljettujamuutliitännätavoimia,sylinteriäonmahdollistaliikuttaaulkoisella

voimalla.(Hulkkonen2008.)

Kuvio15.5/3-suuntaventtiilinrakenne.(Hulkkonen2008)

50

8 Työntoteutus

8.1 Lähtöasetelma

Puukuitulusikankäsittely-japakkausautomaatinprojektikokonaisuusaloitettiinnyky-

tilanteenkartoittamisella,jonkapohjaltasaatiinlähtötiedotautomatisointiprojektin

toteuttamiselle.Lähtöasetelmanatoimeksiantajayritykselläolikäytössäruiskuvalu-

kone,muottijaympäristöystävällinenpuukuituraaka-aine,joillapuukuitulusikoiden

valmistaminentoteutettiin.Ruiskuvalukonepudottivalamanlusikkaviuhkanlaatik-

koon,jonkatäytyttyäoperaattorivaihtoiuudenlaatikonruiskuvalukoneentäytettä-

väksi.Operaattorintehtävänäoliirrottaalusikatyksitellenruiskuvaletustalusikka-

viuhkasta.Lusikatjärjesteltiinjapinottiinkäsin,minkäjälkeenneasetettiinpussiin.

Operaattorilämpösaumasijatarroittipussin,minkäjälkeentuotepussiolivalmis.

Toimeksiantajantoiveenaolisaadaautomatisoituapuukuitulusikankäsittely-japak-

kaustoimenpiteet.Toimeksiantajatarjosiasiakkaalleseuraavaaratkaisua.

Ruiskuvalukoneenpalvelurobottinatoimivalineaarirobottinoutaaruiskuvaletunlu-

sikkaviuhkanruiskuvalumuotistajavieviuhkanleikkaimeen,jokaleikkaatuotteista

valuylijäämät.Tämänjälkeenlineaarirobottivielusikkaviuhkanpyöreällealustalle,

jossaonlokerotjokaisellemuotistatulevallelusikalle.Kunalustaontäynnä,kääntö-

pöytäkääntääuudenalustanlineaarirobotintäytettäväksi.Yaskawa-teollisuusrobotti

purkaatäydetlusikkalokerotkääntöalustaltapinokerrallaanjavielusikatpakkausko-

neenhihnalle,jossaonlokerojokaiselletuotepinolle.Pakkauskonesiirtääkuljetin-

taanyhdenlokeronverraneteenpäinjokaisenjätetynlusikkapinonjälkeen.Lopulta

lusikkapinoonkulkenutpakkauskoneenhihnanpäästätoiseen,minkäaikanapak-

kauskoneenmekaniikkaontehnyttarroitetunpussinlusikkapinonympärille.

Toimeksiantajayritykselletarjottuautomaatioratkaisusisälsiseuraavattoimilaitteet:

• palvelu-jateollisuusrobotintarttujat.• valuylijäämänleikkain.• kääntöpöytä.

51

• Yaskawa-teollisuusrobotti.

Ruiskuvalukonejasenpalvelurobottisekäpakkauskonetoimivatominakokonaisuuk-

sinaan,janäidenlaitteidenkäyttöönottoolikyseistenlaitteidenlaitetoimittajienvas-

tuulla.Automaattikokonaisuudenhallitsemiseksinäihinlaitteisiinolitoteutettavatar-

vittavatI/O-liityntärajapinnatjasuunniteltavayhtenäinenturvallisuustoteutussiten,

ettäautomaattikokonaisuudenkäyttöonturvallista.KäyttöpaneelinatoimiiYaskawa-

teollisuusrobotinoperointipaneeli.

8.2 OmronNX1P2-ohjelmoitavalogiikka

Automaatiojärjestelmänäpuukuitulusikka-automaatissakäytettiinohjelmoitavaalo-

giikka.Logiikantehtävänäonohjatatoimilaitteitaloogisessajärjestyksessäohjel-

moidunsovellusohjelmanmukaisesti.Logiikkamäärääliikekäskyjensuoritusjärjestyk-

senlineaarirobotille,teollisuusrobotille,kääntöpöydällejalaikkaimelle.Leikkaimenja

kääntöpöydänohjaukseensekäruiskuvalukoneenjapakkauskoneenI/O-liityntäraja-

pintojentoteutukseenkäytettiinlogiikanfyysistäI/O:ta.Logiikanjaturvalogiikanväli-

nentiedonsiirtototeutettiinEtherCAT-kenttäväylällä.LogiikanjaYaskawa-teollisuus-

robotinvälinentiedonsiirtototeutettiinEthernet/IP-kenttäväyläyhteydenavulla.

8.2.1 Ohjelmoitavanlogiikanvalinta

TässäopinnäytetyössäkäytettiinOmroninvalmistamaaNX1P2-9024DT1-mallinohjel-

moitavaalogiikkaa.Logiikanvalintaanhyödynnettiinsähkösuunnittelunbenchmar-

king-haastatteluntutkimustuloksia.Toimeksiantajaonkeskittänytautomaattienoh-

jauksenOmroninvalmistamienlogiikkajärjestelmienympärille.Laitevalmistajanatoi-

mivanyrityksenuusienlaitteidenohjelmointiinkäytettäväaikalyheneesekätekee

automaatiolaitteistaohjelmarakenteeltaanyhdenmukaisia,kunohjelmointiympä-

ristöjatietytohjelmarakeenteetpysyvätsamana.Omroninvalmistamatlogiikkajär-

jestelmätovathyväksihavaittujatoimeksiantajankäyttötarpeisiin.Tästäsyystälo-

giikkavalinnanrajausolihelppotehdäOmroninvalmistamiinlogiikkajärjestelmiin.

52

Mekaniikkasuunnittelijanhaastatteluntuloksenaselvisi,ettäautomaatinsisältämä

fyysisenI/O:ntarveeiollutkovinsuuri,koskamekaanisiatoimilaitteitaoliainoastaan

valuylijäämänleikkainjakääntöpöytä.Automaatintilanilmoitukseenkäytettiinvalo-

torniajaruiskuvalukoneensekäpussituskoneenkättelyihintarvittiinfyysistäI/O:ta.

KaikkiaanfyysisenI/O:ntarveoli11tulosignaaliaja10lähtösignaalia.Mekaanisettoi-

milaitteetsijaitsevatlähellätoisiaan,jolloinI/Ototeutusolimahdollistatoteuttaail-

mankenttäväylää.VähäinenI/O:tarvejalyhyettoimilaitteidenetäisyydetmahdollis-

tivatfyysiselläI/O:llavarustetunohjelmoitavanlogiikankäytön.

Yaskawa-teollisuusrobotinjalogiikanvälilleoliluotavayhteys,jokamahdollistaaoh-

jauskäskyjenjarobotintilatietojenlähettämisenlaitteidenvälille.Yaskawa-robottiin

onmahdollisuusliittyäEthernet/IP-kenttäväylänavulla,jolloinlogiikkavalinnassaoli

huomioitavaEthernet/IP-kenttäväylämahdollisuus.

OmroninNX1P2-9024DT1-mallinohjelmoitavalogiikkavalikoituikäyttötarpeisiin.

Tämälogiikkasisältääyhteensä24digitaali-I/O:ta,joista10lähtösignaaliaja14tulo-

signaalia,jotkariittivättoimeksiantajantarpeisiin.LogiikkasisältääYaskawa-teolli-

suusrobotillevaaditunEthernet/IP-kenttäväylänlisäksiEtherCAT-kenttäväylän,jo-

honolimahdollistaliittääOmroninturvaohjain(SafetyCPU)jaturvaI/O-yksiköitä.

Turvaohjaustentoteuttamiseentämäsopihyvin,koskaerillistäturvalogiikkaaei

tarvittu.TurvalogiikkanatoimivaOmroninturvaohjainpystyttiinliittämäänosaksioh-

jelmoitavaalogiikkaa,jolloinlogiikanjaturvaohjaimenohjelmointipystyttiintoteut-

tamaansamallaOmroninSysmacStudio-ohjelmistolla.

8.2.2 NX1P2-ohjelmoitavanlogiikanrakenne

NX1P2-sarjakuuluuOmroninNX/NJ-koneohjaintentuoteperheeseen.NX1P2-mah-

dollistaatehokkaanjasynkronoidunohjauksenkaikillekonelaitteille,kutenI/O,tur-

vallisuus,liikejakonenäköintegroidussaympäristössä.(NX1PSeriesmachinecont-

rollern.d.)NX1P2-9024DT1-ohjelmoitavalogiikkaonesitettykuviossa16.

53

Kuvio16.OmronNX1P2-9024DT1-ohjelmoitavalogiikka(NX1PSeriesmachinecon-trollern.d.)

NX1P2-9024DT1-ohjelmoitavalogiikkasisältääseuraavatominaisuudet:

• nopeinjaksonaika2ms.• max4synkronoidunakselinliittäminen.• sekvenssiohjauksetjaliikkeenhallinta.• max8paikallisenI/O-yksikönliittäminen.• Ethernet/IPjaEtherCAT-portit.• max16EtherCATorjalaitetta.• 2lisäkorttiasarjaliikenteelletaianalogiselleI/Otoiminnolle.

NX1P2-9024DT1-logiikanCPU-yksikönmuistikapasiteettion1,5MB.Muuttujien

muistikapasiteetista32KBsäilyyvirtakatkonylija2MBhävitetäänvirtakatkonai-

kana.(NX1PSeriesmachinecontrollern.d.)

54

Kuvio17.OmronNX1P2-9024DT1-tuloterminaali.(NX1PSeriesmachinecontrollern.d.)

Kuviossa17esitetty9024DT1-mallinlogiikantuloterminaalijasenkytkennät.Logii-

kanjännitteensyöttöjaterminaalinsaattaminentoimintaanvaatii+24VDCjännit-

teensyötön+liittimeenja-24VDCsyötönCOMja–liittimeen.24VDCPNP-

tulosignaalejaonkäytössä14,jotkakytketäänpaikkoihin(00-13).Tulosignaaleihin

kytketyttulotnäkyvätlogiikassatulo(input)-tietoina.(NX1PSeriesmachinecontrol-

lern.d.)

Kuvio18.OmronNX1P2-9024DT1-lähtöterminaali.(NX1PSeriesmachinecontrollern.d.)

Kuvion18mukaisestilähtöternimaalissaonkäytössä10digitalilähtöä(output),jotka

kytketäänliittimiin(00-09).Lähtöterminaalintoimintaansaattaminenvaatii+24VDC

55

jännitteensyötön+Vliittimeenja-24VDCsyötön0V0liittimeen.Lähtömäärittelyissä

onmääriteltylähdönmaksimikytkentävirraksi300mA.(NX1PSeriesmachinecont-

rollern.d.)

8.2.3 SysmacStudio-ohjelmisto

OmroninSysmacStudio-ohjelmistomahdollistaaNJ/NX-sarjanohjaintenohjelmoin-

ninjaasetustenmäärittämisenohjelmointiPC:navullajaonIEC61131-3-standardin

mukainen.SysmacStudiomahdollistaakonfiguroinnin,integroinnin,simuloinninja

valvonnansamassakäyttöliittymässä.SysmacStudiointegroilogiikkaohjauksen,tur-

vallistamisen,ohjaimetjarobotiikansamaanohjelmaympäristöön,jokamahdollistaa

pienemmätohjelmisto-jakomponenttikustannukset.(Automationsoftware:Sysmac

Studioformachinecreators2019.)

SysmacStudio-ohjelmistoperustuurelekaavio-(LadderDiagram)jastrukturoitu

teksti-(StructuredText)sekälogiikkakaavio(FunctionBlockDiagram,FBD)ohjel-

mointikieliin.OhjelmistomäärittääCPU:nmuistialueetautomaattisestiluoduille

muuttujille,jokanopeuttaaohjelmointiajavähentäävirheenmahdollisuuksia.(Auto-

mationsoftware:SysmacStudioformachinecreators2019.)

8.3 OmronNX-turvaohjain

Automaattikokonaisuudenturvallistaminentapahtuiturvalogiikkanatoimivanturva-

ohjaimenavulla.Turvaohjainvalvoiturvakomponenttientilatietoja.Näidenperus-

teellaturvalogiikkaohjasihätä-seisjaturvareleitä,jotkaohjaavatedelleenautomaa-

tinturvatoimintoja,kutenpaineilma-jatasajänniteohjauksiasekäsalliliikekomento-

jensuorittamisen.

8.3.1 Turvaohjaimenvalinta

TässäopinnäytetyössäkäytettiinOmroninNX1P2-logiikkaanliitettävääOmroninNX-

turvaohjainta.Automaattikokonaisuudenturvallistamisenvaihtoehtoisenamenetel-

mänäolisivoinutkäyttääturvalogiikansijastaturvareleitä.Turvareletoimiihyvänä

56

vaihtoehtonayksinkertaistenturvatoimintojentoteuttamiseen,joissayleensähä-

täseispiirillejaturvapiirilleonkummallekinomatturvareleensä.Turvareleenhuo-

nonapuolenaonmuokattavuus,mikälijälkikäteenontarvelisätäturvakomponent-

tejataimuokataolemassaoleviaturvatoimintoja.Tämävaatisiturvapiirienuudelleen

suunnittelunjaturvareleidenfyysistenkytkentöjenmuuttamisen.

Tässäopinnäytetyössäturvallisuustoteutusvaatiliitynnänruiskuvalukoneen,teolli-

suusrobotinjapakkauskoneenturvakomponentteihin.Tästäjohtuenturvatoiminto-

jentoteutusolihelpompitoteuttaaturvalogiikanavulla,jollointurvatoiminnotvoitiin

helpostimuokata-jamäärittäätarvittaviaehtojaturvalogiikkaohjelmanavulla.Eril-

listäturvalogiikkaaeitarvittu,koskaOmroninNX1P2-ohjelmoitavalogiikkamahdol-

listiturvallisuudentoteuttamisenNX-turvaohjeimenavulla.

8.3.2 Turvayksiköt

NX1P2-ohjelmoitavanlogiikanliittäminenNX-turvaohjaimeentapahtuiEtherCAT-

kenttäväylänavulla.Kuvion19mukaisestiturvayksikönliittäminenlogiikkaanvaatii

käytettäväksiEtherCATSlave-kommunikaatioyksikön(NX-ECC203),johonliitettiin

turvaohjain(SafetyCPUNX-SL3300)jatarvittavatturvaI/O-yksiköt(NX-SID800/NX-

SOD400).

57

Kuvio19.Turvaohjaimenmasterjaslavejärjestelmäkokoonpano.(NX-SL/SI/SO:NX-seriesSafetyControlUnits2019)

OhjelmoitavalogiikkatoimiiEtherCATisäntälaitteena(master)jaEtherCATkommuni-

kaatioyksikköNX-ECC203toimiiorjalaitteena(slave),jokatoimiilinkkinälogiikanja

NX-sarjanI/O-yksiköidenvälillä.(NX-SL/SI/SO:NX-seriesSafetyControlUnits2019.)

Orjalaitteitaolisimahdollistahajauttaakentälleketjuttamallakommunikaatioyksi-

köitätoisiinsa.Tässäopinnäytetyössäeiolluttarvettahajautukselle,koskakaikki

turvaI/Oolimahdollistakytkeäyhteenohjauskeskukseen.

NX-ECC203-yksikköönliitettiinNX-SL3300-turvaohjain,jokamahdollistaa32turva

I/O-yksikönliittämisen.TurvaohjainjaturvaI/O-yksikötmahdollistavatstandardin

IEC61508SIL3-turvallisuustason.TurvaohjaimeenliitettiinturvaI/O:nvirransyöt-

töönvaadittuNX-PF0630-virransyöttökortti,jokamahdollistaamaksimissaan4Avir-

ransyötönturvaI/O-korteille.VirransyöttökorttiinliitettiinturvaI/O-yksiköiksiNX-

SID800turvatuloyksikkö,johonmahdollisuusliittää8-turvatuloa.Turvatuloyksikköön

liitettiinNX-SOD400turvalähtö-yksikkö,jokamahdollistaa4-turvalähdönohjauksen.

(NX-SL/SI/SO:NX-seriesSafetyControlUnits2019.)

58

Turvatulojasuunniteltaessaolihuomioitava,ettäSIL3-turvaluokituksentäyttyminen

vaatiiturvakomponenteiltakahdennetutkärkitiedot.Tämätarkoittaa,ettäyksiturva-

laitevieturvatulokortiltakaksiturvatuloa.

8.4 YaskawaGP12-teollisuusrobotti

Yaskawa-teollisuusrobotillasuoritettiinlusikkapinojenkäsittely.Lusikkapinothaettiin

kääntöalustaltajavietiinpakkauskoneenhihnalle.Yaskawa-robotintarttujanohjaus

toteutettiinrobotinomanI/O:navulla.LogiikanjaYaskawa-robotinväliseentiedon-

siirtoonkäytettiinEthernet/IP-kenttäväylää.Tiedonsiirtoyhteydenvälityksellälo-

giikkasalliirobotillehaku-javientiluvan.Robottipuolestaanvälittäälogiikalletilatie-

tojasuoritetuistaohjelmavaiheista.

8.4.1 Robotinvalinta

Tässäopinnäytetyössäkäytettiin6-akselistaYaskawaGP12-teollisuusrobottia.Kään-

töalustantyhjentämiseksirobotinolikyettäväpoimimaankääntöalustalleerilokeroi-

hinasetetutlusikat.Kukinlusikkapinoolipoimittavaerikohdastakääntäentarttujan

kulmaaedelliseenpinoonnähden.Pystyasennossapoimitutlusikkapinotoliasetel-

tavavaakatasossapakkauskoneelle,jokavaatiennenpinonjättämistätarkkojaline-

aariliikkeitä.Hakuasemanmonimuotoisuudenjalusikkapinonasettelunliikeratojen

vaativuudenvuoksi,6-akselisenrobotinkäyttötässäopinnäytetyössäolivälttämä-

töntä.

Robotinvalintaanhyödynnettiinmekaniikkasuunnittelunhaastatteluntuloksia.Me-

kaniikkasuunnittelun3D-mallissapystyimallintamaanrobotillevaaditutliikematkat,

jonkaperusteellarobotinulottuvuuttapystyiarvioimaan.Robotillakäsiteltävätlusik-

kapinotolivatmassaltaankevyitä,jonkavuoksirobotinkantokykyeiasettanutrobot-

tivalintaanrajoitteita.Loppuasiakkaantoiveenaoli,ettäkappaleenkäsittelyynkäy-

tettäisiinYaskawateollisuusrobottia.Asiakkaantoiveotettiinhuomioonjarobottiva-

littiinYaskawanrobottivalikoimasta.Robottiilmoitettujaliikenopeuksiaverrattiin

ruiskuvalukoneenjaksonaikoihin,jonkamukaisestipystyttiinmäärittämäänrobotille

vaadittuliikenopeus.RobotinohjainyksikkönäkäytettäväYRC1000-kontrollerisisälsi

59

tiedonsiirtoontarkoitetunEthernet/IP-kenttäväyläportinsekäfyysistädigitaliI/O:ta

24tuloaja24lähtöä,joitakäytettiinrobotintarttujanohjauksiinjarajatietoihin.

8.4.2 YaskawaGP-12-teollisuusrobotti

Kuvion20mukainenYaskawaGP-12-teollisuusrobottionnopeajatarkka,jonkakan-

tokyky(payload)on12kg.Ulottuvuus1440mmjatoistotarkkuus±0.08mm.Robotti

ontarkoitettukokoonpanojakäsittelytehtäviinsekäCNC-työstöjapakkaustehtäviin.

Robotinrungossaonsisäinenreititystarttujansyöttöjohdoille,jokavähentääulkois-

tenjohtimientarvettatarttujajohdotuksiaajatellen.GP12-robotinohjainyksikkönä

käytetäänYRC1000robottiohjainta.(Handling&GeneralApplicationswiththeGP-

series:MotomanGP122019.)

Kuvio20.YaskawaGP12-teollisuusrobotti.(Handling&GeneralApplications…2019)

60

8.4.3 YRC1000-robottiohjain

YRC1000onkuvion21mukainenjoustavajakompaktiohjainYaskawa-roboteille,se

sisältääkevyenkosketusnäytöllisenkäsiohjaimen.YRC1000onrakennettumaailman-

laajuiseenstandardiinjasenkäyttöjänniteonkytkettävissäsuoraan380-480VAC-

jännitteilleilmanmuuntajaa.Robottiohjaimenjarobotinvälillevaaditaanainoastaan

yksikaapelitoimivanyhteydensaavuttamiseksi.

Kuvio21.YRC1000-robottiohjain.(SingleFunctionsandPackages…2019)

YRC1000-robottiohjaintukeevakionaRS232-jaEthernet-liitäntää.Näidenlisäksion

saatavillamonialaajennuskorttejakenttäväyläyhteydentoteuttamiselle.Yleisesti

väylärajapinnoissakäytetäänlaitteidenvälilläBoolean-datatyyppiä(päälle/pois).

RS232jaEthernetmahdollistaakorkeammantasondataviestinnän,kutentilaviestien

japaikkatietojenlähettämisenlaitteidenvälillä.(SingleFunctionsandPackages…

2019.)

Robottiohjaimessaonkäytössävakiona24digitaalistatulo-jalähtösignaalia.Signaalit

onjaoteltukahdeksantulon/lähdönryhmiksi.Kuviossa22esitettynäensimmäinen

tuloryhmätIN1-8,jonkatuloliittiminä(B1-A4).Jokaisessakahdeksantulonryhmässä

61

onneljä+24Vja0V0virransyöttöliitintä.Näillämahdollistetaananturisignaalienkyt-

kennäntulokortille.

Kuvio22.YRC1000-robottiohjaimenIN1-8tuloryhmä.(RobotController:UserMan-ual2017)

Kuvion23mukaisestiensimmäisessälähtökortissaOUT1-8onrelelähtöjä,joissapo-

tentiaalivapaatkoskettimetliittimissä(B8-A15).Potentiaalivapaatkoskettimet(K1-

K8)mahdollistavatohjaus-signaalinjännitesyötönrobotinomaa-taiulkopuolistajän-

nitettähyödyntämällä.

Kuvio23.YRC1000-robottiohjaimenOUT1-8lähtöryhmä.(RobotController:UserManual2017)

8.4.4 Robotintyökalu

YaskawaGP12-robotintyökalunakäytetäänmekaanistapihtitarttujaa,jollalusikkapi-

nonpoimiminentapahtuu.Tarttujanpaineilmasylinteritoimipneumaattisenatoimi-

laitteena,jotaohjattiin5/2-suuntaventtiilinavulla.VenttiiliäohjattiinYRC1000-oh-

62

jaimenlähtösignaalillaOUT1.Pihtitarttujanauki-jakiinniasentotunnistettiinpaineil-

masylinterinurajohteeseenkiinnitettävilläkahdellamagneettikytkimillä,jotkakytket-

tiinYRC1000-tuloonIN1jaIN2.

Pihtitarttujanlisäksirobotintyökalusisältääpaininsylinterin,jonkatarkoituksenaon

tukealusikkapinoapoiminnanaikana.Painantasylinteritoimiiniinikäänpneumaatti-

senatoimilaitteena,jotaohjattiin5/2-suuntaventtiilinavulla.Venttiilinsähköinenoh-

jauskytkettiinYRC1000-ohjaimenlähtösignaaliinOUT2sekämagneettikytkintentila-

tiedotkytkettiintuloihinIN3jaIN4.Kyseisettulo-jalähtösignaalitnimettiinrobot-

tiohjelmointivaiheessa.

9 Laitekonfiguraatiot

9.1 Projektinluominenjayhteysasetustenmäärittäminen

UudenprojektinluontijayhteysasetustenmäärittäminentoteutettiinOmroninSys-

macStudio-käyttöohjeenmukaisesti.Uudenprojektinmäärittelyihinkirjattiinuuden

projektinnimi,tekijäjamahdollisetlisätiedotsekäprojektissakäytettäväohjain.

TässäopinnäytetyössälogiikkaohjaimenatoimiNX1P2,jonkamalliksivalittiin

9024DT1.Ohjaimenversioksivalittiin1.18,jokailmoitettulogiikantyyppikilvessä.

ProjektinluomisenjälkeenavautuiSysmacStudionsovellusikkuna,johonlogiikkaoh-

jelmointiaikanaansuoritettiin.

Projektinluomisenjälkeenlogiikalleolimääritettäväyhteydenmuodostamistapaja

IP-osoite.Kuvion24mukaisestiyhteydenmuodostaminenvoitiintoteuttaalogiikan

USB-taiEthernet/IP-porttiin.VaihtoehtoisestiyhteysvoitiinmuodostaaEthernet-

verkossakäytetynkytkimenvälityksellä,jokamahdollistitiedonsiirronuseidenEther-

netlaitteidenvälillä.TässäopinnäytetyössäkäytettiinEthernet-kytkintä,jokamah-

dollistilogiikkaohjelmoinninjasimuloinninkatkaisemattalogiikanjateollisuusrobotin

välistäEthernet/IP-yhteyttä.Tästäjohtuenlogiikanyhteydenmuodostamistavaksi

valittiin”Ethernetconnectionviaahub”.

63

Kuvio24.Yhteysasetustenmäärittäminen.

LogiikalleannettiinIP-osoitteeksi192.168.250.1.Ennenyhteydentestaamista,oli

varmistettavaohjelmointiPC:nEthernet-adapterinIP-asetukset,jotkatulivatollasa-

malla192.168.250-alueella,jottayhdistäminenlogiikkaanolimahdollista.Fyysinen

yhteyslogiikanjaohjelmointiPC:nvälilleluotiinRJ-45Ethernet-kaapelilla.Yhteyden

muodostamisenjälkeenSysmacStudio-ohjelmistoolimahdollistakytkeäonline-ti-

laan,jokatarkoittifyysistäyhteyttäohjelmointiPC:njalogiikanvälillä.

9.2 EtherCAT-kenttäväylänkonfiguraatio

EtherCAT-kenttäväyläkonfiguraatioissamääritettiinmaster-laitteenatoimivanlogii-

kanjaslave-laitteenatoimivanNX-ECC203EtherCAT-kommunikaatioyksikönväliset

asetukset,jolloinlaitteetpystyivätkommunikoimaankeskenään.Tämänjälkeenoli

määritettäväEtherCAT-kenttäväylässäolevatNX-SL3300-turvaohjainsekäNXturva

I/O-yksiköt.

64

SysmacStudionkäyttöohjeenmukaisestiEtherCAT-kenttäväyläkonfiguraationvoito-

teuttaaautomaattisestisiten,ettälogiikkaetsiiitseEtherCAT-kenttäväyläänkytketyt

laitteet.VaihtoehtoisestiyksikötolimahdollistahakeaSysmacStudionlaitekirjas-

tosta.Tässäopinnäytetyössäslave-laitteitajaturvaI/O-yksiköitäolivähäinenmäärä,

jonkavuoksilaitteethaettiinlaitekirjastosta.

Kuvion25mukaisestiEtherCAT-konfiguraatioasetuksissalogiikkaolimääritellytauto-

maattisestiNX1P2-logiikanEtherCAT-masterlaitteeksi.Kuvion25oikeallareunalla

olevastakirjastostavalittiinslave-laitteeksiNX-ECC203,jokayhdistettiinmaster-lait-

teeseen.NX-ECC203-orjayksikköönolimahdollistaasettaaosoiteDIP-kytkimistä,jol-

loinohjelmaanolimääritettäväsamaorjalaitteenosoite.Oletusasetuksenaorjalait-

teeseenolimääriteltyosoitteeksi0,jokasalliohjelmassavapaavalintaisenosoitteen.

Slave-laitteenosoitteeksimääritettiinosoite101.

Kuvio25.EtherCAT-slave-laitteenlisäys.

NX-ECC203-kommunikaatioyksikönlisäämisenjälkeenolimääritettäväturvaohjainja

turvaI/O-yksiköt.Kuvion26mukaisestiNX-ECC203kommunikaatioyksikköönlisättiin

SysmacStudionkirjastostaNX-SL3300-turvaohjain,NX-PF0630-virransyöttökortti,

NX-SID800-turvatuloyksikköjaNX-SOD400-turvalähtöyksikkö.Jokainenorjalaitesai

omanyksikkö-(Unit)numeron,jonkaSysmacStudiomäärittiautomaattisestilisätyille

65

turvalaitteilleyksikkönumerosta0-alkaen.Turvayksiköitälisättäessäolitarkistettava

jokaisenyksikönversionumero,jokailmoitettiinturvamoduulintuotekilvessä.

Kuvio26.TurvaI/O-yksiköidenlisäys.

Osoitteidenmäärittämisenjälkeenväyläolikäytettävävirrattomanajaohjelmaoli

synkronisoitava,jolloinväylälaitteidenkonfigurointiviimeisteltiinjayhteyslaitteiden

välilläotettiinkäyttöön.

9.3 Ethernet/IP-kenttäväylänkonfiguraatio

Ethernet/IP-kenttäväyläyhteysmuodostettiinlogiikanjaYaskawa-teollisuusrobotin

väliseentiedonsiirtoon.EnnenSysmacStudio-ohjelmistoontehtävääEthernet/IP-

konfiguraatiotaoliteollisuusrobottiinmääritettäväyhteysasetukset.Asetustenmää-

rittämisenjälkeenrobotiltaladattiinEDS-tiedosto,jokavaadittiinSysmacStudionEt-

hernet/IPkonfigurointiin.RobotinEthernet/IP-asetuksetjaEDS-tiedostonluontito-

teutettiinYaskawaYRC1000-robottiohjaimenkäyttöohjeenmukaisesti.

YRC1000-robottiohjainkäynnistettiinkäyttöohjeenmukaisestihuolto-tilaan(Main-

tenancemode),jossayhteysasetuksienmäärittäminenjaEDS-tiedostonluontisuori-

tettiin.Kuvion27mukaisestihuoltotilassamääritettiinEthernetadapterin-asetukset,

jossamääritettiinI/O:nkokojainstanssit.Input-jaoutputkooksivalittiin8byteä,eli

66

64bittiäinputjaoutput-tietoalaitteidenvälille.Input-,output-jakonfiguraatioin-

stanssiarvoksimääritettiin101,102ja103käyttöohjeenmukaisesti.Ethernet-scan-

nerinasetuksiaeimääritetty,koskayhteysmääritettiinlogiikanjarobotinvälille.

Kuvio27.Ethernet/IP-adapterinasetukset.

Adapteriasetustenmäärittämisenjälkeenrobottivarasikuvion28mukaisestiulkoista

input-tietoaosoitteesta#20070alkaen8byteäeteenpäin.Ulkoistaoutput-tietoaro-

bottivarasiosoitteesta#30070alkaen8byteä.Robotissakyseisetosoitealueetolivat

käytettävissärobotinulkoisinatuloinaIN#0049alkaenjaulkoisinlähtöinäOUT#0049

alkaen.Tavoitteenaoli,ettälogiikaltatulevaensimmäinenbytenensimmäinenbitti

näkyirobotillainput-tietonatulossaIN#0049jaensimmäisenbytentoinenbittirobo-

tintulossaIN#0050jajne.RobotinulkoisenlähdönOUT#0049ohjaus,tulinäkyälogii-

kallaensimmäisenbytenensimmäinenbitinaktivoitumisenajaOUT#0050ohjausen-

simmäisenbytentoisenbitinaktivoitumisenajajne.Ethernet/IP-datanjakaminen

byteistäbittitasolletapahtuilogiikanpuolenEthernet/IP-määrittelyissä.

67

Kuvio28.I/O:nosoitealueet.

Ethernet/IP-adapteriasetustenmäärittämisenjälkeenmääritettiinEthernet-portin

asetukset.RobottisisälsikolmeEthernet-porttia,joistaensimmäinenLAN1olirobo-

tinomassakäytössä.IP-osoitejaaliverkonpeitemääritettiinensimmäisellevapaalle

portilleLAN2.IP-osoitteeksivalittiin192.168.250.20jaaliverkonpeitteeksi

255.255.255.0.

YhteysasetustenmäärittämisenjälkeenrobotiltaoliladattavaEDS-tiedosto,joka

vaadittiinSysmacStudionEthernet/IP-yhteysasetusmäärittelyissä.EDS-tiedostola-

dattiinUSB-muistitikullerobotinkäsiohjaimenatoimivanoperointipaneelinUSB-

portista.Lataussuoritettiinyhteysasetusmäärittelyjentavoinhuolto-tilassa.Ennen

lataustamääriteltiinladattavatiedostojakäytettäväUSB-portti.

SeuraavaksimääritettiinlogiikalleEthernet/IP-konfiguraatiotSysmacStudioohjel-

mistonkäyttöohjeenmukaisesti.KonfigurointialoitettiinEthernet/IP-datatyyppien

määrittämisellä,jossaluotiindatatyypittulevallejalähtevälleEthernet/IPdatalle.Da-

tatyyppientarkoituksenolijaotellaEthernet/IP-väylänylitulevadatalogiikallesiten,

ettäbyte-jabittinumerottäsmäsivätlaitteidenvälillä.Kuvion29mukaisestiinput-ja

outputdatatyypiksivalittiinSTRUCT(Structured),jokavoisisältääuseitayksittäisiä

68

datatyyppejä.STRUCT-tyypiksivalittiinCJ,jokamahdollistiSysmacStudio-ohjelmis-

tossadatanjakamisenbittitasolle.STRUCT-tietotyyppiinlisättiinjäseniä(members),

jotkamääriteltiinBoolean-datatyypeiksi.Boolean-datatyyppivoisaadakaksimah-

dollistaarvoa(tosijaepätosi).JäseneksilisätytBOOL-datatyypittoimivatyksittäisinä

bitteinä,jotkaSysmacStudiojakoiautomaattisestibytestä0alkaen.Ensimmäinenni-

mettyBOOL-datatyyppilisättiin0-bytenbitiksi0.Seuraavalisättyjäsenlisättiin0-

bytenbitiksi1jajne.Tiedonsiirtoonmääritetty8bytenkokomahdollistaa64Boo-

lean-datatyypinkäytöntulo-sekälähtöpuolella.

Kuvio29.Ethernet/IPI/O-datatyyppimäärittelyt.

Datatyyppienmäärittämisenjälkeenlogiikalleoliluotavakaksiglobaali-muuttujaa,

joihinEthernet/IP-datatallennettiin.Kuvion30muuttujatnimettiinRobEIPInput-ja

RobEIPOutputnimillä.Muuttujiinolimääritettävädatatyypit,jotkaolinimettäväku-

vion29nimettyjenSTRUCT-tietotyyppienmukaisesti.

Kuvio30.Ethernet/IPI/O-muuttujat.

SysmacStudionEthernet/IPyhteysasetuksiinoliluotavauusiyhteysrobotille.Ennen

yhteydenlisäämistärobotiltaladattuEDS-tiedostoolisiirrettäväSysmacStudionEDS-

69

kirjastoon,jostaseoliladattavissayhteydenlisäämisenyhteydessä.Kuvion29mukai-

sestiluodutglobaalimuuttujatrekisteröitiinSysmacStudionEthernet/IPyhteysase-

tuksiin.Rekisteröinninjälkeenlisättiinuusiyhteys,johonmääriteltiinrobotillean-

nettuIP-osoite,robotinnimijaehdotetturevisionumero.Ohjelmistohakirobotinni-

menSysmacStudio-kirjastoonlisätynEDS-tiedostonmukaisesti.Kuvion31mukai-

sestiluotuunyhteyteenolimääritettävätarvittavatasetukset.

Kuvio31.SysmacStudioEthernet/IPyhteysasetukset.

Asetuksiinolimääritettävävastaavatasetukset,kuinrobotille.Parametrivälilehdelle

määritettiinI/Okooksi8byteäjakonfiguraatiovälilehdellemääritettiininstanssiar-

70

votjainstanssienkokokuvion31mukaisesti.Logiikanoutput-instanssiarvoksimääri-

tettiin101,jokarobotinasetuksissaoliinput-instanssiarvo.Samoinlogiikanoutput-

instanssiarvo102arvomääritettiinrobotillainput-instanssiarvoksi.

YhteysasetustenmäärittämisenjälkeenSysmacStudioohjelmassanäkyiluotuyhteys

kuvio32,johonolikertaalleenlisättäväjomääritellytinstanssiarvot,muuttujienkoot,

I/O-tiedotjayhteystyyppi.

Kuvio32.SysmacStudioEthernet/IP-yhteysrobotille

Konfiguraatiooliladattavalogiikalle,jolloinlogiikkaottikäyttöönluodutyhteydet.

YhteydentoimivuuttapystyimonitoroimaanEthernet/IPyhteysasetuksistataiteke-

mälläkuvion33mukainentestiohjelma.Robotinoperointipaneeliltaohjattaessasen

ulkoistalähtöäOUT#0049,kuvion33logiikkaohjelmassarung3RobEIPInput.DI1-kos-

ketinaktivoitui.Rung4RobEIPOutput.DO1-lähtöönohjattiin1spulssia,jolloinrobo-

tinulkoinentuloIN#0049aktivoitui1spulssilla.Tällöintiedettiin,ettäyhteyslogii-

kaltarobottiinjarobotiltalogiikkaanolitoimiva.

Kuvio33.Ethernet/IP-yhteydentestaus.

71

10 Ohjelmointi

Ohjelmointialoitettiinlogiikkaohjelmoinnillajaturvaohjaimenohjelmoinnilla,jotka

voitiinsuorittaaetukäteentoimistontyöpisteellä.Ohjelmoinnissahyödynnettiinsäh-

kösuunnittelunbenchmarking-haastatteluntuloksia.Tutkimustulostenperusteella

sekvenssiaskelluksessapystyttiinhyödyntämäänaiemminluotuasiirtorekisteri-poh-

jaohjelmarakennetta.Työntoteutuksessaeitarvinnutkeskittyäsekvenssinsiirtore-

kisteripohjaohjelmanohjelmointiin,vaanohjelmoinninpystyialoittamaansuoraan

sekvenssirakenteensuunnittelulla.LogiikkaohjelmoinnissahyödynnettiinSysmacStu-

dio-ohjelmistonkäyttöohjetta,jonkamukaisestiohjelmassakäytettyjenohjelmamo-

duulienvalintasuoritettiin.

10.1 Logiikkaohjelmointi

Logiikkaohjelmointialoitettiinfyysistentulojenjalähtöjenyhdistämisellämuuttujiin.

Ennenmuuttujamäärittelyjäolitiedettävämihinfyysisiintuloihinjalähtöihintoimi-

laitteetyhdistetään.Tarvittavattulo-jalähtösignaalitselvitettiinsähkösuunnittelun

tuloksenaluodunI/O-kaavionperusteella,jossalogiikanjaturvalogiikanfyysisettulo-

jalähtöportitliitettiintoimilaitteisiin.Kuvion34mukaisestilogiikankäyttööntulee11

tulosignaaliapaikat(00-10)ja10lähtösignaaliapaikat(00-09).Turvalogiikanturva

I/O:tatarvitaan8-tuloaja4-lähtöä,jotkaveivätNX-SID800yksiköltäkaikkiturvatu-

lot(si0-si7)jaNX-SOD400-yksiköltäkaikkiturvalähdöt(So0-So3).NX-SIH400jaNX-

SOD200turvaI/O-yksiköttoimivatvaralla,mikäliturvaI/O:taolisitarvittusuunnitel-

tuaenemmän.

72

Kuvio34.OhjelmoitavanlogiikanjaturvaohjaimenI/O-kaavio.

10.1.1 Fyysistentulojenjalähtöjenyhdistäminenmuuttujiin

NX1P2-logiikkasisälsi24-kappalettafyysistäI/O:ta,jonkamuuttujatolivatmääritet-

tävissäSysmacStudionI/OMap-osiossa.Kuvion35mukaisestikullekintulollejaläh-

dölleolinimettävämuuttuja(variable).Muuttujanimettiinsähkösuunnittelussaluo-

dunI/O-listanperusteella.Muuttujiennimeämisessäkaikkitulotkäyttötarkoituk-

sestariippumattanimettiinI-alkuisiksi,jokatarkoittaaInput-signaalia.Kaikkienläh-

dötmerkattiinO-alkuisiksi,jokaviittasilähtöönelioutput-signaaliin.Muuttuja-

nimessäkäytettyalkukirjainhelpottiohjelmanlukuajasymbolienhakuaohjelmointi-

vaiheessa.

73

Kuvio35.OhjelmoitavanlogiikanI/O:nyhdistäminenmuuttujiin.

Pakkaus-jaruiskuvalukoneenkättelytiedoillelisättiinkommenttikenttäänlisäkom-

mentti,jollaselvennettiinsignaalinkulkusuuntaalaitteidenvälillä.Jokainenmuuttuja

määritettiinulkoiseksimuuttujaksi(GlobalVariables),jolloinneolivatjokaisenohjel-

mamoduulinkäytettävissä.Ulkoisiksimuuttujiksimääritetytmuuttujatlisättiinauto-

maattisestiSysmacStudionulkoisetmuuttujat(GlobalVariables)kirjastoon,jossasi-

jaitseekaikkiluodutulkoisetmuuttujat.

10.1.2 Ohjelmarakenne

Jokaiselletoimilaitteellemuodostettiinomaohjelmamoduuli,jossakyseisenohjel-

manohjelmointitapahtui.Ohjelmat-osioonluotiinohjelmamoduulitpakkauksen

(Packing),leikkaimen(Cutter),kääntöpöydän(Turntable),asetuksien(Settings)jahäi-

riöiden(Error)ohjauksille.Kukinohjelmamoduulisuorittiomaaohjelmakiertoavälit-

tämättätoistenohjelmakierroista.Jokainenohjelmamoduuliolijaettupienempiin

ohjelmamoduuleihin,niinsanottuihinaliohjelmiin.Leikkaimenjakääntöpöydänoh-

jelmamoduulitsisälsivätaliohjelmamoduulitasetuksille(Settings),sekvenssille(Se-

quence)jalähdöille(Outputs).Aliohjelmissasijaitsikirjoitettuohjelmakoodi.Ohjelma

jaettiinosakokonaisuuksiineliaskeleisiin(Rung).Askeleetonjaettunumeroinnol-

lastaalkaen.

74

10.1.3 Pakkaukoneenohjaus

Pakkaus-(Packing)ohjelmamoduulissakäsiteltiinainoastaanrobotinjapakkausko-

neenvälisiäI/O-liityntärajapintaohjauksia.LogiikanjapakkauskoneenvälisetI/O-lii-

tyntärajapinnatolivälireleistetty,jolloinkummankinlaitteenjännitteetpysyivät

omassapotentiaalissaan.Teollisuusrobottitarvitsipakkauskoneeltatiedon,milloin

lusikatsaiviedäpakkauskoneelle.Robottipuolestaanaktivoikäynnistys-signaalin

pakkauskoneellejätetynlusikkapinonjälkeen.Pakkauskoneenohjelmointitoteutet-

tiinrelekaavio-ohjelmointina.

Kuvion36pakkausohjelmasisälsikolmeaskelta,joistaaskel0oliohjaussignaaliEt-

hernet/IP-kenttäväylänylirobotille,jossaannettiinrobotillevientilupapakkausko-

neelle.Vientiluvanehtonaturvapiirienolioltavasuljettunajapakkauskoneolioltava

valmiustilassasekäasetettuautomaattiajolle(AutoOn).Pakkauskoneenvalmius-ja

automaattiajotulosignaalittulivatpakkauskoneeltaliityntärajapinnanylilogiikanfyy-

sisiintuloihinI/O-listanmukaisestipaikkoihinIN09jaIN10.

Kuvio36.Logiikkaohjelmamoduulipakkaus.

Kuvion36askel1käsittelipakkauskoneenkäynnistys-signaalia.Robotinantama

käynnistyskäskyohjasisuoraanlogiikanfyysistälähtöäOUT08(PackingStart),joka

antoikäynnistyskäskynpakkauskoneelle.Robotinantamakäynnistyspulssioliniinly-

hyt,ettäkäynnistyskäskyyntehtiin2somapito,jollapidennettiinkäynnistyskäskyn

pituutta.

75

Askel2käsittelihäiriögenerointiamahdollisenpakkauskonehäiriönilmoittamiseksi.

Tuotantoajonaikanailmaantuvathäiriötpakkauskoneessataipakkauskoneenauto-

maattiajotilastapoistuminenaktivoihäiriön10skuluessa.Häiriöaktivoivalotornin

punaisenvalonjarobotilleannettulusikoidenvientilupapoistuuvälittömästi.Käyn-

nistyskäskynomapidollejahäiriöaktivoinnissakäytetytajastimetlisättiinpaikallis-

muuttujiin,jolloinkyseisetmuuttujatolivatkäytettävissäainoastaanpakkaus-ohjel-

mamoduulinsisällä.

10.1.4 Leikkaimenohjaus

Leikkaimenohjaukseentarvittiinruiskuvalukoneenlineaarirobotiltakättelytietologii-

kalle,milloinlusikkaviuhkaonvalmisleikattavaksi.Logiikanolivälitettävätietoline-

aarirobotillesuoritetustavaluylijäämäleikkauksesta.I/O-liityntärajapinnatlaitteiden

välillätoteutettiinfyysiselläI/O:llavälireleitäkäyttäen,jolloinlaitteidenjännitteetpy-

syivätomassapotentiaalissaan.Logiikkaohjasileikkaussylinteriäohjaavaa5/2-pai-

neilmaventtiiliä,jonkaliikettäseurattiinsylinteriinkiinnitetyilläantureilla.

Leikkaimenohjauksenohjelmointitoteutettiinrelekaavio-ohjelmointinajasekvens-

siohjausohjelmointina,jollointyövaiheetetenivätaskelkerrallaan.Leikkaimenohjel-

mamoduulijaettiinasetukset,sekvenssijalähdötohjelmamoduuleihin.Asetuksetoh-

jelmamoduulisisälsisekvenssinaskellukseenvaaditunaskelrekisterin.Sekvenssioh-

jelmamoduulisisälsiohjaussekvenssinleikkaussylinterinohjauksellejasensuoritettu-

jenliikkeidenvalvonnalle.Lähdötohjelmamoduulisisälsileikkaimenohjauksenja

I/O-liityntärajapintojenkättelytiedotruiskuvalukoneenlineaarirobotinvälille.

Kuvion37esittääsekvenssiohjelmamoduulin,jossaohjelmaonjaettukolmeenaske-

leeseen.Askel0sisältääainoastaanleikkausviiveajastimen,jollaolitarkoitusrauhoit-

taaleikkaustoimenpidettä.Leikkausviivettäkäytettiinsylinterinohjauksenjälkeen,

jolloinsylinteriodottietuasennossa0.2sekuntiaeturajanaktivoitumisenjälkeen.Vii-

vettäkäytettiinmyössylinterinpalatessaperusasentoonsa,jolloinsuoritetustaleik-

kauksestaruiskuvalukoneenlineaarirobottisaisignaalin0.2sekuntiaylärajanaktivoi-

tumisenjälkeen.

76

Kuvio37.Logiikkaohjelmoduulileikkaimensekvenssiohjaus.

Kuvion37askel1määrittialkuehdotsekvenssiaskellukselle.Ennensekvenssinaskel-

luksenaloittamistavarmistettiin,ettäleikkaussylinteriolihalutussaalkuasennossa,

paineilmatkytketty,turvapiiritkuitattujarobottiasetettuautomaattiajolle.

Ehtojentäytyttyäaskel2tikapuukaavioaskelsiensimmäiselleriville,jossaodotettiin

ruiskuvalukoneenlineaarirobotinsignaalialeikkauksenaloituksensallimisesta.Sig-

naalinaktivoituessasekvenssiaskelsieteenpäin,jolloinleikkaussylinterinohjaussal-

littiinkuvion38askeleen0mukaisesti.Tikapuukaaviossaedettiinseuraavilleaske-

leillesyliterinsaavuttamienrajatietojenperusteella.Leikkauksenjälkeenlogiikkavä-

littitiedonlineaarirobotillesuoritetustaleikkauksestakuvion38askel1mukaan.Lu-

sikkaviuhkantuontileikkaimellesallittiinainoastaanleikkaussuoritettu-tiedonol-

lessapoispäältä.Leikkaus-suoritettusignaaliapidettiinpäälläniinkauan,ettäsylin-

terinliikeolipalannutperusasentoonsa.Tällävarmistettiin,ettäleikkainonperus-

asennossaennen,kuinlusikkaviuhkantuontilupalineaarirobotilleaktivoidaan.

77

Kuvio38.Logiikkaohjelmamoduulileikkaimenlähdöt.

Leikkainsylinterinhäiriöngenerointitapahtuikuvion38askeleen3mukaisesti.Auto-

maattiajollageneroitiinhäiriö,mikälileikkainsylinterieisaavuttanutpäätyrajaa10s

kuluessasitäohjattaessa.

10.1.5 Kääntöpöydänohjaus

Kääntöpöydänohjelmamoduulienrakennetoteutettiinyhdenmukaisestileikkaimen

ohjelmamoduulienkanssa.Kääntöpöydänohjelmamoduulitsisältävätasetukset,sek-

venssijalähdötohjelmamoduulit.Ohjelmointitoteutettiinrelekaavio-ohjelmointina

jasekvenssiohjausohjelmointina.

Logiikkaohjasikääntöpöytääruiskuvalukoneenlineaarirobotinjalusikoidenkäsitte-

lyynkäytetynteollisuusrobotintyövaiheidenmukaisesti.Logiikkaantoilineaarirobo-

tillelusikoidentuontiluvan(OUT06),kunkääntöpöytäoliperusasennossa.Lineaari-

robottitäyttialustanjavälittilogiikallekääntöalustatäynnätiedontäytetystäkääntö-

alustasta(IN07).Logiikkasuorittikääntöalustankäännön,jollointäysilusikkapino

siirtyiteollisuusrobotintyhjennettäväksijatyhjäalustalineaarirobotintäytettäväksi.

Käännönjälkeenlogiikkavälittiteollisuusrobotilletyhjennysluvanjalineaarirobotille

78

täyttöluvan.Kääntöpöytääeikäännettyennekuinkummatkinrobotitolivatilmoitta-

neettyönsäsuoritetuksi.

Kääntöpöydänohjaustoteutettiinkahdella5/2-suuntaventtiilillä,jollamahdollistet-

tiinhallittukääntötoimenpidekumpaankinkääntösuuntaan.Ennenkääntöpöydän

paineilmaohjauksenkytkemistäkääntöpöytätäytyialustaa.Tämätarkoitti,ettäkään-

töpöydänasettaminenperusasentoontoteutettiinsiten,ettäpaineohjattiinmolem-

piinpyöröpöydänsuuntaventtiileihinlähdöilläOUT4jaOUT5.Paineidenkytkemisen

jälkeenohjauspoistettiinOUT5lähdöltä,jolloinpyöröpöytäpystyttiinkääntämään

perusasentoonsahallitusti.

Kuvion39esittääkääntöpöydänohjauksentoteuttavaaohjelmaa.Askel3ja4ohjel-

malohkoissamääritelläänpyöröpöydänalustus.Alustustarvittiin,mikäliturvasuojat

oliavattu,paineilmasyöttöpoistunuttairobottiohjelmasuoritusaloitettiinalusta.

Alustustavaadittaessapainekytkettiinkummallekinpuolellekääntöpöytää2sekun-

ninkuluttua,kunpaineilmaoliaktivoitu,turvasuojatkuitattujarobottiasetettuauto-

maattiajolle.OUT5-ohjauspoistettiin2sekunninkuluttuayhdenaikaisestapaineen-

kytkennästäjakääntöpöytäohjattiinperusasentoonaskel5mukaisesti.Automaat-

tiajossakääntöpöydänohjaustapahtuuaskel5jaaskel6mukaisesti.

79

Kuvio39.Logiikkaohjelmamoduulikääntöpöydänohjaus.

Kääntöpöydänsekvenssimoduulissakuvio40askel1määrittisekvenssinalkuehdot,

jossatarkistettiin,ettärobottionautomaattiajolla,kääntöpöytäperusasennossa,pai-

neilmansyöttöaktivoitujaturvapiiritkuitattu.Ehtojentäytyttyäkuvion40askel2

mukaisestisekvenssijäiodottamaankääntöpöydäntäyttymistä.Ensimmäiselläohjel-

makierrollateollisuusrobotilleeivoituantaatyhjennyslupaa,koskakääntöpöytäoli

vielätyhjä.Ensimmäisenohjelmakierronjälkeenteollisuusrobotinsaityhjennysluvan

jokaisensuoritetunkäännönjälkeen.Tästäjohtuenensimmäinenohjelmakiertooli

tunnistettavaohjelmallisesti,jokaolitoteutettuaskel3mukaisesti.Kyseisessäohjel-

malohkossalaskettiinohjelmakierrotjaensimmäisenohjelmakierronjälkeenpaikal-

lismuuttujaaktivoitiin.Muuttujaohittiaskel2sekvenssitikapuuaskeleen2,jossa

odotettiinainoastaanlineaarirobotintäyttöä.

80

Kuvio40.Logiikkaohjelmamoduulisekvenssiohjaus.

Kuvion40askel2tikapuukaavionohjelmakiertototeutuikääntöpöydänohjauksesta

jakäännönrajatietojenseuraamisesta,jonkajälkeenodotettiinlineaarirobotinjate-

ollisuusrobotintyövaiheidensuorittamista.Suoritettujentyövaiheidenjälkeenkään-

töpöytäsailuvankääntyäjarobottientyövaiheetalkoivatalusta,kunnestehtävätoli

jälleensuoritettu.

Kuvio41askel0ohjelmalohkoissaannettiintäyttölupalineaarirobotillejaaskel1

ohjelmalohkossatyhjennyslupateollisuusrobotille.I/O-liityntärajapinnataktivoitiin

ainapyöröpöydänkäännönjälkeen.Kääntöpöydälleeiannettukääntölupaaennen,

kuinlineaarirobottijateollisuusrobttiolivatsuorittaneettyövaiheensakuvion41

askel2mukaisesti.Robottientyövaiheilleluotiinsisäisetapumuuttujat,joita

käytettiintikapuukaaviossa.Apumuuttjienavullakättelysignaaleillepystyttiin

ohjelmoimaanomapito,jokaaktivoituilineaarirobotinjateollisuusrobotin

pulssimuotoisestasignaalista.Omapitonollattiin,kunkumpikinrobottiolisaanut

työvaiheensasuoritettuajakääntöpöytäsailuvankääntyä.

81

Kuvio41.Ohjelmamoduulikääntöpöydänulkoisetkättelyt.

10.2 Turvaohjaimenohjelmointi

TurvaohjaimenohjelmointialoitettiinturvakomponenttienliittämiselläturvaI/O-yk-

siköihinjamuuttujannimeämisillä.Turvakomponentitlisättiinsähkösuunnitteluntu-

loksenaluodunkuvion34I/O-kaavionmukaisesti.Turvaohjaimenohjelmointitoteu-

tettiinSysmacStudiollaFBD-(FunctionBlockDiagram)ohjelmointina.Hätä-seis-ja

turvapiirinohjauksilleluotiinomatohjelmamoduulit.OhjelmointitoteutettiinSysmac

Studio-käyttöohjettahyödyntäen.

10.2.1 Riskianalyysi

Ennenturvapiiriensuunnitteluajaohjelmointiaolitiedettävämillaisillaturvatoimilla

jaturvakomponenteillaautomaatinkäyttöönliittyviäriskejälähdettiinminimoimaan.

Riskienarviointisuoritettiinriskianalyysinavulla,johonosallistuitilaajayrityksen

johtosekäsähkö-jamekaniikkasuunnittelu.Riskianalyysisuoritettiinmatriisimene-

telmänavulla,jossariskientodennäköisyyttäverrattiinriskinvakavuuteen.Riskiana-

lyysintuloksenamääritettiinmekaanisetjasähköisetratkaisut,joidenyhteistulok-

senakäyttäjäturvallisuusriskitsaatiinvähäiseksitaisiedettäväksi.

82

10.2.2 Turvapiirinrakenne

Turvapiirienrakennekoostuihätä-seispiiristäjaturvapiiristä.Hätä-seispainikkeiden

turvalliseentilaansaattaminenmahdollistiohjausjännitteidenkytkennänautomaat-

tiin.Ohjausjännitteetkytkivätohjauskeskukseensarjaankytkettyjähätä-seisreleitä,

jotkaohjasivat24VDC-jännitesyötönohjauskeskuksenDC2-riviliittimeen.DC2-puo-

lestaanaktivoialennetunpaineenkytkeytymisenpneumaattisiintoimilaitteisiinsekä

jännitteensyötönlogiikanI/O:lle.DC2-jännitteidenkytkennäteivätsallitoimilaittei-

denliikekäskyjensuorittamista.

Turvakomponenttinatoimivienturvasuojienovikytkimienaktivointimahdollistiauto-

maatinturvapiirienkuittaamisen.Turvaovienkuittauspainikeoliturvaovenvieressä,

jokaaktivoiohjauskeskuksessaolevatsarjaankytketytturvareleet.Releetohjasivat

24VDCjännitteensyötönDC3-riviliittimelle.DC3-jännitesyöttöaktivoitäydentyöpai-

neenmekaanisilletoimilaitteillejasallitoimilaitteidenjateollisuusrobotinliikekäsky-

jensuorittamisen.

Turvaohjaimenlähdöilläohjattujenhätä-seisjaturvareleidentarkoituksenaolivä-

hentääturvaohjaimessatarvittavienturvalähtöjenmäärää.Ohjatutturvareleetsisäl-

sivätkuusikärkitietoa,jotkaolivatvapaastikäytettävissähätä-seisjaturvapiireihin

kytketyilletoimilaitteille.Ohjattujareleitäolihätä-seisjaturvapiirilläkaksikappa-

letta,joidenkoskettimetolivatsarjaankytkettyjä.

Kaikkiautomaatinhätä-seis-painikkeetmukaanlukienteollisuusrobotinjapakkaus-

koneenkytkettiinosaksiruiskuvalukoneenkahdennettuahätä-seispiiriä.Ruiskuvalu-

koneenhätä-seisreleeltäotettiinkahdennettukärkitietoturvaohjaimenturvatuloihin

(Si0jaSi1).Tällöinturvaohjainsaitiedonminkätahansahätä-seispainikkeenaktivoi-

misesta.Hätä-seispainikkeenaktivoituessaturvaohjainpoistivälittömästiohjauskes-

kuksenhätä-seisreleidenohjaukset(So0jaSo1),jotkapoistivatautomaatinpai-

neilma-jajännitteensyötöt.

Linjankaikkiturvasuojatkytkettiinosaksiruiskuvalukoneenkahdennettuaturvapiiriä

jaruiskuvalukoneenturvareleeltäotettiinturvaohjaimeenturvatuloihin(Si2jaSi3)

83

kahdennettukärkitieto.Ruiskuvalukoneenturvareleenkuittausmahdollistettiin,kun

kaikkiautomaatinturvasuojatolivataktivoitunaturvalliseentilaan.Tällöinturvapiiri

olimahdollistakuitataturvapiirinkuittauspainikkeesta.Kuittausmahdollistiohjaus-

keskuksenturvareleidenohjaukset(So2jaSo3),jotkamahdollistivatDC3-jännitteen-

syötönaktivoitumisen.Turvaovissakäytettiinlukollisiaturvakytkimiä,jotkalukitsivat

turvaovetkuittauksenjälkeen.Ovienavausmahdollistettiinavauspyyntöpainikkeen

aktivoimisenjälkeen.

10.2.3 TurvakomponenttienyhdistäminenturvaI/O-yksiköihin

LaitekonfiguraatioissamääritetyilleturvaI/O:lleolimääritettäväkäytettävätturva-

komponentit.Turvakomponentitlisättiinsähkösuunnitteluntuloksenaluodunkuvion

34I/O-kaavionmukaisesti.

Kuvio42esittääSysmacStudio-ohjelmistonNX-SID800-turvatuloyksikköönliitetyt

turvakomponentit.Turvakomponentitlisättiinkuvion42oikeanreunanlaitekirjas-

tosta.8-paikkaisenturvatuloyksikönturvatuloihinSi00jaSi01liitettiinruiskuvalu-

koneenhätä-seis-releenkärkitiedot.TurvatuloihinSi02jaSi03ruiskuvalukoneentur-

vareleenkärkitiedot.Si04turvatuloonkytkettiintakaisinkytkentäturvalogiikanläh-

döilläSo00jaSo01ohjatuistahätä-seisreleistä.Si05turvatuloonkytkettiintakaisin-

kytkentäturvalogiikanlähdöilläSo02jaSo03ohjatuistaturvareleistä.Turvatuloihin

Si04jaSi05kytketyillätakaisinkytkentätiedoillavalvottiinohjattujenturva-jahätä-

seisreleidentoimintaa.Si06turvatuloonkytkettiinohjausjännitepainike,jollaaktivoi-

tiinautomaatinhätä-seispiiri.Si07turvatuloonkytkettiinturvaovienkuittauspainike,

jollaaktivoittiinturvapiiri.

84

Kuvio42.Turvatulojenyhdistäminenturvatuloyksikköön.

Kuvio43esittääNX-SOD400turvalähtöyksikköönkytketytohjattavatturvakom-

ponentit.4-paikkaisenturvalähtöyksikönturvalähdötSo00jaSo01onkytkettyoh-

jauskeskuksenhätä-seis-releidenohjaukseen.TurvalähtöihinSo02jaSo03onkyt-

kettyohjauskeskuksenturvareleidenohjaukseen.

Kuvio43.Turvalähtöjenyhdistäminenturvalähtöyksikköön.

85

Turvakomponenttienlisäyksenjälkeenkäytössäolevilleturvatuloillejaturvalähdöille

nimettiinmuuttujatkuvion44mukaisesti.Komponenttienlisäysvaiheessalisätty

kommenttitallentuiautomaattisestimuuttujakommenttikenttään(VariableCom-

ment).Muuttujatmääritettiinulkoisiksimuuttujiksi,jolloinneolivatjokaisenohjel-

mamoduulinkäytettävissä.Kahdenkärkitiedonturvakomponenteilleolimahdollista

määrittääyksimuuttujanimi,jolloinmolemmatkärkisignaalitolivatyhdenmuuttujan

alla.

Kuvio44.TurvaI/O:nmuuttujamäärittelyt.

10.2.4 Turvaohjaimenohjelmointi

Kuvion45esittäähätä-seispiirinohjaukseenkäytettyjäohjelmasymboleitajaniiden

keskinäisiäkytkentöjä.Kuvion45SF_EmergencyStop-ohjelmasymbolintarkoituksena

olimonitoroidahätä-seispiirintoimintaa.OhjelmasymbolintuloS_EStopInkytkettiin

turvatuloihinSi00jaSi01määritettyynmuuttujaan,jokaaktivoituiruiskuvalukoneen

hätä-seisreleenkärkitietojenmukaisesti.Ohjelmasymbolinaktivointiinvaadittiineh-

jänhätä-seispiirinlisäksikuittausohjausjännitepainikkeeltaEmergencyReset-(Si6)tu-

loon,jolloinohjelmasymbolinS_EstopOut-lähtöaktivoitui.

86

Kuvio45.Hätä-seis-piirinohjaus.

OhjelmasymbolinSF_EDMtarkoituksenaoliseurataohjattujenhätä-seisreleidentoi-

mintaatakaisinkytkennänavulla.SF_EmergencyStopohjelmasymbolinaktivoiduttua

SF_EDMohjelmasymboliaktivoiturvalähdötSo00jaSo01,jotkaohjasivatohjauskes-

kuksenhätä-seisreleitä.Releiltäolitultavatakaisinkytkentä200mskuluessatuloihin

S_EDM1jaS_EDM2,jolloinkyseinenohjelmasymbolijäiaktiiviseentilaanjättäen

S_EDM_Out-lähdönpäällejahätä-seispiirinaktiiviseksi.SF_EmergencyStop-ja

SF_EDMohjelmasymbolitolivatkeskenäänsarjaankytkettyjä,jolloinhätä-seispiiri

katkaistiinvälittömästiminkätahansahätä-seispainikkeenaktivoituessa,taiohjattu-

jenhätä-seisreleidentakaisinkytkentätiedonkatkettua.Hätä-seispiirinuudelleen

käynnistäminenvaatikaikkienhätä-seispainikkeidensaattamistavalmiustilaan,jonka

jälkeenhätä-seispiirivoitiinkuitataohjausjännitepainikkeesta.

Kuvio46esittääturvapiirinohjaukseenkäytettyjäohjelmasymboleitajaniidenkeski-

näistäkytkentää.TurvapiiriohjauksessahyödynnettiinsamojaSF_EmergencyStopja

SF_EDMohjelmasymboleita,kuinhätä-seispiirinohjauksessa.SF_EmergencyStop-

ohjelmasymboliakäytettiinturvapiirinmonitorointiin.OhjelmasymbolintuloS_ESto-

pInkytkettiinturvatuloihinSi02jaSi03määritettyynmuuttujaan,jokaaktivoituiruis-

kuvalukoneenturvareleenkärkitietojenmukaisesti.Lisäksivaadittiinehjäjaaktivoitu

hätä-seispiiri.Aktivointiinvaadittiinkuitatunhätä-seispiirinjaehjänturvapiirinlisäksi

turvapiirinkuittauspainikkeenaktivointiSafetyReset-(Si7)tuloon,jolloinohjelmasym-

bolinS_EStopOut-lähtöaktivoitui.

87

Kuvio46.Turvapiirinohjaus.

SF_EDM-ohjelmasymbolintarkoituksenaoliseurataohjattujenturvareleidentoimin-

taatakaisinkytkennänavulla.SF_EmergencyStopohjelmasymbolinaktivoiduttua

SF_EDMohjelmasymboliaktivoiturvalähdötSo02jaSo03,jotkaohjasivatohjauskes-

kuksenturvareleitä.Releiltäolitultavatakaisinkytkentä200mskuluessatuloihin

S_EDM1jaS_EDM2,jolloinkyseinenohjelmasymbolijäiaktiiviseentilaanjättäen

S_EDM_Out-lähdönpäällejaturvapiirinaktiiviseksi.Ohjelmoidunturvapiiriohjelman

mukaisestihätä-seispiirintaiminkätahansaovirajakytkinpiirin-taitakaisinkytken-

täsignaalinkatketessaturvaohjainpoistiturvareleohjauksetturvalähdöiltäSo02ja

So03.Turvapiirinsaattaminenaktiiviseentilaanvaatikuitattuahätä-seispiiriäjakaik-

kienturvaoviensulkemista,jonkajälkeenturvapiirivoitiinkuitataturvapiirinkuittaus-

painikkeesta.

10.3 Teollisuusrobottiohjelmointi

Yaskawa-teollisuusrobotinohjelmointisuoritettiinohjelmointitehtävistäviimeisenä.

Lopullisetpisteenopetuksetjaohjelmanhienosäädönpystyitoteuttamaankäyttöön-

ottovaiheessaasiakkaantuotantotilassa.Ohjelmointitoteutettiinrobotinkäsioh-

jaimellajaohjelmointitapanakäytettiinopettamallaohjelmointia.Robottiohjelmoin-

nintyökalu-jaI/O-määrittelyissäsekäohjelmakäskyjentoteuttamisessahyödynnet-

tiinYaskawa-käyttöohjetta.

88

10.3.1 Työkalu-,I/O-jamuuttujamääritykset

TeollisuusrobotinjalogiikanvälisenEthernet/IP-kenttäväyläyhteydenmuodostami-

senjälkeenrobotilleolimääritettäväuudentyökalunmukainentyökalupiste,nimet-

tävärobotillakäytettäväI/Osekämääritettäväohjelmassakäytettävätmuuttujat.

Robotintyökalupisteolisidottuoletuksenarobotinlaippaan,jollointyökalunkäyttö

robotissavaatiuudentyökalupisteenmäärittämisen.Kuvion47esimerkinmukaisesti

työkalumääritetäänyleensätyökalunkärkeen,jossakappalettakäsitellääntaityövai-

heitasuoritetaan.TyökalupistemääritettiinrobotintyökalukoordinaatistonX,YjaZ

mukaisesti.Kuvion47esimerkissäkohdan1ja2(ToolAjaToolB)työkalujenkärjet

ovatrobotinlaipankeskipisteestäkohtisuoraanalaspäin,jokavastaarobotinkoordi-

naatistossasuuntaaZ.TämävaatiainoastaanZ-suunnanmuuttamisentyökalunpi-

tuudenverran.Kuvion47esimerkissäkohdan3(ToolC)työkalueioletyökalulaipan

alapuolella,jolloinZ-koordinaatinlisäksionmuutettavasivusuunnankoordinaattiaY.

Kuvio47.Työkalupisteenmääritys.(YaskawaInstructions2019:Usermanual)

89

Tässäopinnäytetyössäpihtitarttujasijaitsikohtisuoraanrobotinlaipansuuntaisesti,

jollointyökalumäärittelyissäolimuutettavaZ-koordinaattiatyökalupihdinpituuden

verran.Pihdintarkkapituussaatiinmekaniikkakuvanavulla.Työkalupisteenmäärittä-

minenhelpottitarkkojenhaku-jajättöpisteidenopetuksessa.Robottiapystyiaja-

maankäsiajollatyökalukoordinaatistossasiten,ettätarttujanasentoapystyimuutta-

maanpihdinkärjenpysyessäpaikallaan.Robotinliikekäskyjäolimahdollistasuorittaa

työkalukoordinaatistonmukaisesti,jolloinlineaariliikettärobottiajoikohtisuoraan

määritetyntyökalunsuuntaisesti.

RobotinomaaI/O:takäytettiintarttujanpihdin-japaininsylinterinohjaukseen.Sylin-

tereidensähköisetohjauksetjaanturisignaalienfyysisetkytkennätolitoteutettusäh-

kösuunnitteluntuloksenaluodunohjauspiirikaavionmukaisesti.Kuvio48esittääro-

botillemääritetyttulo-jalähtösignaalit.Pihtitarttujaasekäpaininsylinteriäohjattiin

5/2-paineilmaventtiilinavulla.PihtiäohjattiinrobotinlähdölläOUT#0001japaininta

lähdölläOUT#0002.PihdinanturisignaalintakarajaaktivoituitulossaIN#0001jaetu-

rajatulossaIN#0002.PainimenanturisignaalintakarajaaktivoituitulossaIN#0003ja

eturajatulossaIN#0004.Nimettyjätulo-jalähtösignaalejaolimahdollistakäyttääro-

bottiohjelmassamääritettyjennimienperusteella.

Kuvio48.TeollisuusrobotinI/O-määritykset.

90

LogiikanjarobotinvälisetkättelysignaalitalkoivatrobotintuloissapaikastaIN#0049

alkaenjalähdötOUT#0049alkaenseuraavasti:

• IN#0049=Lusikatpadassa(Hakulupa)• IN#0050=Pussitusvalmis(Vientilupa)• OUT#0049=Patatyhjennetty• OUT#0050=Lusikatasennettu• OUT#0051=Tyhjennetäänpataa• OUT#0052=Ohjelmasuoritusaloitettu

Robotinmuuttujiinlisättiinyksiinteger-(kokonaisluku)muuttuja.Muuttujaakäytet-

tiinhakukertojenlaskennassa.Jokaisenhakukerranjälkeenmuuttuja-arvoalisättiin

yhdellä,jolloinrobottiohjelmassatiedettiin,mitkälokerotontyhjennetty.Viimeisen

hakukerranjälkeenilmoitettiinlogiikalle,ettäkaikkilusikatonhaettujainteger-arvo

asetettiintakaisinarvoon1,jolloinseuraavantäydenkääntöalustantyhjennysalkoi

jälleenlokerosta1.

10.3.2 Ohjelmarakenne

Robottiohjelmointialkoiohjelmarungonsuunnitelulla,jossarobotintoiminnotjaet-

tiinpienempiinohjelmamoduuleihinelialiohjelmiin.Aliohjelmiaolimahdollisuus

käyttääpääohjelmassa(Main)haluamallaantavalla.Perustoimintonalähtötietojen

perusteellaolikääntöpöydäntyhjennysjapakkauskoneellevienti.Ohjelmakokonai-

suudenhallintajamahdollisethäiriötilanteetolihuomioitavaohjelmarakennetta

suunniteltaessa.

Kuvio49esittääpääohjelmarakennetta(Main).Pääohjelmarakennesisältääluotuja

aliohjelmia,joitarobottisuorittijärjestyksessäaliohjelmajaohjelmarivikerrallaan.

Suoritetunrivinjälkeenrobottisiirtyyseuraavalleohjelmarivillejaviimeisensuorite-

tunrivinjälkeenaloittaaohjelmasuorituksenalusta.Pääohjelmasisälsialiohjelmat

ALKUEHDOT,LAATIKKO,KÄÄNTÖPÖYTÄjaPAKKAUSKONE.Edellämainittujenalioh-

jelmienlisäksiohjelmassakäytettiinTARTTUJA-jaHAKU1-12aliohjelmia.Robotin

päästyäpääkiertoonkuvio49mukaisesti,sesuorittiainoastaanKÄÄNTÖPÖYTÄ

91

(haku)jaPAKKAUSKONE(vienti)aliohjelmia.ALKUEHDOT-jaLAATIKKO-ohjelmat

suoritettiinainoastaan,mikälirobottiohjelmasuoritusaloitettiinalusta.

Kuvio49.Teollisuusrobotinpääohjelmarakenne.

10.3.3 Alkuehdotjalaatikointi

Robottialoittipääohjelmasuorituksen(Main)ALKUEHDOT-aliohjelmasta.Alkueh-

doissanollattiinmahdollisetaktiivisetkättelysignaalitlogiikalle.Kääntöpöydänin-

teger-arvoksiasetettiin1,jolloinrobottialoittikääntöpöydäntyhjentämisenpaikasta

1.

LAATIKKO-aliohjelmassarobotintarttujaanmahdollisestijääneetkappaleettyhjen-

nettiinlaatikkoon,ainaennenpääohjelmakierronaloittamista.Robotilleolimääri-

tettysolunsisällelaatikkopaikka,jonkapäällätarttujantyhjennyssuoritettiin.Robotti

ajettiinlaatikonpäälleopetettuihinylä-jaalapisteisiinMOVJ-liikekäskyllä,nopeuk-

sillaVJ=80jaVJ=70.LähtöjenOUT#0001jaOUT#0002ohjauksetpoistettiin,jotka

92

poistivatohjauksetpihtitarttujaltajapainimeltakuvion50mukaisesti.Tarttujanpih-

dinjapaininsylinterintakarajojenaktivoituminenvarmistettiintulojenIN#0001ja

IN#0003aktivoitumisella.

Kuvio50.TeollisuusrobotinLAATIKKO-aliohjelma.

10.3.4 Kääntöpöydältähaku

ALKUEHDOTjaLAATIKKO-ohjelmiensuorittamisenjälkeenvoitiinaloittaapääohjel-

makierto,jokaaloitettiinKÄÄNTÖPÖYTÄ-aliohjelmasta,jokasisälsimyösaliohjelmat

HAKU1-12.RobottiajoiodotuspisteeseenkääntöpöydänläheisyyteenMOVJ-liike-

käskyllä,jossarobottijäiodottamaanlogiikanantamaahakulupakäskyäIN#0049ku-

vion51mukaisesti.Kääntöpöydänkäännyttyärobotintyöalueelle,logiikkaantoiro-

botilleluvansuorittaakääntöpöydäntyhjennys.Alkuasetuksissamääritettiinhakulas-

kurinI000integer-arvoksi1,jolloinkuvion51mukaisestiohjelmarivillä0006haku

suoritettiinaliohjelmastaHAKU1.Jokaisenhakukerranjälkeeninteger-arvoalisättiin

93

yhdellä.Seuraavallahakukerrallainteger-arvooli2,jolloinlusikathaettiinaliohjel-

mastaHAKU2.Viimeisen12hakukerranjälkeeninteger-arvoksiasetettiinjälleen1

jarobottiilmoittilogiikalletyhjennetystäkääntöalustasta.

Kuvio51.TeollisuusrobotinKÄÄNTÖPÖYTÄ-aliohjelma.

HAKU1-12-aliohjelmasuorittaminentoteutettiinIF-ehtolauseenmukaisesti.Kuvion

51ohjelmarivillä0006olevaIF-lauseessatarkasteltiininteger-arvoaI000.Mikäliin-

tegerarvoI000=1,tällöinsiirryttiinsuorittamaanaliohjelmaaHAKU1.Josinteger-

arvoeiolisiollut1,tällöinoltaisisiirryttyohjelmariville0009jatarkasteltuonkoin-

teger-arvo2.Integer-arvonollessa2suoritettiinaliohjelmaHAKU2.Mikäliinteger-

arvoeiolisiollut2oltaisiintarkasteltuinteger-arvoa3jajne.

Haku1-12aliohjelmatolivatkeskenäänidenttisiä,ainoastaanjokaisenohjelmanpis-

teetoliopetettukullekinhaulleomaanlokeroonsa.Ohjelmasisälsiyläpisteenhaku-

paikanpäälläjaalapisteen,jostalusikkapinoolimahdollistapoimia.Alapisteessätart-

tujasuljettiin,jonkajälkeenrobottinousitakaisinyläpisteeseenjaolivalmissiirty-

määnPAKKAUSKONE-aliohjelmaan.

94

10.3.5 Pakkauskoneellevienti

PAKKAUSKONE-aliohjelmassavarmistettiinIF-lausekkeellalogiikanantamavienti-

lupapakkauskoneelletulostaIN#0050.Mikälipakkauskoneessailmenihäiriö,vienti-

lupaapakkauskoneelleeiollutjakääntöpöydältänoudetutlusikatajettiinlaatikkoon.

Pakkauskoneenhäiriöeisaanutestääruiskuvalukoneentoimintaa,jonkatakiakään-

töpöytäolityhjennettäväpakkauskoneessailmenneestähäiriöstähuolimatta.

VientiluvanIN#0050ollessaaktiivinen,lusikkapinonvientisallittiinpakkauskoneelle.

Lusikkapinojätettiinuseanvälipisteenkauttapakkauskoneenhihnallevaakatasossa.

Tarttujaavattiinjarobottiajettiinpoispakkauskoneenhihnanläheisyydestä.Robotti

asettilähdönOUT#0050aktiiviseksi,jolloinlogiikkatiesirobotinjättäneenlusikkapi-

nonpakkauskoneenhihnallejaantoipakkauskoneellekäynnistys-signaalin.Pakkaus-

koneajoihihnaayhdenlusikkapinonverraneteenpäin.Robottijatkoiohjelmakierto-

aanhakemallaseuraavanlusikkapinonkääntöpöydältä.

10.3.6 Tarttujanohjausjahäiriöngenerointi

PihtitarttujanavaaminenjasulkeminentoteutettiinTARTTUJA-aliohjelmassa.Pihdin

käyttöätarvittiinjokaisessa12HAKU-aliohjelmassa,LAATIKKO-jaPAKKAUSKONE-

aliohjelmissa.Ohjelmanselkeydenvuoksitarttujalletehtiinomaaliohjelma,jotakut-

suttiinaina,kunpihtitarttujaaolitarveavatataisulkea.Tarttujanpihdinavaus-jasul-

kemishäiriöstäaktivoitiinhäiriöilmoitus.Häiriöaktivoitiinmikälipihtieipäässytsul-

jettaessaeturajalleen(IN#0002)taiavatessatakarajalleen(IN#0001).

PihtiohjelmanrakennetoteutettiinIF-lauseensisälle,jossapihdinollessakiinni,se

avattiinjapihdinollessaauki,sesuljettiin.Kuvio52esittäätarttujanavaamisohjel-

maa.PaininsylinterinohjausOUT#0002poistettiinjaodotettiin,ettäpainimentaka-

rajaIN#0003aktivoituu.Odotettiin0.5sekuntiajapoistettiintarttujapihdinohjaus

OUT#0001.PihdintakarajanIN#0001oliaktivoiduttava3sekunninkuluessa,muuten

aktivoitiinhäiriöilmoitus”PIHTIEIAUKEA”.Häiriönilmaantuessarobottiohjelman

suorituslopetettiinjarobotinkäynnistäminenolimahdollistahäiriönpoistamisenjäl-

keen.Pihdinsulkemisenohjelmarakennetoteutettiinvastaavallaohjelmarakenteella.

95

Kuvio52.TeollisuusrobotinTARTTUJA-aliohjelma.

10.3.7 Ohjelmasuorituksenaloittaminen

Puukuitulikkaautomaatinkäyttöpaneelinatoimirobotinoperointipaneeli.Automaa-

tinkäynnistäminenautomaattiajollealoitettiinohjausjännitteidenkytkennällä,joka

tapahtuisolunsisälläolevansähkökeskuksenohjausjännitepainikkeesta.Varmistet-

tiin,ettäkääntöalustaontyhjäennenajonaloittamistajarobottilähelläsenkotipis-

tettä.Ruiskuvalukoneenjasolunympäröivänsuoja-aidanturvaovetsuljettiinjakui-

tattiinsuoja-aidanvieressäolevastakuittauspainikkeesta.Ruiskuvalukonejapak-

kauskoneasetettiinautomaattiajolle.Robotinoperointipaneelistavalittiinsuoritetta-

vaksiohjelmaksilusikanpakkauksenpääohjelma(Main).Robottiservotaktivoitiinja

ohjelmasuoritusaloitettiinrobotinoperointipaneelinSTART-painikkeesta,jolloinro-

bottialoittityösuorituksensapääohjelmanmukaisesti.RobotinSTART-komento

mahdollistimyöslogiikkasekvenssientoiminnanaloittamisen.

96

11 Käyttöönotto

11.1 Toiminnantestaus

Ennenpuukuitulusikkaautomaatinkäyttöönottoajaasiakkaalletoimitustaautomaa-

tinmekaaniset-jasähköisetrakenteetkokoonpantiintoimeksiantajantuotantoti-

loissa.Automaatiokokonaisuudensisältämätkääntöpöytä,leikkainjarobottitarttuji-

neenkytkettiinpneumaattisestijasähköisestiautomaatiojärjestelmään.Niidenme-

kaanisettoiminnot,logiikka-jarobottiohjelmarakenteettestattiin.Automaattikoko-

naisuudentoimintaolimahdollisuustodentaaruiskuvalukonettajapakkauskonetta

lukuunottamatta.Ruiskuvalukoneenjapakkauskoneenpuuttuessaeiollutmahdolli-

suuttasuorittaanormaalistisuoritettavaaFAT-(FactoryAcceptanceTest)hyväksyn-

täajoa.Laitteenlopullinenhyväksyntäsuoritettiinasiakkaantuotantotiloissasuoritet-

tavallaSAT-(SiteAcceptanceTest)hyväksyntäajolla.

Automaatintodennetuntoimivuudenjälkeenautomaattikokonaisuussiirrettiinasiak-

kaantuotantotiloihin.Teollisuusrobotti,leikkain,kääntöpöytä,sähkökeskus,pak-

kauskonejarobottiohjainasennettiinmekaniikkasuunnittelunlaatimanlayout-kuvan

mukaisestiruiskuvalukoneenyhteyteen.Automaatinympärillepytytettiinsuoja-aita,

johonasennettiinhätä-seispainikkeet.Toimilaitteetkytkettiinsähköisestija

pneumaattisestisähkö-jamekaniikkasuunnitelmanmukaisesti.Automaatinlayout-

kuvaesitettyopinnäytetyönliitteessä1.

Liitäntärajapinnatlogiikaltaruiskuvalukoneeseenjapakkauskoneeseensuunniteltiin

yhteistyössäkyseistenlaitteidenlaitetoimittajienkanssa.Suunnitelmattoteutettiin

hyvissäajoinennenlaitteidentoimitusta,jolloinkukinosasivaratatarvittavatI/O:t

laitteidenväliseenkommunikaatioon.Tarvittavatvälireleetlisättiinpuukuituauto-

maatinsähkökeskukseen.I/O-liityntärajapintojenkytkennätsuorittikukinlaitetoimit-

tajatoimittamiinsalaitteisiin.LaitteidenvälisetI/O-rajapinnattestattiinpuolinjatoi-

sin,signaalikerrallaan.

97

Teollisuusrobotilleoliopetettavalopullisetpaikkapisteet.Kaikki12hakupistettä,lusi-

koidenjättöpisteetjalaatikkopisteetopetettiintarvittavinevälipisteineen.Robot-

tiohjelmaatestattiinkäsiajollaaliohjelmakerrallaanennenautomaattiajonaloitta-

mista.Ruiskuvalukoneenlaitetoimittajanedustajatekilineaarirobotinohjelmat,joilla

lusikkaviuhkatajettiinleikkaimenkauttakääntöalustalle.Automaattikokonaisuuden

testausaloitettiinlusikkaviuhkakerrallaantarkistaenlineaarirobotinleikkain-jakään-

töalustanpaikkapisteetsekäruiskuvalukoneenjalogiikanvälistenkättelytietojentoi-

mivuus.Lopultalineaarirobottiajoikääntöalustantäyteenjasuoritettiinkääntöalus-

tankääntö.Testaustajatkettiinteollisuusrobotinpuolelle.Teollisuusrobottipoimi

kääntöalustaltalusikkapinonkerrallaanviedenpinonpakkauskoneenhihnalle.Tes-

tauksessaolitarkoitushavainnoidakaikkienkahdentoistaopetetunhakupisteenpai-

koitus.Lusikkapino,seeisaanutosuahakulokeronreunoihinrobotillahaettaessa.

Pakkauskoneenhihnallejättövaiheessapihtitarttujaeisaanutosuajätettyynlusikka-

pinoon.Testausvaiheessasimuloitiinmyösmahdollisiahäiriötilanteita.Pakkauskone

asetettiinmanuaaliajolle,jollasimuloitiinmahdollistapakkauskoneenhäiriötilan-

netta.Robotillaeiollutlupaaviedälusikkapinojapakkauskoneelle,jolloinrobottiajoi

lusikatpakkauskoneensijastalaatikkoon.Robotinhakulaskurintoimintaatestattiin

siten,ettärobotinolialoitettavaainahakupaikasta1jasiirryttäväensimmäisenhae-

tunlusikkapinonjälkeenhakupaikkaan2jajne.Viimeisenviedynlusikkapinonjälkeen

robotinolijäätäväodottamaankääntöalustankääntymistäjaaloitettavatyhjennys

hakupaikasta1.

11.2 Automaatintestauksetjahyväksyntäajo

EnnenvirallistaSAT-hyväksyntäajoaautomaatilleolisuoritettavatoimeksiantajan

toimintajärjestelmänmukaisettestaukset.Sähköistenkytkentöjenjälkeensuoritet-

tiinsähköisetkoestusmittaukset,jokasisälsieristysvastus-,jäännösjännite-jasuoja-

johtimenjatkuvuusmittaukset.Lähtötarkastuslomakkeensisältämientarkastuskoh-

teidenmukaisestivarmistettiinmuunmuassaturvasuojien-jahätä-seispainikkeiden

toimintajatarvittavienvaroituskylttienasennus.Käyttäjäkoulutuksessaoperaattorit

koulutettiinturvalliseenkoneenkäyttöön.Koulutuksentärkeimpinätavoitteinaoli

käydäläpikoneenkäyttöönliittyvätalkuvalmistelut,automaattiajojarobotinkäsiajo.

98

SAT-hyväksyntäajontavoitteetolimääriteltyasiakkaanjalaitetoimittajanvälisissä

sopimuksissa.SAT-hyväksyntäajoissavarmistettiinautomaatintoimintajasillelu-

vattujaksonaikatavoite.HyväksytystisuoritetunSAT-hyväksyntäajonjälkeenasiak-

kaalletoimitettiinpäivitetytsähkö-jamekaniikkakuvat.Konedirektiivientäyttymi-

sestäasiakkaalletoimitettiinvaatimuksenmukaisuusvakuutus,jonkajälkeenauto-

maattiinasennettiinCE-kyltti.

12 Tutkimustuloksetjapäätelmät

12.1 Tuotannonautomatisointi

Automaattivaatiitoimiakseenmekaanistenratkaisuidenlisäksioikeattoimilaitteet,

ohjausjärjestelmätjaohjelmat,joidenavullaliikekäskyjensuorittaminenautomaatti-

sestionmahdollista.Jokainenautomaatiolaiteonyksilöjasentoimilaitteetjaohjaus-

järjestelmätonvalittavatapauskohtaisesti.Valituttoimilaitteetonliitettäväosaksi

ohjausjärjestelmää,jolloinohjausjärjestelmäkykeneeohjaamaantoimilaitteitaluo-

dunsovellusohjelmanmukaisesti.Ohjausjärjestelmänohjaamattyövaiheetmuodos-

tavatlopultatoimintokokonaisuuden,jollatuotannontoiminnotsuoritetaanauto-

maattisesti.Tällöinvoidaanpuhuatuotannonautomatisoinnista.

Tämänopinnäytetyönsähkösuunnittelunjamekaniikkasuunnittelunbenchmarking-

haastatteluidentuloksenakerätynaineistonperusteellaohjausjärjestelmänjatoimi-

laitteidenvalintasaatiinrajattua.Lopullisetohjausjärjestelmä-jatoimilaitevalinnat

suoritettiinhyödyntäenprojektinlähtötietojajalaitemanuaaleja.Ohjausjärjestelmän

jatoimilaitteidenliittäminentoisiinsatoteutettiinlaitteidentukemaakenttäväyläpro-

tokollajafyysistäI/O:tahyödyntäen.Tämämahdollistitiedonsiirronohjausjärjestel-

mänjatoimilaitteidenvälillä.Ohjelmointivaiheessaohjausrutiinittoteutettiinlogii-

kanlaiteoppaanmukaisesti.

99

Oikeidenohjausjärjestelmä-jatoimilaitevalintojen,luotujenkenttäväylärajapintojen

jaohjelmoidunsovellusohjelmanyhteistuloksenasaatiinaikaanautomaattisestitoi-

mivakokonaisuus.Ohjausjärjestelmänätoimivaohjelmoitavalogiikkaohjaatoimin-

tojatyövaihekerrallaan.Toimilaitteenatoimivateollisuusrobottisuorittaalusikoiden

käsittelyäomansovellusohjelmansamukaisesti.Turvaohjainvalvooturvakompo-

nenttientilatietojasovellusohjelmanmukaisesti.

Tämänopinnäytetyöntuloksenapuukuitulusikankäsittely-japakkaustoimenpiteet

saatiinautomatisoitua.Ruiskuvalukoneenruiskuvalamatpuukuitulusikatsaatiinkäsi-

teltyäjapakattuasiten,ettäautomaatinloppupäästäsaatiinvalmiiksipakattujaate-

rinpusseja.

12.2 Tuotannollisethyödyt

Tuotannonautomatisoinnillatähdätäänyleensätuotannontehostamiseenja/taiope-

raattoreilleraskaidentyövaiheidenpoistamiseen.Tuotannonautomatisoinnintavoit-

teenatässäopinnäytetyössäolituotannonkaksinkertaistaminenjaoperaattoreiden

työvaiheidenpoistaminen.

Mekaanistentoimilaitteidenjanopeidenohjausjärjestelmienansiostatyövaiheiden

suorittamiseenkäytettävääaikaasaatiintehostettua.Automatisoinnintuloksena

puukuitulusikoidenkäsittelypystyttiintoteuttamaanruiskuvalukoneenjaksonaikaa

nopeammin.Tämätarkoitti,ettäruiskuvalukoneenmaksimaallinentuotantotehok-

kuuspystyttiinhyödyntämäänhidastamattatuotantoakäsittely-japakkausvai-

heessa.Loppuasiakkaankertomanperusteellatyövuorossatuotettutuotantomäärä

onsaatuautomatisoinnintuloksenaylittämääntuotantotavoitteet.

Puukuitulusikoidenkäsittelynjapakkauksentoteuttaminenkäsinvaatiuseamman

operaattorintyöpanoksen.Mekaanisten-jaohjelmallistenratkaisujensekäteolli-

suusrobotillatoteutetunkäsittelyntuloksenaoperaattoreidentyövaiheetsaatiin

poistettuakokonaan.Automatisoinnintuloksenaloppuasiakaspystyikeskittämään

100

operaattoreidentyöpanoksenautomaatillapakattujenlusikkapussienjatkokäsitte-

lyyn.

Tuotantotavoitteidenlisäksi,tämänopinnäytetyöntuloksenatoteutetullapuukuitu-

lusikkaautomaatillapystyttiinvaikuttamaanmaailmanlaajuiseenongelmaan.Auto-

maatillakäsiteltävätpuukuitulusikattulevatkorvaamaanperinteisetmuovistaval-

mistetutkertakäyttölusikat.Lusikkamassaonvalmistettuympäristöystävällisiämate-

riaalejahyödyntäen.Loppuasiakkaankertomanperusteellapuukuitulusikatovatpe-

sunkestävätjauudelleenkäytettävissä.Poltettaessalusikatpalavattäysinpuhtaasti.

12.3 Päätelmät

Tämänopinnäytetyöntutkimustuloksistavoidaantodeta,ettätyölleasetetuttavoit-

teetonsaavutettu.Työhönhankitunlähdemateriaalinperusteellaohjausjärjestel-

mänjateollisuusrobotinmahdollistaamyösnykyisentuotannonjatkokehityksen.

TyössäkäytetynautomaatiojärjestelmänEtherCAT-kenttäväyläänonmahdollistali-

sätäväyläyksiköitä,minkäkauttaliitäntärajapinnatuusilletoimilaitteillevoidaanto-

teuttaa.6-akselinenteollisuusrobottiantaavapaudentoteuttaaerilaisiakappaleen-

käsittelyvariaatioita,mikälitulevaisuudessatuotantomenetelmäähaluttaisiinkehit-

tää.

Tämänhetkinentuotantomahdollistaayhdenlusikkapinonpussituksen.Automaattiin

tehtävilläpienillämekaanisillajaohjelmallisillamuutostöillämahdollistettaisiinuse-

ammanlusikkapinonpakkaaminensamaanpussiin.Tällöinkuluttajallesaataisiinlu-

sikkamäärällisestierikokoisiatuotepusseja.Tämävaatisilusikkapinonpannoituksen,

jokaolisimahdollistalisätänykyiseenautomaatiojärjestelmään.Lusikkapinotajettaisi

pannoituksenkauttapakkauskoneenhihnalle.Pakkauskoneelleeiannettaisikäynnis-

tyslupaa,kuinvastatoisenjätetynlusikkapinonjälkeen.Robottiohjelmaantehtäisiin

omatpääohjelmatsenmukaisesti,minkäkokoistatuotepakkaustahaluttaisiinajaa.

101

13 Pohdinta

Tässäopinnäytetyössätavoitteenaoliautomatisoidapuukuitulusikankäsittely-ja

pakkaustoimenpiteet.Automatisoinnillapyrittiinkaksinkertaistamaannykyinentuo-

tantomääräjapoistamaanoperaattoreidenkäsikokoonpanontyövaiheet.Opinnäyte-

työntavoitteitakäsiteltiinsähkösuunnittelunnäkökulmasta,jossaaiherajattiinoh-

jausjärjestelmä-jatoimilaitevalintoihin,toimilaitteidenliityntärajapintoihin,ohjel-

mointiin,käyttöönottoon.Tutkimuksentutkimusaineistokerättiinteemahaastatte-

luillajabenchmarking-menetelmäähyödyntäen.Benchmarking-jateemahaastatte-

lutkohdennettiinopinnäytetyöntilaajayrityksensähkö-jamekaniikkasuunnitteluun.

Haastatteluillakerättyjätutkimusaineistoapitäisinluotettavana,koskamekaniikka-

suunnittelijanhaastattelukohdennettiinsuunnittelijaan,jokasuunnittelipuukuitulu-

sikkaautomaatinmekaanisetratkaisut.Sähkösuunnittelijoidenbenchmarking-haas-

tattelutkohdennettiinuseisiinsähkösuunnittelijoihin,jollointutkimusaineistonluo-

tettavuuttapystyiarvioimaantarkemmin.

Työnlähdemateriaaliakerättiinautomaatinsisältävienohjausjärjestelmienjatoimi-

laitteidensekätyössäkäytettävientoimintamenetelmienmukaisesti.Tiedonhankin-

nanhaasteenaolilöytäälähdemateriaaliauusimmistaohjausjärjestelmistäjakenttä-

väyläratkaisuista.Kyseistentoimilaitteidennopeakehitystuoomathaasteensaajan-

kohtaisimpientietolähteidenlöytämiseen.Lisäksiohjelmointiinliittyvänlähdemateri-

aalinhankintaosoittautuiosittainhaastavaksi.Tämävoijohtuasiitä,ettäohjelmoin-

nintoteuttamisessaonmerkki-jamallikohtaisiaeroavaisuuksia,jolloinonmahdoton

esittääaukotontakokonaisuuttaohjelmoinnintoteutustavasta.Ajankohtaisimmat

tietolähteetlöytyivätvieraskielisistämateriaaleista,joitatyössähyödynnettiineten-

kinkenttäväylienosalta.Työntoteutuksessahyödynnetytkenttäväylärajapintoihinja

ohjelmointiinliittyvättietolähteetpohjautuivatpelkästäänvieraskielisiintietolähtei-

siin.

Kokonaisuutenatyöntoteutuskäytettyjentiedonhakumenetelmienjahankitunläh-

dematerianpohjaltaonnistuihyvin.Valituillaohjausjärjestelmilläpystyitoteutta-

102

maantavoitteidenmukaisettoimilaite-jaturvaohjaukset.Ohjausjärjestelmienkäyt-

töönottosekäohjelmointiilmansuurempiaongelmia.Automaatinkäyttöönottovaati

yhteistyötäruiskuvalukoneenjapakkauskoneenlaitetoimittajienyhteyshenkilöiden

kanssa.Yhteisetaikataulutlaiterajapintojentestaamiseksisaatiinsovittuajaauto-

maattikokonaisuudentestaussaatiinsuoritettuaaikataulussa.

Tämänopinnäytetyöntuloksiatoimeksiantajavoihyödyntääseuraavissapuukuitu

haarukka-javeitsiautomaattienautomatisoinnissa.Seuraavienautomaattientoteu-

tusvoidaantoteuttaalähestäysinopinnäytetyölläsaavutettujentulostenperus-

teella.OpinnäytetyöntuloksiavoidaanjatkossahyödyntäämyösOmroninNX1P-lo-

giikkamallienI/OkäyttöönottoonsekäEthernet/IP-jaEtherCAT-kenttäväyläyhteyk-

sienmuodostamiseen.Nykyaikaistenautomaatiojärjestelmienjakenttäväyläliityntä-

rajapintojenmuodostamisestaeilähdeaineistonhankinnanyhteydessälöytynytai-

kaisempiatutkimuksia.

Tämänopinnäytetyöntulostenperusteellaloppuasiakkaantoiveetjatyölleasetetut

tavoitteetsaatiintoteutettua.Opinnäytetyönaiheestatekierittäinmielenkiintoisen

ajankohtainentuote,jollakorvataanperinteisetkertakäyttömuoviaterimet.Loppu-

asiakasolityytyväinensaavutettuihintuotantotavoitteisiinjavarmatoimiseenkoko-

naisuuteen.Työtätullaantarvittaessakehittämäänpidempiaikaisentuotantokoke-

musten-jaloppuasiakkaantoiveidenmukaisesti.

103

Lähteet

AutomationSoftware:SysmacStudioformachinecreators.2019.Laiteopas.OmronCorporation.Viitattu27.12.2019.https://assets.omron.eu/downloads/datasheet-/en/v9/i181e_sysmac-se2_sysmac_studio_datasheet_en.pdf

Bélander-Barette,M.2015.Whatdoescollaborativerobotmean?.Blogikirjoitus.Robotiq.Viitattu06.11.2019.https://blog.robotiq.com/what-does-collaborative-robot-mean

EtherCAT–theEthernetFieldbus.2012.EtherCATTechnologyGroup.Viitattu11.12.2019.http://www.ethercat.org/pdf/ethercat_e.pdf

EtherNet/IPEDSUpdate.2012.Blogikirjoitus.Viitattu08.12.2019.https://www.rtautomation.com/rtas-blog/ethernet-ip-eds-update/

Fonselius,J.,Pekkola,K.,Selosmaa,S.,Ström,M.&Välimaa,T.1996.Automaatiolaitteet.Painos2.Helsinki:OyEditaAb

FunctionBlockDiagram(FBD)ProbrammingTutorial.2018.PLCProgramming&AutomatinOnline.Viitattu06.11.2019.https://www.plc-academy.com/category/plc-programming/

Goble,W.2003.LearntotrustsafetyPLCs.ControlDesignforMachineBuilders.PutmanMedia.Viitattu06.11.2019.https://www.controldesign.com/articles/2003/-249/

Handling&GeneralApplicationswiththeGP-series:MotomanGP12.2019.Laiteopas.Viitattu27.12.2019.https://www.yaskawa.eu.com/index.php?eID=dump-File&t=f&f=17298-&token=849af23b4960e1efce2845fb115a505957c2f115

HowDoesaCasePackingMachineWork.N.d.EconoCorp.Viitattu12.12.2019.https://www.econocorp.com/how-does-a-case-packing-machine-work/

Hooper,R.N.d.IndustrialRobots.LearnAboutRobots.Viitattu06.11.2019https://www.learnaboutrobots.com/industrial.htm

Hulkkonen,V.2008.Pneumatiikka:Venttiilit.FluidKlinikka.Viitattu11.12.2019.https://asiakas.kotisivukone.com/files/fluidfinland.kotisivukone.com/FluidKlinikat/16.pneumatiikka-venttiilit.pdf

Järvinen,P.2008.Uusimuovitieto.Porvoo:MuovifaktaOy

Järvinen,P.2017.Muovitjamuovituotteidenvalmistus.Porvoo:MuovifaktaOy

Kananen,J.2010.Opinnäytetyönkirjoittamisenkäytännönopas.Jyväskylä:Jyväsky-länammattikorkeakoulu.

104

Kananen,J.2012.Kehittämistutkimusopinnäytetyönä.Jyväskylä:Jyväskylänammat-tikorkeakoulu.

Kananen,J.2015.Opinnäytetyönkirjoittajanopas.Jyväskylä:Jyväskylänammattikor-keakoulu.

Keinänen,T.,Kärkkäinen,P.,Metso,T.&Putkonen,K.2001.Logiikatjaohjausjärjes-telmät.Helsinki:WSOYOppimateriaalitOy.

Kuivanen,R.1999.Robotiikka.Tampere:Suomenrobotiikkayhdistysry.

LadderLogicTutorial.2019.Blogikirjoitus.Viitattu17.11.2019.https://www.plcaca-demy.com/category/plc-programming/

Malm,T.,Venho-Ahonen,O.&Vanhala,M.2010.Automaatiouusintojenturvallisuuskonejärjestelmissä.Tampere:VTTExpertService.Viitattu02.12.2019.https://www.vtt.fi/inf/julkaisut/muut/2010/VTT-R-04369-10.pdf

NX1Pseriesmachinecontroller.N.d.Laiteopas.Viitattu27.12.2019.https://as-sets.omron.eu/downloads/datasheet/en/v4/i179e_nx1p_nx1-series_machine_cont-roller_datasheet_en.pdf

OmronCorporation.2019.Safetycontrolunit.Laiteopas.Viitattu17.11.2019.https://assets.omron.eu/downloads/manual/en/v5/z930_nx_series_safety_cont-rol_unit_users_manual_en.pdf

OperationManual:SysmacStudioVersion1.2019.Laiteopas.OmronCorporation.Viitattu29.12.2019.https://assets.omron.eu/downloads/manual/en/v11/w504_sys-mac_studio_operation_manual_en.pdf

Parlamenttisinetöikertakäyttömuovikiellonvuoteen2021mennessä.2019.Viitattu11.11.2019.https://www.europarl.europa.eu/news/fi/pressroom/20190321IPR32111/parlamentti-sinetoi-kertakayttomuovin-kiellon-vuoteen-2021-mennessa

PLCMemory.2016.Viitattu28.11.2019.https://automationprimer.com/2016-/08/28/plc-memory/

Principleofoperation.2016.BeckhoffAutomation.Viitattu11.12.2019.https://www.beckhoff.com/english.asp?ethercat/aufbau.htm?id=35572043349

Pyyskänen,S.2007.Teollisuudenlaiteverkot.Helsinki:SuomenAutomaatioseurary.

RobotController:UserManual.2017.Laiteopas.YaskawaRobotics.

Keinänen,T.,Kärkkäinen,P.,Lähetkangas,M.&Sumujärvi,M.2007.Automaatiojärjestelmienlogiikatjaohjaustekniikat.Helsinki:WSOYoppimateriaalit.

Kippo,A&Tikka,A.2008.Automaatiotekniikanperusteet.Helsinki:Edita.

105

Shikany,A.2014.CollaborativeRobotsEndUserIndustryInsight.RoboticIndustriesAssociation.Viitattu06.11.2019.https://www.robotics.org/userassets/riaup-loads/file/RIA_Collaborative_Robots_White_Paper_October_2014.pdf

Siirilä,T&Tytykoski,K.2016.Koneturvallisuudenkäsikirja.Keuruu:Inspecta.

Technology.2019.EtherCAT.Viitattu22.11.2019.https://www.ethercat.org/en/tech-nology.html#1

Technologyoverviewseries:Ethernet/IP.2016.ODVAInc.PUB00138R6.Viitattu

25.11.2019.https://www.odva.org/Portals/0/Library/Publications_Numbe-

red/PUB00138R6_Tech-Series-EtherNetIP.pdf

Tuotteettehdas-japrosessiautomaatioon.2018.Perustuoteluettelo.Viitattu

11.12.2019.https://www.festo.com/net/SupportPortal/Files/585501/Distributor-Ca-

talogue_2018_5Edition_FI_low.pdf

106

Liitteet

Liite1. Puukuitulusikka-automaatinlayout-kuva