TFB 48 Teilprojekt G1

FUNKTIONALE EIGENSCHAFTSBESCHREIBUNG IM ANLAGEBAU

AUSGANSSITUATION

Konfrontiert mit dem steigenden Wettbewerbsdruck auf dem Weltmarkt können sich Industrieunternehmen den Forderungen nach einer nachhaltigen Steigerung der Effizienz ihrer Geschäftsprozesse nicht mehr entziehen. Eine elektronische Beschreibung von Produktdaten verspricht erhebliche Ratioeffekte bei Herstellern und Anwendern von Produkten. Produktdaten bilden die Basis für viele Geschäftsprozesse. Sie entstehen beim Hersteller in seinem Entwicklungs- und Herstellungsprozess und werden beim Anwender in dessen Planungs-, Entwicklungs- und Einkaufsprozess benötigt. Erst dadurch, dass diese Produktdaten elektronisch verfügbar sind, werden rechnergestützte Entwicklungs-, Produktions-, Engineering- und Wartungsprozesse ermöglicht. Insofern ist die elektronische Erzeugung und medienbruchlose Weiterleitung von Produktdaten innerhalb solcher Informationsprozesse auch in der industriellen Automatisierungstechnik die Basis für Synergien und Optimierungspotenziale.

Im Zug der technischen Weiterentwicklungen der Produkte erfolgt zunehmend ein Übergang von mechanischen Lösungsprinzipien zu heute elektronischen in Kombination mit Software. Konnte beispielsweise eine Regelung früher mechanisch über einen Fliehkraftregler realisiert werden, kommen heute  für dieselbe Aufgabe intelligente Sensoren und Aktoren als prozessnahe Elemente zum Einsatz. Diese werden wiederum über einen Bus z.B. mit einer speicherprogrammierten Steuerung verbunden, auf der ein Regler als Softwarebaustein abläuft. Die Bedeutung solcher Softwarebausteine steigt dabei gegenüber Hardware-Komponenten immer weiter an.

Wesentliche Potenziale zur Steigerung der Effizienz von Entwicklungsprozessen moderner technischer Produkte bietet die Wiederverwendung solcher Softwarebausteine, wodurch zugleich der technologische Reifegrad und damit die Qualität dieser Komponenten gesteigert werden. Eine solche breite Wiederverwendung würde einen neuen Markt schaffen, den weltweiten, elektronischen „Markt der Software-Funktionen“. Um jedoch diesen Markt bedienen zu können, bedarf es einer ausreichenden Beschreibung der Eigenschaften solcher Funktionen.

Damit stellten sich die folgenden Fragen: Was sind relevante Produktmerkmale von Software? Wie könnte darüber hinaus eine eventuell sogar genormte Beschreibungsmethodik für Software aussehen und die im obigen Beispiel beschriebene Integration von Mechanik, Elektrik/Elektronik und Software berücksichtigt werden? Derzeit sind hierzu weder eine Beschreibungsmethodik noch Modelle vorhanden.

BESCHREIBUNG DER FUNKTIONALEN EIGENSCHAFTEN

Produktdaten in der Automatisierungstechnik bestehen aus einer Reihe von Merkmalen, die zweckmäßig in den folgenden Clustern angeordnet werden können:

• Business (B): Marketing-relevante Informationen
• Construction (C): Informationen über konstruktive Merkmale
• Function (F): Informationen, die eine Funktionalität beschreiben. Dies umfasst insbesondere die Beschreibung von in Software realisierten Funktionen.
• Location (L): Ortsinformationen
• Properties (P): Informationen über abstrakte Eigenschaften, die sich aus dem Zusammenwirken einzelner Merkmale verschiedener Cluster ergeben.

Das Hauptdefizit der bestehenden Ansätze zur Produktmodellierung besteht bezüglich Methoden zur Beschreibung von Software-Funktionen (F-Cluster). Die Bedingungen, unter welchen eine Software abläuft, können mit den bestehenden Ansätzen nicht beschrieben werden.

Vor diesem Hintergrund wurden im Rahmen des Teilprojekts die relevanten Software-Produktmerkmale und deren Ausprägungen durch Analyse der Produktumgebung (Laufzeitumgebung, Arbeitsumfeld) im Unternehmens- und Anwendungskontext, unter Abstraktion auf wirkprinzipielle und funktionale Aspekte, und bezogen auf die Lebensphasen des softwarespezifischen Produktlebenszyklus ermittelt. Daraus resultierte eine hierarchische, teilweise vernetzte Produktmerkmalsstruktur für Software-Funktionen, welche die Ausgangsbasis für die Implementierung eines Lösungsspeichers bildete.

Als Grundlage für die Beschreibung der funktionalen Eigenschaften dienten Ansätze aus dem Maschinenbau, die entsprechend der bislang nicht betrachteten Softwareaspekte konzeptionell erweitert wurden. Aufgrund der Besonderheiten von Software als Information umsetzendes System erfolgt eine aufgabenspezifische Beschreibung der Funktion. Zur Reduktion der Komplexität der Spezifikationsaufgabe wird die Gesamtfunktion in eine Funktionsstruktur aufgelöst. Zur Definition der Relationen zwischen den Teilfunktionen der Funktionsstruktur wird zwischen Datenfluss und Steuerfluss unterschieden.

BESTIMMUNG DES ZEITVERHALTENS

Um automatisierungstechnische Lösungen in Bezug auf ihre Einsatzeignung in einem gegebenen Anwendungsfall beurteilen und vergleichen zu können, muss die sich im Zusammenspiel mit den relevanten Maschinenattributen maximal und minimal ergebende Ausführungszeit ermittelt werden. Zur Bestimmung des Zeitverhaltens wurden im Rahmen des Projekts die Ausführungszeiten jedes einzelnen, zur Verfügung stehenden Befehls auf den in Frage kommenden Maschinen ermittelt und in einer Bibliothek hinterlegt, in Abhängigkeit von Operandentyp und Adressierungsart.

Die Methode zur Bestimmung des Zeitverhaltens basiert auf einer Codeanalyse, mittels derer eine Software in ihre einzelnen Befehle zerlegt wird und die möglichen Ausführungspfade ermittelt werden. In der Summe der Ausführungspfade ergibt sich zusammen mit den Ausführungszeiten der Befehle entsprechend der Ausführungszeitbibliothek die absolute Ausführungszeit für die Software im Zusammenspiel mit einer konkreten Maschine. In dieser Weise werden für eine gegebene Software die Worst Case Execution Time (WCET) und Best Case Execution Time (BCET) entsprechend der möglichen Ausführungsfälle eines Bausteins bestimmt.

IMPLEMENTIERUNG DES LÖSUNGSSPEICHERS

Im Rahmen des Projekts wurde ein Lösungsspeicher mit Web-basierter Benutzungsschnittstelle implementiert, mittels dessen die funktionalen Eigenschaften von anlagenbauspezifischen Softwarelösungen beschrieben werden können und deren Zeitverhalten im Zusammenspiel mit unterschiedlichen Zielmaschinen ermittelt werden kann.

Beispielhaft wird im Folgenden die Spezifikation von Teilfunktionen eines Softwarebausteins dargestellt, der in AWL programmiert eine PID-Regelung realisiert.

Zur Erhöhung der Eindeutigkeit und Interpretierbarkeit der auf natürlicher Sprache basierenden Eigenschaftsbeschreibung wurde ein Semantischer Editor zur Nutzung bei Lösungsspezifikation und -suche entwickelt, der unter Nutzung einer Begriffs- und Bedeutungsdatenbank eine semantisch kontrollierte Spezifikation ermöglicht. Bei einer Suchanfrage werden nicht verwendeten Terme miteinander verglichen, sondern nur die jeweils spezifizierten Bedeutungen. Die Suche wird dadurch genauer, die Anzahl ungeeigneter Suchergebnisse maßgeblich reduziert und die effiziente Verwendung von Synonymen ermöglicht. Über eine zusätzliche Freitextsuche können auch solche Begriffe für Spezifikation und Suche verwendet werden, die keine oder keine allgemeingültige Bedeutung haben.

Die gefundenen Lösungen können in Bezug auf ihre konkrete Verwendungseignung durch einen Vergleich der Lösungseigenschaften mit den Anforderungen der Aufgabenstellung bewertet werden. Hierunter fällt insbesondere das Zeitverhalten. Unter Nutzung des Lösungsspeichers können somit für einen spezifischen Anwendungsfall geeignete Lösungen gefunden und bezüglich der sich ergebenden Ablaufgeschwindigkeit vergleichend bewertet werden. 

ZUSAMMENFASSUNG

Der im Rahmen des Projekts im Zusammenarbeit zwischen dem RPK und der Siemens AG A&D entwickelte Lösungsspeicher ermöglicht einen effizienten Zugriff auf automatisierungstechnische Software-Komponenten und fördert dadurch die Wiederverwendung technologisch ausgereifter Lösungen. Die strukturierte Abbildung der Lösungseigenschaften fördert das Verständnis für die Wirkungsweise der Komponenten und unterstützt die Beurteilung von deren Einsatzeignung im Kontext einer bestimmten Aufgabenstellung. Insbesondere, da frühzeitig in der Entwicklung Aussagen über das Zeitverhalten der Komponenten gemacht werden können, können die sonst aufgrund von Versuchen mit physischen Prototypen entstehenden Iterationszyklen verringert und dadurch Entwicklungszeit und Entwicklungskosten gesenkt werden. Die Ergebnisse des Projekts unterstützen funktionsorientierte, durchgängig produktdatengetriebene Informationsprozesse und stellen somit einen ersten Schritt in Richtung des in der Automatisierungstechnik diskutierten, weltweiten elektronischen „Markt der Software-Funktionen“ dar.

Die Projektergebnisse sind dabei auch außerhalb der Domäne der Automatisierungstechnik nutzbar, da bei der Erfassung und Systematisierung der Software-Produktmerkmale und der Entwicklung der Methoden zur funktionalen Eigenschaftsbeschreibung und zur Ermittlung des Zeitverhaltens Allgemeingültigkeit sichergestellt wurde.

PROJEKTPARTNER

Siemens Automation and Drives, Karlsruhe