05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Adaptive Internetanbindung von Feldbussystemen(2005) Eberle, Stephan; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Feldbusse sind spezialisierte Netzwerke, um automatisierungstechnische Geräte wie Sensoren, Aktoren und Steuerungen miteinander zu verbinden. In der letzten Zeit wird immer mehr nach Möglichkeiten gesucht, um mit Hilfe des Internets von entfernten Orten aus an Informationen zu gelangen, die in feldbusvernetzten Systemen verarbeitet werden. Die Verfügbarkeit dieser Informationen verleihen Teleservices, wie z.B. der Ferndiagnose, oder der vertikalen Integration automatisierungstechnischer Anlagen mit kaufmännischen Geschäftsbereichen von Unternehmen einen enormen Auftrieb und versprechen Effizienzsteigerungen und Kosteneinsparungen beträchtlichen Ausmaßes. Nichtsdestotrotz erweist sich die fehlende Interoperabilität zwischen Feldbussystemen und darauf zugreifenden Softwarewerkzeugen und -anwendungen nach wie vor als schwer überwindbares Hindernis. Dass zur Beseitigung dieser Schwierigkeiten standardisierte Anwendungsschnittstellen und Datenaustauschformate notwendig sind, darüber ist man sich weitgehend einig. Die Meinungen über deren Gestaltung liegen jedoch weit auseinander und trotz zahlloser Anstrengungen ist keine Einigung absehbar. Mit der adaptiven Internetanbindung von Feldbussystemen wird die Frage der Interoperabilität von Feldbussystemen und -werkzeugen aus einer völlig neuen Richtung angegangen. Nicht der Anwender soll gezwungen sein, sich nach den Begebenheiten des Feldbussystems zu richten. Stattdessen soll die Technik, sprich das Feldbussystem, in die Lage versetzt werden, sich in flexibler Weise an die jeweilige Werkzeuginfrastruktur des Anwenders anzupassen. Die Verwirklichung dieser Idee erfolgt mit Hilfe von Transformationsvorschriften, die an einem bekannten Ort im Internet bereitgestellt werden. Sobald ein Feldbuswerkzeug und -system miteinander in Verbindung treten, werden die zwischen ihnen ausgetauschten Nachrichten mit Hilfe der passenden Transformationsvorschrift übersetzt, sodass sie von der jeweiligen Gegenseite verstanden und ordnungsgemäß verarbeitet werden können. Auf diese Weise kann die Interoperabilität von Feldbussystemen und -werkzeugen erstmals auch dann hergestellt werden, wenn keine einheitliche Form des Informationsaustausches vereinbart werden kann und beide Seiten im herkömmlichen Sinne inkompatibel sind.Item Open Access Agent-based dynamic scheduling for flexible manufacturing systems(2011) Badr, Iman; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)The need to react to fluctuations and versatility in market demand and face competition threats has led to the increasing trend to produce a wide variety of product types in small batches. The advent of advanced technology like computerized numerically controlled (CNC) machines and automatic guided vehicles has enabled the realization of flexible manufacturing systems (FMSs). FMSs aim at bringing the efficiency of mass production to small-to-medium sized batch production with high product diversity. This objective calls for scheduling approaches that optimize the utilization of the applied technology and at the same time react to the environmental dynamics flexibly. Conventional scheduling approaches fail to provide a mechanism for reacting to the dynamics of FMSs in a timely and efficient manner. Approaches that cater for optimality by a thorough investigation of available schedule alternatives always fail to exhibit real-time reactivity due to the high complexity of the problem. In this research work, an agent-based concept for the flexible and efficient FMS scheduling is proposed. The inherent complexity of the FMS scheduling problem is tackled by decomposing it into autonomous agents. These agents are organized in a hetrarchical multi-layered architecture that builds on the flexibility of FMSs. Every involved agent applies search heuristics to optimize its assigned task out of its local perspective. Through the interactions among the concerned agents along the different levels of abstraction, the schedule is optimized from the global perspective in reasonable time. Different scheduling modes are supported to account for the different managerial decisions and the different environmental conditions. The generated schedule is adapted to disturbing events such as machine breakdowns based on a schedule repair method that caters for automating the reaction to disturbances efficiently in real-time. In addition, structural changes of FMSs, including the addition of new resources, are incorporated dynamically into the proposed scheduling, which guarantees long-term flexibility.Item Open Access Anwendungsentwicklung mit Komponenten-Frameworks in der Automatisierungstechnik(2002) Dujmovic, Stjepan; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Software spielt bereits heute eine wesentliche Rolle bei der Automatisierung von Anlagen und Produkten. Die zunehmende Komplexität der Automatisierungssoftware in Kombination mit steigenden funktionalen und qualitativen Anforderungen machen es notwendig, nach geeigneten Konzepten für die Wiederverwendung von Software in der Automatisierungstechnik zu suchen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren für die Wiederverwendung von Software in der Automatisierungstechnik vorgestellt, welches sowohl die Wiederverwendung von Implementierungscode als auch von domänenspezifischen Architekturen ermöglicht. Das Verfahren basiert auf der Framework-Technologie, die bezüglich der Benutzungsfreundlichkeit, der Werkzeugunterstützung und der Anwendbarkeit in der industriellen Automatisierungs-technik um wesentliche Aspekte erweitert wird. Für die Spezifikation von invariablen und variablen Framework-Elementen wird eine neue, XML-basierte Beschreibungssprache eingeführt, welche die formalisierte Dokumentation von Framework-Informationen ermöglicht. Für die Unterstützung des Entwicklers bei der frameworkbasierten Anwendungsentwicklung wird eine neues Werkzeug konzipiert und realisiert, welches den Entwickler schrittweise durch den Prozess der Anwendungsentwicklung bis hin zur lauffähigen Anwendung führt. Mit Hilfe der Beschreibungssprache für Frameworks und dem Werkzeug für die frameworkbasierte Anwendungsentwicklung wird ein effizienter Entwicklungsprozess verwirklicht, der die Bedürfnisse des Anwendungsentwicklers in besonderem Maße berücksichtigt. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Erstellung von individueller Automatisierungs-software, ohne dazu weitreichende Programmierkenntnisse vorauszusetzen. Dadurch wird die Anwendungsentwicklung auch für Personengruppen zugänglich, die über detaillierte Kenntnisse des Anwendungsbereichs verfügen, ohne gleichzeitig Programmierexperten zu sein. Weiterhin kann das Verfahren zusammen mit bestehenden Komponentenmodellen eingesetzt werden, wodurch die Integration in bestehende Entwicklungsprozesse deutlich vereinfacht wird. Auf diese Weise wird ein effizienter Entwicklungsprozess definiert, der die funktionalen und qualitativen Herausforderungen zukünftiger Automatisierungssoftware bewältigen kann.Item Open Access Constraintbasierte Testdatenermittlung für Automatisierungssoftware auf Grundlage von Signalflussplänen(2008) Linder, Paul; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Die zunehmende Komplexität von Automatisierungssoftware führt zu einem wachsenden Testaufwand, welcher mittlerweile einen beträchtlichen Anteil der Gesamtentwicklungskosten technischer Systeme ausmachen kann. Benötigt wird ein effizientes Testvorgehen, welches die Gründlichkeit der Softwareprüfung nicht beeinträchtigt. Hierbei spielt die effiziente Ermittlung qualitativ hochwertiger Testdaten, die eine zügige Aufdeckung aller wesentlichen Softwarefehler erlauben, eine wichtige Rolle. Modellbasierte Testverfahren gewinnen dabei aufgrund ihrer präzisen Systematik zunehmend an Bedeutung. Wegen der zeitabhängigen und häufig hybriden, d. h. diskret-kontinuierlichen Dynamik von Prozessautomatisierungssystemen erfordert die modellbasierte Ermittlung von zeitabhängigen Testdaten für Automatisierungssoftware im Allgemeinen die Auswertung hybrider funktionaler Modelle. Dies stellt eine Herausforderung dar, welche bis heute nicht zufriedenstellend gelöst wurde. Zur effizienten modellbasierten Ermittlung qualitativ hochwertiger zeitabhängiger Testdaten für Automatisierungssoftware wurden in dieser Arbeit neue Wege beschritten und ein innovatives Verfahren auf Grundlage hybrider, diskret-kontinuierlicher Signalflusspläne erarbeitet. Signalflusspläne sind eine in der industriellen Praxis eingeführte und verbreitete Beschreibungsform zur mathematisch präzisen Modellbildung dynamischer diskret-kontinuierlicher Automatisierungsanwendungen. Das Verfahren beruht auf zwei orthogonalen Grundkonzepten, nämlich der constraintbasierten Spezifikation und Berechnung von Testdaten mittels numerischer Methoden sowie der systematischen Formulierung des hierzu erforderlichen Constraint-Problems mithilfe eines analytischen mutationsbasierten Formalismus. Der constraintbasierte Formalismus ermöglicht die effiziente Ermittlung von Testdaten einer gleichbleibenden, definierten Qualität auf Grundlage eines gegebenen Signalflussplans als Testbasis. Der mutationsbasierte Formalismus sorgt für die erforderliche aussagekräftige Semantik des Constraint-Problems zur Erzielung aussagekräftiger, qualitativ hochwertiger Testdaten. Das Verfahren lässt sich im Rahmen einer modellgetriebenen Entwicklung von Automatisierungssoftware zur Ermittlung von Testdaten sowohl zum Testen eines ausführbaren Systemmodells der geforderten Automatisierungsfunktionalität gegenüber den Anforderungen als auch zum Testen einer Implementierung gegenüber dem Systemmodell einsetzen. Dabei lassen sich zwei Szenarien unterscheiden, nämlich die modellbasierte Synthese bzw. Generierung neuer Testdaten sowie die modellbasierte Analyse der Testüberdeckung bzw. Qualität gegebener Testdaten. Die mathematische Fundierung des Verfahrens eröffnet eine weitreichende Automatisierung dieser Szenarien im Sinne einer effizienten und praxisgerechten Testdatenermittlung. Hierzu wurde ein entsprechendes Softwarewerkzeug entwickelt. Das Verfahren wurde am Beispiel eines Kfz-Karosserieelektroniksystems evaluiert.Item Open Access Effizienter Schutz der IT-Sicherheit auf der Feldebene von Automatisierungssystemen(2010) Gutbrodt, Felix; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Die zunehmende Verwendung von vernetzten Rechnern auf der Feldebene von Automatisierungssystemen bedingt Schwachstellen in Bezug auf die IT-Sicherheit der Feldebene. Die Feldebene dient zur Anbindung eines Automatisierungssystems an den technischen Prozess, der in einem technischen System abläuft. Aufgrund dieser Aufgabe sind das technische System und die Feldebene eng miteinander gekoppelt und häufig örtlich weiträumig verteilt oder öffentlich zugänglich. Dadurch können unautorisierte Personen einen physischen Zugriff auf die Feldebene erlangen und Angriffe auf die IT-Sicherheit der Feldebene ausführen. Derartige Angriffe umfassen beispielsweise die Störung von Kommunikationsvorgängen oder die Veränderung von in Software realisierten Funktionen. Insbesondere ist es auch möglich, Funktionen zur Verhinderung gefährlicher Situationen, wie z. B. Notabschaltungen, zu manipulieren. Durch solche Manipulationen können Fehlfunktionen des Automatisierungssystems und somit auch des geführten technischen Prozesses absichtlich herbeigeführt werden. Derartige Fehlfunktionen bedrohen die technische Sicherheit, die Zuverlässigkeit sowie die Verfügbarkeit von Automatisierungssystemen und unterminieren dadurch die Eigenschaften, die erforderlich sind, um volles Vertrauen in die Funktion eines Automatisierungssystems setzen zu können. Aus diesem Grund ist der Schutz der IT-Sicherheit auf der Feldebene zwingend erforderlich. Wegen der Exponiertheit und der räumlichen Ausdehnung der Feldebene von Automatisierungssystemen können Angriffe auf die IT-Sicherheit der Feldebene in vielen Fällen nicht verhindert werden. Stattdessen muss die Feldebene selbst so abgesichert werden, dass Angriffe auf die IT-Sicherheit der Feldebene keine Fehlfunktionen hervorrufen. Aufgrund von wirtschaftlichen Randbedingungen darf diese Absicherung keine oder nur geringe Kosten verursachen und sie muss wirksam sein gegen die umfangreichen Möglichkeiten der Manipulation, die einem zielgerichtet agierenden Angreifer zur Verfügung stehen. Das im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelte Konzept des effizienten Schutzes der IT-Sicherheit auf der Feldebene adaptiert daher bewährte informationstechnische Funktionsprinzipien der IT-Sicherheit so, dass diese in Form von Software-Schutzmechanismen innerhalb von typischen Systemelementen der Feldebene ausgeführt werden können. Dies wird durch eine Softwarearchitektur erreicht, welche eine variable Zusammenstellung und eine Mehrfachverwendung der Schutzmechanismen ermöglicht. Dadurch kann der Schutz so an die vorliegenden Gefährdungen angepasst werden, dass ausschließlich der minimal benötigte Schutzumfang und die minimal benötigte Stärke dieses Schutzes eingesetzt werden müssen, womit ein sehr geringer Ressourcenverbrauch erreicht wird. Das Konzept ist zudem so ausgelegt, dass es Echtzeitanforderungen erfüllt und an unterschiedliche Technologien angepasst werden kann.Item Open Access Entwicklung hybrider Komponentenmodelle zur Prozessüberwachung komplexer dynamischer Systeme(2004) Manz, Susanne; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Für die Automatisierung kontinuierlich-diskreter technischer Prozesse ist neben der Realisierung der Steuerungs- und Regelungsfunktionen auch die automatische Überwachung des bestimmungsgemäßen Betriebs von großer Bedeutung. In ingenieurtechnischen Anwendungen werden zur Prozessüberwachung und Diagnose häufig modellbasierte Lösungen mit dem Ziel betrachtet, eine möglichst genaue Beschreibung der betreffenden technischen Anlage zu erhalten. Jedoch ist besonders für komplexe dynamische Systeme das Aufstellen und Betreiben eines mathematischen Modells zur Online-Überwachung mit vielen Schwierigkeiten verbunden. Aufgrund dieser Schwierigkeiten bieten sich für komplexe Systeme qualitative Modellierungsverfahren an. Bei diesen Verfahren müssen die inneren physikalischen Zusammenhänge nicht genau wiedergegeben werden, sondern die Modelle enthalten nur Situationen, in denen etwas „passiert“. Das qualitative Modell muss solche Situationen voneinander unterscheiden können. Eine Möglichkeit, diese Schwierigkeiten in den Griff zu bekommen, ist die Kombination von qualitativen und kontinuierlichen, so genannten hybriden Modellen. Im Rahmen des Forschungsthemas „Entwicklung hybrider Komponentenmodelle zur Prozessüberwachung komplexer dynamischer Systeme“ wurde das SQMD-Verfahren (Situation based Qualitative Monitoring and Diagnosis) entwickelt. Das Verfahren zeichnet sich durch eine einfache, streng komponentenorientierte Modellierung aus. Komponenten ohne Speicherwirkung des technischen Prozesses werden nur qualitativ modelliert. In diesem Fall ordnet der Modellierer jeder physikalischen Größe verschiedene Wertebereiche zu, die das ordnungsgemäße und das fehlerhafte Verhalten dieser Komponente qualitativ beschreiben. Die dynamische Beschreibung erfolgt nur für Komponenten mit Speicherwirkung und wird für die Abbildung des dynamischen Systemverhaltens im qualitativen Modell benötigt. Im Rahmen der Online-Überwachung werden innerhalb eines bestimmten Zeitfensters alle Komponenten miteinander verknüpft und der Zustandsraum reduziert. Dies erfolgt auf Basis der hybriden Komponentenmodelle, der Systemstruktur und der vom technischen Prozess eingehenden Sensor- und Aktordaten. Der reduzierte Zustandsraum kann auf eventuelles Fehlverhalten des technischen Prozesses untersucht werden. Die Durchführbarkeit des Konzepts wird am Modellprozess Drei-Tank-System demonstriert. Anschließend findet die Übertragung auf ein reales System, die Überwachung der aero- und gasdynamischen Prozesse im Kohlebergwerk, statt.Item Open Access Entwicklung und Analyse zeitgesteuerter Systeme(2002) Ringler, Thomas Karl; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Zeitgesteuerte Architekturen versprechen aufgrund ihrer deterministischen Eigenschaften die Anforderungen zukünftiger By-Wire-Systeme in Automobilen zu erfüllen. Im Vergleich zu herkömmlichen ereignisgesteuerten Architekturen benötigen sie jedoch einen erheblich höheren Entwicklungsaufwand und erfordern deshalb neue Verfahren und Werkzeugkonzepte. In der vorliegenden Arbeit wird ein Verfahren zur Entwicklung und Analyse zeitgesteuerter Systeme erarbeitet. Aktivitäten zur Entwicklung zeitgesteuerter Systeme werden identifiziert und in den etablierten Entwicklungsprozess der Automobilindustrie eingegliedert. In den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses erfolgt die Planung des zeitlichen Ablaufs im verteilten System. In den späten Phasen wird durch die Zeitanalyse nachgewiesen, dass die implementierten Programme geplante Zeitbedingungen stets einhalten. Die Bestimmung der maximalen Ausführungszeit von Programmen durch die Worst-Case-Execution-Time-Analyse (WCET-Analyse) ist hierfür die Grundlage und bildet den Schwerpunkt der Arbeit. Dem aktuellen Trend in der Automobilindustrie Software modellbasiert zu erstellen wird Rechnung getragen, indem ein Konzept der modellbasierten WCET-Analyse entwickelt wird. Die Analyse der erstellten Modelle wird dadurch ohne die Angabe zusätzlicher Informationen durch den Anwender möglich. Dazu werden aus den Modellen heraus Informationen über das Ausführungsverhalten des Codes gewonnen. Die Übertragbarkeit des Konzepts wird aufgezeigt, indem es bei den zwei unterschiedlichen Software-Entwicklungswerkzeugen ViPER und MATLAB/Simulink/Stateflow angewandt wird. Zum praktischen Nachweis des erstellten Konzepts wird eine Werkzeugumgebung entwickelt. Anhand eines Steer-by-Wire-Fallbeispiels wird die Anwendbarkeit des Konzepts aufgezeigt. Durch die grafische Spezifikation des zeitlichen Ablaufs wird die Entwicklung verteilter regelungstechnischer Anwendungen unterstützt. Die integrierte WCET-Analyse für den in der Automobilindustrie weit verbreiteten Siemens 80C167 Mikrocontroller erfolgt voll automatisiert und bietet dem Anwender wichtige Informationen für den modellbasierten Softwareentwurf.Item Open Access Evolutionäres Domain-Engineering zur Entwicklung von Automatisierungssystemen(2007) Jost, Pascal; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Die Mehrfachverwendung von Software gewinnt in der Prozessautomatisierung zunehmend an Bedeutung. Besonders kleine und mittelständische Unternehmen (KMU) sehen die Mehrfachverwendung als Möglichkeit, dem wachsenden Zeit- und Kostendruck zu begegnen. Der Mangel an existierender mehrfach verwendbarer Software, die sich für den Einsatz in Prozessautomatisierungssystemen eignet, zwingt die Unternehmen dazu, solche Software selbst zu entwickeln. Die heute verfügbaren Domain-Engineering-Methoden zur Unterstützung der Entwicklung von Software für die Mehrfachverwendung sind für allgemeine Softwaresysteme ausgelegt und für den Einsatz in Großunternehmen optimiert. Kleine und mittelständische Unternehmen, die Automatisierungssysteme erstellen, benötigen Domain-Engineering-Methoden, die auf ihre finanziellen und personellen Möglichkeiten angepasst sind und die spezifischen Merkmale von Automatisierungssystemen berücksichtigen. In der vorliegenden Arbeit wird ein Konzept zur iterativen Entwicklung mehrfach verwendbarer Softwarekomponenten und einer domänenspezifischen Softwarearchitektur für Automatisierungssysteme vorgestellt, das auf dem Evolutionsprinzip basiert. Das Konzept erlaubt die zeitliche Verteilung des Entwicklungsaufwandes durch das iterative Vorgehen. In den einzelnen Iterationsschritten werden Softwarekomponenten separat entwickelt. Dazu unterstützt das Konzept die frühe Zerlegung der Domäne in Sub-Domänen, aus denen die Softwarekomponenten entstehen, sowie die Integration der Softwarekomponenten zu einer domänenspezifischen Softwarearchitektur. Die Entwicklung erfolgt nach dem Vorbild von Domain-Engineering-Methoden. Bei der Entwicklung von Automatisierungssystemen sind insbesondere die Vorgänge im zu automatisierenden technischen Prozess sowie die Einrichtungen, die zur Automatisierung notwendig sind, zu berücksichtigen. Um die relevanten Unterschiede und Gemeinsamkeiten von Automatisierungssystemen beim Domain-Engineering berücksichtigen zu können, wird ein Fragenkatalog eingesetzt. Er unterstützt bei der Analyse der Automatisierungsaufgaben und der zur Automatisierung eingesetzten Einrichtungen. Das Konzept wird in einer Methodik umgesetzt, welche die Anwender mit definierten Aktivitäten und Produkten bei der evolutionären Entwicklung mehrfach verwendbarer Software unterstützt. Die Methodik führt zu einer zeitlichen Verteilung des Entwicklungsaufwandes sowie zu einer frühen Nutzung von Teilergebnissen. Damit erfüllt sie die Grundvoraussetzung für den Einsatz in KMU. Insbesondere bei der Analyse werden Automatisierungsaufgaben und Einrichtungen zur Automatisierung berücksichtigt. Dadurch wird die Berücksichtigung der für Automatisierungssysteme relevanten Informationen bei der Entwicklung der mehrfach verwendbaren Software unterstützt.Item Open Access Flexible web-based management of components for industrial automation(2002) Lucena, Vicente Ferreira de; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)The development of applications based on elementary components is one of the oldest known engineering approaches. Such a procedure is well practiced, for example, in the hardware electronics industry and has been applied more and more in other domains. In the last years software components have been adopted as a meaningful solution for the construction of larger software applications improving the development productivity and improving the quality of the final products. But the more components that are available the more difficult is the proper management of those components and consequently more difficult is the proper choice of the most suitable one for solving a specific task. This thesis deals with this problem and proposes a systematic way of managing components. How to store components properly is investigated and later on how to find, understand and decide about the reuse of the most appropriate component. This thesis was centered in the industrial automation domain and a study of the most relevant characteristics of that domain was done. There is no common standardized model available for representing software components used in the industrial automation domain mainly because of the great amount of quite different component technologies being used in that domain. In fact, it is not possible to summarize all of them in only one model. The problem faced was to propose a way of constructing a repository able to deal with those technologies together and be able to represent the technical details of each one of them properly. The proposed solution involves a flexible representation for the components that consists of two parts, the first one with the common information for every component technology involved, and the second one where the specificity of each component technology is summarized. Additionally, through the systematic management process proposed, recently developed components are published before being used, and component users are conducted during the search for desired components. A prototypic tool for the management of components was constructed using technologies associated with the Internet. The necessary flexibility of the component management system was obtained through the representation of the specificity of each component technology with the eXtended Markup Language (XML) and associated technologies. In the example presented, different component technologies like JavaBeans and ViPER are successfully managed together.Item Open Access Ganzheitliche modellbasierte Sicherheitsanalyse von Prozessautomatisierungssystemen(2003) Biegert, Uwe; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Der Betrieb von Prozessautomatisierungssystemen ist immer mit einem gewissen Risiko verbunden. Ein Prozessautomatisierungssystem gilt dann als sicher, wenn das vorhandene Risiko zu keiner Zeit ein so genanntes Grenzrisiko überschreitet. Wird das Grenzrisiko überschritten, so droht Menschen und Umwelt unmittelbar ein Schaden. Mit Hilfe von Sicherheitsanalysen kann das vorhandene Risiko untersucht und abgeschätzt werden. Klassische Sicherheitsanalysen betrachten in der Regel nur einzelne Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems, welches aber im Allgemeinen aus drei verschiedenen Bestandteilen besteht: dem technischen System, dem Rechnersystem und dem Bedienpersonal. Was passiert aber, falls im technischen System ein Bauelement ausfällt, die Automatisierungssoftware Fehler enthält und zur gleichen Zeit das Bedienpersonal falsche Bedieneingriffe ausführt? Solche Fragen können mit klassischen Sicherheitsanalysen nur unzureichend beantwortet werden. Hinzu kommt, dass bei den meisten klassischen Sicherheitsanalysen die eigentliche Analyse des Systems in Form von Brainstorming-Prozessen durchgeführt wird. Dabei kann der Mensch niemals alle möglichen Kombinationen des Zusammenspiels zwischen den Bestandteilen überblicken und bewerten. In der vorliegenden Arbeit wird ein modellbasierter Ansatz zur Durchführung einer ganzheitlichen Sicherheitsanalyse vorgestellt, welche alle Bestandteile eines Prozessautomatisierungssystems berücksichtigt. Die Ausführung erfolgt rechnergestützt. Auf Grund der Komplexität von Prozessautomatisierungssystemen wird eine qualitative komponentenorientierte Modellierungsmethode gewählt. Die Systemgrößen werden durch qualitative Intervallvariablen beschrieben, wobei die definierten Intervallbereiche zusätzlich durch qualitative Ausdrücke kommentiert werden. Durch Kombination von Intervallbereichen entstehen kommentierte Situationen, die das Verhalten wiedergeben. Dabei wird sowohl der bestimmungsgemäße als auch der fehlerhafte Betrieb berücksichtigt. Anhand der Systemstruktur werden die Modelle der Bestandteile miteinander kombiniert, um alle möglichen Situationen des gesamten Prozessautomatisierungssystems zu erhalten. Anschließend werden die ermittelten sicherheitskritischen Situationen des Prozessautomatisierungssystems bewertet und es wird entschieden, ob Sicherheitsmaßnahmen notwendig sind. Durch das rechnergestützte Vorgehen lassen sich im Unterschied zu klassischen Methoden beliebig viele Fehlerkombinationen analysieren und damit Sicherheitslücken im Prozessautomatisierungssystem ermitteln. Das komplexe Zusammenspiel der Bestandteile wird mit Hilfe des qualitativen Modells transparent und analysierbar. Das Modell ist auf Grund seines qualitativen Charakters einfach anzuwenden und die Ergebnisse können leicht interpretiert werden.Item Open Access Internetbasierte Datenintegration für Automatisierungssysteme(2006) Strobel, Thorsten; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Hersteller von Automatisierungssystemen suchen zunehmend nach neuen Möglichkeiten über den reinen Verkauf der Automatisierungssysteme hinaus Services anzubieten. Solches lässt sich durch Dienstleistungen erreichen, die rund um das verkaufte Automatisierungssystem angeboten werden und die es einem Automatisierungssystemhersteller ermöglichen, sich von seinen Konkurrenten abzuheben. Eine solche Dienstleistung ist das Anbieten von Daten aus dem Umfeld des Automatisierungssystems. Diese Daten können aus der Entwicklung oder dem Betrieb des Systems stammen und dem Kunden den Umgang mit dem Automatisierungssystem erleichtern. Die vorliegende Arbeit stellt ein Konzept für eine Plattform zur internetbasierten Datenintegration für Automatisierungssysteme vor. Die Datenintegrationsplattform für Automatisierungssysteme (DIPAS) realisiert einen einheitlichen Zugriff auf heterogene Datenbestände. Neben verschiedenen Arten von Datenbanksystemen werden auch Automatisierungssysteme als Datenbestände betrachtet. Die zu integrierenden Datenbestände können über das Internet hinweg verteilt sein. Aus der Integration gewonnene Daten sind ohne zusätzlichen Aufwand auf verschiedenartigen Ausgabegeräten darstellbar und auch veränderbar. Das Konzept beruht auf der konsequenten Verwendung von XML-basierten Standards. So kommen zur Kommunikation zwischen den einzelnen Bestandteilen der Plattform Web Services zum Einsatz. Sie ermöglichen die Verteilung der Datenbestände im Internet. Über die Web Service Schnittstellen wird festgelegt, welche Daten aus den einzelnen Datenbeständen für die Integration zur Verfügung stehen. Die vielfältigen Unterschiede zwischen den Datenbeständen werden durch Wrapper gekapselt. Durch die Verwendung generischer Wrapper reduziert sich der Realisierungsaufwand für die Integrationsplattform. Generische Wrapper werden für die Art eines bestimmten Datenbestands konfiguriert und anschließend für die Datenstruktur des Datenbestands parametriert. Auf die Wrapper baut ein Föderierungsdienst auf, der für die logische Verbindung der Daten sorgt. Dadurch ergibt sich für Anwendungen, die auf die Integrationsplattform DIPAS aufsetzen, der Eindruck, nur mit einem einzigen Datenbestand zu arbeiten. Die Informationen über die logische Verbindung der Datenbestände werden in einer XML-basierten Metadatenverwaltung gespeichert.Item Open Access Komponentenbasierte Softwareentwicklung für sicherheitskritische eingebettete Systeme(2003) Gunzert, Michael; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Eingebettete Systeme, wie Antiblockiersysteme oder Motorsteuerungen dringen immer mehr in sicherheitskritische Anwendungsbereiche vor. Die Systeme werden zunehmend verteilt und untereinander vernetzt. Die Software in diesen Systemen gewinnt sehr stark an Bedeutung und wird gleichzeitig immer umfangreicher und komplexer. Es werden daher neue Methoden und Verfahren benötigt, um diese Komplexität zu beherrschen. Ziel der vorliegenden Arbeit war die Entwicklung einer Konzeption für die komponentenbasierte Softwareentwicklung für sicherheitskritische eingebettete Systeme. Dabei wurden zuerst die Eigenschaften von sicherheitskritischen eingebetteten Systemen untersucht. Daraus wurden Anforderungen an die Konzeption abgeleitet. Zusätzlich wurden Anforderungen an die komponentenbasierte Entwicklung definiert. In der anschließenden Untersuchung zum Stand der Technik wurden Methoden und Werkzeuge analysiert und bewertet, die eine komponentenbasierte Softwareentwicklung oder eine formale Verifikation der Software ermöglichen. Die gestellten Anforderungen konnten dabei jeweils nur teilweise erfüllt werden. Im Rahmen der durchgeführten Untersuchungen wurde festgestellt, dass sich ein synchrones, zeitgesteuertes Ausführungsmodell sehr gut eignet, um die Anforderungen erfüllen zu können. Deshalb wurden dann der synchrone Ansatz reaktiver Systeme und eine zeitgesteuerte Architektur für verteilte Systeme näher untersucht. Außerdem wurde die Model-Checking Technologie für die Verifikation von Sicherheitseigenschaften ausgewählt. All diese Technologien bilden die Grundlage für die entwickelte Konzeption. Auf der Basis des sychronen Modells wurde dann ein Komponentenmodell für synchrone Softwarekomponenten definiert. Dieses besteht aus einem reaktiven Teil und einem Datenverarbeitungsteil. Das Verhalten der Komponente wird durch den reaktiven Teil bestimmt, der die Datenverarbeitung steuert und ein deterministisches Verhalten aufweist. Es wurde ein Konzept für die komponentenbasierte Entwicklung mit synchronen Softwarekomponenten entwickelt. Der Entwurf der Software erfolgt dabei in einem Entwurfsmodell auf graphischer Ebene. Dabei definiert der Applikationsentwickler Baugruppen als funktionale Einheiten. Diese Baugruppen werden schrittweise weiter verfeinert, bis sie sich durch die vorhandenen Komponenten realisieren lassen. Die Softwarekomponenten können dazu aus einer Bibliothek ausgewählt, parametriert und durch Signale miteinander verbunden werden. Aus dem komponentenbasierten Entwurf kann durch automatische Codegenerierung direkt ablauffähiger Code erzeugt werden. Durch das synchrone Zeitmodell und die formale Semantik der verwendeten Sprache ESTEREL ist eine formale Verifikation von Sicherheitseigenschaften möglich. Damit kann nachgewiesen werden, dass die Software bestimmte sicherheitskritische Anforderungen erfüllt und somit das Vertrauen in die Software erhöht werden. Die Verifikation erfolgt dabei vollautomatisch durch Model-Checking. Zur Evaluierung der entwickelten Konzeption wurde eine Werkzeugumgebung entworfen und prototypisch implementiert. Die Werkzeugumgebung ViPER (Visual Programming Environment for Embedded Real-Time Systems) erlaubt die Entwicklung verteilter eingebetteter Systeme mit synchronen Softwarekomponenten. Das entwickelte Konzept wurde an zwei Beispielen aus der Automobilforschung erprobt. Das erste Beispiel ist ein einfaches Steer-by-Wire System. Dabei wurde die mechanische Lenkung eines Go-Kart durch eine elektronische Lenkung ersetzt. Bei dem zweiten Beispiel handelt es sich um Software für einen Prototypen eines Brake-by-Wire Systems, das bei der DaimlerChrysler Forschung entwickelt wurde. Dabei konnte eine Reihe von Sicherheitseigenschaften der Software nachgewiesen werden.Item Open Access Situation based process monitoring in complex systems considering vagueness and uncertainty(2004) Rebolledo, Mario; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)History has demonstrated during the 20th century that industrial development carries hazards that should not be ignored because they endanger humans, the environment and production facilities. For this reason, continuous development of new production technologies should be accompanied by a comparable development in industrial safety technologies. Safety-critical applications in complex processes are usually based on a precise monitoring of operation conditions, according to a “correct” process operation. The problem is determining if a behavior or an operation condition is “correct”. For this, models are generally used, which are able of reproducing “safe” or “appropriate” process behaviors. The difficulty of precise modeling grows continuously, because of the increasing complexity of the supervised processes. Rigorous deterministic modeling is limited to simple processes, while approximate models based on statistics or Artificial Intelligence techniques, for example, must be restricted to modeling single variables or small subsystems to be manageable and deliver useful information. A monitoring technique usually employed for complex processes relies on abstraction of the process behavior in qualitative models by using symbolic value ranges to represent required information. However, also the applicability of qualitative modeling techniques is eventually restricted by the resulting model size. In this research work, a new process monitoring approach, based on qualitative models, efficiently depicts valuable vague and uncertain information that is currently discarded during the modeling. The proposed method expands the ability of Situation-based Qualitative Modeling and Analysis (SQMA) to monitor complex processes by integrating elements of the Rough Set Theory and Stochastic Qualitative Automata. The resulting models are considerably more precise than other similar-sized qualitative models. At the same time, the new method develops more compact and precise qualitative models than traditional qualitative models of the same precision.Item Open Access Universelle Fernservice-Infrastruktur für eingebettete Systeme(2003) Jazdi, Nasser; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Globalisierung ist ein Vorgang, durch den Märkte und Produktionen in verschiedenen Ländern immer mehr kooperieren, aber auch voneinander abhängig werden. Ursache hierfür ist die Dynamik des Handels mit Gütern und Dienstleistungen sowie die Bewegungen von Kapital und Technologie. Die Differenzierung erfolgt nicht mehr nur durch das Produkt selbst, sondern zunehmend durch dazugehörige Dienstleistungen, wie Wartung und Software-Updates. Die globale Bereitstellung solcher Dienstleistungen ist jedoch ein existentielles Problem für kleine und mittelständische Unternehmen. Das Internet als ein weltweiter Verbund von Computernetzwerken bietet eine globale Kommunikationsmöglichkeit für den Menschen. Computer mit Internet-Zugang werden zum festen Bestandteil jedes modernen Arbeitsplatzes, auch infolge der immer geringer werdenden Anschaffungskosten. Die mit dem Internet verbundenen Web-Technologien ermöglichen die weltweite, effektive und kostengünstige Bereitstellung von Dienstleistungen. Der Einsatz der Web-Tech-nologien beim Erbringen von Dienstleistungen für Automatisierungsprodukte und -anlagen verlangt jedoch neue, an die spezifischen Randbedingungen der Automatisierungssysteme zugeschnittene Konzepte. In der vorliegenden Arbeit wird eine flexible und erweiterbare Infrastruktur für den Einsatz von Web-Technologien in eingebetteten Systemen vorgestellt. Sie baut auf der bewährten Drei-Schichten-Architektur, bestehend aus dem eingebetteten System, dem universellen Fernzugriff-Server und dem Client, auf. Dabei wird eine systemübergreifende und allgemeingültige Schnittstelle für die Anbindung unterschiedlicher eingebetteter Systeme und den Zugriff auf deren Prozessdaten geschaffen. Das Verfahren ermöglicht außerdem ein flexibles Weiterverarbeiten der Gerätedaten, sodass sie für unterschiedliche Clients aufbereitet werden können. Um die Flexibilität - sowohl auf der Seite des eingebetteten Systems als auch beim Client - zu gewährleisten, wird eine neue, XML-basierte Beschreibungssprache (SDML) eingeführt. Die SDML-Dokumente beinhalten Informationen über angebundene eingebettete Systeme, abrufbare Gerätedaten und Präsentationsregeln für unterschiedliche Clients. Sie werden gerätespezifisch erstellt. Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht die Anbindung unterschiedlicher eingebetteter Systeme an das Internet bei minimalem Hardware- und Softwareaufwand. Die einmalig entwickelten Software-Komponenten des Fernzugriff-Servers können für unterschiedliche Geräte verwendet werden und tragen damit zur Senkung der Diagnose- und Wartungskosten bei. Der Anwender kann einen gewöhnlichen Browser für die Kommunikation mit seinem Gerät verwenden und braucht somit keine zusätzliche Software auf seinem lokalen Rechner zu installieren.Item Open Access Validierung komponentenbasierter Software für Echtzeitsysteme(2003) Fleisch, Wolfgang; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c.)Der Anteil und die Bedeutung von Software bei der Entwicklung von Echtzeitsystemen wächst sehr stark. Gleichzeitig werden die Entwicklungszyklen für Software-Produkte zunehmend kürzer, was sich immer häufiger in ausgelieferter fehlerhafter Software widerspiegelt. Durch die Verwendung vorgefertigter Software-Komponenten kann nach dem Baukastenprinzip bei der Konstruktion neuer Produkte die Produktivität und die Qualität erheblich gesteigert werden. Aber auch wenn durch den Einsatz geprüfter, betriebsbewährter Software-Komponenten viele Fehler vermieden werden, muss eine aus Komponenten zusammengesetzte Software auch in Zukunft mit geeigneten Prüfverfahren validiert werden, weil beim Zusammenspiel der Komponenten weiterhin Fehler entstehen können. In der vorliegenden Arbeit wird dazu ein Prüfverfahren zur Validierung komponentenbasierter Software für Echtzeitsysteme entwickelt, das das dynamische Verhalten von komponentenbasierter Software gegenüber den Anforderungen aus Anwendersicht überprüft. Die Anforderungen werden zu Beginn der komponentenbasierten Softwareentwicklung als Anwendungsfälle spezifiziert. Mit Hilfe von erweiterten UML Sequenzdiagrammen werden die Anwendungsfälle systematisch in eine formale, automatisiert prüfbare Notation überführt, die auch die Spezifikation von Echtzeitanforderungen explizit unterstützt. Da beim Entwurf von komponentenbasierter Software bereits vollständig spezifizierte Software-Komponenten verwendet werden, kann das Verhalten schon in der frühen Entwurfsphase mit Hilfe von Simulation validiert werden. Die Verwendung von Simulation hat den Vorteil, dass auch ohne die in der Praxis meist spät verfügbaren Bestandteile des technischen Prozesses und des Automatisierungsrechnersystems eine Prüfung des simulierten Verhaltens der komponentenbasierten Software durchgeführt werden kann. Anhand festgelegter Prüfkriterien wird dann das simulierte Verhalten der komponentenbasierten Software gegenüber dem in den Anwendungsfällen spezifizierten Verhalten geprüft, um damit frühzeitig Fehler aufzudecken. Eine im Rahmen der Arbeit realisierte Validierungsumgebung unterstützt den Softwareentwickler dabei umfassend, angefangen bei der Spezifikation von prüfbaren Anwendungsfällen, bis hin zur automatisierten Prüfung des simulierten Verhaltens. Die Leistungsfähigkeit des Prüfverfahrens und der Validierungsumgebung werden abschließend am Beispiel der Entwicklung und Validierung einer komponentenbasierten Software für eine Kfz-Scheibenwischeranlage demonstriert.Item Open Access Verfahren zur Spezifikation funktionaler Sicherheitsanforderungen für Automatisierungssysteme in Temporallogik(2007) Bitsch, Friedemann; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Durch formale Verifikation kann die Einhaltung funktionaler Sicherheitsanforderungen im Modell der Systemfunktionen eines Automatisierungssystems mit Sicherheitsverantwortung mit mathematischer Exaktheit überprüft werden. Eine Voraussetzung hierfür ist, dass die Sicherheitsanforderungen in einer formalen Spezifikationssprache, d. h. mit einer eindeutigen Syntax und Semantik, formuliert werden. Eine entscheidende Ursache für die wenig verbreitete Anwendung formaler Verifikation liegt in der Schwierigkeit der formalen Spezifikation temporaler Relationen, die bei der Formulierung funktionaler Sicherheitsanforderungen für Automatisierungssysteme ausgedrückt werden müssen. Wird die formale Spezifikationssprache nicht vollständig beherrscht, werden Sicherheitsanforderungen leicht fehlerhaft spezifiziert, woraus die Entwicklung eines Automatisierungssystems resultieren kann, von dem Gefahren ausgehen. Dasselbe ist der Fall, wenn eine Sicherheitsanforderung falsch interpretiert wird. Diesen Schwierigkeiten kann durch ein Verfahren begegnet werden, bei dem Expertenwissen für die formale Spezifikation von funktionalen Sicherheitsanforderungen vermittelt wird. Dies wird durch die Adaption und Nutzung von aus der Softwaretechnik bekannten Wiederverwendungskonzepten erreicht. Mithilfe des daraus resultierenden Safety-Pattern-Konzepts wird die Formalisierung funktionaler Sicherheitsanforderungen vereinfacht, indem Safety-Pattern mit generischen formalen Spezifikationen verwendet werden. Die Safety-Pattern, die für das jeweilige Spezifikationsproblem geeignet sind, müssen aus einem Katalog selektiert werden. Die korrekte Interpretation von Sicherheitsanforderungen, die mithilfe von Safety-Pattern spezifiziert worden sind, wird unterstützt, indem die Bedeutung im Safety-Pattern-Katalog nachgeschlagen werden kann. Um alle Arten funktionaler Sicherheitsanforderungen spezifizieren zu können, wurde der Katalog so entwickelt, dass er durch die Verwendung einzelner generischer Formulierungen sowie durch deren Komposition eine vollständige Grundlage zur Spezifikation aller Arten funktionaler Sicherheitsanforderungen für Automatisierungssysteme bietet. Darüber hinaus enthält der Katalog generische Formulierungen, durch welche die Handhabbarkeit des Verfahrens gewährleistet wird. Durch die Verwendung einer Safety-Pattern-Normsprache wird neben der formalen Spezifikation eine präzise und einfach interpretierbare Spezifikation funktionaler Sicherheitsanforderungen in einer eingeschränkten Terminologie der natürlichen Sprache ermöglicht. Zudem wurde eine spezielle grafische Notation für die Veranschaulichung komplizierter logischer Zusammenhänge entwickelt. Durch ein Werkzeugkonzept und den Einsatz multimedialer Techniken (Interaktionen, textuelle sowie grafische Beschreibungen und Simulationen) wird die Selektion, Interpretation und Instanziierung der Safety-Pattern unterstützt. Durch das Fallbeispiel „Eingleisiger Bahnübergang im Funk-Fahr-Betrieb“ wird die Anwendung des Verfahrens für die Entwicklung sicherer Automatisierungssysteme demonstriert.