Anwendung der SPES Methodik EC 3 Mechatronik und Software. Ulrich Löwen, Siemens AG. München - Ottobrunn,

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1 Anwendung der SPES Methodik EC 3 Mechatronik und Software Ulrich Löwen, Siemens AG München - Ottobrunn,

2 Partner und Team EC 3 Fortiss 2

3 Anwendungskontext und Ziele von EC 3 Mechatronik in der Automatisierung Software-Entwicklung getrieben durch Mechanik/Elektrotechnik, Änderungen bei Mechanik und Elektrotechnik ändern Randbedingungen für Software Funktionale Planung der Anlage in Modulen ohne technische Realisierung in räumlich konzentrierten mechatronischen Modulen zu erzwingen Fragestellungen Identifikation kritischer, struktureller Abhängigkeiten aus Mechanik/ Elektrotechnik heraus an die Software und deren konkreter Auswirkungen auf die Software Erwartung an modellbasierten Ansatz Beherrschung von Risiken aufgrund von Änderungen Mechatronik in Automotive Stark komponentengetriebener Variantenprozess aus elektromechanischen und Software-Komponenten Kunden wählen mechatronisches System mit kundenspezifischen Leistungsmerkmalen Optimierung mechatronischer Systeme unter Einhaltung der Leistungsmerkmale Fragestellungen Wie weit darf ein elektromechanisches System seine Eigenschaften verändern, so dass die Software das System weiter zuverlässig steuern kann und Leistungsmerkmale des mechatronischen Systems eingehalten werden Erwartung an modellbasierten Ansatz Validierung von Designentscheidungen nicht erst im Prototypenstadium 3

4 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) 4

5 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 5

6 Domänenspezifische Anwendung: Automatisierungstechnik 6

7 Artefakte entlang des Engineering-Prozess Requirements Engineering Conceptual Engineering Basic Engineering Detailed Engineering Installation, Commissioning Given by Customer Design of technological Process Entry Dissolution Screening Floatation Concentrating Dispersion Bleaching Stacking Design of technical System Detailed design of technical system especially of automation system Automation requirement specification, e.g. VDI/VDE 3694 Block Diagram PFD P&ID Automation requirement specification, e.g. VDI/VDE 3694 P&ID PCT specifications Quantity structure automation system Typicals Automation design specification, e.g. VDI/VDE 3694 CFC, SFC HMI pictures Process variables Hardware configuration Wiring charts Etc. Software and context Software 8

8 Heutige Werkzeugkette mit COMOS und SIMATIC PCS 7 Seawater Pumping Pre- and Cartridge Filtration High Pressure Pumps Reverse Osmosis Racks Drinking Water Net MS Office COMOS SIMATIC PCS 7 Software Functional View Software Logical View Software Technical View Requirements Plant Design Electrical Functional View Electrical Logical View Electrical Technical View 9

9 Grundsätzliche 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 10

10 SPES 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 11

11 SPES 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 12

12 SPES 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 13

13 SPES 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 14

14 SPES 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 15

15 Schlussfolgerungen aus der Anwendung SPES Klare Strukturierung der Engineering-Artefakte des Entwicklungsgegenstand einschließlich der 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 Automatisierungstechnik Verbesserte Integration der Gewerke über tiefe Einbindung in den Kontext, beispielsweise mittels technologischer Hierarchie Entwicklungsgegenstand Betrachtungsgegenstand Entwicklungsgegenstand Betrachtungsgegenstand 16

16 Methoden und deren Anwendung: Parametrische Verifikation von hybriden Automaten 20

17 Fallbeispiel Experimentelle Bremse Experimentelles elektro-mechanisches Bremssystem Elektromotor bewegt Bremszange an Bremsscheibe und erzeugt damit Bremskraft Kraftübertragung mittels Getriebe Über Spannung am Elektromotor kann Bremskraft eingestellt werden Bremszange DC- Motor Getriebe Bremsscheibe Spannung Motormoment Kraft Position Kraft Ruhe Positionierung Bremsen physikalische Wirktopologien Physikalische Wirktopologien Ruhe: keine Bremsanforderung, keine Regelung erforderlich Positionierung: Bremszange bewegt sich zur Bremsscheibe (Bremsung angefordert) oder davon weg (Bremsung nicht mehr angefordert), Position muss eingeregelt werden Bremsen: Bremszange berührt Bremsscheibe, Bremskraft muss eingeregelt werden 21

18 Fragestellungen, Lösungsansätze und Beispiel Fragestellungen: Wie reagiert das System auf Änderungen von (physikalischen oder Software-) Parametern? 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 Beispiel: Hybrides Modell abgeleitet aus Simulationsmodell mit nachfolgender Parameteranalyse Simulationsmodell Verifikationsmodell Parameteranalyse 22

19 Durchgeführte 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 26

20 Zusammenfassung und Fazit 31

21 Zusammenfassung 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) 32

22 Poster und Demos Engineering-Beziehungen und Wiederverwendung am Fallbeispiel Meerwasserentsalzungsanlage Verification of Systems in Physical Contexts 33