Hardware-in-the-Loop testing of industrial automation systems using PLC languages

  • Hardware-in-the-Loop-Testen von industriellen Automatisierungssystemen mit SPS-Programmiersprachen

Thönnessen, David; Kowalewski, Stefan (Thesis advisor); Fabian, Martin (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Buch, Doktorarbeit

In: Aachener Informatik-Berichte 2021-10
Seite(n)/Artikel-Nr.: 1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Kurzfassung

Das Testen von industriellen Steuerungen, wie beispielsweise Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPSen), stellt spezielle Herausforderungen an den Testprozess. Insbesondere im Kontext von Cyber-physischen Produktionssystemen (CPPS) unterliegen die Steuerungssysteme einer ständigen Rekonfiguration. Daher ist es nicht länger ausreichend einzig vor der Inbetriebnahme zu testen, sondern es muss mit geringem Aufwand möglich sein, bestehende Steuerungssysteme nach deren Rekonfiguration zu testen und wieder in Betrieb zu nehmen. Unser Ansatz hierfür sieht vor, dass eine Testumgebung geschaffen wird, welche eine effiziente und modulare Testfallspezifikation erlaubt und somit leicht an geänderte Umgebungsbedingungen angepasst werden kann. Als Grundlage für diese Testumgebung haben wir die HiL-Simulation gewählt, da hierbei nicht nur das Steuerungsmodell oder -programm in den Test einbezogen wird, sondern auch die Steuerungshardware. Unsere Architektur nutzt geringfügig modifizierte SPS-Programmiersprachen zur Spezifikation von Testfällen. Dadurch vermeiden wir den Methodenbruch der entsteht, wenn dedizierte Testfallspezifikationssprachen und entsprechende Testumgebungen verwendet werden. Weiterhin haben wir unser Konzept mit der Möglichkeit einer randomisierten Testfallgenerierung versehen, sodass eine Vielzahl von Testfällen generiert und getestet werden kann, ohne dass ein Tester diese manuell spezifizieren muss. Unsere Hypothese ist, dass dies zu schneller und zuverlässiger anpassbaren Testfällen führt und somit die gewünschte Agilität schafft. Die Evaluation unserer Implementierung zeigt, dass insbesondere bei Entwicklern, welche mit SPS-Programmiersprachen vertraut sind, eine Steigerung der Effizienz bei der Implementierung gegenüber bestehenden Testwerkzeugen erreicht wird. Des Weiteren zeigen wir beim randomisierten Testen von Sicherheits-SPSen, dass unser Testwerkzeug kritische Fehler in Steuerungssystemen finden kann, welche mit traditionellen Testmethoden nur bedingt gefunden worden wären. Aus diesen Ergebnissen schließen wir, dass das hier vorgestellte Konzept eine wertvolle Ergänzung zu existierenden Testmethoden darstellt und gut auf die Anforderungen von CPPS zugeschnitten ist.

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