EffektiV: Virtuelle Stresstests für Roboter

Fertigungsanlagen der Zukunft, die sogenannten Cyber-Physical Production Systems (CPPS), sind hochkomplexe, intelligente Systeme, welche sich aus einer Vielzahl an heterogenen Komponenten zusammensetzen: Software, Mikroelektronik, Leistungselektronik, Sensorik, Aktorik. Den Kern von Fertigungsanlagen bilden Motion-Control-Systeme, die zur abgestimmten Ansteuerung der Anlage dienen, wie z.B. bei Förderbändern und Roboterarmen zur schnellen und sehr genauen Positions- und Bahnregelung. Zur Absicherung der funktionalen Sicherheit wie z.B. nach ISO Norm 26262 werden in der Praxis verschiedenste Verfahren angewandt: Fehlerbaumanalyse (FTA), Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA), Elektromagnetische Verträglichkeitsanalyse (EMC), aber auch Basistests mittels Simulation zur Verifikation der funktionalen Korrektheit. Den endgültigen Test der Systeme realisiert man momentan meistens noch auf Basis physikalischer Prototypen. Jedoch können aufgrund physikalischer Gegebenheiten in all diesen Tests bestimmte Fehlerfälle kaum oder gar nicht provoziert und deshalb nur schlecht oder überhaupt nicht überprüft werden. Aus diesem Grund bedient man sich seit jüngster Zeit sogenannter virtueller Prototypen, in denen die Funktionen der physikalischen Hardware durch Hardware-Ersatzmodelle, die schon frühzeitig im Entwurfsprozess zur Verfügung stehen, realisiert sind.

Das EffektiV-Projekt erforscht neue Technologien und Werkzeugketten zur Verifikation der funktionalen Sicherheit von Motion-Control-Systemen auf Basis virtueller Prototypen.

EffektiV ist ein vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördertes Forschungsvorhaben (Förderkennzeichen: 01IS13022), welchen in Kooperation mit Bosch, Siemens und Infineon als Industriepartnern durchgeführt wird.

Die Werkzeugentwicklungen basieren im Projekt auf der IEEE 1666-2011 Systembeschreibungssprache SystemC für die diskreten Anteile und auf SystemC-AMS für die analogen Systemanteile. Zur Emulation der Softwarekomponenten findet der Software-Emulator QEMU in Verbindung mit der Integration kommerzieller Werkzeuge wie MATLAB/Simulink Anwendung. Die Fachgruppe Schaltungstechnik konzentriert sich im Rahmen des Projekts auf die Entwicklung von Fehlermodellen für analoge Systemkomponenten und auf die Integration und Implementierung von Instruktionssätzen spezieller Mikrokontroller-Architekturen sowie auf den Aufbau eines Projektdemonstrators.

Die Entwicklung von analogen Fehlermodellen ist im Rahmen einer Fehlereffektsimulation allgemein nicht sehr weit fortgeschritten. Ausgehend von den Sicherheitsstandards IEC 60730 und ISO 26262 entwickelt die Fachgruppe Schaltungstechnik eine SystemC-AMS-Bibliothek zur Fehlereffektsimulation von analogen Komponenten. Dies umfasst z.B. die parametrisierte Stimulation von Frequenz- und Amplitudenschwankungen sowie Spannungsspitzen und -abfällen auf Verbindungs- und Versorgungsleitungen.

In Verbindung mit SystemC findet als virtuelle Plattform der im Quellcode offene Softwareemulator QEMU Anwendung. Die Fachgruppe Schaltungstechnik arbeitet u.a. an der Implementierung des vollständigen TriCore©-Instruktionssatzes mit über 700 Instruktionen. Eine erste Version wurde bereits mit QEMU 2.2 (wiki.qemu.org) Ende 2014 veröffentlicht. Der TriCore©-Instruktionssatz wurde von der Infineon AG definiert und findet unter anderem in den Mikrokontroller-Kernen der AURIX©- und AUDO©-Prozessoren seine Anwendung.

In Kooperation mit der Infineon Technologies arbeitet die Fachgruppe an der Implementierung eines Projektdemonstrators zur Fehlerinjektion. Dieser basiert auf dem robolink®-Mehrachssystem der igus GmbH.