Digipos

Digitaalinen tuoteprosessi ja optimaalinen sahaus
 
Projektin kesto 1.3.2011 - 31.12.2013
Diaarinumero 3148/31/10
  
Vuoden 2011 keväällä VTT käynnisti yhdessä Tekesin ja teollisuuden kanssa kaksivuotisen tavoitetutkimusprojektin ”Digitaalinen tuoteprosessi ja optimaalinen sahaus DigiPOS”, jonka tavoitteena on tavoitteena on kehittää tietotekniikan hyödyntämiseen perustuvia avainratkaisuja sahateollisuuden tuoteprosesseihin siten, että saavutetaan nykyistä selvästi parempi asiakaslähtöinen tuotteiden ja prosessien hallinta ja kannattavuus.
 
Tutkimuksen toteutuksesta vastaa VTT Järjestelmäkehitys-osaamiskeskus ja siihen myös VTT:n muita osaamiskeskuksia. Yhteistyökumppaneita ovat myös Helsingin yliopisto ja Jyväskylän yliopisto. Tutkimuksen projektipäällikkönä on professori Arto Usenius. Kansainvälistä yhteistyötä tehdään muun muassa seuraavien tutkimuslaitosten kanssa: Forest Research Institute Baden-Wurttemberg (FVA) Saksa, FP Innovations Kanada, University of Natural Resources and Applied Life Sciences (BOKU), Itävalta, Linne universität Ruotsi, Luleå tekniska universität Ruotsi.

Hankkeen kokonaisbudjetti on 630 000 €. TEKES rahoittaa 360 k€, VTT 180 k€ ja teollisuus 90 k€. Tutkimusta rahoittavia yrityksiä ovat Heinolan Sahakoneet Oy, Jartek Oy, Metsäliitto, Rainion Saha Oy ja Stora Enso Wood Products. Tutkimusta johtaa erinomainen ja kannustava johtoryhmä, jonka puheenjohtajana on Kari Kiiskinen Heinolan Sahakoneet Oy:stä.

Projektin taustaa
 
Periaatekuvassa 11 esitetään miten puun jalostusketjun eri vaiheissa kerätään dataa, prosessoidaan se informaatioksi, joka käytetään paikallisesti ja sen jälkeen hukataan. Tämä tapahtuu jalostuksen kaikissa vaiheissa. Kuvaan 1 on piirretty myös kumulatiivisen informaation kuvaaja, joka kertoo kuinka paljon informaatiota olisi, jos kaikki olisi tallennettu. Kuvan sininen alue kertoo miten paljon informaatiosta on menetetty. Informaation hukkaaminen merkitsee sitä, ettei voida yhdistää toisiinsa tuotteita eikä puuraaka-ainetta eikä prosessoinnissa käytettyjä tuotannon parametriarvoja. Informaation hukkaaminen merkitsee myös sitä, että jalostuksen eri vaiheissa joudutaan mittaamaan samoja asioita. Tästä esimerkkinä on tukkien mittaus tukkien lajittelussa ja sahalinjalla.
 
 
Kuva 1. Informaatiosisältö ja kumulatiivinen informaatio jalostusketjun eri vaiheissa.
 
Jatkojalostuksen ja loppukäyttäjien kannalta tilanne on täsmälleen samanlainen. Toimitetusta sahatavarasta tiedetään ainoastaan laatuluokka, dimensio ja yleensä pituusjakauma. Loppukäyttäjä joutuu omaa tarkoitustaan varten usein mittaamaan sellaista tietoa, joka on jo jossain muodossa ollut olemassa, mutta joka on jalostusketjussa menetetty. Jos edes osa menetetystä tiedosta olisi tallella, voitaisiin puhua informaatiointensiivisistä tuotteista - ainakin verrattuna nykyisiin sahatavaratuotteisiin. Puun jalostusketjun kokonaisvaltaista hallintaa ja optimointia silmällä pitäen on kuitenkin erittäin tärkeää, että suuri osa menetetystä informaatiosta saataisiin pelastettua ja hyödynnettyä liiketoiminnassa. Menetetyn informaation pelastaminen tarjoaa myös erinomaisen mahdollisuuden tuottaa takaisinkytkentätietoa ja itseoppivia järjestelmiä tuotannon ja liiketoiminnan kehittämiseksi.
 
DigiPOS-projektissa tutkitaan asioita, joilla tukit, tukkien lajittelu ja varsinainen sahaus voidaan linkittää toisiinsa tehokkaasti.
 
Projektin yksityiskohtaisina tavoitteina on kehittää:
 
  1. Tuotteiden ja puuraaka-aineen uusi kuvaustapa: yksilöllinen digitaalinen ominaisuuskartta, esteettiset ominaisuudet mukaan luettuina.
  2. Tukkien yksilöllinen tunnistusjärjestelmä ja tunnisteen lukujärjestelmä (MRI), jonka avulla siirretään tukeista suoritettu mittaustieto tukkien lajittelusta sahaukseen. Mittausdata liitetään tuotteeseen eri prosessivaiheissa.
  3. Tutkimustoimintaan uudet röntgenmittauksen analyysialgoritmit, jotka tuottavat tukin tarkan, sahauksen optimoinnissa hyödynnettävän ominaisuuskartan ”virtuaalitukkina”.
  4. ICT-järjestelmän konsepti, joka liittää toisiinsa sahatuotteet, puuraaka-aineen ja prosessiparametrit ja tuottaa digitaaliset ohjeet tukkien lajittelun ja sahauksen (terien asetukset ja tukin suuntaus) optimoimiseksi.
  5. Konsepti järjestelmän itse oppivuuden aikaansaamiseksi vertaamalla suunniteltua ja toteutunutta tulosta.
Tutkimuksen sisältö ja vaiheet
 
Tutkimuksen sisältö on pääpiirteittäin seuraava: Kehitetään puuraaka-aineen (kuva 2) ja sahatavaratuotteiden digitaalinen kuvaustapa jalostusketjujen asiakaslähtöiseen optimointiin ja hallintaan. Suunnitellaan uuden DigiPOS-järjestelmän periaatteet ja liitännät nykyisin käytössä oleviin tuotannon suunnittelujärjestelmiin. Suunnitellaan ne järjestelmän komponentit, jotka toteutetaan tässä projektissa.
 
Kehitettäviä DigiPOS-komponentteja ovat: tukkien yksilöllinen DNA-tunnistaminen (merkintä ja koodaus), tunnisteen / lukeminen, uudet tukkien röntgenmittauksen, ja ryhmittelyn ja sahauksen optimoinnin innovatiiviset algoritmit (ja ohjelmistot). Olennaista on datan liittäminen tuotteeseen läpi koko prosessin. DigiPOS-komponenttien toimivuus testataan sekä laboratorio että sahaolosuhteissa. Suoritetaan käytännön tapaustutkimukset järjestelmän toimivuuden testaamiseksi käytännössä. Suoritetaan järjestelmän dokumentointi, raportointi ja tulosten levittäminen.
 
Kehittämistyö suoritetaan seuraavasti:
1) Menetelmien periaatteiden kehittäminen tukkien monipuolisen ominaisuuskartan perusteella: tuotepohjainen, asetepohjainen, aseteryhmäpohjainen, poimintapohjainen lajittelu sekä eri lajittelutapojen yhdistäminen.
2) Kokonaan uusien tukkien optimaalisen ryhmittelyn algoritmien ja ohjelmiston kehittäminen.
3) Optimointijärjestelmän testaaminen.
 
Lopuksi - tutkimuksen tulosten hyödyntäminen
 
Tutkimuksen tuloksia voivat hyödyntää sahat, jalostajat ja sahoja palvelevat teknologiayritykset, jotka kehittävät ja toimittavat sahoille
  • koneita ja laitteita tukkien lajitteluun ja käsittelyyn, sahaukseen ja sahatavaran käsittelyyn
  • mittausjärjestelmiä tukin, välijalosteiden ja sahatavaratuotteiden mittaukseen
  • konenäköjärjestelmiä
  • merkintäjärjestelmiä
  • informaatio- ja ohjausjärjestelmiä sekä ohjelmistotuotteita
Tulokset muuttavat radikaalisti sahausprosessia ja sahateollisuuden tuotehallintaa. Vaikutukset koskettavat siksi koko puutuoteteollisuutta ja niiden asiakkaita. Koneiden ja järjestelmien valmistajat saavat tarvitsemaansa tietoa kehittäessään tulevaisuuden tuotteitaan. Innovatiivinen järjestelmä tuottaa erittäin merkittävää kilpailuetua kansainvälisillä markkinoilla. Järjestelmän avulla voidaan tuottaa takaisinkytkentätietoa tukkien todellisesta arvosta. Tämä on erinomaisen tärkeä tieto puukaupan osapuolille uusia puuraaka-aineen hinnoittelujärjestelmiä kehitettäessä.
 
Hyvin lyhyellä tähtäimellä voidaan saada sahoilla mittavia hyötyjä siitä, että siirretään tukkilajittelussa mitattu tukin sisäinen laatutieto sahakoneen yksilölliseen asetteiden optimointiin. Tukkien lajitteluun kehitettävät uudet konseptit perustuvat tuotelähtöiseen ajatteluun. Tällaisia konsepteja ovat tuote- ja tuoteryhmä perusteinen lajittelu, asetepohjainen lajittelu ja poiminta lajittelu, jossa poimitaan yksilöllisesti tukit täsmätilaukseen. Esimerkki poimintalajittelun tuloksesta esitetään kuvassa 3.
 
 

Kuva 2. Tukin digitaalinen kuvaustapa sahauksen optimoimiseksi

 

Vaihtoehtokuva 2. Sahatavaran ja puisten komponenttien digitaalinen kuvaustapa asiakkaiden tarpeisiin.

Kuva 3. Tukkien ryhmittely poimimalla mahdollisimman hyvät määrämittaiset tukit eri asetteille tukin latvaläpimitan ja lenkouden suhteen. Asetemahdollisuuksia on kaikkiaan 17 kappaletta.

Julkaisut (toistaiseksi)

  1. Usenius, Arto; Heikkilä Antti, Usenius Timo; Future Processing of Wood Raw Material. Key note paper in the Proceedings of the 20th International Wood Machning Seminar. June 7 -10,2011 Skellefteå Sweden. p 1 - 9
  2. Usenius A., Heikkilä A. & Usenius T. VTT:n WoodCIM®-ohjelmisto sahateollisuuden tutkimukseen ja toiminnan suunnitteluun. Tähtäimenä arvon lisäys. Puumies No. 1/2012, s.34-35
  3. Usenius A., Heikkilä A., Usenius T. & Makkonen M. Kulkeeko data tukin mukana? Puumies No. 4, 2012 s. 24-25
  4. Usenius A., Heikkilä A., Usenius T. Optimisation of production planning and process control supported by scanning of internal roundwood properties. Proceedings of 2012 IUFRO conference, July 8 – 13 Estoril, Portugal
  5. Usenius A., Heikkilä A., Usenius T. & Makkonen M. converting product requirements into wood raw material specification. Proceedings of 2012 IUFRO conference, July 8 – 13 Estoril, Portugal
Yhteyshenkilö
 
Arto Usenius
Teknologian tutkimuskeskus VTT