Industriële machines worden complexer én eenvoudiger

De complexiteit en precisie van geavanceerde industriële machines stellen ontwikkelaars en producenten voor grote uitdagingen. Machines worden autonomer en krijgen steeds meer verschillende functies. Aan de andere kant worden de bediening en interfaces met andere machines juist eenvoudiger door standaardisering. Ook een modulaire aanpak bij de ontwikkeling zorgt voor vereenvoudiging. Technolution vertelt over deze manier van werken.

Edwin Hakkennes is architect, Marc van Eert is applied scientist en Anton Hoexum is corporate writer bij Technolution.

8 juni 2018

Edwin Hakkennes

Anton Hoexum

Wat maakt een machine complex? In feite hebben alle elektronische apparaten een hoge mate van complexiteit. Er zijn maar weinig mensen die weten hoe een televisie precies werkt. Ook de moderne pc is een zeer geavanceerd apparaat. Toch lukt het twaalfjarige brugklassers al om zelf een custom pc in elkaar te zetten met losse componenten. Complexiteit is dus een relatief begrip. De verschillende onderdelen van de pc, zoals centrale processor, grafische kaart en geheugen, zijn ingewikkeld om te ontwerpen en te produceren, maar de interfaces zijn vrijwel helemaal gestandaardiseerd. Een moederbord heeft een standaardsocket voor de processor, gestandaardiseerde sleuven voor het geheugen en usb-aansluitingen voor randapparatuur. Wanneer een nieuw onderdeel of apparaat wordt aangesloten, wordt het automatisch herkend en geconfigureerd door het systeem: plug and play.

Complexe machines worden steeds meer onderdeel van geïntegreerde ketens.

Industriële machines kennen nog niet zo’n sterke standaardisering, maar er is wel een duidelijke trend in deze richting. Er wordt hard gewerkt aan de ontwikkeling van breed gedragen standaarden. Grote industriële leveranciers steunen al meerdere open interfacestandaarden en zoeken verdere samenwerking. Dit is nodig om de stap naar de toekomst (Industrie 4.0) te kunnen maken. Naast helder gedefinieerde interfaces is een doordachte modulaire systeemaanpak vereist. Het EU-onderzoeksprogramma I-Mech (zie kader) is een voorbeeld van deze trend.

Sentech Precisiebeurs

Integratie en autonomie

In moderne machines worden steeds meer functies geïntegreerd. Industriële printers van fotoboeken zijn een goed voorbeeld. Dit zijn machines voor massaproductie, maar elk fotoboek dat wordt geprint, is uniek. Een klant kiest thuis op de pc de foto’s voor het boek, maakt een pagina-indeling, voegt teksten toe, selecteert een papiersoort en kiest een kaft. Al die verschillende fotoboeken komen uit een en dezelfde industriële printer. Moderne printers drukken niet alleen de boeken af, maar controleren ook de kwaliteit, bewaken hun eigen onderhoud en voorspellen de uitval van onderdelen, zodat deze kunnen worden vervangen voordat ze uitvallen. Voor deze extra taken heeft de machine steeds meer ingebouwde intelligentie nodig.

Het voorbeeld van de industriële printer is een indicatie voor ontwikkelingen in de nabije toekomst. Complexe machines zullen steeds meer een onderdeel van geïntegreerde ketens worden, dankzij afgebakende functionele modules en gestandaardiseerde interfaces. On-demand massaproductie van maatwerkproducten wordt de norm. Uitval wordt voorkomen door preventief onderhoud en vervanging van modules. Netwerken van sensoren en actuatoren geven inzicht in de processen, van productie tot kwaliteitscontrole en onderhoud. Automatische configuratie en kalibratie, hoogwaardige data-analyse en kunstmatige intelligentie tillen industriële apparatuur naar een hoger niveau, waarbij de rol van de mens verandert van machineoperator naar procesmanager.

De toenemende complexiteit, integratie van functionaliteiten en groeiende autonomie maken dat de ontwikkeling van nieuwe machines vraagt om een doordachte aanpak. Voor de meeste producenten is het niet meer haalbaar om alle componenten zelf te ontwerpen. Daarom zijn bij de ontwikkeling van complexe apparatuur bijna altijd meerdere partijen betrokken. Met zijn expertise op het gebied van systeemintegratie is Technolution vaak een van deze partijen. Twee aspecten zijn cruciaal bij de ontwikkeling: begrip en afbakening. Een grondig begrip van de machine en een afbakening in modules maken de complexiteit beheersbaar.

Stap 1: begrip

De opdrachtgever heeft een concept voor een nieuwe machine voor ogen. De eerste uitdaging voor de betrokken ontwikkelaars is om een grondig begrip te krijgen van dit concept. Wat zijn de taken van de machine? Wat zijn de context en de randvoorwaarden waarbinnen de machine moet functioneren? Wie zijn de eindgebruikers en welke interfaces hebben zij nodig? Welke technische en functionele koppelingen zijn er met andere machines? Het invullen van de architectuur kan pas beginnen als op deze en andere vragen een helder antwoord is geformuleerd.

Door de functionaliteiten te verdelen over verschillende modules ontstaat een helder beeld van de architectuur.

Wederzijds vertrouwen en een goede communicatie tussen opdrachtgever en ontwikkelpartners zijn essentieel om deze fase tot een succes te maken. De opdrachtgever wil met de nieuwe machine zo goed mogelijk voldoen aan de eisen en wensen van zijn eigen klanten. Wil hij optimaal profiteren van de expertise van zijn partners, dan moet hij een kijkje in de keuken durven geven. Alleen op die manier krijgen de ontwikkelpartners voldoende begrip om de specificaties van de nieuwe machine helder te krijgen.

Stap 2: afbakening

Wanneer er een goed beeld is van de specificaties, moeten de grenzen tussen de benodigde functionele modules binnen de machine worden gedefinieerd. Deze afbakening heeft meerdere doelen. Doordat de functionaliteiten van de machine worden verdeeld over verschillende modules, ontstaat er een helder beeld van de architectuur van de machine, de samenhang tussen de verschillende modules en de vereiste mate van integratie. Daarnaast is het voor alle betrokken partijen essentieel om te weten wie verantwoordelijk is voor welke module.

Met het oog op standaardisering en herbruikbaarheid van machinecomponenten in de toekomst is het belangrijk om zo veel mogelijk te streven naar self-contained modules, die alles aan boord hebben dat nodig is om te kunnen functioneren. De interfaces tussen de modules in een machine moeten zo eenvoudig mogelijk zijn en bij voorkeur worden gerealiseerd met bestaande verbindingsprotocollen, zoals ethernet. De modules moeten afzonderlijk testbaar zijn en functioneren op basis van simpele instructies. Deze manier van werken leidt tot herbruikbaarheid, uitwisselbaarheid, relatief eenvoudige drop-in van nieuwe en vervangende modules en het later toevoegen van functionaliteit.

Wanneer modules door verschillende partijen worden ontwikkeld, vraagt de onderlinge samenhang speciale aandacht. Een technologische keuze binnen de ene module kan grote gevolgen hebben voor andere modules. Ook hier geldt: goede afstemming en samenwerking tussen de partijen zijn een absolute voorwaarde. Uiteraard is ook binnen modules een duidelijke afbakening nodig tussen software, programmeerbare logica, elektronica en mechanica. Het bewaken van de balans tussen alle elementen van de nieuwe machine is een complex proces, waarvoor alle partijen (niet alleen de opdrachtgever) verantwoordelijkheid moeten nemen.

Standaardisering

Uiteindelijk zal de hierboven beschreven aanpak leiden tot complexe machines voor industriële toepassingen die voor een groot deel bestaan uit gestandaardiseerde functionele, intelligente modules. Net als de plug-and-play componenten van een custom pc communiceren deze modules via goed gedefinieerde en heldere standaardinterfaces.

Uiteraard vereist het ontwerpen van al deze elementen nog steeds veel technologische expertise bij de ontwikkelaars en hun partners. Maar met het standaardiseren van functionele modules en de interfaces tussen modules, machines en gebruikers wordt het ontwikkelproces een stuk beter hanteerbaar.