Tuotannon digitalisaatio ja MES

Teollisuuden toimintaympäristö muuttuu jatkuvasti kiihtyvällä tahdilla. Muutoksia aiheuttavat jo pidempään jatkuneet trendit mm. ilmastossa ja kuluttajien mieltymyksissä sekä arvaamattomat globaalit kriisit ja pandemiat, jotka kykenevät mullistamaan maailmaa yhdessä yössä. Pidempään jatkuneista trendeistä johtavat tutkimuslaitokset ovat tunnistaneet mm. seuraavia: käyttäjälähtöisyys, massaräätälöinti, globaali kilpailu ja monimutkaiset toimitusverkot, palveluyhteiskunta sekä resurssipula.

Kuluttajat haluavat jatkuvasti itselleen paremmin sopivia ja kohdistettuja, persoonallisia tuotteita. Olipa kyse autosta tai karkkisekoituksen sisällöstä, variaatioiden määrä on kasvussa, mikä vaatii tuotannolta joustavuutta nopeisiin muutoksiin ja tuotevaihdoksiin. Vastaavasti tuotteiden alkuperään ja laatuun kiinnitetään jatkuvasti enemmän huomiota. Ilmastonmuutos pakottaa resurssien tehokkaaseen käyttöön esimerkiksi energian tai raaka-aineiden osalta. Digitaalinen yhteiskunta tekee toiminnoista läpinäkyviä, ja jutut tuotteiden laadusta leviävät kulovalkean tavoin. Esimerkiksi World Manufacturing Forumin vuoden 2018 raportin mukaan huono laatu voi pahimmassa tapauksessa maksaa valmistajille jopa 40 % myynnin arvosta.

Kuluttajavaatimusten lisäksi myös tehtaan työntekijöiden vaatimustaso kasvaa, työvoiman saatavuuden hankaloituessa. Nuoremmat ikäluokat ovat tottuneet digitaalisiin työvälineisiin ja osaavat vaatia niiltä käyttäjälähtöistä toimintaa ja sujuvuutta. Nuoret työntekijät eivät tee työtä järjestelmiä varten; sen sijaan järjestelmät pitää saada palvelemaan työntekijöitä.

Nämä sekä useat muut, pitkäaikaiset trendit yhdistettynä äkkinäisiin ja ennalta arvaamattomiin luonnon- ja terveydenhuollon poikkeusoloihin pakottavat meidät ajattelemaan tuotantoa ja sen kehittämistä uudella tavalla. Kykysi uudistua määrittää sen, kuinka hyvin pärjäät kilpailussa ja onko yritykselläsi eloonjäämisen edellytyksiä jatkuvassa muutoksessa. Uudistumisen kulmakivi on tuotannon digitalisaatio, jonka avulla edellä mainittuihin muutoksiin ja haasteisiin on mahdollista vastata.

Tuotannon- ja teollisuuden digitalisaatio yhdistetään usein termeihin Industry 4.0 ja teollinen internet. Käytännöllisempään keskusteluun pääsee, jos osaa katsoa näiden termien sisälle tai niiden vaatimuksiin käytännön tuloksiin pääsemiseksi.

Kaiken tuotannon digitalisaation lähtökohta on integroitu tehdaslattia, joka tarkoittaa koneiden, laitteiden, automaation, yritysjohdon, työntekijöiden sekä tietojärjestelmien välistä hallittua tiedonvaihtoa. (Vain) oikealla ja oikea-aikaisella tiedonvaihdolla voidaan tehdä oikeita ja oikea-aikaisia päätöksiä. Paras ja kypsin tapa tehdaslattian integraatioon on tuotannonohjausjärjestelmä (Manufacturing Execution System, MES). Seuraavassa kuvassa MES-järjestelmä sijoittuu ISA-95-standardin tehdastasolle (taso 3).

ANSI/ISA-95-standardi luokittelee yrityksen tietojärjestelmät viiteen tasoon (0–4). Tasot poikkeavat toisistaan tarkoituksen, integroitavuuden, aikajänteen sekä muiden tekijöiden perusteella.

Tasot 0–2 sisältävät tuotantoprosessin, koneet ja laitteet, kone- ja laiteautomaation sekä mahdollisesti keskitetyn valvomon (SCADA).

Taso 3 sisältää tuotannonohjauksen (MES) ja sisälogistiikan (WMS). Se vastaa tuotannon hienokuormituksesta, tuotannon suorittamisesta sekä tuotantotietojen keskitetystä keräämisestä tasolta kaksi. Keskitetty tiedonkeräys perustuu saumattomaan tiedonvaihtoon koneiden, laitteiden, automaation, pilvipalvelujen (IoT) sekä ihmisten kanssa.

Taso 4 sisältää liiketoimintajärjestelmät, kuten ERPin, liiketoiminnan suunnittelun (IBP) ja CRM:n. Tällä hetkellä käynnissä on erityisen vahva ERP-trendi, jossa yritykset vakioivat ja siirtävät ERP-järjestelmät pilvipalveluksi (esim. SAP HANA). Tämä tarkoittaa sitä, että järjestelmiä ei mukauteta yrityksen tarpeisiin, vaan prosessit mukautuvat käyttämään vakiojärjestelmää. Tämä alentaa ERP:n implementointikustannuksia, mutta varsinkin tuotantoprosessien osalta ERP:iin mukautuminen ei ole tuloksekasta. Tehokas tuotantoprosessi on muuttuvassa ympäristössä yleensä keskeinen kilpailuetu, jota ei kannata menettää sellaisen kankean tietojärjestelmän takia, joka ei myöskään tue työntekijälähtöistä ajattelua tuotannossa.

Kypsä tuotanto- ja työntekijälähtöinen tuotantoprosessi vaatii tuekseen sopivat ja prosessin noudattamista vaativat ja helpottavat työkalut, eli tietojärjestelmät. Käytännössä tämä tarkoittaa työntekijöiden ohjaamista myös poikkeustilanteissa, oikeiden toimenpiteiden varmistamista, tarvittavia poikkeamahälytyksiä sekä tietysti tiedonkeräystä ja raportointia, jossa valitut tärkeimmät mittarit ovat selkeästi ja oikea-aikaisesti esillä oikeille henkilöille. Tiedonkeräyksen ja raportoinnin edellytyskin on se, että tieto on ensin saatavilla kootusti. Nämä asiat eivät onnistu vain ERP:n, teollisen internetin edge-pääteen tai automaation voimin. Tähän tarvitaan tuotannonohjausjärjestelmä (MES).

Johtavien tutkimusyhtiöien (mm. Gartner, Forbes ja IDC) mukaan tuotannon digitalisaatiossa on nähtävissä selviä trendejä, jotka kannattaa ottaa huomioon teknologiavalinnoissa, jotta edellä mainitut asiat saataisiin toteutettua MES-järjestelmällä mahdollisimman hyvin. Trendien vahva painoarvo on myös selvästi nähtävillä tutkimusyhtiöiden MES-teknologia-arvioinneissa (mm. Magic Quadrant tai Critical Capabilities Studies). MES-järjestelmien Magic Quadrant raportin voit ladata täältä.

Tärkeimmät MES-järjestelmän valintaan vaikuttavat trendit on kuvattu alla.

Kuten mainittu, MES-järjestelmän edellytys on tiedon liikkumisen mahdollistaminen eli integraatio koneiden, laitteiden, automaation ja tietojärjestelmien sekä ihmisten välillä. Avoimet, standardit ja dokumentoidut rajapinnat, jotka säilyvät versiopäivityksistä huolimatta, ovat MES-järjestelmän perusvaatimus, koska MES-järjestelmän tietoa tulee pystyä käyttämään vapaasti niin paikallisesti kuin teollisen internetin raportointityökaluilla. Avoimien rajapintojen kulttuuria kuvataan laajemmin englannin sanalla API Economy.

Koneoppinen (Machine Learning, ML) ja tekoäly (Artificial Intelligence, AI) ovat nousevia trendejä varsinkin osana teollista internettiä. Tekoälyn ja koneoppimisen lähtökohta ja perusta on oikea ja riittävä tieto. Tekoäly pystyy tekemään juuri niin hyvä päätöksiä kuin mihin se on tiedon avulla oppinut. Tämä tarkoittaa sitä, että tekoälyn rakentaminen on hyödyllisintä paikkaan, jossa mahdollisimman tarkkaa ja reaaliaikaista tietoa on saatavilla helpoiten. Tämä paikka on luonnollisesti lähellä MES-järjestelmää, joka kerää historiatiedon keskitetysti yhteen paikkaan esimerkiksi ennen sen aggregointia ja lähettämistä teollisen internetin raportointiin. Jos tekoälyn hyödyntäminen tuotannossa kiinnostaa, kannattaa katsoa webinaaritallenteemme Roiman tekoälyosaamisesta.

Kooditon toteutus (”democratization, low-code”) on vahvasti esillä useiden tutkimusyhtiöiden, kuten Gartnerin teknologiatrendeissä (esim. 2020 ja 2021). Gartnerin mukaan kooditon toteutus mahdollistaa järjestelmän kehitykseen osallistumisen esimerkiksi tietomallien osalta ilman pitkälle vietyä ohjelmointiosaamista:

MES-järjestelmässä kooditon toteutus tarkoitta käytännössä helppoa ja visuaalista liiketoimintaprosessien mallinnusta. Visuaalinen liiketoimintaprosessien mallinnus mahdollistaa sen, että järjestelmän liiketoiminta- ja tuotantoprosesseihin liittyvä toimintalogiikka voidaan suunnitella ja toteuttaa helpommin yhteistyössä asiakkaan ja toimittajan välillä. Erityisen tärkeää tämä on tilanteessa, jossa yhdessä useiden asiantuntijoiden kanssa määritellään usean linjan tai tehtaan vakioidut prosessit ja parhaat käytännöt yhteen järjestelmän malliin (”template”) – jotka sen jälkeen viedään käyttöön useaan käyttöpisteeseen mahdollisimman pienin muutoksin.

Esimerkki mallipohjaisesta visuaalisesta järjestelmän toteutuksesta on alla esitetty AVEVA MES -prosessikonfiguraatiotyökalu, joka osaltaan on tehnyt AVEVAn järjestelmästä johtavan MES-järjestelmän.

Samankaltainen malliajatus pätee myös käyttäjäkokemukseen sekä käyttöliittymiin. Moderneissa järjestelmissä käyttäjäkokemus voidaan tehdä yhteistyössä käyttäjien kanssa graafisilla työkaluilla. Tällöin käyttöliittymistä tulee käyttäjälähtöisiä (”human-centric”) ja ne palvelevat tuotantoa, eikä päinvastoin. Helposti muokattavia ja hyvän käyttökokemuksen AVEVAn ja Roiman käyttöliittymiä on esitelty seuraavassa kuvassa.

Lisätietoa mallipohjaisen toteutuksen hyödyistä ja parhaista käytännöistä on tarjolla Roiman webinaaritallenteissa Multi-Site MES Best Practices ja How to Extend Your SCADA to Multi-Site MES.

Viimeisimpänä trendinä on valmius teolliseen internetiin (IoT). Teollinen internet on mahdollista ottaa käyttöön tehtaalle hyvinkin ketterästi suoraan reunapäätteiden (”IoT Edge”) avulla. Tällaisia ovat esimerkiksi johtava ja keskitetysti hallittava AVEVA Edge, jonka avulla tehtaalle saa joustavasti AVEVAn tai Microsoft Azuren teollisen internetin. Parhaan hyödyn teollisesta internetistä saa kuitenkin yhdessä MES-järjestelmän kanssa, jolloin MES huolehtii standardisoidun liityntärajapinnan, paikallisen aikasarjatiedonkeräyksen sekä tuotannon, laadun ja sisälogistiikan suorittamisesta. Teollisen internetin palvelut voivat tällöin keskittyä niiden päätehtävään eli keskitettyyn tiedon analytiikkaan ja raportointiin, joka on esitetty seuraavassa kuvassa.

Lisätietoa MES-järjestelmän ja teollisen internetin yhteisistä parhaista käytännöistä on tarjolla Roiman webinaaritallenteessa Azure IoT in Your MES/MOM Architecture.

Jotta tähän MES-järjestelmän ja teollisen internetin yhteiselon parhaaseen käytäntöön päästään, tulee MES-järjestelmä olla suunniteltu jo tätä ajatusta varten. Modernit ja siten usein Gartnerin analyyseissä johtavat järjestelmät omaavat valmiit rajapinnat, joilla haluttu tieto on helposti siirrettävissä eteenpäin jatkojalostukseen.

MESA Internationalin tuotantotoiminnan kyspyysmallin (Maturity Model) mukaan digitalisaation hyötyjen lunastaminen edellyttää tietojärjestelmien ohella muutoksia yrityksen rakenteeseen, henkilöstöön ja prosesseihin. Toisin sanoen tuotannon digitalisaatiohankkeissa ei ole kyse vain tietojärjestelmistä vaan koko toiminnan kehittämisestä. Silloin digitalisaatio- ja MES-projektit tulisi pystyttää ja hallita toiminnan kehittämishankkeina, ei IT-projekteina.

Digitalisaatiolla tehtävissä muutoshankkeissa edellä mainitut neljä osatekijää voidaan huomioida parhaiten seuraavien kolmen askeleen avulla:

Kokeneet MES- ja digitalisaatiotoimittajat ottavat nämä kolme vaihetta automaattisesti huomioon osana digitalisaatiohankkeen vakioitua toteutusmenetelmää. Alla olevassa kuvassa on esimerkki Roiman vakioidusta digitalisaatiomallista, jossa edellä mainitut kolme kohtaa on huomioitu projektimallin ensimmäisestä askeleesta lähtien.

Tuotantoprosessien kypsyysmallin ja kypsyyden kehittämisen lisäksi pitkälle viedyissä digitalisaatioprojekteissa hyödynnetään myös viimeisintä teknologiaa, joka täyttää tässä artikkelissa mainitut Gartnerin ja muiden tutkimusyhtiöiden trendit. Tärkein trendi toteutuksen kannalta on kooditon toteutus eli visuaaliset konfiguraatiomahdollisuudet (”democratization, low-code”). Visuaalisen konfiguraation lisäksi järjestelmän tulee pystyä hallitsemaan tehtyjen toimintoja eli konfiguraatioita mallipohjaisesti. Mallipohjainen keskitetty hallinta on yksinkertaistettu seuraavan kuvaan.

Mallipohjainen hallinta mahdollistaa yhden keskitetyn konfiguraation, josta periyttämisen ja eriyttämisen avulla voidaan tehdä välttämättömät (20 %) yksikkökohtaiset toiminnot ja prosessit. Periyttäminen ja eriyttäminen mahdollistavat sen, että keskitettyä mallin toimintalogiikkaa sekä yhteisiä parametrejä voidaan helposti muuttaa osana jatkuvaa parantamista, käyttöönottaa yksikkökohtaisesti tuotanto-ohjelmien mukaisesti, ja silti hallinta yksikkökohtaiset muutokset päivitysten yhteydessä erikseen. Ilman keskitettyä ja periytyvää mallipohjaista hallintaa eri tehtaat ajautuvat nopeasti erillisiksi järjestelmiksi, mikä nostaa jatkossa kokonaiskustannuksia ja kankeuttaa muutoksia ja jatkuvaa parantamista.

Kilpailukyvyn ylläpito ja kehittäminen jatkuvasti muuttuvassa liiketoimintaympäristössä vaatii kehitysharppauksia yhdistettynä jatkuvaan parantamiseen. Kehitysharppaukset vaativat yhteiset prosessit ja parhaat käytännöt, joita tuetaan oikeilla digitaalisilla työkaluilla. Vastaavasti jatkuva parantaminen vaatii tarkkaa ja tosiaikaista tietoa päätöksenteon tueksi kaikille organisaatiotasoille tuotannosta johtoon, mikä voidaan mahdollistaa vain digitalisaation avulla. Onnistunut ja kypsä digitalisaatio perustuu integroituun tuotantolattiaan.

Integroidun tuotantolattian toteutustapa on tuotannonohjausjärjestelmä (MES). MES-järjestelmä yhdistää yritysjohdon, tietojärjestelmät, tuotantolaitteet, automaation ja tuotantohenkilöstön yhdeksi saumattomaksi kokonaisuudeksi. MES-järjestelmä mahdollistaa tuotannon, laatutoimenpiteiden sekä sisälogistiikan suorittamisen, samalla kun tuotantotiedot kerätään ja yhdistetään teollisen internetin tarpeita varten monitehdasympäristössä.

Prosessi-, perus- ja elintarviketeollisuudessa paras käytäntö on yhdistää AVEVA MESin tuotannon suoritus, AVEVA OSIsoftin tiedonkeräys ja Microsoft Azure IoT:n teollinen internet alla esitetyn kuvan mukaisesti. Tätä yhdistelmää käyttävät useat maailman johtavat teollisuusyritykset.

Tällainen useiden Gartnerin vertailuarviointien (Magic Quadrant tai Critical Capabilities Studies) voittajayhdistelmä takaa sen, että järjestelmäkokonaisuus vastaa viimeisimpiä teknologiavaatimuksia ja trendejä. Palveluntarjoajalle se varmistaa tehokkaan (mallipohjaisuus) ja asiakaslähtöisen (visuaalinen konfigurointi) tavan tehdä projekteja, kun taas loppuasiakas varmistuu kustannustehokkaasta toimituksesta sekä ylläpidon, tuen ja jatkuvan parantamisen mahdollisuudesta vuosiksi eteenpäin. Nämä AVEVA MES järjestelmässä yhdistyvät hyödyt on tiivistetty seuraavaan kuvaan, joka samalla tiivistää tämän kirjoituksen kokonaisuudessaan.