Automaatio-ohjelmistojen kehittäminen ja versionhallinta: Tapaustutkimus SRF-tuotantoprosessista

Abstract

Automaatio-ohjelmistojen kompleksisuus on muodostunut ongelmaksi muun muassa prosessiteollisuudessa ja koneenvalmistuksessa. Ohjelmistojen kompleksisuuden ja kustannusten kasvaessa ohjelmistojen kehitykseen ja ylläpitoon tulee kiinnittää entistä enemmän huomiota. Ohjelmistojen kehitystä ja ylläpitoa tukevia menetelmiä ovat esimerkiksi konfiguraation- ja versionhallinta sekä mallipohjainen ja modulaarinen suunnittelu. Nämä systemaattisen ohjelmistokehityksen menetelmät eivät kuitenkaan ole vakiintuneita toimintatapoja pienissä ja keskisuurissa yrityksissä Tutkimuksen tavoitteena on selvittää, miten edellä mainitut menetelmät tukevat ohjelmistokehitystä ja liiketoimintaa, erityisesti keskisuurissa teollisuusyrityksissä. Tutkimusstrategiaksi on valittu yksittäinen tapaustutkimus. Tutkimuksen kohteena olevalle tuotantolinjalle etsitään kuvailutapa, jossa osasysteemien väliset rajapinnat kuvataan materiaalin ja informaation virtauksena. Rajapintasopimukset mahdollistavat tuotantolinjan modulaarisen rakenteen. Tällöin muutokset yhdessä osasysteemissä eivät vaikuta muihin osasysteemeihin, jos rajapinnat säilyvät ennallaan. Kuvailutavan käyttötarkoituksena on tukea simulaattorikehitystä ja konfiguraationhallintaa. Simulaatioita voidaan hyödyntää ohjelmistojen kehittämisessä ja testaamisessa. Versionhallinnalle määritetään tutkimuksessa selkeät tavoitteet ja vaatimukset sekä tutkitun yrityksen tarpeisiin soveltuva työkalu. Tutkimuksessa esitetään lähestymistapa, jossa ohjelmistojen ja simulointimallien versionhallinta integroidaan osaksi tuotantolinjalle määriteltyä tuotetietorakennetta. Tuotantolinjan tuotetieto pyritään kuvailemaan kokonaisvaltaisesti integroidulla tuotetietomallilla. Tuotetiedon kuvailu sisältää sekä tuotantolinjan ohjelmiston että siihen liittyvän laitteiston. Tällä hetkellä yrityksen tuottamat automaatio-ohjelmistot ovat kuitenkin ei-modulaarisia. Tutkimuksessa esitetään lähestymistapa ohjelmistojen modulaarisen rakenteen määrittelemiseksi ja ohjelmistojen modulaarisointiin liittyvän siirtymästrategian luomiseksi. Ohjelmistomoduulien kehittämiseen vaadittavan investoinnin kannattavuutta arvioidaan takaisinmaksuaikaan perustuvalla menetelmällä. Lisäksi tuodaan esille investoinnin kustannusten ja takaisinmaksuajan arviointiin liittyviä epävarmuustekijöitä. Modulaaristen ohjelmistojen kehittämisen tueksi ehdotetaan myös mallipohjaisen suunnitteluprosessin käyttöönottoa. Tutkimuksessa tuodaan esiin mallipohjaisen suunnittelun hyödyntämiseen liittyviä etuja ja haasteita. Tunnistettuja etuja ovat kehitettävien ohjelmistojen jatkuva testaaminen, toimintojen dokumentoinnin helppous ja mallien hyödyntäminen sidosryhmien (kuten alihankkijat) välisessä kommunikoinnissa. Mallipohjaisten menetelmien hyödyntämisen haasteina taas ovat standardoidun kehitysalustan puuttuminen sekä laite- ja laitosvarianttien suuri määrä. Lisäksi uusien ohjelmistokehitysmenetelmien käyttöönottaminen vaatii tietotaidon ja resurssien lisäämistä organisaation sisällä.

The complexity of automation software has become a real problem in the process and ma-chine industries. As the complexity and cost of software increase, more attention must be paid to the development and maintenance of software. Methods supporting the development and maintenance of software are configuration management and version control as well as model-based and modular design. However, the systematic software development methods in question have not been widely adapted by small and medium sized enterprises. The objective of this study is to gain more information about utilization of the above-mentioned methods, especially in the medium sized industrial enterprises. An individual case study has been chosen as a research strategy. The subject of the case study is a single production line. Functional decomposition method is used to analyse the production line. Interfaces between the subsystems of the production line are described as material and information flows. The interface agreements are used to facilitate the modular structure of the production line. Modularity principle means that changes in one subsystem will not affect to other subsystems if the interfaces remain unchanged. Modular structure of the production line supports simulator development and configuration management. The simulations can be utilized in the development and testing of software. Objectives and requirements as well as suitable tools for the version control are determined in this study. Scope of the version control is limited to software and simulation models related to the production line. Approach used for the version control is to describe the production line with an integrated product data model. The product data consists of software and hardware of the production line. In the current situation, the automation software implementations produced by the studied company are non-modular. An approach to define the modular structure of software is represented in this study as well as creation of the transition strategy related to the modularization of software. The transition process requires investment for the development of software modules. A method based on the payback period is used to evaluate the profitability of the investment. Furthermore, factors of uncertainty related to the cost and payback period of the investment are presented in this study. Utilization of model-based design process also is proposed to support the development of modular software. Advantages and challenges related to the model-based design methods are presented in the study. The identified advantages are continuous testing of the software, reducing the effort related to documentation of functionalities and improvements in communication between the interest groups (such as the subcontractors) by utilizing the models. The challenges are the lack of the standardized development platform as well as the large number of ma-chine variants and power plant variants. Furthermore, introduction of new software development methodologies requires increased level of know-how and resources inside the organisation.