Shell Solar Energy automatisering ‘nieuwe stijl’

Hoe beïnvloeden nieuwe software-technieken als ActiveX, VBA, object en componentgerichte architecturen en TCP/IP de automatisering van het productiebedrijf? De Nederlandse software-integrator Starren maakte ondermeer bij Shell Solar Energy in Helmond gebruik van Webtechnologie en bericht over haar ervaringen.

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Shell Solar Energy bv, dochter van Royal Dutch/Shell-groep, fabriceert fotovoltaïsche zonnecellen op basis van multikristallijn siliciumschijfjes. Tussen 1990 en 1997 ontwikkelde het bedrijf hoogwaardige productietechnologie voor zonnecelmodules met een gemiddeld vermogen van 80 Wp op basis van 36 multikristallijn silicium zonnecellen. In 1997 werd op basis van de specificaties, een nieuwe productie-infrastructuur uitgebouwd. De productielijn, die operationeel werd per 1 september 1997, bestaat uit een aantal stations, voorzien van systemen voor automatische belading en ontlading. Het productievolume, gebaseerd op een drieploegenstelsel, bedraagt thans 2,5 MW per jaar.
Bij het uittekenen van de productielijn werd tevens de informatica-architectuur hertekend. De opdracht bestond er in een Manufacturing Execution System te ontwerpen, dat de brug zou vormen tussen grondstoffenbeheer en productie. De informatie uit de productie diende te worden gebruikt voor kostenbeheersing en kwaliteitsbewaking. Door het nauwkeurig registreren van inkomende en uitgaande grondstoffen wordt een nauwkeurig inzicht gekregen in het verbruik en de voorraad. Starren ontwikkelde zelf een productieregistratiesysteem, waarbij de meetgegevens rechtstreeks in een centrale database worden ondergebracht. De traceerbaarheid van de productiegegevens is mogelijk doordat alle data van het proces zelf direct gekoppeld worden aan het product zelf.

Automatiseringseilanden
Een eerste vaststelling is dat het duidelijk om de automatisering van een discreet productieproces gaat. Het proces in opgedeeld in diverse productiestappen, gecentreerd rond meerdere stations, met aan- en afvoer van de producten. In de klassieke opstelling zijn grondstoffenbeheer (ERP) en productieopvolging gescheiden, hoewel van beide afdelingen voldoende informatie digitaal beschikbaar is. De flessenhals is de incompatibiliteit tussen beide informatiesystemen. Slechts een kleine groep mensen heeft er direct toegang toe. Een voorbeeld: een operator die laboratoriumgegevens nodig heeft, grijpt de telefoon, de afdeling Calculatie moet voor extra productiegegevens terecht bij collega’s op de werkvloer. Op deze moment daalt de productiviteit enorm: de op zich sterk geautomatiseerde afdelingen vervallen tot grote inefficiëntie. Maar anderzijds is de structuur in bepaalde gevallen ook heel weinig soepel: een deel van de software vervangen is niet alleen duur, maar zet ook de hele organisatie op zijn kop. Nog moeilijker wordt het wanneer afnemers en/of toeleveranciers in de informaticastructuur worden opgenomen.

Het model: Mondriaan
Het succes van Internet voert een stroom vernieuwingen in het kielzog. Met objecttechnologie (of op componenten gebaseerde softwarearchitecturen) wordt het mogelijk delen van software te vervangen, zonder dat dit het systeem verder beïnvloedt. De objectmatige aanpak geeft vooral de softwareontwikkelaars een veel grotere mate van vrijheid en is thans nauwelijks nog weg te denken uit de nieuwste standaardpakketten die op de markt komen. Als software-integrator koos Starren enige tijd geleden reeds de mogelijkheden van deze aanpak te bestuderen. Het resultaat is thans in een model gegoten, dat Mondriaan gedoopt werd en voor de allereerste maal bij Shell Solar in realiteit werd omgezet. Mondriaan staat in de eerste plaats voor een concept, bestaande uit meerdere modules, die naargelang de toepassing samengevoegd en op maat aangepast worden. Het gaat dus niet om een standaard MES-pakket, zoals bijvoorbeeld XFactory van USDATA of FACTORYworks van FASTech. De naam werd echter niet willekeurig gekozen. Zoals in de schilderijen van Mondriaan, kan het concept als een gemetselde muur voorgesteld worden, met in het midden een grote bouwsteen, of de realtime database. Deze vergaarbak wordt gevoed met allerlei data, zoals productiegegevens, maar ook verkoopresultaten, laboratoriumuitslagen of voorraadgegevens. Om deze database heen zijn diverse stenen gemetseld, of in het geval van automatisering, de modules. Elke module vertegenwoordigt één enkele functie of een set van functies. Dit kan bijvoorbeeld zijn: een document stockeren, een bericht versturen of een signaal verzenden. Door deze softwaremodulariteit heeft het vervangen van een module geen enkele invloed op de rest van het systeem. En, door deze ‘one module/one function’-benadering, zijn de modules ook snel te produceren en door de onafhankelijkheid van de omgeving, is deze kwalitatief ook goed te testen.

Conceptueel
Mondriaan vertegenwoordigt in feite een zeer moderne trend in software-ontwikkeling. Objecten worden grafisch op scherm met elkaar verbonden, de achterliggende programmatuur zorgt ervoor dat een datastroom tot stand komt. Deze aanpak is zuiver en toekomstgericht: objecten kunnen toegevoegd worden, verwijderd of aangepast, maar vooral, ze kunnen herbruikt worden, zonder dat telkens applicatiegerichte code moet herschreven worden. Het grote probleem met objecttechnologie heet ‘standaardisatie’. Programmeurs schrijven als jaren stukken ‘herbruikbare’ software, maar in principe enkel voor eigen of bedrijfgebruik. Met bijv. Java of ActiveX daarentegen is de code uniform. Hetzelfde geldt voor de communicatieprotocollen: TCP/IP werpt zich door het succes van Internet op als een defacto standaard en heeft daardoor het voordeel van ‘universaliteit’. In Mondriaan zijn al deze toekomstgerichte elementen terug te vinden. Nog een bewuste keuze: het gebruik van Web-browsers als Human Machine Interfaces. Via browser-techniek, direct weggeplukt van Internet, wordt elke PC op kostefficiënte manier omgetoverd tot een netwerkstation met toewijzing van diverse toegangsniveaus. Hiervoor worden HTML-pagina’s ontworpen, die met de browser eenvoudig van op elke PC op te roepen zijn. Voor statische gegevens, zoals documenten, zijn dit eenvoudige lay-outs. Voor dynamische data, kan dit met behulp van ActiveX -componenten, wat in feite kleine Visual Basic-programmaatjes zijn. Ze worden bij elke opvraging vanuit het netwerk automatisch meegeladen en zijn ‘exception based’. Dit wil zeggen dat ze enkel worden geladen wanneer ze nog niet op het opvragende netwerkstation aanwezig zijn, of wanneer er op de Webserver wijzigingen zijn gebeurd. Een voorbeeld: bij Mondriaan is er een module S2NET die ervoor zorgt dat realtime data vanuit de productie ook real-time op elk netwerkstation (clients) getoond worden. Communicatie tussen de verschillende objecten neemt - zoals op Internet - de vorm aan van ‘berichten’, die gecoördineerd worden door een dispatcher, ‘S2Coord’ genoemd.

Open platform
Via dit type architectuur, wel gekend maar op ondernemingsniveau nog zelden algeheel toegepast, wordt een platform gecreëerd dat open staat voor nieuwe ontwikkelingen (en niet gebonden aan een bepaalde besturingssoftware), dat open is voor ontwikkelaars, centraal kan beheerd worden en bovendien over een intuïtieve HMI-interface beschikt. Het is precies de consequente keuze van al deze elementen die integratie tussen machinesturing, productieopvolging en kantooromgeving binnen bereik brengt. Is deze aanpak quasi standaard in een kantooromgeving - denk maar aan MS Office - dan kan probleemloos een brug gelegd worden naar productie op voorwaarde dat de software ook daar op dezelfde leest geschoeid is. Met andere woorden: er ontstaat een Manufacturing Execution System als interface tussen real-time machine/installatie en Enterprise Resource Planning-systeem. Zoals bij Shell Solar Energy in de praktijk werd bewezen..... (B.B.)

Shell Solar Energy
L'automatisation 'nouveau style'

Comment les nouvelles techniques logicielles comme ActiveX, VBA, les architectures orientées objet et composant et TCP/IP influencent-elles l’automatisation de la société de production ? L’intégrateur software néerlandais Starren a utilisé la technologie Web, notamment chez Shell Solar Enery à Helmond, et nous fait part de ses expériences.

Shell Solar Energy bv, filiale du groupe Royal Dutch/Shell, fabrique des cellules solaires photovoltaïques à base de pastilles de silicium multicristallin. De 1990 à 1997, la société améliora fortement la technologie de production des modules de cellules solaires dotés d’une puissance moyenne de 80 Wp sur la base de 36 cellules solaires en silicium multicristallin. En 1997, une nouvelle infrastructure de production a été développée, sur la base de ces spécifications. La ligne de production, opérationnelle depuis le 1er septembre, comprend plusieurs stations équipées d’un chargement et déchargement automatiques. Le volume de production, réalisé par un travail en trois équipes, atteint aujourd’hui 2,5 MW par an.
Lors de l’élaboration des plans de la ligne de production, l’architecture informatique a parallèlement été repensée. La mission consistait à développer une Manufacturing Execution System, qui relierait la gestion des matières premières et la production. L’information provenant de la production devait être utilisée pour la gestion des coûts et la surveillance de la qualité. Par l’enregistrement précis des matières entrantes et sortantes, on obtient une vision précise de la consommation du stock. Starren alla jusqu’à développer un système d’enregistrement de la production, reprenant directement les données de mesure dans une base de données centrale. Les données de production peuvent être tracées car toutes les données du process sont directement reliées au produit même.

Ilots d’automatisation
Première constatation : il s’agit clairement de l’automatisation d’un processus de production discret. Le processus se divise en plusieurs étapes de production, centrées autours de plusieurs stations, avec une arrivée et une évacuation des produits. Dans une disposition classique, la gestion des matières premières (ERP) et le suivi de production sont séparés, bien que l’on dispose de suffisamment d’informations numériques de la part des deux départements. L’incompatibilité entre les deux systèmes d’information constitue le goulot d’étranglement. Seul un petit groupe de gens y ont un accès direct. Par exemple : un opérateur qui a besoin de données du laboratoire, prend le téléphone ; le département Calcul doit s’adresser aux collègues de la production pour des données de production supplémentaires. La productivité diminue alors fortement : les départements qui sont en soi fortement automatisés versent dans une grande inefficacité. Par ailleurs, la structure est parfois très rigide : le remplacement d’une partie du logiciel est non seulement cher, mais bouleverse aussi toute l’organisation. Et cela est plus difficile encore si les clients et les fournisseurs sont repris dans la structure informatique.

Le modèle : Mondriaan
Le succès d’Internet génère une multitude de nouveautés. Avec la technologie orientée objet (ou l’architecture logicielle basée sur les composants), il devient possible de remplacer des parties du logiciel sans que cela ne perturbe le système. La stratégie objet confère surtout une plus grande liberté aux développeurs de logiciels et fait aujourd’hui partie intégrante de quasi tous les nouveaux progiciels standard. En tant qu’intégrateur logiciel, Starren décida, il y a quelque temps, d’étudier les possibilités de cette stratégie. Le résultat de sa réflexion a pris aujourd’hui la forme d’un modèle, appelé Mondriaan et implémenté pour la première fois chez Shell Solar. Mondriaan représente tout d’abord un concept, comprenant plusieurs modules, rassemblés en fonction de l’application et adaptés sur mesure. Il ne s’agit donc pas d’un progiciel MES standard, comme XFactory par exemple d’USDATA ou FACTORYworks de FASTech. Le nom n’a toutefois pas été choisi arbitrairement. A l’instar des peintures de Mondriaan, le concept peut être représenté comme un mur maçonné, avec au centre une pierre angulaire, symbolisant la base de données temps réel. Ce catalyseur est alimenté de tous types de données, comme les données de production, mais aussi les résultats des ventes, les rapports des laboratoires ou les données de stock. Autour de cette base de données sont maçonnées plusieurs pierres, représentant dans le cas de l’automatisation les modules. Chaque module représente une fonction ou un ensemble de fonctions. Par exemple : stocker un document, envoyer un message ou un signal. Par cette modularité logicielle, le remplacement d’un module n’a aucune influence sur le reste du système. Par cette approche ‘one module/one function’, les modules sont très vite élaborés. Et grâce à l’indépendance de l’environnement, ils peuvent être aisément testés sur le plan qualitatif.

Conceptuel
Mondriaan représente en fait une tendance très moderne du développement de logiciels. Les objets sont, à l’écran, reliés graphiquement, le logiciel assure, à l’arrière-plan, la réalisation du flux de données. Cette approche est pure et orientée vers le futur : on peut rajouter, enlever ou adapter des objets, mais surtout, on peut les réutiliser sans devoir à chaque fois écrire un code orienté application. Le grand problème avec la technologie orientée objet s’appelle ‘standardisation’. Les programmateurs écrivent depuis des années des morceaux de logiciel ‘réutilisables’ mais en principe uniquement pour leur propre utilisation ou l’utilisation au sein de l’entreprise. Avec Java ou ActiveX par exemple, le code est uniforme. Il en va de même pour les protocoles de communication : par le succès d’Internet, TCP/IP s’érige comme standard de fait et présente ainsi l’avantage d’une ‘universalité’. On retrouve dans Mondriaan tous ces éléments conçus pour l’avenir. Encore un choix délibéré : l’utilisation de navigateurs Web comme interfaces Human Machine. Par la technique de navigateurs, directement reprise d’Internet, chaque PC est converti comme par enchantement – et à un prix tout à fait raisonnable - en station de travail de réseau avec une attribution des différents niveaux d’accès. Des pages HTML, pouvant être appelées simplement à partir de chaque PC à l’aide du navigateur, sont développées à cette fin. Pour les données statiques, comme les documents, il s’agit de simples lay-outs. Les données dynamiques sont, quant à elles, fournies par des composants Active-X, qui ne sont en fait que de petits programmes écrits en Visual Basic. Dès que nécessaire, ils sont chargés automatiquement à partir du réseau et sont ‘exception based’. En d’autres termes, ils sont uniquement chargés lorsqu’ils ne sont pas encore présents sur la station du réseau requérante ou lorsque des modifications ont eu lieu sur le serveur Web. Par exemple : le module S2NET de Mondriaan assure, en temps réel, l’affichage des données temps réel de la production sur chaque station du réseau (clients). La communication entre les différents objets prend la forme de ‘messages’ – à l’instar d’Internet -, coordonnés par un dispatcher, appelé ‘S2Coord’.

Plate-forme ouverte
Par ce type d’architecture bien connu mais dont l’application est rarement généralisée au niveau de l’entreprise, on crée une plate-forme ouverte aux nouveaux développements (et non pas liée à un certain logiciel de commande), et aux développeurs. Cette plate-forme peut être gérée de façon centrale et dispose par ailleurs d’une interface HMI intuitive. C’est précisément le choix logique de tous ces éléments qui permet l’intégration entre la commande machine, le suivi de production et l’environnement bureau. Si cette approche est habituelle dans un environnement de bureau – pensez par exemple à MS Of- fice –, on peut sans problème se relier à la production à condition que le logiciel provienne du même moule. En d’autres termes : il en résulte un Manufacturing Execution System comme interface entre une machine/installation temps réel et un système d’Enterprise Resource Planning. Comme cela a été démontré par la pratique chez Shell Solar Energy... (B.B.)