Tero Kaarlela
Sakari Pieskä
Jari Kaarela
Kehittyvä ja muuttuva maailma vaatii oppilaitoksilta uusien opintojaksojen jatkuvaa suunnittelua, pilotointia sekä mahdollista sisällyttämistä osaksi opetussuunnitelmaa. Centria-ammattikorkeakoulu ja Lapin ammattikorkeakoulu järjestävät yhteishankkeena Älykäs automaatio -muuntokoulutusta. Muuntokoulutus on tarkoitettu tekniikan alan insinööreille, jotka haluavat päivittää omaa osaamistaan i4.0-teknologioiden osalta.
Muuntokoulutuksen laajuus on 60 opintopistettä ja koulutus sisältää kaikkiaan seitsemäntoista opintojaksoa, joita opiskellaan kolmen lukukauden eli puolentoista vuoden aikana. Toteutustapana ovat etäluennot ja kotona omatoimisesti tehtävät harjoitukset. Ensimmäinen toteutuskerta alkoi keväällä 2021 ja päättyi 2022 toukokuun lopussa. Koulutuksessa oli mukana noin 50 aktiivista opiskelijaa aina Kittilästä Vantaalle saakka.
Älykäs automaatio -muuntokoulutuksen yhteydessä pilotoitiin keväällä 2022 kahta uutta viiden opintopisteen opintojaksoa: Virtuaalinen käyttöönotto ja Digitaaliset kaksoset. Virtuaalinen käyttöönotto toteutettiin ajallisesti ensin tammi-helmikuussa, ja digitaalisten kaksosten parissa jatkettiin maalis-huhtikuussa. Tässä artikkelissa esitellään näiden toteutusten pilotointeja sekä arvioidaan pilotointien onnistumista.
Virtuaalinen käyttöönotto oli yksi muuntokoulutuksen valinnaisista opintojaksoista. Kyseisen opintojakson valitsi noin kaksikymmentä opiskelijaa. Opettajina ja sisältöjen rakentajina toimivat Jari Kaarela ja Tero Kaarlela. Harjoitukset ja luentomateriaalit pyrittiin koostamaan vastaamaan toteutukselle asetettuja oppimistavoitteita mahdollisimman hyvin. Opetusvastuu jaettiin opettajien kesken tasan siten, että molemmat luennoivat puolet opintojaksosta ja järjestivät saman määrän harjoituksia. Ensimmäisenä harjoituksena olivat ryhmätyöt, joiden tehtävänä oli antaa opiskelijoille ja opettajille mahdollisimman laaja kuva virtuaalisen käyttöönoton soveltamisesta teollisuudessa. Ryhmätyöt esiteltiin luennoilla toisille opiskelijoille ja opettajille. Sovelluksia esiteltiin muun muassa paperitehtaasta, telakalta, autoteollisuudesta ja robotiikasta. Opiskelijoiden innostus aihealueeseen oli havaittavissa heti näiden ensimmäisten ryhmätöiden aikana; keskustelu esityksien aikana ja jälkeen oli innostunutta ja osin jouduttiin jopa jakamaan puheenvuoroja.
Omatoimisia harjoituksia toteutukseen kuului kuusi, ja ne muodostivat robotiikkaan liittyvän yhtenäisen kokonaisuuden. Harjoituksen päämääränä oli yhteistyörobottisolun virtuaalisen mallin rakentaminen ja mallin avulla tapahtuva robottisolun virtuaalinen käyttöönotto. Harjoituksessa hyödynnettiin myös Universal Robotsin tarjoamaa virtuaalista robottiohjainta, jonka opiskelijat asensivat omille tietokoneilleen. Tämän lisäksi harjoituksessa hyödynnettiin RoboDK- ja FluidSIM-simulointiohjelmistoja. Näillä ohjelmistoilla opiskelijat mallinsivat robottisolun tarkan virtuaalisen mallin, jota hyödynnettiin virtuaalisen käyttöönoton tarkoituksiin. Opiskelijoiden kiinnostus aihealueeseen näkyi myös harjoitustehtävissä: suurin osa opiskelijoista palautti myös vapaaehtoisiksi määritetyt tehtävät. Kuvassa 1 on ruutukaappaus harjoituksesta opiskelijan tietokoneelta.
Harjoituksien ja opettajien luentojen lisäksi toteutuksella oli mukana asiantuntijoita virtuaalista käyttöönottoa hyödyntävistä yrityksistä. ABB RobotStudion virtuaalisen käyttöönoton mahdollisuuksia ja ominaisuuksia esitteli Juha Mainio. Visual Componentsilta mukana oli Samuli Ahonen. Vierailijat toivat konkreettisesti esille virtuaalisen käyttöönoton soveltamisen olevan jo arkipäivää teollisuudessa. Virtuaalista käyttöönottoa hyödynnetään niin satamakokonaisuuksien kuin yksittäisten robottisolujen käyttöönotoissakin. Virtuaalisella käyttöönotolla voidaan lyhentää käyttöönottoaikoja merkittävästi testaamalla tuotantolinjat mahdollisimman pitkälle virtuaalisessa ympäristössä, virtuaalisilla kontrollereilla ja simulointimalleilla.
Digitaaliset kaksoset -kurssi sisältyi virtuaalisen käyttöönoton tapaan muuntokoulutuksen valinnaisiin opintojaksoihin, ja opiskelijoita oli mukana yli kaksikymmentä. Opettajina ja sisältöjen koostajina toimivat tällä opintojaksolla Sakari Pieskä ja Tero Kaarlela. Digitaalisten kaksosten oppiminen alkoi ryhmätöillä, joiden tehtävänä oli antaa mahdollisimman laaja kuva digitaalisten kaksosten hyödyntämisestä erilaisissa sovelluksissa. Opetus jaettiin tasan opettajien kesken siten, että Sakari vastasi pääosin luennoista ja Tero harjoituksista. Luentojen ja harjoitusten lisäksi mukana oli myös vierailevia luennoijia yrityksistä, jotka hyödyntävät digitaalisia kaksosia. Mukana olivat Pinja Oy, Mevea Oy, Turku GameLab ja ADE Oy. Halukkaita yrityksiä olisi ollut tarjolla enemmänkin, ja jouduimme pahoittelemaan, etteivät kaikki mahtuneet mukaan esittelemään digitaalisia kaksosiaan.
Luennoilla perehdyttiin digitaalisten kaksosten perusteisiin, historiaan ja soveltamiseen. Sakari teki opiskelijoille selväksi eron digitaalisen mallin, varjon ja kaksosen välillä: malli ei sisällä tiedonsiirtoa fyysisen ja digitaalisen kaksosen välillä, vaan varjo sisältää vain yhdensuuntaisen tiedonsiirron ja kaksonen kaksisuuntaisen tiedonsiirron fyysisen ja digitaalisen kaksosen välillä. Harjoitukset muodostivat kokonaisuuden, jonka lopullisena päämääränä oli robotiikan digitaalisten kaksosten rakentaminen.
Harjoituksissa ohjattiin etänä Fanuc-teollisuusrobottia ja Universal Robot UR3 -yhteistyörobottia digitaalisten kaksosten avulla. Harjoituksissa hyödynnettiin MQTT- ja OPC UA-tiedonsiirtoprotokollia. Käyttöliittymät etäohjauksille ohjelmoitiin Node-RED-työkalulla. Node-RED oli opettajillekin uusi tuttavuus, ja sen käyttöä pilotoitiin tämän toteutuksen yhteydessä. Täysin ilman vastoinkäymisiä ei selvitty. Node-RED-käyttöliittymien ohjelmointiin varattu luentokerta epäonnistui tietoteknisten ongelmien vuoksi ja jouduimme turvautumaan varasuunnitelmaan. Varasuunnitelmana oli tyytyä luennointiin käytännön tekemisen sijaan, ja käytännön tekeminen jäi opiskelijoiden omatoimiseksi harjoitukseksi ennen seuraavaa luentoa. Epäonnistuminen oli kokemuksena opettavainen niin opiskelijoille kuin opettajillekin: Osaamme toimia jatkossa toisin ja tunnemme Node-RED-ohjelmointityökalun rajoitteet paremmin. Kuvassa 2 on ruutukaappaus opiskelijan työpöydältä harjoituksen opetustilanteesta. Opiskelijoille muodostui hyvä käsitys virtuaalisen käyttöönoton ja digitaalisen kaksosen erosta: virtuaalisessa käyttöönotossa ei ole oikeita fyysisiä laitteita, digitaalisessa kaksosessa on.
Muuntokoulutus alkaa uudelleen syksyllä 2022 hieman uudelleen järjesteltynä kokonaisuutena noin kahdellekymmenelle uudelle opiskelijalle. Virtuaalisen käyttöönoton ja Digitaalisten kaksosten opintojaksot on yhdistetty samaan viiden opintopisteen kokonaisuuteen tässä toteutuksessa.
Haasteena on selvittää opiskelijoille, mikä on virtuaalista käyttöönottoa ja mikä digitaalisen kaksosen soveltamista. Tähän haasteeseen tullaan vastaamaan alustamalla asia opiskelijoille hyvin heti alussa: Toteutuksella tullaan käsittelemään kahta eri asiaa: aluksi virtuaalista käyttöönottoa ja sen jälkeen digitaalisia kaksosia. Tämän lisäksi asiat erotetaan jakamalla toteutuksen kuusi luentokertaa tasan puoliksi virtuaalisen käyttöönoton ja digitaalisten kaksosten välillä. Ensimmäisillä kolmella kerralla käsitellään virtuaalista käyttöönottoa: 1) ryhmäharjoitus, joka perehdyttää virtuaaliseen käyttöönottoon, 2) teorialuento, joka kokoaa yhteen virtuaalisen käyttöönoton perusteet ja 3) virtuaalisen käyttöönoton harjoitus simulointiohjelmistolla. Viimeiset kolme kertaa käsittelevät puhtaasti digitaalisia kaksosia seuraavasti: 1) ryhmäharjoitus, joka perehdyttää digitaalisten kaksosten hyödyntämiseen, 2) teorialuento, joka kokoaa yhteen digitaalisten kaksosten perusteita ja soveltamiskohteita ja 3) digitaalisten kaksosten harjoitus. Näin toteutettuna opiskelijoille selvinnee ero virtuaalisen käyttöönoton ja digitaalisten kaksosten välillä.
Yhteenvetona toteamme molempien opintojaksojen olevan mielenkiintoisia opettajille. Opiskelijapalautteen perusteella opintojaksot ovat olleet mielenkiintoisia ja arvokkaita myös opiskelijoille, jotka osallistuivatkin aktiivisesti luennoille ja tekivät ahkerasti harjoituksia. Viimeisellä luentokerralla eräs opiskelija totesi hieman allapäin hänen ensimmäisellä luentokerralla digikaksosena esittämänsä sovelluksen olevan enemmän digitaalinen malli kuin kaksonen. Totesimmekin yhdessä oppimisprosessin toteutuneen hänen kohdallaan erittäin hyvin, ja jatkossa hän osaa erottaa toisistaan digitaalisen mallin, varjon ja kaksosen. Virtuaalinen käyttöönotto ja digitaaliset kaksoset ovat teollisuudessa laajalla käyttöalueella sovellettuja konsepteja, mutta varsinkin pk-yritysten osalta käyttäjäyrityksiä voisi olla huomattavasti enemmän. Molemmat konseptit ovat verrattain uusia, joten niiden parissa syntyy uusia innovaatioita jatkuvasti ja soveltamismahdollisuudet laajenevat koko ajan.
Tero Kaarlela
Lehtori
Centria-ammattikorkeakoulu
p. 040 487 7513
Sakari Pieskä
Tutkimusyliopettaja
Centria-ammattikorkeakoulu
p. 044 449 2564
Jari Kaarela
Lehtori
Centria-ammattikorkeakoulu
p. 044 449 2568
