Als software in een mechatronisch project meteen met de andere disciplines om tafel wil, moet het met hen kunnen communiceren. Softwarecode is voor die collega-disciplines – mechanica, elektronica en regeltechniek – een black box, dus zal het op een hoger abstractieniveau moeten gebeuren. Modelgedreven softwareontwikkeling, of MDD (model-driven development), biedt uitkomst. Sioux Technologies heeft daarvoor zelf tools gebouwd en blijft die in klantprojecten doorontwikkelen, zoals recent met Masévon. ‘We hebben nog nooit zo snel een machine opgebouwd.’
Valentijn Scheifes, lead engineer software bij Masévon: ‘Je kunt nog zo’n mooie tool ontwikkelen, het is de samenwerking die het sterk maakt.’ Foto: Masévon
– Het begon met Supermodels, een platform waarop gebruikers ontwikkeltalen kunnen inzetten om een model te maken van het systeem.
– Verschillende ontwikkeldisciplines kunnen in abstracte termen over dat model met elkaar communiceren.
– En er is Holodeck om de mechanica in 3D te visualiseren en weer te geven wat er fysisch gebeurt.
– ‘Je convergeert veel sneller naar een correct ontwerp’
Supermodellen brengen rust, snelheid en zekerheid
De samenwerking met hightech system supplier Masévon resulteerde voor technologiebedrijf Sioux in het grootste project met MDD in de machinebouw tot dusver. Het gaat om een revolutionair ontwerp voor de farma-industrie, vertelt lead engineer software Valentijn Scheifes van Masévon. ‘De eerste machine is inmiddels uitgeleverd. In vier weken hebben we die kunnen opbouwen en het gehele proces getest. Dat had nog sneller gekund, vond ik, maar bij Masévon had nog nooit een nieuwe machine in zo’n korte tijd op de vloer gestaan.’
Toestanden
Omdat bestaande tools in machinebouwprojecten niet voldeden, ontwikkelde Sioux zelf MDD-tools, zegt softwarearchitect Robert Hendriksen. ‘Daarmee hebben we de afgelopen jaren in projecten ervaring opgedaan die leidde tot uitbreidingen, waardoor de tools beter zijn geworden.’ Het begon met Supermodels, een platform waarop gebruikers verschillende ontwikkeltalen kunnen inzetten om een model te maken van het te ontwerpen systeem. Verschillende ontwikkeldisciplines kunnen in abstracte termen over dat model met elkaar communiceren, bijvoorbeeld voor reviews. Simulatoren zijn in het platform geïntegreerd om het modelgedrag te bestuderen en op basis daarvan het ontwerp te verbeteren. Tot slot kan vanuit het model de softwarecode voor de systeembesturing worden gegenereerd. Het doet denken aan de digital twin, maar Hendriksen plaatst daar een kanttekening bij. ‘De simulator helpt de softwareontwikkeling onafhankelijker te worden van de integratie (met de hardware, red.). Sommigen zien dit als digital twin, maar ik probeer de term te vermijden omdat dit voor anderen de digitale representatie van een machine betekent (in de cloud). En dat is iets ander dan de simulatie.’
Robert Hendriksen, software-architect bij Sioux: ‘Visualisatie geeft je al heel vroeg in het ontwikkelproces een multidisciplinaire feedbackloop.’ Foto: Sioux
Een centraal MDD-concept is de state machine: een modelbeschrijving in termen van toestanden, overgangen tussen die toestanden en inputs die zo’n overgang triggeren. Denk aan een deur die open of dicht kan staan en een druk op een interfaceknop die het signaal geeft dat de deur moeten worden geopend of juist gesloten. Of neem een pick & place-robot die drie toestanden kent: oppakken, neerleggen en de beweging van de robotarm tussen deze twee toestanden. De fysica van die bewegingstoestand is niet eenvoudig te beschrijven en kent een complex motion-profiel. Daarvoor is een geavanceerd model nodig. Supermodels kan dat aan de state machine toevoegen. Maar de basis blijft het ‘simpele’ toestandsmodel. Scheifes: ‘Iedereen snapt state-gedrag: iets staat aan of uit, je moet op een knop drukken om naar een andere state te gaan – dat kunnen we reviewen met de stakeholders uit andere disciplines. Voor de farma-machine bijvoorbeeld hebben we alle piping & instrumentation getekend, met kleppen, drukvaten, enzovoort. Het gedrag daarvan in het model hebben we samen met onze procestechnologen gereviewd. Na hun akkoord werd dat ook het gedrag dat we nu, na finetuning, op de fysieke machine zien.’
Inzichtelijk, juist voor softwaremensen
De kracht van Sioux’ aanpak van MDD ligt in de visualisatie, aldus Hendriksen. ‘Iedereen snapt de state machine door te kijken naar de plaatjes die je in Supermodels van het model maakt. De modelsimulaties leverden echter vooral getallen op. Simulatie van flow en druk kunnen we visualiseren met kleurtjes, maar bij motion hadden we nog geen oplossing voor de bewegende mechanica. Daarvoor hebben we Holodeck ontwikkeld, om de mechanica in 3D te visualiseren en weer te geven wat er fysisch gebeurt. Veel mensen zien dat hele 3D als een gimmick, maar het is enorm inzichtelijk, juist voor softwaremensen. Die kregen van de mechanicus tot nu toe alleen statische plaatjes: ze moesten heel goed hun best doen om die te snappen. Als je het machine-ontwerp al in 3D ziet en niet hoeft te wachten op de fysieke machine om ’m te zien bewegen, is dat enorm waardevol voor softwareontwikkeling.’ Maar ook voor de mechanica-ontwikkeling, vult Scheifes aan. ‘Je kunt er fouten in het mechanische model mee ontdekken voordat de betreffende onderdelen zijn besteld.’ Hendriksen: ‘Zo kun je veel tijd en geld besparen. Visualisatie geeft je die multidisciplinaire feedbackloop al heel vroeg in het proces.’
‘Mechanisch was voorheen de hoofdmoot, daar moest elektrisch bij en o ja, er moest ook nog een stukje software tegenaan’
Slechtweergedrag
Pluspunt van MDD is dat ook ‘slechtweergedrag’ kan worden gemodelleerd, vervolgt Hendriksen. ‘Enerzijds kun je met de state machine goed inzichtelijk maken wat er gebeurt als het ontwerp niet goed werkt en anderzijds kun je slechtweergedrag goed testen omdat je een simulator hebt. Het is altijd veel goedkoper om dingen in een simulator stuk te laten gaan dan in een echte machine. Vaak is het slechtweergedrag onderbelicht; de klant vertelt wat een machine moet doen, maar niet hoe die kan falen. Daar moet het ontwikkelproces op worden aangepast, door bijvoorbeeld een FMEA (failure mode and effects analysis, red.) te doen en de uitkomsten te testen. Supermodels biedt daarvoor de simulator.’ Als die zo goed is dat de besturingssoftware geen verschil meer ziet tussen gesimuleerde en fysieke hardware, is de software niet meer afhankelijk van die fysieke hardware, verklaart Hendriksen. ‘Vroeger zat je naast de machine de software in te kloppen om die te testen. Je moest dus wachten tot de hardware er was. Dit hoeft nu niet meer en dat levert allerlei voordelen op. Zo heb je de issues met software-integratie al opgelost voordat je naar de hardware gaat.’ Scheifes: ‘Masévon werkte voorheen heel conventioneel: mechanisch was de hoofdmoot, daar moest elektrisch bij en o ja, er moest ook nog een stukje software tegenaan. We gooien dat nu om naar een proces waarin we parallel ontwikkelen en software vanaf de start is betrokken.’
Sneller convergeren
Winst is dat de eerste machine in kortere tijd op de vloer bij Masévon staat, omdat er dankzij MDD bij de opbouw van de machine minder software-issues zijn. Dat tikt aan omdat in Masévon’s build-to-spec-tak veel machines one-of-a-kind zijn, of in ieder geval klantspecifiek, en dus op de vloer nog in ontwikkeling zijn. Hendriksen: ‘Voorheen ging de machine soms al naar de klant, binnen de contracttermijn, terwijl de software nog niet af was. Dan moest die nog worden getest nadat de machine al was verscheept. Met MDD hoeft dat niet meer, want dan kun je eerder testen.’ Ook in de ontwikkelfase levert MDD, inclusief simulatie, winst op, volgens Scheifes. ‘Vooral omdat je ontwerp meer first time right is, doordat je er continu andere disciplines bij kunt betrekken. Als je bijvoorbeeld merkt dat ergens nog een sensor tussen moet, kun je dat met elektrisch overleggen. Of als een bepaalde verhouding mechanisch niet goed is, koppel je dat meteen terug. Het geeft meer rust op de ontwikkelafdeling. Je convergeert veel sneller naar een correct ontwerp.’ Hendriksen: ‘De kwaliteit van je software is hoger wanneer je die met de hardware gaat integreren. Je kunt heel snel aan het echte probleem beginnen, namelijk de fysica werkend krijgen. Op papier heb je iets bedacht en de eerste keer dat je het bij elkaar brengt, wil je niet meer met softwareproblemen hoeven te worstelen. Natuurlijk zijn die er nog wel, maar dankzij de reviews en simulaties veel minder dan voorheen.’ Door de logging met de visuele modellen te combineren, zijn ze ook nog eens sneller te traceren, vult Scheifes aan.
Cultuuromslag nodig
Inzet van MDD-tools vergt multidisciplinair werken en daarvoor is bij Masévon nog wel een cultuuromslag nodig, aldus Scheifes. Dat vindt Hendriksen wat te bescheiden. ‘Jullie hebben al megastappen gezet.’ Scheifes: ‘Maar ik kijk altijd naar wat Masévon nog meer wil. Niet alleen de machine met MDD goed aan de praat krijgen, maar ook meerwaarde leveren. Bijvoorbeeld data uit de machine halen voor analyse, om te kunnen vertellen wanneer onderhoud nodig is. Of die data in je model afspelen bij een probleem in het veld, om de oorzaak te traceren.’ Hendriksen: ‘Dit raakt natuurlijk aan de digital twin. Het loggen van alle signalen en state-veranderingen zit bij ons nu standaard in de machine-architectuur.’
Link magazine editie juni 2022 | jaargang 24 thema: Hoe slaan we de brug tussen de software- en de hardware-engineers? Lees Link digitaal of vraag een exemplaar op: mireille.vanginkel@linkmagazine.nl’
Uit de machine komen nu niet alleen data, maar ook – bij wijze van spreken – de documentatie, benoemt Scheifes nog als voordeel. ‘Met MDD genereer je documentatie voor de code zoals die echt in de machine zit. Vroeger zat je met screenshots de documentatie in Word bijeen te plakken, maar die kon alweer verouderd zijn als je collega intussen het state-gedrag had veranderd.’
Iets minder onzeker
Hendriksen hoopt de komende jaren nog veel samen te werken met Masévon. ‘Zij zijn nu onze grootste Supermodels-ambassadeur. Wat ze goed hebben gedaan, is domeinspecialisten betrekken bij het ontwikkelproces voor de software.’ Scheifes: ‘Wij zitten nog in de start-upfase met MDD en komen nog wel dingen tegen, maar door onze goede connectie met Sioux worden die snel opgepakt. Je kunt nog zo’n mooie tool ontwikkelen, de samenwerking maakt het sterk. Onze mensen werken er enthousiast mee en we hebben nog tal van ideeën voor MDD om op te pakken. Op termijn willen we als Masévon meerwaarde bieden door dingen aan de tool toe te voegen waar ook Sioux wat aan heeft.’
Een belangrijk MDD-feature dat Sioux nog wil toevoegen is model checking, meldt Hendriksen. ‘Niet alleen om simpele zaken zoals deadlocks in de software te ontdekken, maar ook om de werking van ingewikkelde componenten met hun interfaces te checken. Zo kunnen we in de software nog meer fouten op dat hogere abstractieniveau vinden.’ Die optie spreekt Scheifes aan. ‘Als je de mogelijkheid hebt om ook software die al is uitgeleverd te checken, hoef je niet meer, zoals vroeger, bang te zijn om daar wijzigingen in aan te brengen omdat je niet wist wat er dan zou gebeuren. Dit maakt het leven van software-engineers iets minder onzeker.’
