Download het artikel in 
Dat is logisch, aldus Prof. Paul Valckenaers van de K.U.Leuven, want met de huidige MES-technologie kan geen intelligente fabriek gebouwd worden. De reden: MES-systemen gaan al bij de basis finaal in de fout: hun ontwerpers trachten processen te automatiseren vanuit het oogpunt van ‘verwachte situaties’, terwijl er in de meeste productietypes altijd onvoorziene omstandigheden opduiken waar MES-systemen nauwelijks verhaal tegen hebben. Met het concept van het Holonic Manufacturing Execution Systems (HMES), gebaseerd op onder meer het werk van Nobelprijswinnaar H.A. Simon, maakt hij van de uitzonderingen - de onverwachte situatie - de regel.
HMES is een technologie die werd ontwikkeld als antwoord op de uitdagingen waarop CIM (Computer Integrated Manufacturing) een onbevredigend antwoord had gegeven. De zogenaamde ‘islands of automation’ blijken immers weinig geschikt voor de realisatie van een groot geautomatiseerd geheel (i.e. een intelligente fabriek). Dit samenvoegen tot een groter geheel verloopt meestal moeizaam en de prestaties blijven ondermaats.
Prof. Paul Valckenaers: «Het probleem is dat er te weinig aandacht aan de integratie tussen alle stations wordt geschonken, waardoor de boel vastloopt als er een link van het ene eiland naar het andere moet worden gelegd. Soms gaat het om heel eenvoudige knelpunten. Denk maar aan een printplaat die items per vier behandelt, terwijl de volgende fase van het productieproces wordt uitgevoerd door een installatie die niet per vier stuks kan werken. Dergelijke zaken vallen nog redelijk goed op te lossen. Maar als het om complexere toepassing gaat, valt soms de hele opzet van de automatisering in het water. Denk maar aan een ERP-pakket dat van de Bill of Materials uitgaat.
Met andere woorden: de filosofie bestaat erin dat op verschillende plaatsen in de fabriek onderdelen worden gemaakt om ze dan uiteindelijk tot één eindproduct te monteren. Of een slachthuis waar varkens of runderen in deelstukken worden versneden. Als je dit principe in een olieraffinaderij probeert toe te passen, loopt de automatisering vast omdat er geen rekening met de X aantal in- en Y aantal uitstromen wordt gehouden. Een ander voorbeeld is de recyclage van auto-onderdelen. De BoM gaat ervan uit dat je onderdelen tot één product samenvoegt in plaats van één product tot verschillende onderdelen uit elkaar te halen. Dit fenomeen heet data format lock-in. Dergelijke problemen gaan veel dieper en zijn subtieler dan data-formatering.»
Gebaseerd op het onverwachte
Prof. Paul Valckenaers ontdekte dat het knelpunt zich echter vooral in de MES-systemen situeert, namelijk de applicatie die de interne logistiek van een fabriek regelt. Hij legt uit: «Deze oplossingen organiseren het productieproces op basis van een beoogde planning en werkschema. Maar dit leidt tot knelpunten omdat ieder deelsysteem (ontwerp)keuzes maakt die impliciet een verwachte situatie en omgeving vereisen. Zodra zich een onverwachte situatie voordoet, ontstaat een conflict en dalen de prestaties van het geheel meestal vrij drastisch. De HMES-technologie functioneert helemaal tegenovergesteld: het zorgt voor een aanpak om (deel)systemen te ontwerpen die zich op het ‘onverwachte’ baseren.»
In concreto worden arbitraire keuzes geminimaliseerd. Moeten ze toch worden gemaakt, dan zorgt het HMES-systeem dat de inspanning om die keuzes te herzien beperkt blijft.
Daarnaast past de technologie inzichten toe uit complex-adaptive-systems-theorie en het werk van Nobelprijswinnaar H. A. Simon. Dit komt erop neer dat een HMES niet monolitisch, maar adaptief-hierarchisch is – het maakt van bestaande grotere deelsystemen gebruik -, waarbij de onderdelen een grote gebruikersgroep moeten dienen, zoals mainstream technologie verkiezen. In concreto zal HMES zijn taak, namelijk het beheer van de interne logistiek en productieactiviteiten in een fabriek, zoveel mogelijk uitvoeren door middel van een probleemformulering.
Prof. Paul Valckenaers: «De relevante aspecten van het onderliggende productiesysteem en -activiteiten in beeld brengen via modellering zorgt voor een halfwegoplossing die weinig arbitraire keuzes inhoudt. Je kunt het best vergelijken met het ontwerp van een navigatiesysteem door eerst de geschikte kaarten te realiseren. Wanneer later een conflict met die kaarten ontstaat, kan je dit niet oplossen door de kaarten aan te passen! HMES voorziet mechanismen om de weerspiegeling van de realiteit te onderhouden.
Als bijvoorbeeld een machine wordt gehercalibreerd, zal het model in het HMES aangeven dat dit systeem met een hogere precisie kan werken.In tegenstelling tot navigatiesystemen weerspiegelt onze oplossing niet alleen wat er in de realiteit fysisch bestaat - machines en meer algemeen resources - maar eveneens de activiteiten. Bij wijze van spreken heeft elke productietaak een ‘butler’ in de vorm van een computerproces dat ervoor zorgt dat de benodigde stappen worden uitgevoerd.
Doordat zowel activiteiten als productiemiddelen een tegenhanger (model) hebben, wordt een HMES zelfconfigurerend. Ik wil hierbij nog opmerken dat het om een ‘single source of truth’-ontwerp gaat: elk onderdeel in het productiesysteem heeft precies één tegenhanger in het HMES. Een intelligente machine kent zichzelf, maar laat het aan de ‘butlers’ over om uit te maken wat er met zijn processen wordt gerealiseerd. De software in een intelligent systeem moet niet worden aangepast zolang de installatie of de kennis ervan niet verandert. De software die een machine bestuurt, is onafhankelijk van de productie waarvoor de machine wordt benut. Zonder intelligente productieactiviteiten -‘butlers’- is dat niet mogelijk en is de automatisering van een fabriek duur en lastig om te veranderen.»
Maar hoe werkt het nu?
In concreto zorgt HMES er enerzijds voor dat elke productietaak constant een update krijgt van wat zijn volgende processtappen zullen zijn, dit in functie van de intenties (planning, voorziene routering) van de andere productietaken, de procesplannen, alsook de capaciteiten van de resources (machines). Anderzijds krijgen ook de resources een continu update van hun werklast, welke en hoeveel componenten ze zullen ontvangen, etc. Prof. Paul Valckeniers: «In feite kan je de functionaliteit van een HMES het best vergelijken met een reis die wordt voorbereid. Je boekt je hotel, taxi’s, vliegtuig, ... en kijkt wat er kan mislopen, bijvoorbeeld de connectie tussen twee reizen, een te late aankomst in het hotel, ... Zo kan je vooraf inspelen op dergelijke problemen en de meest ideale oplossing zoeken.”
Het HMES gaat na welke de meest valabele startpunten van het productieproces zijn om het product tegen de vooropgestelde datum klaar te krijgen. Prof. Paul Valckenaers: “In feite moeten de machines gekozen worden in functie van de processtappen, hun beschikbaarheid en het meest ideale moment om tot assemblage van de uiteindelijke componenten te komen. Vandaar dat het HMES gaat kijken naar de beschikbaarheid en mogelijkheden. De applicatie doet dit door aan het MES te vragen waar het proces kan worden gestart, om vervolgens bij de verschillende stations na te gaan wanneer ze beschikbaar zijn, hoe lang het proces zal duren, ...
Op die manier kan de productie worden gesimuleerd. Eenmaal alle mogelijke opties in kaart zijn gebracht, zal het HMES vervolgens de meest optimale ‘route’ uitstippelen en de machines ‘reserveren’. Belangrijk hierbij is wel dat de taak van de applicatie hiermee niet stopt. Want hij blijft het proces continu opvolgen en bij eventuele veranderingen – bijvoorbeeld een onderdeel dat niet tijdig is geleverd, een onvoorziene machinestilstand, ... - zal hij het hele visualisatieproces opnieuw uitvoeren. Op die manier wordt de route quasi onmiddellijk bijgestuurd.»
Talrijke toepassingen mogelijk
Intussen staat het HMES op het punt waarin het bij een industriële partner wordt uitgetest . Maar daarnaast wordt nagegaan of de applicatie ook in andere domeinen kan worden toegepast. Zo was er al een project met oogstmachines waarbij het HMES de coördinatie tussen oogstmachine en transport verzorgt (zoals het verbruik en de verliezen minimaliseren als het transport in een file vastzit). Er loopt een doctoraatsthesis over robotvloten, en dan meer specifiek over automatische rolstoelen in ziekenhuizen (het HMES zorgde ervoor dat de patiënten op tijd worden opgepikt en niet tegen elkaar rijden in de gangen). In oktober werd tevens gestart met een project rond ‘intelligent verkeer’ waarbij het de bedoeling is een soort blokrijden in te voeren zodat busbanen optimaal kunnen worden benut, maar ook dat mensen hun reis (met gelijk welk voertuig) virtueel kunnen plannen. En in samenwerking met de Universiteit van Diepenbeek wordt gewerkt aan de toepassing van HMES op elektriciteitsnetwerken en elektrische wagens (peekshaving). <<
door Els Jonckheere, Engineeringnet Magazine
