System- und Integrationstests für kontinuierliche Integration virtualisierter Steuerungsanwendungen unter Nutzung von Service-Virtualisierung (SITVIS)

• Antragsteller: Dr.-Ing. Armin Lechler
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 569217200

Der Wandel der industriellen Produktionstechnik von starren, hierarchischen Systemen zu flexiblen und anpassungsfähigen Systemen ist Gegensand heutiger Forschung. Der Paradigmenwechsel soll durch Software-defined Manufacturing (SDM) erfolgen. Für die Umsetzung von SDM ist eine Trennung zwischen Infrastruktur und Funktionalität notwendig. Um Infrastruktur und Funktionalität weitestgehend zu entkoppeln und eine Flexibilisierung der Ressourcennutzung zu ermöglichen, werden anstatt klassischer Hardware Steuerungen, welche über einen Feldbus starr mit der Maschine gekoppelt ist, virtualisierte speicherprogrammierbare Steuerungen (vPLCs) eingesetzt. Die Ausführzeit des Steuerungscodes der vPLC ist abhängig von den verfügbaren Rechenressourcen (z.B. CPU, RAM, Bandbreite, Netzwerk). Steuerungsanwendungen haben harte Echtzeitanforderungen, weshalb zusätzlich zu der Korrektheit des Ergebnisses, auch der Zeitpunkt zu welchem dieses vorliegt, überprüft werden muss. Durch die Entkopplung von Anwendung und Infrastruktur werden kontinuierliche Anpassungen an der Produktionsfunktionalität ermöglicht. In der Informationstechnik (IT) wird das Konzept von kontinuierlicher Integration und Bereitstellung (CI/CD) für Anpassungen von Software verwendet. In Vorarbeiten wurde evaluiert, dass die Anwendung von CI/CD für virtualisierte Echtzeitanwendungen bislang nicht möglich ist, weil die Tests in der Integrationsphase das Zeitverhalten der Anwendungen nicht für das Produktivsystem emulieren können. Somit sind Systemtests, welche durch heutige Hardware-in-the-Loop (HiL) Simulationen in der Automatisierungstechnik verwendet werden, für virtualisierte Echtzeitanwendungen nicht ausreichend. Bei der HiL Simulation werden die Ein- und Ausgänge der Steuerung mit dem konfigurierten Testaufbau verknüpft. Die Simulation gibt Signale an die Steuerung, die Rückgabewerte liefert, welche die Simulation wiederrum beeinflussen, um die Software zu testen. Durch HiL Simulation lässt sich das Verhalten der Anlage bei der Ausführung der Steuerungssoftware simulieren, nicht aber das Verhalten von Compute-Ressourcen. Für Hardware Steuerungen ist das Verfahren aussagekräftig, nicht aber für virtualisierte Steuerungen, weil das Maschinenverhalten von der Steuerung abhängt und das Verhalten der Steuerung von der Rechenressource des Testsystems. In der Vorhabensbeschreibung wird herausgestellt, dass es notwendig ist, das Verhalten des Produktivsystems auf dem Stagingsystem zu emulieren, um virtualisierte Echtzeitapplikationen zuverlässig zu testen und damit die Umsetzung von CI/CD für Automatisierungsanwendungen zu ermöglichen. Hierfür sollen zunächst Emulationsmethoden zur Umsetzung von Servicevirtualisierung als Abstraktionsschicht betrachtet und evaluiert werden. Anschließend sollen Methodiken zur Umsetzung von Integrations- und Systemtests entwickelt werden, welche durch die Integration in die Echtzeit-Orchestrierung des SDM-Demonstrators des Instituts validiert werden sollen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Mitverantwortlich: Professor Dr.-Ing. Alexander Verl