Anwendung der SPES Methodik EC 3 Mechatronik und Software - Ulrich Löwen, Siemens AG
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Anwendung der SPES Methodik EC 3 Mechatronik und Software Ulrich Löwen, Siemens AG München - Ottobrunn, 10.07.2015
Partner und Team EC 3
Fortiss
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Anwendungskontext und Ziele von EC 3
Mechatronik in der Automatisierung Mechatronik in Automotive
• Software-Entwicklung getrieben durch • Stark komponentengetriebener Varianten-
Mechanik/Elektrotechnik, Änderungen prozess aus elektromechanischen und
bei Mechanik und Elektrotechnik ändern Software-Komponenten
Randbedingungen für Software • Kunden wählen mechatronisches System
• Funktionale Planung der Anlage in mit kundenspezifischen Leistungsmerk-
Modulen ohne technische Realisierung malen
in räumlich konzentrierten • Optimierung mechatronischer Systeme
mechatronischen Modulen zu unter Einhaltung der Leistungsmerkmale
erzwingen Fragestellungen
Fragestellungen • Wie weit darf ein elektromechanisches
• Identifikation kritischer, struktureller System seine Eigenschaften verändern, so
Abhängigkeiten aus Mechanik/ dass die Software das System weiter
Elektrotechnik heraus an die Software zuverlässig steuern kann und Leistungs-
und deren konkreter Auswirkungen auf merkmale des mechatronischen Systems
die Software eingehalten werden
Erwartung an modellbasierten Ansatz Erwartung an modellbasierten Ansatz
• Beherrschung von Risiken aufgrund von • Validierung von Designentscheidungen
Änderungen nicht erst im Prototypenstadium
SPES 2020_XT – Projektabschluss 3
Fallbeispiele von EC 3
Aufgrund der Breite des Themas „Mechatronik“ orientieren sich alle
Aktivitäten von EC 3 an drei Fallbeispielen
Entsalzungsanlage
(Siemens)
Experimentelle Bremse
(Bosch)
Antrieb
(Siemens)
SPES 2020_XT – Projektabschluss 4
Überblick über die wesentlichen
Ergebnisse von EC 3
Domänenspezifische Anwendung
• Erläuterung der SPES-Methodik für Domänenexperten aus der
Automatisierungstechnik mit Hilfe ihm vertrauter Begriffe und Methoden
(Entsalzungsanlage)
Methoden und deren Anwendung
• Modellierung von Abhängigkeiten mit Engineering-Beziehungen
(Entsalzungsanlage)
– Spezialisierung der Modellierungstheorie
– Prototypische werkzeugtechnische Umsetzung (COMOS)
• Parametrische Verifikation von hybriden Automaten (Experimentelle Bremse)
– Spezialisierung der Modellierungstheorie
– Evaluation von Werkzeugen am Fallbeispiel (iSAT-ODE, Flow*, S-TaLiRo)
– Erprobung von Modellierungsansätzen an weiteren internen Fallbeispielen
• Durchgängiger modellbasierter Entwicklungsansatz mit graphischen,
domänenspezifischen Sprachen (Antrieb)
– Verwendung von grafischen Domänen-spezifischen Modellierungssprachen für die
verschiedenen Viewpoints
– Nutzung von etablierten UML Werkzeugen für die Modellierung
– Anwendung in verschiedenen Siemens-internen Projekten
SPES 2020_XT – Projektabschluss 5Domänenspezifische Anwendung:
Automatisierungstechnik
6Artefakte entlang des Engineering-Prozess
Requirements Conceptual Basic Detailed Installation,
Engineering Engineering Engineering Engineering Commissioning
Given by Design of technological Design of technical Detailed design of
Customer Process System technical system
especially of
Entry
Dissolution
Screening Floatation
Concentrating
Dispersion
Bleaching
Stacking automation system
Block Diagram P&ID CFC, SFC Software
Automation PFD PCT specifications HMI pictures and context
requirement P&ID Quantity structure Process variables
specification, Automation automation system Hardware Software
e.g. VDI/VDE requirement Typicals configuration
3694 specification, e.g. Automation design Wiring charts
VDI/VDE 3694 specification, e.g. Etc.
VDI/VDE 3694
8Heutige Werkzeugkette
mit COMOS und SIMATIC PCS 7
Pre- and High Reverse
Seawater Drinking
Cartridge Pressure Osmosis
Pumping Water Net
…
Filtration Pumps Racks
MS Office COMOS SIMATIC PCS 7
Software Software Software
Functional View Logical View Technical View
Requirements Plant Design
Electrical Electrical Electrical
Functional View Logical View Technical View
9Grundsätzliche Beobachtungen
• Heutige Artefakte in der Automatisierungstechnik unterscheiden
nicht strikt zwischen Betrachtungsgegenstand (Entsalzungsanlage)
und Entwicklungsgegenstand (Automatisierungssoftware der
Entsalzungsanlage)
• In der heutigen Praxis verschwimmen die Begrifflichkeiten zwischen
den verschiedenen Disziplinen (Mechanik, Elektrotechnik,
Automatisierungs-Software)
• Heute eingesetzte Engineering-Werkzeuge differenzieren oft nicht
zwischen Anforderungen, Funktionen und Lösungen
SPES 2020_XT – Projektabschluss 10SPES Modellierungsmethodik
• Viewpoints strukturieren die innerhalb der Entwicklung entstehenden
Artefakte
• sukzessive Dekomposition der Aufgabenstellung in Teilaufgabenstellungen
über Abstraktionsebenen
Requirements Viewpoint
Stärkere Formalisierung des Requirements Viewpoint gegenüber heutiger gängiger
Praxis in der Automatisierungstechnik sinnvoll
SPES 2020_XT – Projektabschluss 11SPES Modellierungsmethodik
• Viewpoints strukturieren die innerhalb der Entwicklung entstehenden
Artefakte
• sukzessive Dekomposition der Aufgabenstellung in Teilaufgabenstellungen
über Abstraktionsebenen
Functional Viewpoint
In heutiger Praxis „keine“ formale Dokumentation des Functional Viewpoints durch
dedizierte Artefakte
Teilweise bzw. implizit enthalten in anderen Artefakten
SPES 2020_XT – Projektabschluss 12SPES Modellierungsmethodik
• Viewpoints strukturieren die innerhalb der Entwicklung entstehenden
Artefakte
• sukzessive Dekomposition der Aufgabenstellung in Teilaufgabenstellungen
über Abstraktionsebenen
Logical Viewpoint
Schwerpunkt in der heutigen Praxis der Automatisierungstechnik, aber in der Regel
„kein „geschlossenes“ Artefakt für den Logical Viewpoint
SPES 2020_XT – Projektabschluss 13SPES Modellierungsmethodik
• Viewpoints strukturieren die innerhalb der Entwicklung entstehenden
Artefakte
• sukzessive Dekomposition der Aufgabenstellung in Teilaufgabenstellungen
über Abstraktionsebenen
Technical Viewpoint
In heutiger Praxis bereits klar „identifizierbar“
SPES 2020_XT – Projektabschluss 14SPES Modellierungsmethodik
• Viewpoints strukturieren die innerhalb der Entwicklung entstehenden
Artefakte
• sukzessive Dekomposition der Aufgabenstellung in Teilaufgabenstellungen
über Abstraktionsebenen
Abstraktionsebenen
Technologische Hierarchie ist eine durchgängige,
gewerkeübergreifende Strukturierung der Anlage
Strukturierung der Anlagenfunktionen sowie
logischer Einheiten, ggf. auch ortsbezogen
Definiert damit bereits Abstraktionsebenen und dient
als „Leitfaden“ für das Engineering der
Automatisierungssoftware
SPES 2020_XT – Projektabschluss 15Schlussfolgerungen aus der Anwendung
SPES Betrachtungs-
gegenstand
• Klare Strukturierung der Engineering-Artefakte
des Entwicklungsgegenstand einschließlich der Entwicklungs-
gegenstand
Berücksichtigung der Schnittstellen zum Kontext
• Gewisse Basisprinzipien werden in der heutigen
Praxis bereits umgesetzt – Prinzipien sind
jedoch dem Anwender oft nicht transparent
• Weitere Formalisierung der heutigen Artefakte
hat positive Effekte auf Engineering-Effizienz
und -Effektivität
Betrachtungs-
Automatisierungstechnik gegenstand
• Verbesserte Integration der Gewerke über tiefe
Einbindung in den Kontext, beispielsweise Entwicklungs-
gegenstand
mittels technologischer Hierarchie
SPES 2020_XT – Projektabschluss 16Methoden und deren Anwendung:
Parametrische Verifikation von
hybriden Automaten
20Fallbeispiel Experimentelle Bremse
Ruhe physikalische Wirktopologien
Experimentelles elektro-mechanisches
Bremssystem
Elektromotor bewegt Bremszange an Positionierung
Bremsscheibe und erzeugt damit
Bremskraft
Bremsen
Kraftübertragung mittels Getriebe
Über Spannung am Elektromotor kann
Bremskraft eingestellt werden
Physikalische Wirktopologien
Ruhe: keine Bremsanforderung, keine
Regelung erforderlich
Positionierung: Bremszange bewegt
sich zur Bremsscheibe (Bremsung
angefordert) oder davon weg
(Bremsung nicht mehr angefordert),
DC- Brems- Brems- Position muss eingeregelt werden
Getriebe
Motor zange scheibe
Bremsen: Bremszange berührt
Bremsscheibe, Bremskraft muss
Spannung Motormoment Kraft Position Kraft
eingeregelt werden
SPES 2020_XT – Projektabschluss 21Fragestellungen, Lösungsansätze und
Beispiel
Fragestellungen: Beispiel: Hybrides Modell abgeleitet aus
• Wie reagiert das System auf Simulationsmodell mit nachfolgender
Änderungen von (physikalischen oder Parameteranalyse
Software-) Parametern?
Simulationsmodell Verifikationsmodell
• Welche Strukturierung von Kontext-
Modellen ist hilfreich für die
Strukturierung der Software?
• Wie stellt man Nachverfolgbarkeit
zwischen verschieden Modellen für
verschiedene Zwecke sicher?
Lösungsansätze
• Abstrahierte Analysemodelle inklusive
Kontextmodellierung für parametrische
Verifikation (hybride Modellierung)
• Formale Verifikation und
simulationsbasierte Falsifikation zur
Überprüfung von Systemeigenschaften
unter Parameterunsicherheiten
Parameteranalyse
SPES 2020_XT – Projektabschluss 22Durchgeführte und zukünftige Aktivitäten
Untersuchung und Vergleich verschiedener Werkzeuge und Ansätze am
Fallbeispiel „Experimentelle Bremse“
Firmeninterne Evaluierung bei Bosch
• Anwendung der Verifikationswerkzeuge an weiteren Beispielen aus den
Bereichen
– Motorsteuerung
– Fahrdynamik
– automatisierte Fahrfunktionen
Zukünftige Verwertung und Transfer der EC 3 Ergebnisse
• Weiterführende Aktivitäten zur Verifikation physikalisch dominierter
Systeme innerhalb der zentralen Forschung der Robert Bosch GmbH:
– Pilotprojekte mit verschiedenen Geschäftsbereichen
– Anpassung und Erweiterung von Verifikationswerkzeugen im Hinblick auf
spezielle Bedürfnisse der Anwender
SPES 2020_XT – Projektabschluss 26Zusammenfassung und Fazit
31Zusammenfassung und Fazit
Automatisierung
• Existierende Vorgehensweisen machen kritische Abhängigkeiten zwischen den
Disziplinen üblicherweise nicht explizit
• Anwendung des SPES Modellierungsframework erzwingt eine stärkere
Formalisierung des Engineerings
Automotive
• Entwicklung eingebetteter Software erfordert detailliertes Wissen über den
Kontext einschließlich dessen Variabilität
• Aufgrund unterschiedlichster Zielsetzungen ist die Modellierungslandschaft
physischer Modelle sehr heterogen
• Analyse des Zusammenwirkens von eingebetteter Software mit ihrer Umgebung
erfordert geeignete Abstraktionen
Fazit
• Unterschiedliche geschäftliche Treiber in Automatisierung und Automotive
resultiert in unterschiedlichen Engineering Herausforderungen
• Gemeinsames Grundprinzip: Strukturierung der physischen Objekte
(Betrachtungsgegenstand) prägt die Strukturierung der Software
(Entwicklungsgegenstand)
SPES 2020_XT – Projektabschluss 32Poster und Demos
• Engineering-Beziehungen und Wiederverwendung am Fallbeispiel
Meerwasserentsalzungsanlage
• Verification of Systems in Physical Contexts
SPES 2020_XT – Projektabschluss 33Sie können auch lesen
