Test von ECUs für mobile Arbeitsmaschinen mit VeriStand

Transkript

1 Test von ECUs für mobile Arbeitsmaschinen mit VeriStand Tobias Gilbert Hydrive Engineering GmbH, Hirschstein Kurzfassung Elektronische Steuerungen (ECUs), wie sie unter anderem in mobilen Arbeitsmaschinen Einsatz finden, nehmen in der Komplexität ihres Funktionsumfangs immer weiter zu. Der bisherige Weg, die Software durch geschickte Manipulation der am Steuergerät angeschlossenen Sensoren im Labor zu testen, ist kaum noch möglich. Durch das Einbinden der ECU in ein Hardware-in-the-loop (HIL)-System kann eine virtuelle Inbetriebnahme erfolgen, noch bevor die erste Prototypmaschine fertig ist. Dadurch wird frühzeitig ein hoher Reifegrad der Software erreicht und die Entwicklungszeit wird verkürzt. Es wird eine Lösung vorgestellt, die den Anforderungen von kleinen und mittelständischen Unternehmen gerecht wird. Besonderer Schwerpunkt liegt dabei auf dem Nachstellen von Toleranzen und Fehlverhalten von Sensoren, die in der Realität häufig vorkommen und mit denen die Software zurechtkommen muss. Unter dem Gesichtspunkt der Robustheit der Software wird ein Ausblick auf die Möglichkeit der automatischen Generierung von vielen Tausend Testfällen gegeben, die manuell nicht mehr mit vertretbarem Aufwand erstellt werden können. Abstract Electronic control units (ECUs), that are used in mobile working machines, increase further on in the complexity of their features. The today's way to test the software by skillful manipulation of the sensors connected to the control unit in the laboratory, is hardly possible anymore. By including the ECU in a hardware-in-the-loop (HIL) system a virtual commissioning can be done, even before the first prototype machine is built. Thus a high completion level of the software can be achieved at an early stage and the development time is shortened. This paper presents a solution that meets the needs of small and medium-sized businesses. A particular focus is on the simulation of tolerances and faults of sensors that are well known in practice, and which the software must cope with. Under the aspect of robustness of the software, an outlook is given to the possibility of automatic generation of many thousands of test cases that cannot be created manually with reasonable effort.

2 Motivation Bei mobilen Arbeitsmaschinen werden, ähnlich zur Automobilindustrie, zunehmend mehr Steuergeräte eingesetzt. Die Quantität und Komplexität sind zwar auf einem geringeren Niveau, steigen aber mit jeder Generation weiter an. Die umzusetzenden Funktionen sind sehr unterschiedlich und reichen von der Regelung hydraulischer Achsen bis zur Darstellung von Maschineninformationen auf einem Display. Während der Software-Entwicklungsphase werden typischerweise Potenziometer o.ä. an das Steuergerät angeschlossen, um Sensoren zu simulieren und das Verhalten der soeben programmierten Funktion zu prüfen. Je intelligenter der Entwickler die Software macht, desto schwieriger wird es allerdings für ihn, korrekte Sensorwerte vorzugeben. Implementierte Plausibilitätsprüfungen zwingen ihn beispielsweise dazu, Signale gleichzeitig zu ändern oder Timeouts einzuhalten. Um Drehzahlsensoren zu simulieren, benötigt er einen Frequenzgenerator, den möglicherweise gerade eine andere Abteilung in Benutzung hat. Diese und weitere Schwierigkeiten behindern die Entwicklung von Software zunehmend. Da ein gefundener Fehler nie wieder so preiswert behoben werden kann, wie in der Entwicklungsphase, muss schon aus wirtschaftlicher Sicht das Ziel sein, ein Werkzeug bereitzustellen, welches bereits in dieser Phase die Arbeiten optimal unterstützt. Eine frühzeitig durchgeführte virtuelle Inbetriebnahme garantiert einen hohen Reifegrad der Software bei der ersten Testfahrt und spart teure Zeit am Prototypen. Umsetzung Die Anforderungen an einen ECU-Prüfstand kommen aus zweierlei Richtungen. Aus wirtschaftlicher Sicht muss der Prüfstand vor allem rentabel sein, was bei kleinen und mittelständischen Unternehmen unverzichtbar ist. Der Prüfstand muss eine gute Auslastung erreichen oder Komponenten müssen in Totzeiten anderweitig genutzt werden können. Die Benutzung muss durch das Personal schnell erlernbar sein, damit das Potenzial des Prüfstands schnell ausgenutzt werden kann. Aus Anwendersicht stehen Flexibilität, Modularität, Erweiterbarkeit und kurze Umbauzeiten im Vordergrund. Selbstverständlich darf dabei die Bedienbarkeit nicht auf der Strecke bleiben. Die Lösung bietet ein HIL-System, dessen Aufbau in Bild 1 dargestellt ist. Die zu testende ECU (1) ist mit ihren Schnittstellen an die crio-signalkonditionierung (2) angeschlossen. Die crio-module erlauben einen schnellen Umbau und können bei einem Defekt einzeln ersetzt werden, was die Ausfallzeiten reduziert. Als crio-chassis wurde eine MXI-Variante ausgewählt, da sie hohe Performance bietet und durch Reihenschaltung einfach erweiterbar ist. Optional ist zwischen ECU und Signalkonditionierung zusätzlich eine Fault-Insertion-Unit (FIU) (3)

3 Bild 1: Aufbau des HIL-Systems integriert, mit der man elektrische Fehler einprägen kann, welche die Steuerung erkennen können muss. Diese FIU ist portabel, so dass sie später auch im Prototypen für Fehlertests einsetzbar ist. Der HIL-Simulator (4) ist ein standard Desktop-PC der höheren Leistungsklasse, auf dem die VeriStand Real-Time-Engine läuft. Die Nutzung von Echtzeitrechnern auf PC-Basis bietet sich an, da ein Hardware-Upgrade jederzeit kostengünstig möglich ist. Auf dem Echtzeit-PC läuft das Maschinenmodell (5), welches mit Hilfe von dem Multidomänen-Simulationswerkzeug SimulationX [1] erzeugt wurde. Es errechnet anhand der gemessenen Ventilströme die Maschinenreaktionen und stellt die entsprechenden Sensorwerte bereit. Diese werden von der Signalkonditionierung elektrisch generiert und stimulieren das Steuergerät. Zusätzlich zum physikalischen Modell der Maschine wurden bei Hydrive Engineering noch Simulationsmodelle für die Sensoren entwickelt, die sowohl Fertigungstoleranzen als auch Sensorfehler abbilden können, siehe Bild 2. Dies ist erforderlich, um die Robustheit der Software gegenüber vom Nominalwert abweichenden Sensorgrößen zu untersuchen. Die Sensormodelle können auch eine Hilfestellung für die Risikobewertung geben, indem Montagefehler simuliert werden, beispielsweise der Einbau eines Sensors in verkehrter Richtung nach Wartungsarbeiten.

4 Bild 2: Fehlverhalten von Sensoren Die Bedienung des Prüfstands erfolgt über den Workspace von VeriStand (6), auf dem die wesentlichen Instrumente als virtuelles Cockpit zusammengestellt sind. Modellparameter für das Maschinenmodell und die Sensormodelle lassen sich ebenso darüber steuern. Weiterhin sind am Prüfstand auch reale CAN-Joysticks installiert. So kann der Benutzer erstens die Zuordnung der Achsen und Knöpfe überprüfen und zweitens weitere Software-Funktionen direkt nach der Implementierung realitätsnah testen. VeriStand verfügt über eine offene Schnittstelle (API), über die zusätzliche Software, z.b. ECU-TEST [2], Zugriff auf den HIL-Simulator erhält. Mit ECU-TEST kann man Testfälle definieren, die automatisiert durchgeführt werden sollen. Anschließend wird das Ergebnis in Form eines Reports automatisch dokumentiert. Die langjährige Erfahrung der Testabteilung fließt in eine wiederverwendbare Testbibliothek und geht auch bei Personalwechsel nicht verloren. Der Nutzen des Prüfstands zeigt sich bereits in der Entwicklungsphase der Software. Durch die verbesserten Testmöglichkeiten wird frühzeitig ein höherer Reifegrad der Software erreicht, bevor sie das erste Mal am Prototypen zum Einsatz kommt. Dies führt zu einer deutlichen Reduzierung der Inbetriebnahmezeit. Elektrische Fehler mussten bisher mit hohem Zeitaufwand manuell durchgeführt werden. Mit ECU-TEST können nun in einem Testprogramm die Reaktionen der ECU auf sämtliche elektrischen Fehler automatisiert abgeprüft werden. Zusätzlich können systematisch alle Sensorparameter manipuliert werden, um die Software-Robustheit gegenüber Fertigungstoleranzen zu prüfen. Bevor ein Software-Update veröffentlicht wird, kann man am Prüfstand alle aus der Vergangenheit bekannten kritischen Situationen mit der neuen Version durchspielen. Ebenso können aus dem Feldeinsatz gemeldete

5 Probleme leicht reproduziert und der Ursache auf den Grund gegangen werden. Ausblick Die oben beschriebene Methode der hand coded Software-Tests erfordern einen großen Implementierungsaufwand. Die Vielzahl von Kombinationen der Eingabegeräte, Maschinenzustände und Umgebungsbedingungen verlangen neue Teststrategien um die Testabdeckung signifikant zu erhöhen. Die Software TestWeaver [3] wendet strategische Methoden an, um die Steuerung in einen fehlerhaften Zustand zu bringen. Dafür erzeugt TestWeaver selbständig Tests, die anhand von zwei global geltenden Angaben generiert werden: 1. Welche Eingabegrößen sollen genutzt werden? Und 2. Wann gilt der Zustand der Software als fehlerhaft? Diese generated Tests sind ein hervorragender Ansatz, um zufällige Fehler in der Software zu finden und die Robustheit zu überprüfen. Zusammenfassung Der steigende Funktionsumfang elektronischer Steuerungen für mobile Arbeitsmaschinen bedarf neuer Teststrategien bei der Software- Entwicklung, um den Reifegrad signifikant zu erhöhen und die Inbetriebnahmezeit zu senken. Im Rahmen dieses Beitrags wurde ein HIL- System vorgestellt, dessen Nutzen anhand von praxisnahen Szenarien belegt wurde. Es erfüllt die Anforderungen von kleinen und mittelständischen Unternehmen und hat schon bei mehreren Projekten seine Tauglichkeit bewiesen. Der Prüfstand ist anpassbar an alle Steuergeräte, lässt sich schlüsselfertig konfigurieren und ermöglicht somit den Anwendern eine einfache und effiziente Nutzung. [1] SimulationX ist ein Produkt der Firma ITI Gesellschaft für ingenieurtechnische Informationsverarbeitung mbh, Dresden [2] ECU-TEST ist ein Produkt der Firma TraceTronic GmbH, Dresden [3] TestWeaver ist ein Produkt der Firma QTronic GmbH, Berlin