Software

Test Driven Design in der Mechatronik Teil 2

Milan Marinov, Jivka Ovtcharova, Ramez Awad Karlsruhe

Abbildung 4: Das Multi Domain Engineering Tool (MDET) weist auf eine fehlende Testdefinition hin.
In der Entwicklung mechatronischer Systeme spielen Tests eine wichtige Rolle, was auch die VDI-Richtlinie 2206 (V-Modell) widerspiegelt. Tests werden auf verschiedenen Ebenen durchgeführt. Die Testentwicklung erfolgt selten methodisch, sondern es werden meist Daten aus einer Vielzahl von Quellen wie etwa Anforderungsspezifikation oder Lastenheft herangezogen. Diese Quellen sind nicht immer strukturiert, was eine fehlerfreie Interpretation erschwert. Die Testentwicklung wird zudem meist intuitiv durchgeführt und erfordert ein hohes Maß an Kreativität von dem Verantwortlichen. Diese Problematik wurde in der letzten Ausgabe behandelt. Der zweite Teil des Fachbeitrags beschreibt eine funktionsorientierte Testkonfiguration mit einem Multi Domain Engineering Tool.

Die funktionsorientierte Testkonfiguration wird am Beispiel der Erweiterung der iBox Standard zu einer iBox Premium mit einem Einstrahlungssensor erklärt. Dazu werden die Funktionsstrukturen dieser Komponenten verwendet. Im Folgenden wird nicht näher darauf eingegangen, wie die Funktionsstrukturen erstellt werden. Näheres zu der Definition von Funktionsstrukturen und insbesondere zu Functional Units kann in [14] gefunden werden.

Die Solaranlage hat die primäre Funktion, Sonneneinstrahlung in elektrische Energie umzuwandeln. Die erzeugte elektrische Spannung wird mittels eines Wechselrichters angepasst. Der Wechselrichter erfasst seine Ertragswerte und sendet sie zusammen mit Statusinformationen und Alarme dem iGate, beziehungsweise der iBox. Hierzu wird eine serielle Schnittstelle (RS485) verwendet. Diese Informationen werden im iGate weiterverarbeitet. Ein wesentlicher Teil der Verarbeitung ist das Loggen (Aufzeichnen) der Werte im Speicher des iGate. Um die Daten zu speichern und erreichbar zu machen, werden sie zum Portal-Server, beziehungsweise zum Portal gesendet. Hierzu wird unter anderem eine GPRS-Verbindung benutzt. Die entsprechende Funktionsstruktur ist in Abbildung 1 zu finden. Das iGate beziehungsweise die iBox wird vor der Auslieferung ausgiebigen Tests unterzogen. Einer dieser Tests ist im UML-Aktivitätsdiagramm in Abbildung 2 gezeigt. Der Test besteht darin, die Sonneneinstrahlung und die vom Wechselrichter erzeugte Spannung zu messen. Die gemessenen, tatsächlichen Werte werden mit den Werten verglichen, die die iBox aufgezeichnet und dem Portal zugesendet hat. Bei Übereinstimmung der Werte ist der Test erfolgreich. Sollten die gemessenen und aufgezeichneten Werte voneinander abweichen, liegt ein Fehler vor. Bei Sonneneinstrahlung sollte der Wechselrichter die entsprechende eingespeiste Energie melden. Bei fehlender Einstrahlung, etwa bei Dunkelheit (in der Nacht), sollte der Wechselrichter nicht einspeisen. Die Ertragswerte auf dem Portal sollten dementsprechend gleich Null sein. Die iBox kann mittels zusätzlicher Sensoren und Aktoren erweitert werden. Diese werden über ein so genanntes IO-Modul an die iBox angeschlossen. Die iBox mit IO-Modul wird als iBox Premium gekennzeichnet. Sinnvolle Erweiterungen sind zum Beispiel Einstrahlungssensor oder Temperatursensor. Mittels dieser Sensoren wird die Qualität der gewonnenen Daten erhöht: Die eingespeiste Energie folgt nur selten genau dem Verlauf der tatsächlichen Einstrahlung. Einer der Gründe dafür ist, dass der Wirkungsgrad des Wechselrichters temperaturabhängig ist. Bei steigender Temperatur sinkt der Wirkungsgrad des Wechselrichters. Deswegen sind die Monate mit der höchsten Energieausbeute nicht im Sommer, sondern im Frühjahr. Im Weiteren wird der Einstrahlungssensor näher betrachtet. Das ist ein lichtempfindlicher Widerstand zum Erfassen der Helligkeit als Bezugsgröße für die von den Solarzellen gelieferte Leistung. Der Einstrahlungssensor wandelt die Lichteinstrahlung in einem analogen Wert (Widerstand). Dieser wird durch das IO-Modul digitalisiert und zur Weiterverarbeitung dem iGate übermittelt. Das IO-Modul signalisiert anliegendes Signal an seinen Eingängen durch jeweils eine Status-LED pro Input-Kanal. Die Funktionsstruktur des Einstrahlungssensors ist in Abbildung 3 gezeigt. Die funktionale Einheit von Sensor und IO-Modul kann vor Ort getestet werden, indem der Sensor mit einer Lichtquelle beleuchtet wird. Bei korrekter Funktion leuchtet die Kontroll-LED des IO-Moduls auf. Die Funktionsstruktur aus Abbildung 3 stellt ein Functional Unit dar, welches Funktionen, Komponenten und Tests verknüpft (siehe [3]). Dieses Functional Unit kann per Drag-and-Drop im MDET in die Funktionsstruktur der iBox Standard eingefügt werden. Neben der Funktionen und Komponenten werden hier auch die bereits definierten Tests für den Einstrahlungssensor mitübernommen. Über die einfache Übernahme von vordefinierten Tests hinaus, kann das MDET anhand der Funktionsstruktur Situationen erkennen, wo ein neuer Test benötigt wird. Für die iBox bzw. iGate und für den Einstrahlungssensor sind bereits Tests vorhanden. Diese beiden Komponenten sind voneinander funktional abhängig, allerdings existiert noch kein Test für ihre kombinierten Funktionen. Diese Situation wird vom MDET erkannt und dem Benutzer mittels eines Eintrags in der Projektstruktur mitgeteilt. Der zu erstellende Test der iBox mit Einstrahlungssensor, beziehungsweise IO-Modul, wird von den Tests der einzelnen Komponenten abgeleitet und ist im Folgenden beschrieben. Mittels des Einstrahlungssensors wird die Einstrahlung gemessen. Die Ertragswerte des Wechselrichters, sowie die Einstrahlungswerte des Sensors werden dem iGate übermittelt. Das iGate analysiert die Werte und gibt bei Abweichungen Alarme aus. Die Ertrags- und Einstrahlungswerte, sowie die Alarme werden dem Portal zugesendet, wo sie dem Benutzer zugänglich gemacht werden. Ein konkretes Testszenario für die iBox Premium mit Einstrahlungssensor wird im Folgenden beschrieben. Bei fehlender Sonneneinstrahlung, beispielsweise bei Nacht, wird der Einstrahlungssensor beleuchtet, um Sonneneinstrahlung zu simulieren. Dabei wird aber die Photovoltaikanlage nicht beleuchtet. Da keine Lichteinstrahlung an der Photovoltaikanlage vorliegt, speist der Wechselrichter keine Spannung ein. Bei korrekter Funktion der iBox Premium sollte die iGate aus den Werten des Wechselrichters und des Sensors ableiten, dass ein Problem vorliegt: Eine Lichteinstrahlung ist vorhanden (Lichtsensor), aber es wird keine Spannung eingespeist (Wechselrichter). Deswegen sollte das iGate einen entsprechenden Alarm generieren und dem Portal senden. Dieser Alarm sollte dann über das Portal für den Benutzer zugänglich gemacht werden. Nun kann durch eine Kontrolle des Portals festgestellt werden, ob der Alarm erwartungsgemäß angekommen ist. Durch die Verwendung der Funktionsstruktur zur standardisierten Darstellung von Wissen über das System wird die Qualität der Tests erhöht. Auf der einen Seite wird dadurch die automatisierte Abdeckung der Produktfunktionen mit Tests unterstützt. Somit werden die benötigten Tests tatsächlich entworfen. Auf der anderen Seite können mit Hilfe der Funktionsstruktur Kundenanforderungen genauer interpretiert und umgesetzt werden. Die unternehmens- und disziplinübergreifende Produktentwicklung wird dadurch unterstützt, dass eine einheitliche, rechnerverarbeitbare Sprache zur Beschreibung des Produkts verwendet wird. Dadurch wird eine einheitliche Darstellung von funktionalen Zusammenhängen zwischen Mechanik, Elektronik und Software ermöglicht. Die Funktionsstruktur bildet zusammen mit den Tests eine aussagekräftige Kommunikationsbasis zwischen Lieferant und Auftraggeber. Auf dieser Grundlage kann eine optimale Aufteilung der Aufgaben der Testerstellung und der Umsetzung der Kundenanforderungen durchgeführt und eine bessere Verteilung der Verantwortlichkeiten erreicht werden. Da die Funktionsstruktur als ein semantisches Backbone des Produkts dient, kann eine produktlebenszyklusorientierte Pflege der Tests umgesetzt werden. In diesem Sinne kann Feedback über die Qualität der Tests beziehungsweise über die Qualität des Produkts funktionsorientiert verwaltet werden. Basierend auf dem expliziten Produktwissen wird eine Entscheidungsunterstützung bei der Auswahl von durchzuführenden Tests angeboten. Dies ermöglicht ein gezieltes, effizienteres Testen: Eine Produktkonfiguration beziehungsweise Testkonfiguration, die sich in der Praxis bewährt hat, kann mit weniger Aufwand getestet werden. Produktkonfigurationen, die noch nicht in der Praxis erprobt wurden oder negatives Feedback bekommen haben, können dagegen mit einer höheren Priorität getestet werden. -sg-

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Literaturquellen

[1] Beck, Kent: »Extreme Programming Explained: Embrace Change«, Addisson-Wesley, Boston 2003

  1. G., »Ein Beitrag zur Funktionsstrukturentwicklung innovativer Produkte«, Dissertation RPK, Shaker Verlag, 2000
  2. M., Schubert, P., »Funktionsorientiertes Change-Management«, CADCAM Report, Dressler Verlag, Ausgabe 09/08, pp.40-43, 2008
  3. Andreas; Linz, Tilo: »Basiswissen Softwaretest«, 3. Auflage, dpunkt Verlag, Heidelberg 2005
  4. 2206, »Entwicklungsmethodik für mechatronische Systeme«, Düsseldorf, VDI-Verlag, 2004
  5. M.: »Auswertung von Testergebnissen für die Vervollständigung von Testcases im Hinblick auf die testgetriebene Produktentwicklung anhand ausgewählter Beispiele«, Diplomarbeit IMI, 2007

Institute for Information Management in Engineering (IMI), Karlsruhe Tel. 0721/608-6634, http://www.imi.uni-karlsruhe.de

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