Matthias Römer. Rechnergestützte Analyse des Kommunikationsverhaltens feldbusfahiger Automatisierungsgeräte

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1 Matthias Römer Rechnergestützte Analyse des Kommunikationsverhaltens feldbusfahiger Automatisierungsgeräte Herausgegeben von Prof. Dr.-Ing. Klaus Bender Technische Universität München in der Reihe Informationstechnik im Maschinenwesen Uli Herbert Utz Verlag - Wissenschaft München 2004

2 halt EINLEITUNG 1 1 Motivation der Arbeit 1 2 Gliederung der Arbeit 3 DIE FEHLERANALYSE BEIM KONFORMITÄTSTEST FELDBUSFÄHIGER AUTOMATISIERUNGSGERÄTE 5 1 Offene Feldbussysteme in der Automatisierungstcchnik Einordnung des Feldbusses in die Domäne der Automatisierungstcchnik Strukturierung offener Kommunikation nach dem ISO/OSl-Referenzmodeli Offene Feldbussvsteme und ihre Einordung in das ISO/OSl-Referenzmodell Nutzen und Verbreitung ottener Feldbussysteme 13 2 Der Konformitätstest feldbusfähiger Automatisierungsgeräte Der Begriff des Konformitälstests Die Bedeutung des Konformitätstesls aus Anwender- und Herstellersicht Vergleich paarweiser Test und Test gegen Testreferenz Klassifizierung des Konformitätstests nach den durchführenden Parteien Der Kon form ilälstest durch unabhängige Prüfinstitutionen 20 3 Methoden und Grenzen des Konformitätstests Formaler Ablauf des Konformitälstests Standardisierte Methoden des Konformitätstests Grenzen des Kon form itätslests 24 4 Die Analyse von Kommunikationsvcrhalten Motivation für eine Analyse von Kommunikalioiisverhalten Eingrenzung des Anwendungsbereichs der Fehleranalyse Anforderungen an das Ergebnis der Fehleranalyse Voraussetzungen für den Durchführenden der Fehleranalyse Begriffsdefinitionen und Zusammenfassung 31 5 Resultierende Problemstellung Mangelnde Verfügbarkeit von Prüfexpertise Auswirkungen mangelnder Verfügbarkeit von Prüfexpertise Bedarf nach einer einheitlichen Fehlerbesehreibung 36

3 Vlil Inhalt Aufgabenstellung 37 3 METHODEN FÜR SPEZIFIKATION, TEST UND FEHLERANALYSE ZUSTANDSAUTOMATENBASIERTER PROTOKOLLE Modellierungskonzept und Spezifikationsform von Protokollen Abgrenzung /wischen Modellierungskonzept und Spezifikationsform Das Modellierungskonzept der erweiterten endlichen Zustandsautomaten Formale Spezifikationsformen ftir zustandsautomatenhasierte Protokolle Nutzen und Anwendung formaler Spezifikationsformen Modellierungskonzept und Spezifikalionsform bei der Fehleranalyse Test zustandsautomatenbasierter Kommunikationsprotokolle Verfahren der Festfallermittlung Methoden des Konform itätstests nach IS Realisierung von Konformitätstest und Fehleranalyse mit Früfsystemen Mutzen von Testmethoden für die Fehleranalyse Formale Beschreibungstechniken beim Konformitätstest Formale Beschreibungssprachen Tür TestPälle Techniken zur formalen Dalenbesehreibung Kodierungsregeln und ihre formale Beschreibung Bewertung der untersuchten formalen Beschreibungstcehnikcn Bewertung von Analyseverfahren Analyseverfahren Strukturmodelle und Funktionale Modelle bei 'lest und Fehleranalyse Fehlermodelle bei zustandsaulomalenbasierlen Kommunikationsprotokollen Anwendung von Analyse verfahren bei Feidbussystemen Zusammenfassende Bewertung 69 4 EINE METHODE FÜR DIE RECHNERGESTÜTZTE FEHLERANALYSE l.in Modellierungskonzept für Kommunikationsverhalten Hrweiterte endliche Zustandsautomaten Ableiten endlicher Zustandsautomaten aus erweiterten Automaten Definition endlicher Zustandsautomaten Figenschalten endlicher Zustandsautomaten Fehlermodell für indeterministische endliche Zustandsautomaten Grenzen einer Fehleranalyse und Zusammenfassung 84

4 Inhalt 4.2 Anforderungen an eine Fehlcrdiagnose Fehlerdiagnose bei Beobachtbarkeit von Zuständen Eine Fehlcrdiagnose mit günstiger Annahme von Zuständen Idenlifizierbarkeit der zutreffenden Fehlerdiagnose Kritische Bewertung der Ergebnisse und weiteres Vorgehen Das Konzept einer vollständigen Fehlerdiagnose Vollständige Fehlerdiagnose bei einer Eingabe und einer Ausgabe Vollständige Fehlerdiagnose bei einer Folge von Ein- und Ausgaben Graphische Beschreibung der vollständigen Fehlerdiagnose Erweiterung um erwartetes Kommunikalionsverhalten Eine Fehleranalyse auf Basis von Tcstfällen Motivation für eine lestfallbasierte Fehleranalyse Ermittlung der vollständigen Fehlerdiagnose aus einem Testfall Ausfiihrbarkeitsbedingung von Testfällen mit Zustandsangaben Ein Verfahren für die Reduktion von Tcsttällen Ermittlung der Folge beobachteter Ausgaben Übersicht über das Lösungskonzept und weiteres Vorgehen Formalisicrung von Fehlerdiagnose und Testfall Definition elementarer Bestandteile von Fehlcrdiagnose und Testlall Der Bezeächnungsoperator Der Schritt als elementarer Bestandteil von Fehlerdiagnose und Testfall Aggregation von Schritten Definition der vollständigen Fehlcrdiagnose Definition des vollständigen Testfalts Definition von reduziertem 'festschritt und reduziertem Testfall Algorithmen für eine testfallbasierte Fehleranalyse Definition der Ausführbarkeitsbedingung Algorithmus zur Ermittlung des reduzierten Testfalls Algorithmus zur Ermittlung der Ausgabefolge y Algorithmus zur Ermittlung der vollständigen Fehlerdiagnose Zusammenfassung DEFINITION UND ANWENDUNG EINER FORMALEN SPRACHE FÜR DIE FEHLERANALYSE Bewertung formaler Beschreibungstechniken Formale Sprachen 135

5 5.1.2 Anforderungen an die Bcschrcibungssprache und ihre Metasprache Bewertung formaler Bcschrcibungstechniken Motivation für die erweiterbare deklarative Sprache XML Definition einer XML-basiertcn Beschreibungssprache Syntaxdefinition mit XML-Schemas XML-Schemadefinition von Sehritten und ihrer Aggregation XML-Schemadefinition von Fehlerdiagnose und vollständigem Testfall XML-Schemadefinition von reduziertem Testläll und Festschrift XML-Schemadefinition einer Testreihe XML-Schemadefinition für schichtenorientierte Fcldbussystcme Strukturierung der XML-Schemadefinition Konzept der Feldbusadaption ! ierausforderungen bei der Realisierung von Test und Fehleranalyse Der Upper Fester beim Konformitätstest feldbusfäfiiger Geräte Der Lower Tester beim Konformitätstest feldbusfahiger Geräte Konzept der Feldbusadaption bei der Erzeugung ablauffähiger Tesllalle Konzept der Feldbusadaption bei der Fehleranalyse Konzept der Prüfsystemadaption Erzeugung ablauffähiger Testfälle Unvollständig spezifizierte PDUs Erzeugung ablauffähiger Tcstfälle mit Behandlung unvollständiger PDUs Intbrmationsbcreilstellung für die Erzeugung der Fehlerbeschreibung Zusammenfassung PROTOTYPISCHE REALISIERUNG EINER RECHNERGESTÜTZTEN FEHLERANALYSE Realisierung von Algorithmen zur Fehleranalyse Einführung in das Document Objekt Model (DOM) Realisierung Algorithmus zur Ermittlung des reduzierten Testfalls Realisierung Algorithmus zur Ermittlung der Folge beobachteter Ausgaben Realisierung Algorithmus zur Ermittlung der vollständigen Fehlerdiagnose Realisierung der Feldbusadaption Kodier- und Dekodierfunklionalität auf Basis formaler Beschreibung Herausforderungen aus einer beschreibungsbasierten Kodierfunktionalität Erzeugung von feldbusspezifischen XML-Sehemadefinitionen aus ASN.I Zusammenfassender Oberblick über die Realisierung der Feldbusadaption 196

6 Matt XI 6.3 Realisierung der Priifsystemadaption Konzept für die Erzeugung ablauffähiger Testfälle Verarbeitung eines reduzierten Testfalls Verarbeitung eines reduzierten Testschritts Rechnergestützte Fehleranalyse am Beispiel PROF1BUS i Übersicht über die Durchführung der rechnergestützten Fehleranalyse Ausschnitt aus dem erweiterten endlichen PROFI BUS-Zustandsautomaten Ableiten von endlichen Zustandsautomaten Beispiel eines Testfalls für einen indeterministischen Zustandsautomalen Fehleranalyse bei einem indeterministischen Zustandsautomaten Beispiel eines Testfalls für einen deterministischen Zustandsautomaten Fehleranalyse bei einem deterministischen Zustandsautomaten Abschließende Bewertung der prototypischen Realisierung ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Zusammenfassung Ausblick 221 ANHANG A 1 : LITERATUR 223 ANHANG A 2 : XML-SCHEMA TESTSUITE.XSD 239 ANHANG A 3 : XML-SCHEMA TESTCASE.XSD 240 ANHANG A 4 : XML-SCHEMA DIAGNOSIS.XSD 241 ANHANG A 5 : XML-SCHEMA STEP.XSD 242 ANHANG A 6 : XML-SCHEMA RTESTCASE.XSD 243 ANHANG A 7 : XML-SCHEMA RSTEP.XSD 244 ANHANG A 8 : ASN.1-BESCHREIBUNG DER PROFIBUS-ASPS 245 ANHANG A 9 : XML-SCHEMA DER PROFIBUS-ASPS 246 ANHANG A 10 : ASN.1-BESCHREIBUNG VON ASP-TYPEN 247

7 Xü Inhalt ANHANG A 11: XML-SCHEMA DER PROFIBUS-ASP-TYPEN 248 ANHANG A 12: ECN-BESCHREIBUNG DER KODIERUNG VON PDUS 249