Integratie van de hard- en software steeds belangrijker

Innovaties en best practices helpen bij verdere optimalisatie

Machineprestaties worden steeds vaker softwarematig bepaald, maar eigenschappen als precisie, snelheid en betrouwbaarheid komen pas écht tot hun recht wanneer mechanica, elektronica, aandrijftechniek, motion control én software in samenhang worden ontworpen. Integratie van de hard- en software dus, maar die verloopt vaak moeizaam door asynchrone ontwikkelprocessen en gebrekkige data-uitwisseling tussen hardware- en softwareteams. Gelukkig dragen innovaties en best practices bij aan de verdere optimalisatie van het integratieproces.

Integratie

Versnipperde ontwikkeltrajecten, verschillende cycli voor soft- en hardware en het ontbreken van een integrale systeemarchitectuur komen de prestaties van machines en apparatuur doorgaans niet ten goede. Het gebrek aan samenhang kan zich op diverse manieren manifesteren.

Niet-optimaal ontwerp

Systeemarchitectuur is bedoeld om subsystemen op elkaar af te stemmen, prestatie-eisen te vertalen naar mechanische, elektrische en softwarematige specificaties, interfaces te definiëren en om integratieproblemen vroegtijdig te ondervangen. Ontbreekt een dergelijke architectuur, dan worden keuzes vaak lokaal geoptimaliseerd in plaats van systeembreed.

Integratie van de hard- en software verloopt vaak moeizaam door asynchrone ontwikkelprocessen en gebrekkige data-uitwisseling tussen hardware- en softwareteams

Frictie tussen hard- en software

Software kan snel itereren; hardware nauwelijks. Doordat de hardware anders reageert dan de software verwacht – onder meer door timingverschillen, onnauwkeurige sensordata of beperkte rekenruimte − ontstaan fouten, vertragingen of instabiliteit wat weer ten koste gaat van de prestaties.

Ontbreken van synergie

Onvoldoende complementariteit kan verstrekkende gevolgen:

• signalen en functies sluiten niet op elkaar aan, waardoor precisie en timing verloren gaan;
• omdat systemen elkaar niet 'begrijpen', wordt voor afwijkingen niet gecompenseerd;
• optimalisaties blijven uit omdat elke discipline alleen binnen de eigen kaders verbeteringen aanbrengt.

Verminderde systeemprestaties

Wanneer mechanica, elektronica en software elk in gescheiden domeinen worden ontwikkeld, ontstaan suboptimale interfaces, inconsistenties en iteraties achteraf. Dit leidt vaak tot vertragingen, prestatielimieten en hogere kosten, en is een bekend probleem bij een lineair proces van ontwikkeling (serial engineering).

Begrippenkader 
- Fysieke hardwarelimieten: de maximale prestaties inherent aan de hardware zelf. Software of gebruikers kunnen die slechts in beperkte mate beïnvloeden.
- PTP (Precise Time Protocols): protocol voor het binnen een netwerk nauwkeurig synchroniseren van de klokken van apparaten, cruciaal voor gesynchroniseerde acties, datalogging en procesbesturing.
- Race conditions: situatie waarin het resultaat van een programma afhankelijk is van de toevallige timing van gelijktijdige processen of threads. Dit kan leiden tot onvoorspelbaar gedrag of fouten.
- RTOS (Real-Time Operating System): besturingssysteem voor het deterministisch plannen en uitvoeren van taken, ondersteund door zowel softwaremechanismen (timing, synchronisatie) als hardwarekeuzes.

Gescheiden trajecten

Behalve dat er bij de integratie sprake is van asynchrone ontwikkeling, zijn er tijdens het ontwikkeltraject ook nog eens verschillende teams actief. 'Team hardware' richt zich op de embedded systems, en deze worden vaak vooraf gespecificeerd wat aanpassen achteraf problematisch maakt.

'Team software' ontwikkelt de besturingslogica, de drivers en de applicaties. Hoewel dit vaak iteratief en flexibel gebeurt (zie de tabel), is en blijft een en ander afhankelijk van de hardwarespecificaties. Bovendien komen technische incompatibiliteiten als ontbrekende functies of timingproblemen doorgaans pas in de testfase aan het licht.

Knelpunten

De integratie van hard- en software is als gezegd cruciaal bij de realisatie van efficiënte en betrouwbare systemen. Hieronder de vier belangrijkste problemen die zich daarbij voordoen.

• Probleem 1, (ontbrekende) compatibiliteit van hard- en software: de software kan bepaalde hardwarecomponenten, bijvoorbeeld verouderde drivers of incompatibele besturingssystemen, niet herkennen of optimaal gebruiken.
• Probleem 2, hardwarebeperkingen: voorbeelden van hardwarebeperkingen − onvoldoende geheugen, CPU-kracht of netwerkcapaciteit − maken dat de software niet optimaal kan functioneren, en veroorzaken daardoor prestatieproblemen.
• Probleem 3, correcte timing en synchronisatie: bij realtimesystemen of complexe integraties kan de software niet goed synchroniseren met de hardware wat leidt tot vertragingen en/of fouten.
• Probleem 4, complexiteit van integratie: integratie vereist vaak veel coördinatie tussen verschillende teams, componenten en leveranciers, en bij gebrek daaraan ontstaan misverstanden en vaak ook fouten.

Oplossingen

Er wordt naarstig gezocht naar manieren om het proces van integratie te verbeteren en vergemakkelijken. Een bloemlezing.

Agile-methodieken voor embedded systemen

Dergelijke systemen leggen de nadruk op zaken als iteratieve ontwikkeling, vroege en frequente integratie, doorlopend testen en crossfunctionele samenwerking tussen hard- en softwareteams. Op die manier wordt integratie versimpeld, eerder uitgevoerd en is deze minder risicovol (probleem 4). Daarnaast verminderen agile-methodieken probleem 1, zij het deels: fundamentele incompatibiliteit blijft een technisch probleem dat is op te lossen met onder meer adapters, converters en/of standaardisatie.

Model-based design (MBD)

MBD maakt het mogelijk functies platformonafhankelijk te modelleren en automatisch code te genereren, waardoor compatibiliteitsproblemen tussen software en hardware afnemen (probleem 1). Het grootste voordeel van MBD is de combinatie van automatische codegeneratie, hiërarchische systeemopbouw, duidelijk gespecificeerde interfaces en iteratief simuleren en testen, waarmee meerdere problemen tegelijk worden aangepakt (probleem 1, 3 en 4).

Bovendien helpen simulaties en time-based modellen timing- en synchronisatieproblemen al in de ontwerpfase zichtbaar te maken. Door één geïntegreerd model te gebruiken voor meerdere subsystemen kunnen ontwerpers en ontwikkelaars het systeem als geheel simuleren en testen (probleem 4).

Hard-/software co-design en simultane ontwikkeling

Deze aanpak biedt oplossingen voor de problemen 1, 2 en 3. Voor probleem 1 omdat co-design ervoor zorgt dat beide parallel evolueren en dus compatibel zijn. Voor probleem 2 omdat hard- en software dusdanig worden afgestemd dat de fysieke limieten van hardware optimaal benut dan wel gecompenseerd worden. Voor probleem 3 omdat timing- en synchronisatieproblemen vroegtijdig kunnen worden onderkend en opgelost doordat dat de validatie van hard- en software gelijktijdig plaatsvindt.

De systeemintegrator vormt de spil tussen alle afzonderlijke componenten, leveranciers en technische domeinen

Vaak wordt daarbij gebruikgemaakt van realtimebesturingssystemen (RTOS) en van hardware- en softwarebuffers om timingverschillen op te vangen (hardwarebuffers zitten in apparaten, softwarebuffers in het RAM). Ook precise time protocols (PTP), interrupts en gestandaardiseerde interfaces en protocollen als USB of PCIe kunnen onderdeel zijn van de oplossing.

Virtual prototypes/simulaties

Dergelijke modellen maken het mogelijk de software vroegtijdig te testen op een virtuele weergave van de hardware, nog vóórdat deze fysiek beschikbaar is (probleem 1). Ook kunnen ze onbeperkte logging, debugging of instrumentatie simuleren wat op de echte hardware doorgaans niet mogelijk is (probleem 2). Verder kunnen verschillende architecturen worden gesimuleerd, en maken de modellen simulaties mogelijk om timinggedrag nauwkeurig te analyseren en race conditions en synchronisatieproblemen te detecteren (probleem 3).

Voor probleem 4 bieden de modellen slechts een deeloplossing. De subsystemen kunnen weliswaar afzonderlijk worden getest, maar de fundamentele complexiteit van integratie blijft, zeker wanneer veel componenten alsnog fysiek gekoppeld dienen te worden.

Virtuele commissioning

Bij virtual commissioning oftewel virtuele inbedrijfstelling wordt een automatiseringssysteem eerst aan een digitale test onderworpen. Doorgaans is daarbij sprake van een combinatie van een 3D-simulatie (een digital twin) en de echte PLC-software, robotprogramma’s en besturingslogica. Door hard- en software in een veilige virtuele omgeving te testen, kunnen compatibiliteitsproblemen vroegtijdig worden opgespoord en opgelost (probleem 1).

Doordat het realtimegedrag van de hardware wordt gestimuleerd, kunnen de communicatie en sequenties van software worden getest en wordt de synchronisatie tussen meerdere componenten inzichtelijk gemaakt (probleem 3). Hardwarebeperkingen (probleem 4) lost virtuele commissioning helaas niet op, maar het maakt deze wel sneller zichtbaar.

Systeemintegrator

In dit 'spel' van problemen en oplossingen is de rol van de systeemintegrator onmiskenbaar. Hij/zij is verantwoordelijk voor het koppelen van de verschillende hardware- en softwarecomponenten tot een functioneel en efficiënt geheel, wat zowel technische als projectmanagementvaardigheden vereist. Het takenpakket varieert van analyse en ontwerp tot integratie en implementatie, en van kwaliteitsborging tot project- en risicomanagement:

• selectie van compatibele componenten en zorgen voor hun onderlinge samenwerking;
• ontwerp van een geïntegreerd systeem dat voldoet aan de functionele en operationele eisen van de organisatie;
• het waar nodig schrijven van middleware of interfaces (zie de tabel) teneinde onderlinge systeemcommunicatie mogelijk te maken;
• het uitvoeren van een testprogramma om te controleren of alle componenten als beoogd samenwerken;
• het identificeren en oplossen van bugs, compatibiliteitsissues en/of prestatieproblemen;
• afstemming betrokkenen, waaronder hardwareleveranciers, softwareontwikkelaars en IT-afdelingen;
• risicobeheersing ten aanzien van uitvaltijd, incompatibiliteit en/of beveiligingsproblemen.

Kortom, de systeemintegrator vormt de spil tussen alle afzonderlijke componenten, leveranciers en technische domeinen, en daarmee de sleutel tot succes als het gaat om de integratie van hard- en software.

CRA, NIS2 en buscommunicatie
Motion control evolueert van een puur elektrotechnisch vakgebied naar een geïntegreerd cyber-fysiek platform voor monitoring, besturing en fysieke procesoptimalisatie. Hierbij zijn onder meer van belang:
- Cyber Resilience Act (CRA): verplicht fabrikanten en integratoren cybersecurity structureel te verankeren in zowel hardware als software gedurende de volledige levenscyclus (security-by-design in geïntegreerde systemen).
- Network and Information Security Directive 2 (NIS2): richt zich op de operationele weerbaarheid van kritieke en essentiële organisaties, inclusief hun digitale toeleveringsketen.
- Buscommunicatie: de verbindende laag tussen hardwarecomponenten en softwarelogica (onder meer EtherCAT, Ethernet IP en Profinet). Deze kritische systeemfunctie is direct van invloed op zaken als veiligheid, compliance en performance.

Met medewerking van Lenze