De systeemdirigent

TU Eindhoven, ASML en Esi (TNO) sleutelen aan LSAT, een modelgebaseerde tool die een brug slaat tussen systeemengineering en de monodisciplines. Zeker tijdens de eerste designfase is dit van groot belang voor de optimalisatie van het overall systeemgedrag en de supervisory controller. Via formele methoden en domeinspecifieke talen geeft LSAT snel inzicht in welke architectuur het meest productief zal zijn. De drie partners hopen met de tool een nieuwe industriestandaard neer te zetten.

Alexander Pil
7 april

Flexibele productiesystemen zie je overal, van de halfgeleiderindustrie tot in autofabrieken. Wat die systemen gemeen hebben, is hun complexiteit. Dat zit hem er vaak in dat ze flexibel moeten kunnen omgaan met verschillende onderdeeltypes, strikte timingvereisten, een groot aantal productiestappen en een platform met veel gedeelde resources. Om het proces optimaal te laten verlopen, moeten al die modules en onderdelen als een symfonieorkest samenspelen.

Nexperia gebruikt LSAT om zijn diebonders te modelleren.

De performance van zo’n flexibel productiesysteem is sterk afhankelijk van de configuratie en de dirigeercapaciteiten van de controller. De hoogst mogelijke output haal je niet door blind te vertrouwen op de kennis en kunde van de architect. Het kost simpelweg te veel tijd om alle designmogelijkheden handmatig door te rekenen. Bovendien is het bijzonder lastig om op basis van ervaringen uit het verleden en een serie vuistregels gedegen uitspraken te doen over unieke systemen die nog nooit eerder zijn ontworpen.

De TU Eindhoven en ASML hebben een jaar of tien geleden de koppen bij elkaar gestoken om dit probleem aan te pakken. Later is er vanuit Esi en ICT-NL gewerkt aan de implementatie van LSAT en werd het onderzoek uitgebreid in de Esi Concerto- en de NWO RCPS-programma’s, en op Europees niveau in Arrowhead Tools. Inmiddels ligt er een modelgebaseerde ontwikkeltool waarmee designers via domeinspecifieke talen systeemgedrag kunnen specificeren en in een vroeg stadium kunnen optimaliseren voor de doorvoer van de uiteindelijke machine. LSAT heet het pakket, wat staat voor logistics specification and analysis tool.

Bewijsbaar de beste

‘LSAT is een tool waarmee je snel alle designmogelijkheden kunt verkennen en al in de eerste fase van het ontwikkeltraject boven water krijgt welke systeemconfiguratie de hoogste throughput zal gaan opleveren’, zegt Jeroen Voeten, professor Cyber-Physical Systems aan de TU Eindhoven. Zat er dan geen oplossing in de grote gereedschapskist die ontwerpers tegenwoordig ter beschikking staat? ‘In systeemcontrole heb je verschillende lagen. De mechatronica houdt zich typisch bezig met bewegingen van a naar b. Daarboven zit een laag voor de coördinatie en daarboven een laag voor de planning. Hoe hoger je komt, hoe minder standaardisatie je ziet. De meeste bedrijven hebben wel een supervisory control-laag maar ze pakken het allemaal anders aan. En daarmee zijn er dus geen uniforme modelleertools die met deze problematiek overweg kunnen.’

‘Een van de bekendste tools voor modelgebaseerd design van dynamische systemen is Simulink van Mathworks’, gaat Voeten verder. ‘Zeer wijdverbreid in mechatronicaland omdat je er goed mee kunt optimaliseren voor onder meer snelheid en nauwkeurigheid van de individuele robotbewegingen. LSAT raakt een hogere laag waar het draait om de coördinatie van al deze bewegingen. Dat is echt anders. Het gaat over productiviteit en alle ontwerpbeslissingen die je neemt om die te optimaliseren.’

Die optimalisatie gebeurt op basis van formele methoden. Voeten legt uit: ‘Dat zijn wiskundige technieken waarmee je bewijsbaar de beste oplossing kunt bepalen. Dat is een stap verder dan simulatie waarbij je slechts één systeem naspeelt. Met LSAT kijk je naar álle mogelijkheden en reken je uit met welke je de hoogste doorvoer haalt.’

Dsl

De optimalisatie met formele methoden is een onderwerp dat uitstekend past bij het onderzoeksterrein van de TU Eindhoven. Het is immers fundamentele technologie waarvoor je slechts beperkt kennis hoeft te hebben over het domein waarvoor je het ontwikkelt. In het multidisciplinaire samenwerkingsverband is dit dus de taak van de Eindhovense wetenschappers.

Esi zit dichter tegen de industrie aan en richt zich op de domeinspecifieke talen (dsl’s) die nodig zijn om het ontwerp te beschrijven in een jargon dat LSAT verstaat. ‘In een generieke taal zoals Java of Python, en ook in Simulink, kun je alles opschrijven wat je wilt; je hebt als ontwerper gigantische vrijheid’, weet Bram van der Sanden, research fellow bij Esi. ‘Maar hoe meer dingen je kunt opschrijven, hoe moeilijker het is om het resultaat goed te analyseren. Binnen LSAT werken we daarom met een domeinspecifieke taal, in dit geval toegespitst op flexibele productiesystemen. Om een voorbeeld te geven: bij de waferhandler van ASML praten engineers onder meer over wafers, laad- en uitlaadrobots, en setpoints. Dat zijn typische modelelementen die je niet terugziet in een generieke taal, maar juist wel in een dsl. Daardoor kan een ontwerper het jargon gebruiken uit zijn dagelijkse werk en hoeft hij geen software-expert te worden. Ook niet-specialisten kunnen heel snel opschrijven wat ze willen bereiken omdat het gaat in termen die ze iedere dag gebruiken.’

Figuur 1: Om de toepassing van LSAT inzichtelijk te maken, gebruiken de onderzoekers het fictieve Twilight-systeem, dat een zeer versimpelde versie van een waferhandler voorstelt.

In een dsl zit een aantal architectuurregels ingebakken. ‘Je kunt precies beschrijven wat wel en wat niet mag’, aldus Van der Sanden. ‘Bij het opstellen van het model krijgen gebruikers veel meer ondersteuning omdat ze direct feedback ontvangen als ze iets doen dat niet mag. En doordat ze veel sneller hun model kunnen opzetten, dekken ze op een efficiënte manier een veel grotere ontwerpruimte af.’

Twilight

Om de toepassing van LSAT inzichtelijk te maken, gebruiken Voeten en Van der Sanden, samen met medeonderzoekers Yuri Blankenstein van Esi en Ramon Schiffelers van ASML, het fictieve Twilight-systeem, dat een zeer versimpelde versie van een waferhandler voorstelt (zie figuur 1). Twilight bestaat uit vier hoofdonderdelen: een laadrobot en een uitlaadrobot die ballen transporteren, een conditioneerstation dat de ballen op de juiste temperatuur brengt en een bewerkingsstation dat een gat in een bal boort. De ballen moeten beide stations in de juiste volgorde aandoen, en de robots mogen uiteraard niet botsen.

Figuur 2: Tijdens het modelleren worden de peripherals toegewezen aan de systeemresources.

‘Om tot de optimale configuratie en de hoogste doorvoer te komen, moeten we twee dingen doen: modelleren en analyseren’, legt Van der Sanden uit. ‘Eerst modelleren we het platform: we specificeren de peripherals zoals grijpers en motoren. Die wijzen we vervolgens toe aan systeemresources.’ Het resultaat zie je in figuur 2, waarin ook twee botsingsgebieden zijn opgenomen. ‘Die resources hebben geen peripherals, maar de twee robots kunnen die gebieden wel claimen en vrijgeven zodat botsingen worden voorkomen.’

Daarna krijgen alle bewegingen een bewegingsprofiel mee zodat LSAT precies weet hoeveel tijd hij ervoor moet inruimen. ‘Dit zijn de bouwblokken waarmee we allerlei acties in het systeem kunnen modelleren’, aldus Van der Sanden. ‘Om bijvoorbeeld een bal van punt a naar punt b te brengen, is een heel recept nodig van deelacties die van achtereenvolgens of tegelijkertijd moeten worden uitgevoerd.’

Als alle acties zijn ingevoerd, bepaalt LSAT wat de optimale volgorde is voor een zo goed mogelijke productflow. Zo zal het systeem dus moeten worden geprogrammeerd. Het resultaat geeft de tool ook visueel weer in een Gantt-grafiek (zie figuur 3). Van der Sanden: ‘Daaruit krijg je informatie over het kritieke pad en over de resources die de bottleneck vormen. Bij de Twilight blijkt dat de laadrobot te zijn. Wil je het proces verder versnellen, is het dus verstandig om eerst eens naar dat onderdeel te kijken. Misschien kun je een robot kiezen die sneller beweegt. Of wellicht moet je een derde robot in het systeem introduceren. Het mooie van LSAT is dat je zo’n alternatief razendsnel kunt doorrekenen door het model te updaten. De bouwblokken liggen al klaar.’

Open source

Twilight is een relatief simpel en klein systeem, maar LSAT werkt net zo goed voor zeer complexe machines. Zo heeft ASML de tool gebruikt bij de ontwikkeling van de waferhandler die de stroom silicium schijven van en naar zijn lithografiemachines verwerkt. De Veldhovense ontwikkelaars hebben met LSAT geëvalueerd wat aanpassingen aan het mechanische platform en veranderingen aan de supervisory controller voor effect hadden op de systeemprestaties.

Figuur 3: De resultaten in een Gantt-grafiek geven informatie over het kritieke pad en over de resources die wellicht de bottleneck vormen.

Voeten: ‘Het LSAT-model kun je ook heel goed gebruiken als specificatie. Vaak worden specificaties opgeschreven in Word-documenten, maar die kun je niet executeren en zitten bovendien vol ambiguïteiten. Het LSAT-model vormt een uitstekende blauwdruk voor de rest van de ontwikkeling.’ Dat is precies wat ASML heeft gedaan in zijn samenwerking met VDL ETG. Om de waferhandler te kunnen ontwikkelen en bouwen, gebruikte VDL ETG de LSAT-modellen van ASML om UML-diagrammen op te stellen en code te genereren.

Bij Nexperia Equipment & Automation hebben ontwikkelaars LSAT toegepast om hun diebonders te modelleren. Ze hebben zo inzicht gekregen in het kritieke pad, het budget en de productiviteit. ‘Het modelleren van systemen in LSAT leidt tot completere specificaties omdat de afhankelijkheden tussen componenten expliciet moeten worden gemaakt’, zegt Sam Lousberg, mechatronica-engineer bij Nexperia.

‘LSAT schaalt weliswaar op tot heel grote systemen, maar er zit een limiet aan de toestandsruimte die de tool kan behappen’, geeft Voeten toe. ‘Dat kun je over het algemeen prima oplossen door die toestandsruimte handmatig in te perken – bijvoorbeeld door meer randcondities te definiëren – of door het proces op te knippen en ieder stuk apart te optimaliseren.’

Voeten vindt dat LSAT bij uitstek geschikt is multidisciplinair gereedschap. ‘Alle machinebouwers die het logistieke proces in hun machine willen verbeteren en de throughput willen verhogen, kunnen met LSAT aan de slag’, stelt hij. ‘Het is een lichtgewicht tool waarmee niet elke bedrijf opnieuw het wiel hoeft uit te vinden. We hebben inmiddels gezien dat het werkt in het ASML-domein en het VDL ETG-domein. De toetsing bij Nexperia geeft ons veel vertrouwen dat het breder toepasbaar is.’

Esi is op dit moment druk bezig om de tool opensource beschikbaar te maken via de Eclipse Foundation. Van der Sanden: ‘We willen toe naar een ecosysteem waar bedrijven eigen toevoegingen kunnen doen, en waar wij als onderzoekers nieuwe optimalisatie- en analysetechnieken kunnen lanceren. Een gezamenlijke tool waarvan iedereen kan profiteren.’

De ambitie is zelfs nog groter. Voeten: ‘We zouden graag zien dat LSAT de industriestandaard wordt. Daarvoor hebben we allerlei uitbreidingen op onze roadmap staan. Uiteindelijk willen we ernaartoe dat je de hele supervisory control-laag kunt specificeren, inclusief exceptioneel gedrag, en vervolgens uit de LSAT-modellen rechtstreeks en automatisch code kunt genereren. Dat is de droom. Voor we dat hebben bereikt, zijn we een jaar of tien verder.’