05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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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 Computer-aided safety analysis of computer-controlled systems : a case example(2000) Biegert, UweComputer controlled systems consist of a complex interaction between technical process, human task and software. For the development of safety critical systems new method are required, which not only consider one of these parts of a computer-controlled system. In this paper a qualitative modeling method is presented. The method is called SQMA, Situationbased Qualitative Modeling and Analysis and it origin goes back to Qualitative Reasoning. First, all parts of a system are modeled separated and then combined to a unique model of a computer-controlled system. With this qualitative model a computer supported hazard analysis can be realised.Item Open Access Process model for the development of system requirements specifications for railway systems(2002) Bitsch, FriedemannIn this paper a process model for the development of system requirements specifications for railway systems is introduced. Demands of the approval of system requirements specifications, which arise from recent European railway standards, are taken into account. The aim is to obtain a system specification, which is unambiguous and easy to understand for all parties involved and in which safety aspects are considered in detail. Correlations between the development of a precise system specification, the performance of safety relevant correctness checks and the performance of risk analysis are presented. Especially the identification, specification and formalisation of safety requirements are treated with regard to correctness checks referred to safety aspects by using model checking. It is also demonstrated how different techniques of risk analysis can be supported by a system model in diagrams of the Unified Modelling Language (UML). This work has been developed in close co-operation with the Institute of Railway Systems Engineering and Traffic Safety (IfEV), Technical University of Braunschweig, Germany within the scope of the project SafeRail (see http://www.ias.uni-stuttgart.de/projekte/saferail/).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 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 Sichere Automatisierungssysteme mit Hilfe qualitativer Modellierung und quantitativer Risikobewertung(2000) Biegert, UweFür die Sicherheitsanalyse von Prozessautomatisierungssystemen ist es notwendig, alle Systembestandteile zu betrachten. Im Beitrag wird ein Modell vorgestellt, bei dem der technische Prozess, die Automatisierungssoftware und menschliche Bedieneingriffe qualitativ beschrieben werden. Aus den einzelnen Modellen und deren Wechselbeziehungen werden Situationen berechnet, die das mögliche Verhalten des Prozessautomatisierungssystems beschreiben. Im Beitrag wird gezeigt, wie eine Risikobewertung der berechneten Situationen nach VDI/VDE 3542 realisiert werden kann. Mit Hilfe der Quantifizierung des Risikos können konkrete Aussagen bezüglich des Grenzrisikos eines Prozessautomatisierungssystems gemacht 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 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 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 Agentenunterstütztes Engineering von Automatisierungsanlagen(2008) Wagner, Thomas; Göhner, Peter (Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c.)Im Zuge des fortschreitenden globalen Wettbewerbs kommt dem Standort Deutschland zunehmend die Rolle eines „Engineering“-Standorts denn eines Produktionsstandorts zu. Im Bereich der Anlagenautomatisierung werden unter dem Begriff Engineering die Arbeitsprozesse und Tätigkeiten beim technischen Entwurf und der Auslegung von Automatisierungsanlagen zusammengefasst. Die Kosten für das Engineering hängen wesentlich von der Effizienz und Produktivität der menschlichen Arbeitsprozesse und der Qualität der resultierenden Engineeringinformationen ab. Dabei stellt neben methodischen und technologischen Aspekten die Beachtung der technischen Zusammenhänge zwischen den einzelnen Anlagenkomponenten eine große Herausforderung dar. Diese sind sehr vielfältig und für jede Automatisierungsanlage unterschiedlich ausgeprägt. Sie müssen daher im Zuge des Engineerings vollständig erfasst und aufeinander abgestimmt werden, was heute zum überwiegenden Teil manuell erfolgt und hohe Aufwendungen sowie zusätzliche Fehlermöglichkeiten mit sich bringt. Ausgehend von der modernen komponentenbasierten Vorgehensweise im Engineering und der Beschaffenheit der erstellten Engineeringinformationen wird in der vorliegenden Arbeit ein Ansatz vorgestellt, der zur informationstechnischen Unterstützung des Engineerings von Automatisierungsanlagen dient. Durch geeignete Konzepte wird eine deutliche Reduktion des manuellen Aufwandes und eine vereinfachte Durchführung der menschlichen Tätigkeiten ermöglicht. Dabei wird durch den Einsatz von Softwareagenten eine aktive Form der Unterstützung bereitgestellt, welche sich flexibel an den Ablauf der menschlichen Arbeitsprozesse anpasst. Das Konzept nutzt die vorhandenen Engineeringinformationen und bestehendes Wissen über technische Abhängigkeiten einzelner Komponenten und überträgt diese auf einzelne Softwareagenten. Auf dieser Basis agieren und kooperieren die Softwareagenten parallel zu den Tätigkeiten des Ingenieurs im Hintergrund. Sie sind in der Lage, die beim Engineering entstehenden technischen Zusammenhänge innerhalb der Automatisierungsanlage selbstständig zu erkennen, zu analysieren und geeignete Anpassungen der Engineeringinformationen zu ermitteln. Die Interaktion mit dem Ingenieur erfolgt in Form von entsprechenden Hinweisen und Lösungsvorschlägen, welche auf Wunsch von den Softwareagenten selbstständig umgesetzt werden können. Auf diese Weise werden die individuellen technischen Zusammenhänge einer Automatisierungsanlage bereits auf informationstechnischer Ebene berücksichtigt und ein Großteil der bisher erforderlichen manuellen Tätigkeiten und Überlegungen kann entfallen. Das Konzept wurde darüber hinaus so ausgelegt, dass es zu bisher verwendeten Komponentenmodellen und Werkzeugen kompatibel ist und sich problemlos in bestehende Engineeringprozesse integrieren lässt.