Inspiratie voor intelligente besturing

Afgelopen maand werd het IMOCO4.E-project afgesloten. In dit grote Europese project gecoördineerd door Sioux Technologies is gewerkt aan intelligente besturingssystemen voor uiteenlopende sectoren, van medische technologie tot mijnbouw. Er zijn bouwstenen ontwikkeld en beproefd voor communicatie, sensoriek en vision, motion control, digitale tweelingen en AI-toepassingen. ‘Elke toepassing vraagt maatwerk, dus we hebben geen concrete producten uitgewisseld. Wel hebben we een referentie-architectuur ontwikkeld. Die hebben alle deelnemers voor hun producten toegepast, heel inspirerend.’

Industrie 4.0 draait om het slimmer organiseren van productieprocessen, van individuele machines die betere kwaliteit en hogere opbrengst leveren tot complete fabrieken die efficiënter en meer gecoördineerd opereren. Dat vraagt om intelligente besturingssystemen die de verschillende niveaus in een productieketen bestrijken. In het Europese project IMOCO4.E is daaraan gewerkt.

De coördinatie lag in handen van Sioux Technologies. ‘Wij waren al betrokken bij het voorgaande i-Mech project (www.i-mech.eu, red.). Dat ging over een mechatronicaplatform en een geharmoniseerde definitie van de verschillende besturingslagen voor het ontwikkelen van slimmere machines’, verklaart Arend-Jan Beltman. ‘Uit discussies over een vervolg rolde een voorstel dat goed scoorde in Brussel. We kregen te horen dat het zou helpen wanneer een bedrijf en niet bijvoorbeeld een universiteit het project zou coördineren. Zo zijn wij erin gerold.’ Wat Sioux ook over de streep trok, was dat veel partners uit i-Mech weer meededen, meldt Edwin Langerak. ‘Van de dertig zijn er slechts een paar afgehaakt.’

Herbruikbare technologie

In het eerdere i-Mech ging het vooral over de instrumentatielaag, de sensoren en actuatoren die nodig zijn voor de besturing. ‘We realiseerden ons dat ook de bovenliggende softwarelagen belangrijk waren.’ Hans Kuppens vult aan: ‘Coördinatie zou ons veel inspanning gaan kosten, maar het project zou ook veel kunnen opbrengen. Sioux werkt als consultant en implementatiepartner voor verschillende bedrijven, met elk hun eigen software-framework, maar wij proberen wel telkens om bestaande en nieuwe software goed te structureren en stukjes software te hergebruiken. Het project kon dat soort herbruikbare technologie opleveren.’

Vier lagen

Beltman onderscheidt voor een besturing vier abstractielagen. De bovenste is die van de supervisie – in de cloud – over het complete productieproces, op basis van doelstellingen en informatie uit het proces. Uit die supervisie komt gewenst gedrag van machines en fabrieken; dat is de derde laag. Vervolgens wordt dat gedrag vertaald naar de regeltechniek (control), in het bijzonder de motion control, in laag 2. In de onderste laag (laag 1), die van de instrumentatie, wordt de besturing gerealiseerd door actuatoren en sensoren, die op hun beurt weer data naar boven sturen.

Ter verduidelijking vat hij het nog kort samen. ‘Ik noem het supervisie over gedrag dat concreet vorm krijgt door de interactie van de regeltechniek met de natuurkunde, de fysische processen in productie. Daar moet iets in beweging worden gezet of gemanipuleerd.’

Laaghangende wolk

Niet dat voor supervisie alles naar de cloud moet. In de IMOCO4.E-projectomschrijving duikt de prikkelende term ‘fog environment’ op. ‘Die was voor mij ook nieuw’, bekent Kuppens. ‘Als je data en applicaties op het internet hebt, heeft iedereen toegang. Maar bedrijven willen bijvoorbeeld ruwe data vaak binnen de contouren van hun fabriek houden. Dataverwerking doe je dan dicht bij de grond in de ‘fog’, een laaghangende wolk. Alleen informatie van een hoger abstractieniveau stuur je nog naar de cloud.’ Is het zicht door die mist dan beperkt? ‘Nee, zo is de term niet bedoeld’, reageert Beltman. ‘De supervisie vindt gewoon dichter bij de apparaten en machines plaats.’

Bouwstenen

In IMOCO4.E ging het erom voor alle abstractielagen een referentie-architectuur te ontwikkelen, bestaande uit bouwstenen die geschikt zijn voor uiteenlopende toepassingen in hightech systemen. Elke bouwsteen omvatte bestaande hardware, software en methoden. In totaal waren het er tien, waaronder slimme regelalgoritmes, padplanning (navigeren en vermijden van botsingen) voor autonome systemen, hardwareplatformen (SoC en fpga) voor regeling en signaalverwerking, AI-gereedschappen (kunstmatige intelligentie) voor procesregeling, en dataveiligheid en -betrouwbaarheid.

Leren van elkaar

Een voorbeeld, als onderdeel van nog een andere bouwsteen, voor realtime control-platformen, is TSN. Dat is time-sensitive networking voor realtime datatransmissie over ethernet, vertelt Kuppens. ‘Bij normaal ethernet heb je weinig garanties over de doorlooptijd van je signalen. TSN biedt een gegarandeerde bandbreedte met een gegarandeerde vertraging. Dat kan voor kritische machinetoepassingen belangrijk zijn. Zelfs bij kabelbreuk heb je de garantie dat jouw pakketjes op tijd worden doorgestuurd, via een andere route.’

Beltman vult aan: ‘TSN is een opkomend communicatieprotocol. Een van de projectpartners heeft er een toepassing mee gebouwd om twee apparaten op afstand van elkaar te synchroniseren. Dat heeft kennis opgeleverd over wat je met TSN kunt en hoever je er mee kunt gaan. Die kennis kunnen andere partijen nu ook in hun projecten gebruiken.’

Van weefselonderzoek tot mijnbouw

Voor concrete uitwerking waren vier pilots gedefinieerd, waarvan er drie werden getrokken door een Nederlands bedrijf. Sioux bracht zelf de Tissector in, die weefselplakken snijdt voor onderzoek, bijvoorbeeld in kankerdiagnostiek. Het doel was methoden te onderzoeken om met behulp van simulatie, visualisatie en digitale tweeling de betrouwbaarheid, voorspelbaarheid en machinebeschikbaarheid te verbeteren.

Machinebouwer ITEC, afgesplitst van de Nijmeegse chipfabrikant Nexperia, introduceerde zijn nieuwe ADAT3-XF productiemachine. Het streven was tweeledig: verbetering van nauwkeurigheid en doorvoersnelheid in halfgeleiderproductie en verhoging van de operationele voorspelbaarheid op het niveau van individuele machine, hele productielijn en complete fabriek. Philips werkte aan methoden voor het versnellen van de ontwikkeling en ingebruikname van nieuwe medische interventiesystemen. De vierde pilot, tot slot, was van het Finse mijnbouwbedrijf Normet, dat het plaatsen van explosieven wilde automatiseren en daarmee veiliger maken.

Andere applicatie, zelfde problemen

De synergie tussen de verschillende pilots zat niet zozeer in de fysieke applicatie waaraan ze werkten, zegt Kuppens. ‘Het zat ’m in de inspiratie over en weer. Je hebt allemaal hetzelfde soort problemen waar je oplossingen voor probeert te vinden. Zelf gebruiken ze allemaal bouwstenen, als een soort technische legoblokken, ieder op een eigen manier en dan zien ze bij de ander: O, zo kan het ook.’

Beltman: ‘Met partners voer je een technische exercitie uit om conceptueel een procesbesturing vanuit de instrumentatie tot aan de cloud te bestrijken. De ervaringen en de verbindingen tussen partners die daarbij ontstaan, pakt niemand je meer af. Elke toepassing vraagt maatwerk, dus we hebben geen concrete producten uitgewisseld. Wel hebben we een referentie-architectuur ontwikkeld en daarbinnen hebben alle deelnemers bouwstenen voor hun eigen business ontwikkeld. We zijn trots dat we, ondanks de diversiteit aan pilots en partners, veel tastbare resultaten hebben bereikt. Het was geen ‘theoretische’ exercitie.’

Tastbaar resultaat

Of Sioux de forse investering in het project gaat terugverdienen is nog afwachten, aldus Langerak. ‘Als dienstverlener doen we projecten voor klanten en hebben we niet, zoals bijvoorbeeld Itec, een eigen product dat we met IMOCO4.E hebben versterkt. Wij hebben geïnvesteerd in een herbruikbare referentie-architectuur, waarmee we in staat zijn om de creatieprocessen van onze klanten te versnellen.’

Bij Sioux zelf is die referentie-architectuur al geland in een concrete applicatie, de eerder genoemde Tissector. Kuppens: ‘We hadden in i-Mech zaken ontwikkeld die we nu met de cloud- en de gedragslaag hebben kunnen verbinden. Als we nu op de cloud inloggen, hebben we daar dashboards en grafieken die daadwerkelijk laten zien wat er met het systeem uit onze pilot gebeurt. Dat hadden wij nog niet in deze vorm.’

Oplossingen in chip integreren

De afsluitende bijeenkomst van het project vond plaats op 15 oktober in Limerick (Ierland), bij Analog Devices. De deelname van dat bedrijf illustreert volgens Beltman goed hoe het project werkte. ‘Zij maken chips voor bijvoorbeeld realtime vision camera’s, waarmee ze op de instrumentatielaag zitten. Maar waar je vroeger met allemaal discrete componentjes oplossingen voor het sensorvraagstuk moest maken, komen zij nu met chips waar die meteen al inzitten. Door aan een project als dit deel te nemen, kregen zij daar inspiratie voor, bijvoorbeeld over nieuwe protocollen of speciale interfaces.’

Vervolg voor halfgeleiderindustrie

De opgedane kennis en ervaring wordt nu gedeeld en door de partners in projecten toegepast. Intussen werkt een aantal van hen al aan een volgend Europees project, meldt Langerak. Dat zal zich richten op de halfgeleiderindustrie, in het kielzog van de Chips Act, die met grootschalige investeringen de concurrentiepositie van Europa wil versterken. ‘Wij hebben weer meegeschreven aan een voorstel, dat in eerste ronde al goed is ontvangen.’

Wordt het voorstel gehonoreerd, dan zal het Eindhovense bedrijf het nieuwe project echter niet gaan coördineren, bezweert Beltman. ‘Onze inzet in IMOCO4.E was om alle partijen, met elk hun eigen agenda, op één lijn te krijgen om te komen tot resultaten, in vorm van architecturen en methoden, die het individuele belang overstijgen. Dat vergde heel veel inspanning en na zes jaar is het dan even genoeg, al heeft het mij ook veel energie gegeven. Want ik ben er heilig van overtuigd dat Europese samenwerking de weg is naar vooruitgang.’

Dit artikel is tot stand gekomen in nauwe samenwerking met Sioux Technologies.