[RUBRIEK: ACHTERGROND] [KOP] Flexibel produceren door middel van holonic manufacturing [CHAPEAU] Wereldwijd onderzoek naar besturingsvormen zet stap naar volgende generatie architecturen [INTRO] Dat de concurrentie toeneemt en klanteneisen een steeds groter stempel drukken op de productie mag inmiddels bekend worden verondersteld. Agile manufacturing ('wendbaar produceren') is een nieuwe stap in een steeds verdergaande ontwikkeling waarin kwaliteit, flexibiliteit en innovativiteit bijna al geen onderscheidende karaktertrekken meer zijn. Arian Zwegers, Maurits Verweij en Roel van den Berg De ontwikkeling van eisen waaraan de productie moet voldoen is een logisch gevolg van een veranderende markt waarin de concurrentie steeds zwaarder wordt. Omdat het steeds moeilijker is op die markt een plaatsje te veroveren en te behouden, worden steeds sneller nieuwe producten op de markt gebracht. Als gevolg hiervan neemt de levenscyclus van producten af, worden seriegroottes en herhalingsgraad van series in de productie kleiner en neemt de variëteit aan producten toe. Bedrijven die geen afdoende maatregelen nemen om in te spelen op deze tendensen valt het zwaar om efficiënt te blijven produceren: omsteltijden nemen toe, beschikbare capaciteit wordt onvoldoende benut en een goede afstemming van mensen en productiemiddelen wordt lastig. Vroeger konden kosten worden bespaard door grotere hoeveelheden te produceren (economies-of-scale), nu wordt gestreefd naar economies-ofscope: besparen door met dezelfde middelen meer verschillende producten te maken. Daarbij moet voortdurend worden ingespeeld op eisen van de klant. In samenwerking met, en het liefst vooruitlopend op die klant moet een onderneming op tijd op de hoogte zijn van komende veranderingen. Bovendien moet hij er voor zorgen dat zonder al te grote inspanningen (in de zin van grote investeringen of desinvesteringen, het incourant worden van voorraden en dergelijke) in de nieuwe behoeften wordt voorzien. Agile produceren betekent aan deze voorwaarden voldoen: een bedrijf is wendbaar, in staat om aan nieuwe eisen op korte termijn en tegen een redelijke prijs te voldoen en zelfs in staat om mee te denken: 'kunnen dingen slimmer gedaan worden, zouden we niet iets anders proberen?' Hoe kan een dergelijke situatie worden gerealiseerd? Men bereikt een agile bedrijf door te streven naar een optimale balans tussen en integratie van de organisatie, de mensen in die organisatie en de beschikbare middelen (de technologie). Een innovatieve en flexibele organisatie moet snel van structuur kunnen veranderen om opgewassen te zijn tegen nieuwe uitdagingen. Een vastgeroeste bureaucratie wordt vervangen door een open, virtuele organisatie waarbinnen elke keer opnieuw het best passende samenwerkingsverband wordt opgezet. De mensen in de organisatie moeten deze ontwikkelingen natuurlijk kunnen volgen. Dat betekent dat ze goed zijn opgeleid voor een reeks van taken en verantwoordelijkheden kunnen en willen nemen. De beschikbare technologie tenslotte, moet flexibel en intelligent zijn: gemakkelijk aan te passen en compatibel met andere systemen (zowel binnen als buiten het bedrijf). Ook moeten de informatiesystemen geen problemen geven bij de uitwisseling van order- en productinformatie. [figuur 1] Praktische invulling Ondanks het feit dat de eisen aan de productie goed kunnen worden geformuleerd, blijft de praktische invulling van concepten en ondersteunende productietechnologie achter. Een reden hiervoor zijn de starre, inflexibele hiërarchische besturingssystemen. Ook de zogenaamde heterarchische besturingen - besturingssystemen zonder hiërarchische opbouw
of centrale besturingseenheid - bieden door hun onvoorspelbaarheid weinig soelaas. Het onderzoek naar holonic manufacturing systems, een onderdeel van het wereldwijde Intelligent manufacturing systems programma, biedt een bijdrage aan de oplossing van deze problematiek (zie kader Holonic manufacturing). Onderzoek naar holonic manufacturing vindt met name plaats in Japan, maar ook Australië, de Verenigde Staten, Canada, en dichterbij huis, België en Duitsland dragen hun steentje bij. In Japan is men al geruime tijd bezig met de eisen die aan toekomstige productiesystemen worden gesteld. Dit heeft bijvoorbeeld geresulteerd in verfijnde plannings- en schedulingsmethoden, en in verbeterde transportmethoden tussen bewerkingsstations. Productiesystemen die voldoen aan de gestelde eisen moeten dus van verschillende markten thuis zijn. Holonic manufacturing systems zijn een stap in de goede richting, die volgt uit de evolutie in besturingsarchitecturen. In de afgelopen decennia is een geleidelijke overgang te zien geweest van gecentraliseerde naar meer gedistribueerde besturingen (zie figuur 1). Via de hiërarchische besturingsvorm, de aangepaste hiërarchische en de heterarchische vorm, richt het onderzoek zich nu op de holonische besturingsvorm. Mede voor het onderzoek naar besturingsarchitecturen beschikt de Katholieke Universiteit Leuven over een flexibele assemblagecel. De cel bestaat uit vier assemblage-robots en een transportsysteem, bestaande uit een centrale lus en een buffer voor ieder station. Het geheel is opgebouwd uit verschillende componenten: een scheduler, bewerkingsstations, een transportsysteem (wordt verder buiten beschouwing gelaten), ordermodules en een besturingssysteem (zie figuur 2). Ordermodules zijn componenten die erop toezien dat een bepaalde order wordt afgewerkt. De scheduler maakt schedules waarin taken van een bepaalde order worden gepland voor de vier stations. Bewerkingsstations melden zich bij het besturingssysteem met de vraag een volgende taak te mogen uitvoeren. Ordermodules melden zich bij het besturingssysteem met het verzoek een volgende deeltaak te laten uitvoeren. Het besturingssysteem, tenslotte, zorgt voor allocatie van de stations aan de taken van de orders. [figuur 2] Besturingsvormen Schoolvoorbeelden van een zuiver hiërarchisch bestuurd systeem zijn het leger en de rooms-katholieke kerk. In dergelijke systemen dicteert een besturingseenheid alle activiteiten van de ondergeschikten in lagere besturingslagen. Deze ondergeschikten (of het nu productie- of lagere besturingseenheden zijn) dienen alle orders van hogere lagen uit te voeren. Besturingsbeslissingen worden top-down gecommuniceerd, in tegengestelde richting wordt alleen informatie doorgegeven over de status van het systeem. Deze informatie wordt vervolgens weer gebruikt om nieuwe beslissingen te nemen. In de hoogste besturingslagen worden globale, geaggregeerde beslissingen genomen. Naarmate deze beslissingen verder de organisatie ingaan worden ze steeds verder in detail ingevuld. Daarbij wordt het detailniveau van de gebruikte informatie groter, terwijl de tijdspanne waarop de beslissing betrekking heeft korter wordt. Bij een hiërarchische besturing in het voorbeeld van de Leuvense cel, volgt het besturingssysteem exact de volgorde van de taken die wordt voorgeschreven door de scheduler. Indien noodzakelijk wacht het besturingssysteem tot de benodigde bewerkingsstations beschikbaar komen of tot een medewerker het systeem in een zodanige toestand heeft teruggebracht dat het de voorgeschreven schedule weer kan volgen. De bewerkingsstations en ordermodules zijn verplicht aan het besturingssysteem te rapporteren en te wachten op toestemming om verder te gaan. In normale, stabiele omstandigheden werkt de hiërarchische besturing doeltreffend en efficiënt: in de hogere niveaus die het gehele systeem overzien, kan een optimale planning worden gemaakt. De nadelen liggen in het omgaan met veranderende omstandigheden. De hiërarchie is niet in staat flexibel om te gaan met wijzigingen als gevolg van spoedorders, machine-
uitval of andere verstoringen. Het duurt vaak (te) lang voordat veranderde omstandigheden bekend zijn bij de juiste besturingseenheden, waarna ook nog eens het hele programma opnieuw moet worden berekend. Daarnaast ligt bij het uitvallen van een besturingseenheid het gehele onderliggende systeem stil, tenzij er uitgebreide fout-tolerante maatregelen zijn genomen. Op hun beurt zorgen die maatregelen voor een dermate verstrengeling van de individuele besturingseenheden dat het gehele systeem nauwelijks aanpasbaar is. Autonomie Net zoals in de hiërarchische besturingsvorm wordt in de aangepaste hiërarchie uitgegaan van vaste master/slave-relaties met besturingseenheden op verschillende niveaus. Het verschil tussen de twee vormen zit in het toelaten van een zekere mate van autonomie op lagere niveaus. Aangepaste hiërarchische besturingseenheden zijn uitgerust met een bepaalde mate van zelfsturing ten opzichte van hogere besturingsniveaus: de ondergeschikte handelt meer als een intelligente assistent dan als domme uitvoerder. Binnen één hiërarchisch niveau is er daarnaast ook sprake van enige samenwerking tussen besturings- dan wel productie-eenheden. Deze samenwerking is nodig om een serie activiteiten uit te voeren die voortvloeien uit een order die is opgegeven door een hoger niveau. De voor- en nadelen van deze besturingsvorm zijn grofweg gelijk aan die van de zuiver hiërarchische vorm. In geval er flexibel moet worden omgegaan met gewijzigde omstandigheden wordt nog steeds gebruik gemaakt van hiërarchische relaties. Heterarchische besturing Een typisch heterarchisch systeem is een veemarkt. Aanbieders en vragers komen bijeen en trachten volledig autonoom hun eigen doelen te bereiken. In een heterarchisch besturingssysteem werken lokale, autonome besturingseenheden op gelijke voet samen. De belangrijkste kenmerken van deze besturingswijze zijn een volledige, lokale autonomie en een coöperatieve benadering om tot beslissingen te komen. Besluitvorming vindt decentraal plaats op basis van daar verzamelde informatie. Door middel van onderhandelingsprocedures werken besturingseenheden samen om activiteiten uit te voeren zoals het maken van een productieschedule of het bepalen van productroutings. In de assemblagecel vragen ordermodules bij een heterarchische besturing om uitvoering van deeltaken. Bewerkingsstations reageren op deze vragen door offertes uit te brengen. In een offerte staat een 'prijs' die wordt bepaald door factoren als bewerkingskosten, doorlooptijd en kwaliteit. Daarna volgt een onderhandelingsproces tussen ordermodules en de gegadigde stations. Ordermodules zullen het bewerkingsstation kiezen met de beste 'prijs'. Uiteindelijk volgt een schedule uit het onderhandelingsproces. In de meeste gevallen vindt dit opportunistisch plaats door na elke taak de volgende te schedulen, uitgaande van de actuele toestand van het systeem. Het besturingssysteem dient daarbij als makelaar, waar vraag (stations) en aanbod (orders) van deeltaken bij elkaar komen. Het voordeel van heterarchische besturing is dat flexibel wordt omgesprongen met gewijzigde omstandigheden; productieschedules en productroutings liggen immers niet vast, maar worden opportunistisch opgesteld. Het nadeel is dat in normale omstandigheden niet optimaal wordt gewerkt; de individuele besturingseenheden overzien niet het gehele proces en maken suboptimale beslissingen. Aangezien schedules en routings bij uitgave van werkorders van te voren niet bekend zijn, is de doorlooptijd van het product vrij onvoorspelbaar. Combinatie
Holonic manufacturing systems beogen de beste eigenschappen van verschillende besturingsvormen te combineren. Ze maken gebruik van de stabiliteit en optimaliteit van de hiërarchie en van de dynamische flexibiliteit van de heterarchie. Als zodanig zou de holonische besturingsvorm de volgende fase in de evolutie zijn (zie figuur 1). Bij een holonische architectuur in het voorbeeld van de Leuvense cel, vindt een combinatie van de hiërarchische en heterarchische strategieën plaats. Het besturingssysteem werkt samen met de scheduler; het beschouwt de schedules als adviezen die het in principe zal volgen. Wanneer de scheduling-adviezen ondoenlijk of duidelijk suboptimaal worden (bijvoorbeeld door spoedorders of uitgevallen machines), zal het besturingssysteem zich autonoom aanpassen aan de heersende situatie en zo goed mogelijk het geadviseerde schedule trachten te benaderen. Dit gebeurt door op een heterarchische wijze gebruik te maken van de onderhandelingscapaciteiten van de ordermodules en de bewerkingsstations. Qua structuur lijkt het holonische model op de aangepast hiërarchische besturing, maar qua gedrag is het in feite het spiegelbeeld. Immers, besturingseenheden in een aangepast hiërarchische besturing werken in principe heterarchisch, maar uitzonderingssituaties worden hiërarchisch opgelost. Bij het holonische model wordt in principe hiërarchisch gewerkt, maar worden uitzonderingssituaties heterarchisch aangepakt. Zo kan het volgende gebeuren bij een holonische besturing van een fabricagecel waarin een aantal bewerkingscentra zijn gekoppeld door een automatisch transportsysteem. Centraal wordt een planning vastgesteld met een prioriteit per product en een optimale productrouting. Op basis hiervan worden producten met behulp van productdragers door het transportsysteem vanuit het magazijn naar de verschillende machines gebracht voor hun eerste bewerking. Wanneer nu een storing optreedt, bijvoorbeeld omdat een gereedschapspunt afbreekt, meldt dat station dat aan een ander station (dat hetzelfde stuk gereedschap bezit) met het verzoek dat product over te nemen. In ruil daarvoor neemt het eerste station een ander product over. Samen melden ze dit aan het transportsysteem dat de producten verwisselt. Op deze manier worden alle producten toch afgewerkt (maar volgens een ander schedule) zonder dat de centrale besturingseenheid er aan te pas is gekomen. Nieuwe componenten Een agile productiesysteem evolueert over de tijd en zal regelmatig worden aangepast; oude componenten worden eruit gehaald, nieuwe componenten worden ingevoegd. Aanpasbaarheid van het systeem wordt beoogd door componenten te ontwikkelen als onderdelen die voldoen aan de holonische principes. De realisatie daarvan is een andere zaak en wordt gezocht in een bottom-up benadering; werkstations, robots, transportmiddelen en andere componenten moeten de intelligentie bezitten om te worden ingepast. Het onderzoek naar holonic manufacturing moet leiden tot bibliotheken van bewezen, herbruikbare technologieën die in elke productiesituatie kunnen worden ingepast. Behalve de experimentele opstelling in het Belgische Leuven, leveren enkele Japanse bedrijven een bijdrage aan de ontwikkeling van holonic manufacturing. Hitachi Seiki bijvoorbeeld, een grote fabrikant van NCmachines, heeft een holonische fabricagecel in haar portfolio. Een klant kan beginnen met een cel met een zeer beperkt aantal productiestations en bijbehorend transportsysteem. In de loop der tijd kunnen daaraan zonder al te veel inspanning nieuwe productiestations worden toegevoegd. Het besturingssysteem lijkt op het heterarchische model en is daarom goed beschouwd geen echt holonisch systeem. Zoals gezegd, werkt een holonisch systeem alleen heterarchisch in uitzonderingssituaties. Desalniettemin is de productlijn van Hitachi Seiki één van de weinige commerciële producten dat een alternatief biedt voor de zuiver hiërarchische besturingsstructuur. Verder onderzoek
De gang van zaken rond holonic manufacturing systems is een forse stap op weg naar agile manufacturing. De door middel van holonische besturing gecreëerde flexibiliteit verhoogt de wendbaarheid van een productiesysteem - en daarmee van de organisatie - aanzienlijk. De intelligentie van de afzonderlijke stations maakt het mogelijk elke productiesituatie optimaal te verwerken, terwijl op eenvoudige wijze nieuwe holons kunnen worden toegevoegd aan het productiesysteem. Uiteraard is verder onderzoek nodig naar zaken zoals de vereiste intelligentie van bewerkingsstations en transportsystemen. Een voorbeeld is een station dat zelf detecteert wanneer gereedschap aan vervanging toe is. Dit is vooral van belang voor een land als Japan, waar veel fabrieken 's nachts NC-machines laten werken zonder menselijke controle. Een intelligente machine die zelf tijdig slijtage aan gereedschap detecteert voorkomt dat men 's ochtends voor onaangename verrassingen komt te staan. Een ander voorbeeld is de kennis die stations van andere stations moeten bezitten. Deze informatie kan (ook bij een heterarchische besturing) op een centraal punt aanwezig zijn (makelaar), maar kan ook worden verspreid over de verschillende stations. De voor- en nadelen van elke optie zijn momenteel nog niet duidelijk. Wat in ieder geval wel duidelijk is, is dat holonische systemen daadwerkelijk een mogelijkheid bieden om 'agile' te produceren. [In KADER] Arian Zwegers, Maurits Verweij en Roel van den Berg zijn werkzaam bij respectievelijk: de TU Eindhoven, Berenschot en Baan Institute. [In KADER] Verdere informatie: http://hms.ncms.org/ http://www.mech.kuleuven.ac.be/pma/project/goa/holonic.html http://www.ims.org/holonic.htm [In KADER] Holonic manufacturing De naam 'holon' is een samentrekking van het Griekse holos dat 'geheel' betekent, en het achtervoegsel -on (zoals in electr-on) dat op een deeltje duidt. Een holon is tegelijkertijd een afzonderlijk geheel ten opzichte van zijn onderliggende delen en een onderdeel van een groter geheel. Vertaald naar productie zijn holons modules die onderling samenwerken, maar verder zelfstandig productie- of ondersteunende taken uitvoeren. Voorbeelden zijn bewerkingsstations, ordermodules en transporteenheden. Een aantal van deze modules vormt samen een holonic manufacturing system. Achterliggende gedachten bij dit concept zijn dat complexe systemen veel sneller kunnen worden opgebouwd uit (stabiele) tussenvormen dan helemaal vanuit het niets, en dat in veel systemen wel delen te onderscheiden, maar niet te scheiden zijn. Autonomie en samenwerking zijn de karakteriserende eigenschappen van holons. Autonomie betreft het vermogen van een module tot het besturen van de uitvoering van door hem zelf gecreëerde plannen en strategieën. Samenwerking is het proces waarbij een verzameling modules onderling aanvaarde plannen ontwikkelen en uitvoeren. De eerste eigenschap zorgt ervoor dat holons stabiele vormen zijn die overweg kunnen met verstoringen, doordat holons onvoorziene omstandigheden afhandelen zonder hogere autoriteiten om instructies te vragen. De tweede eigenschap betekent dat het componenten zijn die de juiste functionaliteit verschaffen voor het grotere geheel. Holons staan namelijk onder besturing van (meerdere) hogere autoriteiten. [BIJSCHRIFTEN]
Figuur 1. Figuur 2.
De evolutie van besturingsarchitecturen. De verschillende componenten in de flexibele assemblagecel.
