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Steuerungssoftware automatisiert prüfen

| Autor / Redakteur: Karl Kübler und Gerhard Krebser / Reinhold Schäfer

Architektur der im Forschungsvorhaben umgesetzten Lösung, bestehend aus Testautomatisierungswerkzeug und Hardware-in-the-
Loop-Aufbau.
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Architektur der im Forschungsvorhaben umgesetzten Lösung, bestehend aus Testautomatisierungswerkzeug und Hardware-in-the-
Loop-Aufbau. (Bild: ISW)

Digitale Zwillinge werden schon jetzt verwendet, um Steuerungen vorab zu testen. Doch erst Testautomatisierungs-Werkzeuge helfen, die auch bei digitalen Zwillingen notwendigen, heute noch ausschließlich manuell ausgeführten Prüfungen zu automatisieren. Außerdem wird damit die Qualität der Tests deutlich erhöht.

Unternehmen im Maschinen- und Anlagenbau sehen sich durch die Möglichkeiten, welche die Digitalisierung und Automatisierung im Sinne von Industrie 4.0 eröffnen, mit zahlreichen Herausforderungen konfrontiert. Die Anforderungen seitens der Kunden wachsen stetig: Immer kürzere Produktions- und Umrüstzeiten, permanenter Termindruck, wachsende Variantenvielfalt – es sind viele „Nüsse“, die sie zu knacken haben.

Um diese Herausforderungen zu meistern und die Vorteile vernetzter, digitalisierter Systeme konsequent auszuschöpfen, kommen zunehmend schon vor der Inbetriebnahme digitale Zwillinge zum Einsatz. Sie ermöglichen neben einer methodischen Testplanung und -durchführung auch die frühzeitige Behebung etwaiger Softwarefehler.

Softwareanteil in Maschinen und Anlagen wächst

Testautomatisierungs-Werkzeuge (TAW) wie die des ISW und ISG helfen, die auch bei digitalen Zwillingen notwendigen, heute noch ausschließlich manuell ausgeführten Tests zu automatisieren, damit die Qualität der Tests deutlich zu erhöhen und gleichzeitig den damit verbundenen Aufwand zu reduzieren. So erreichen Maschinen- und Anlagenbauer weiterhin ihr wichtigstes Ziel: das profitable Wirtschaften trotz steigender Anforderungen.

Steuerungssoftware von Maschinen und Anlagen mittels Simulation bereits vor der Inbetriebnahme zu testen und Fehler zu korrigieren, wird zunehmend zu einem maßgeblichen Unterscheidungsmerkmal zwischen Konkurrenzunternehmen und -produkten. Nicht zuletzt aufgrund von Maschinenführern, die – dank Technologien wie Smartphones – immer offener gegenüber intuitiven Bedienkonzepten und anpassbaren Oberflächen in ihren Anlagen sind, wird die Systemarchitektur der Steuerungssoftware moderner Anlagen zunehmend komplexer und heterogener. Sie besteht häufig aus verschiedenen Kernbestandteilen: HMI (Human Machine Interface, Benutzerschnittstelle), SPS (speicherprogrammierbare Steuerung) und NC-Kern (numerischer Steuerungskern). Weil es zwischen den verschiedenen Kernbestandteilen sowie der Anlage und der Leitebene im Unternehmen unterschiedliche Schnittstellen gibt, steigt die Komplexität solcher Systeme weiter an.

Test und Inbetriebnahme von Software

Um zu überprüfen, ob eine Steuerungssoftware tatsächlich im gewünschten Sinne funktioniert, sind Tests notwendig. Der wichtigste Teil der Testaktivitäten findet heute noch vielfach erst während der Integration und Inbetriebnahme statt. Es geht dabei darum, die Interaktion der Steuerungssoftware zu bewerten. Viele Unternehmen wünschen sich jedoch, früher mit der Testphase beginnen zu können. Um das zu ermöglichen, setzen immer mehr Firmen auf die virtuelle Inbetriebnahme (VIBN). Hierzu verbinden sie die reale Steuerungshardware und -software mit einem virtuellen Modell der Anlage. In Letzterem lässt sich das Verhalten der Anlage in Echtzeit simulieren, wodurch ein sogenannter Hardware-in-the-Loop-(HiL-)Aufbau entsteht.

Damit ist es möglich, das Gesamtsystem schon deutlich früher sowohl einem Gut- als auch einem Schlechtfalltest zu unterziehen. Unabdingbare Abnahmetests an der realen Anlage beim Hersteller (Factory Acceptance Test) beziehungsweise beim Kunden (Site Acceptance Test) lassen sich damit wesentlich schneller abschließen. Während die Gutfalltests darauf abzielen, die vom Kunden gewünschte Performance und Funktionalität zu überprüfen, werden bei den Schlechtfalltests Zuverlässigkeit und Robustheit der Software getestet, indem die Reaktion der Steuerungssoftware in expliziten Gefahren- und Störsituationen überprüft wird.

Herausforderungen bei der Durchführung von VIBN-Tests

Testaktivitäten sind definitiv notwendig, jedoch stellen VIBN-Tests Unternehmen vor gewisse Herausforderungen. Prinzipiell folgen sie zumeist einem ähnlichen Schema: Ein Prüfer führt die Testschritte durch, während er anhand einer umfangreichen Checkliste sämtliche vorgegebenen Bedienhandlungen am HiL-Aufbau manuell durchführt. Er provoziert Störsituationen, indem er entsprechende Eingriffe am digitalen Zwilling vornimmt.

Das erlaubt es, die Wirkung der steuerungstechnischen Algorithmen zur Fehlererkennung und zu primären Fehlerreaktionen zu beurteilen. Doch bei der manuellen Ausführung dieser Tests können sich immer wieder Fehler einschleichen, etwa die falsche Interpretation eines Testschritts oder eine Unaufmerksamkeit des Prüfers, wenn es darum geht, die Zustände der Anlage zu beobachten. Außerdem müssen bei Änderungen an der Steuerungssoftware oder an Anlagenkomponenten häufig Bedienhandlungen komplett neu ausgeführt werden (Regressionstests) – was einen hohen Zeitaufwand verursacht. Darüber hinaus lässt es sich nicht vermeiden, dass aufgrund der Modularität und der Konfigurierbarkeit der Anlagen hohe Wiederholungsraten einzelner Tests entstehen. Nicht zuletzt ergibt sich eine weitere Komplikation: Unternehmen müssen baugleiche Anlagen mit Steuerungen verschiedener Hersteller anbieten. Dementsprechend sind vorab jegliche Kombinationen aus Anlage und Steuerung zu testen. Kontinuierliche Updates seitens des Steuerungsherstellers sorgen ebenfalls dafür, dass regelmäßige Regressionstests der gesamten Steuerungssoftware notwendig sind.

Die geeignete Lösung für Testautomatisierung

Um diese Herausforderungen meistern zu können, braucht es ein geeignetes TAW. Bei der Auswahl einer entsprechenden Lösung sollten Unternehmen verschiedene Aspekte beachten. Zunächst sollte das TAW die Definition von wiederverwendbaren Testbausteinen unterstützen. Das ist erforderlich, um die erstellten Testabläufe in verschiedenen Phasen der Entwicklung einer Anlage wiederverwenden zu können. Es ist außerdem essenziell, dass sich Testbausteine ohne Programmierkenntnisse erstellen lassen. Nur so ist sichergestellt, dass sich alle Projektbeteiligten an der Testphase beteiligen können. Dabei wäre es auch hilfreich, wenn das TAW die Testabläufe leicht verständlich darstellt und intuitiv zu bedienen ist. Das betrifft im Übrigen auch die Interaktion des TAW mit der Steuerung: Hierfür darf kein Expertenwissen hinsichtlich der Kommunikationsprotokolle oder Ähnliches notwendig sein. Weil mit dem TAW zumeist sehr komplexe Anlagen getestet werden, ist es hilfreich, wenn es parallele Abläufe, Verzweigungen und Schleifen im Testablauf zulässt.

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