Käytännön laboratorioharjoitukset ovat insinööriopiskelijoille olennaisia ammatillisen oppimisen kannalta, mutta perinteisesti niitä on tehty vain kampuksella sijaitsevissa laboratorioissa. HAMKin sähkö- ja automaatiotekniikan koulutuksessa tutkitaan parhaillaan aktiivisesti erilaisia laboratorioharjoitusten virtualisoinnin mahdollisuuksia.
Virtuaaliset laboratoriotyöt mahdollistavat ajasta ja paikasta riippumattoman opiskelun konkreettisten oppimistehtävien parissa. Tällöin ei tarvitse ottaa huomioon esimerkiksi laboratoriotilojen saatavuutta, laitteistojen lukumäärää tai lukujärjestystä. Virtuaaliset laboratorioharjoitukset mahdollistavat monimutkaistenkin tuotantoprosessien opiskelemisen ja automaatio-ohjelmistojen kehittämisen ilman fyysisiä tuotantoprosessilaitteistoja.
Automaatiotekniikan opetuksessa ensimmäiset virtuaalimallit otettiin käyttöön kevätlukukaudella 2021. Ne toteutettiin Siemens SIMIT -simulointiympäristöä hyödyntäen. SIMITin avulla fyysisestä tuotantolaitteistosta voidaan luoda virtuaalinen malli, joka matemaattisten funktioiden avulla jäljittelee todellisen tuotantoprosessin ja siihen sisältyvien laitteiden toimintaa. Voidaan siis puhua tuotantolaitteiston digitaalisesta kaksosesta. Tänä päivänä malleja hyödynnetään eri tasoisissa oppimistehtävissä kaikille tutkinto-opiskelijoille pakollisissa sekä profiloivissa opinnoissa ja mm. HAMKin järjestämässä Teollisuuden Digi-Robo -osaaja -täydennyskoulutuksessa.
Yksinkertaisimmillaan mallinnettava tuotantoprosessi on vedenlämmityssäiliö, joka soveltuu jo opintojen alkuvaiheeseen tutustuttaen opiskelijat virtuaalisen käyttöönoton menetelmiin. Virtuaalimallin avulla opiskelija voi kehittää ja testata ohjelman, joka täyttää säiliön, kuumentaa veden ja ohjaa lämmitetyn veden eteenpäin kuvitteelliseen prosessiin automaattisesti.
Virtuaalisia malleja on kehitetty myös laajemman mittakaavan tuotantoprosesseista, kuten esimerkiksi maidon pastörointiprosessista. Hämeen ammatti-instituutti HAMIn opetusmeijeriin liittyvä tehtävä kytkee opetettavan asian käytännön työelämään erityisesti elintarvikealan automaatiosta kiinnostuneiden opiskelijoiden näkökulmasta. Opiskelijat voivat ensin tutustua elintarvikeprosessiin ja sen virtuaaliseen malliin, minkä jälkeen he pääsevät tekemään virtuaalisen käyttöönoton selkeästi rajattuun kohteeseen.
Virtuaalimalli voi toimia myös olemassa olevan oppimistehtävän tukena. Eräässä oppimistehtävässä opiskelijat laativat sähkösuunnitelman ja tekevät automaatio-ohjelman teolliseen liettoprosessiin. Ennen kuin virtuaalimallia oli olemassa, automaatio-ohjelman testaus tehtiin manuaalisesti toiminto kerrallaan, jolloin varmuus lopputuloksen toimivuudesta saattoi jäädä hämärän peittoon. Kehitetyn virtuaalimallin avulla ohjelmiston toimintaa voidaan testata helposti myös erilaisissa vikatilanteissa ja tuotantoprosessin poikkeustilanteissa. Myös monimutkaisten ja useiden toisiinsa liittyvien toimintojen oikea toiminnallisuus on mahdollista varmentaa mallin avulla. Nämä ovat seikkoja, jotka tekevät automaatio-ohjelmasta luotettavan käytännön olosuhteissa.
Opiskelijalle logiikkaohjelmien testaus voi olla aikaa vievää puuhaa, ja monimutkaisten ohjelmien testaaminen aukottomasti manuaalisilla simulointimenetelmillä on vaikeaa. Kun opiskelijat pääsevät testaamaan logiikkaohjelmaa todellista prosessia muistuttavassa virtuaaliympäristössä, tuotantoprosessin ja sitä ohjaavan automaatiojärjestelmän muodostama kokonaisuus hahmottuu opiskelijalle paremmin. Oppiminen syvenee, ja opiskelija voi paremmin keskittyä toimintojen testaamiseen sekä löytyneiden virheiden korjaamiseen eli keskeisiin insinöörin tarvitsemiin työelämätaitoihin.
Teksti: Mika Oinonen, sähkö- ja automaatiotekniikan lehtori
