Testen zonder risico: Virtueel testen = serieus besparen

Als tijd wel heel erg letterlijk geld is - denk in de regionen van 10.000 euro en meer per dag - hoe zorg je er dan voor dat een nieuwe besturing zo snel mogelijk in gebruik gesteld kan worden? Dat er na het inbouwen zo snel mogelijk, en toch zo veilig mogelijk, geproduceerd kan worden? Door het testen van die besturing al vooraf te doen. Virtueel dan welteverstaan. Dat kan met een HIL-test. Waar HIL voor staat? Voor Hardware In the Loop.

Concreet hebben we het over een ‘machine’ bij Marin. Een scheepvaartonderzoeksinstituut waar het gedrag van schepen wordt getest met modellen in een enorm bassin. Boven dat bassin volgt een meetwagen met apparatuur de bewegingen van het model. In dit geval is de meetwagen de machine. VSE Industrial Automation heeft de nieuwe besturing ontworpen en werkt samen met Controllab Products aan het testen van het regelsysteem voor deze meetwagen. Ze doen dat met behulp van Hardware In the Loop, oftewel HIL-testen.

Live
We zijn naar Enschede getogen om live aanwezig te zijn bij het uitvoeren van de eerste testen. We wilden we graag van dichtbij meemaken hoe dat werkt. Jan van Vuuren en Leendert Uithoven van VSE zijn hier samen met Christian Kleijn en Paul Weustink van Controllab om ons er alles te vertellen. Als eerste over wat een HIL-simulatie is. “Hardware-In-the-Loopsimulatie is een techniek waarbij machinebesturingen worden getest door ze te koppelen aan een gesimuleerde machine. Het is een hele effectieve methode om besturingen te testen onder standaard condities, maar ook onder condities die je normaal gesproken alleen bij calamiteiten tegenkomt. Je kunt de grenzen van wat je test zoveel mogelijk oprekken, want gaat het mis, dan gaat er alleen een simulatie mis. In een werkelijke situatie zul je een besturing nooit testen als er een kans is dat het model crasht of dat de meetwagen schade oploopt. Met HIL-simulatie kun je de grenzen nauwkeurig onderzoeken en de besturing zo instellen dat deze de proef stopt voordat er schade optreedt. Daarmee wordt de besturing veiliger."

Geen verschil
De besturing ziet het verschil niet of er ‘echt’ of ‘nep’ wordt getest. Die reageert in de gesimuleerde testen dus precies zoals in echte testen en zo kan die besturing al voor de ‘echte’ inzet al helemaal worden geperfectioneerd. Dat levert voor die meetwagen en de inzetbaarheid daarvan, vier weken tijdwinst op - minder stilstand, en dan hebben we het dus nog niet over het feit dat er veel meer getest kan worden.
Maar niet alleen de werking van de besturing wordt getest, ook de instelling van de meetwagen wordt hiermee op de ideale situatie afgestemd. Uithoven: “Op de meetwagen staan operators. Voor hen is het van belang dat de besturing niet te strak staat ingeregeld, dat is niet comfortabel werken. Maar is de besturing te slap ingesteld, dan volgt de meetwagen het model weer onvoldoende. We kunnen nu dus vooraf al de ideale instelling zoeken. Gesimuleerde testen kunnen in korte tijd eindeloos worden herhaald met gegarandeerd identieke testomstandigheden. De echte testen moeten wel 100% identiek zijn aan de gesimuleerde testen. Daar heeft Controllab voor gezorgd.”

Natuurkunde
Weustink legt uit wat er komt kijken bij het simuleren van de ‘machine’: “We bieden hardware met realtime machinesimulatoren en diensten zoals FMEA - Failure Mode and Effect Analysis- gebaseerde HIL-testen. Zo kunnen we Marin al vooraf zekerheid geven of de besturing voldoet aan de eisen, zoals ze graag willen. We simuleren in de computer het dynamisch gedrag van het scheepsmodel, de meetwagen, de sensoren en de actuatoren. Het model rekent vijfhonderd keer per seconde en praat honderd keer per seconde realtime met de besturing. Hoe iets in een simulatie beweegt, moet natuurlijk overeenkomen met hoe iets in de werkelijkheid beweegt. Om dat goed te kunnen bepalen en programmeren, vraagt veel natuurkundige kennis. Hoe een model bijvoorbeeld reageert op stromingen en wat de karakteristieken van het model zijn, moet allemaal worden meegenomen. En daarnaast moet je ook nog menselijke factoren meenemen in je testen. Operators kunnen namelijk weleens iets heel anders doen dan jij denkt. En is de werkvolgorde die zo logisch lijkt, ook wel logisch voor iedereen? Dat zijn allemaal zaken die goed gedocumenteerd moeten worden. Waar is de test geldig en waar niet, wat zijn de gebruikte parameters. Welke specificaties zijn gebruikt.”

Waardevolle data
Het meeste leer je natuurlijk van testen als er iets fout gaat. Dus de data die je tijdens het testen krijgt als er een fout optreedt, dat is data die heel waardevol is. Uithoven: “Dan kun je gaan kijken waar en waarom iets fout ging. En wat je vervolgens met die data wilt. Moet er iets aangepast worden, zijn er regelingen die bijgesteld moeten worden, is het een onverwachte fout of juist een verwachte. En het simuleren van de werking geeft ook inzicht of de meetwagen wel kan uitvoeren wat er gedacht is. Of misschien zelfs nog wel iets meer.“

Het testen
Op een bureau staat een aantal beeldschermen en een besturingskast. Achter het bureau zitten Uithoven en Weustink, klaar om de testen uit te gaan voeren. Een van de schermen toont een 3D-simulatie van de werkelijkheid, een bassin, een meetwagen, een model en operators. Op de andere schermen staan grafieken, een besturingsinterface en data. Na het kiezen van een scenario en het drukken op een paar knoppen vindt de eerste test plaats. Zo spectaculair als een ‘echte’ test kan zijn, zo saai is een gesimuleerde test. Voor de argeloze toeschouwer dan welteverstaan. Voor de testers is iedere test natuurlijk interessant. De verzamelde gegevens worden beoordeeld en gedocumenteerd en al snel wordt een volgend scenario getest. En zo kan in korte tijd heel veel worden gedaan. In veel kortere tijd dan in de werkelijkheid. In een bassin zou je iedere keer het bassin stil moeten leggen, het model en de meetwagen terug moeten brengen naar de startpositie alvorens je een nieuwe test kunt beginnen. Om maar niet te spreken over de operators die nodig zijn en het feit dat je lang niet alles in de werkelijkheid wílt testen.

Beter voorkomen
Kleijn: “Het simuleren van situaties en het nabootsen van destructieve situaties wordt ook veel gebruikt in de vliegtuigindustrie. Denk maar aan het programma air crash investigation. Als je uit kunt zoeken waardoor een bepaalde fout is opgetreden, kun je voorkomen dat het nog een keer gebeurt. Het voordeel daarvan is voor de vliegtuigindustrie natuurlijk al lang duidelijk maar ook andere industrieën zie je hier steeds meer gebruik van maken. Je kunt ook de werking van je producten sterk verbeteren. Waar bijvoorbeeld heel veel simulaties worden gebruikt is bij de ontwikkeling van zelfrijdende auto’s.”

Waar de techniek gaat eindigen durft Van Vuuren niet te zeggen. De versnelling van een technologie gaat altijd in een onverwachte richting. Wat de toekomst brengt, blijft dus spannend. Controllab en VSE hebben elkaar gevonden in deze nieuwe testmethode. Kleijn: “We hebben onderweg heel veel kennis gedeeld en veel van elkaar geleerd. We zien beiden veel mogelijkheden voor deze simulaties. Daar waar simulaties onderdeel van het ontwerpproces worden, win je veel tijd in je hele traject en kun je bovendien je resultaat foolproof maken. Best wel prettig.”