Hardware-in-the-Loop testing of industrial automation systems using PLC languages

Thönnessen, David; Fabian, Martin; Kowalewski, Stefan

doi:10.18154/RWTH-2021-08705

Hardware-in-the-Loop testing of industrial automation systems using PLC languages = Hardware-in-the-Loop-Testen von industriellen Automatisierungssystemen mit SPS-Programmiersprachen

Thönnessen, David^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Martin Schweigler, M.Sc. RWTH

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen, Diagramme

ReiheAachener Informatik-Berichte ; 2021-10

Dissertation, RWTH Aachen University, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Kowalewski, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Fabian, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-06-21

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-08705
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/826036/files/826036.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
PLC (frei) ; automation (frei) ; hardware-in-the-loop (frei) ; simulation (frei) ; testing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 004

Kurzfassung
Das Testen von industriellen Steuerungen, wie beispielsweise Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPSen), stellt spezielle Herausforderungen an den Testprozess. Insbesondere im Kontext von Cyber-physischen Produktionssystemen (CPPS) unterliegen die Steuerungssysteme einer ständigen Rekonfiguration. Daher ist es nicht länger ausreichend einzig vor der Inbetriebnahme zu testen, sondern es muss mit geringem Aufwand möglich sein, bestehende Steuerungssysteme nach deren Rekonfiguration zu testen und wieder in Betrieb zu nehmen. Unser Ansatz hierfür sieht vor, dass eine Testumgebung geschaffen wird, welche eine effiziente und modulare Testfallspezifikation erlaubt und somit leicht an geänderte Umgebungsbedingungen angepasst werden kann. Als Grundlage für diese Testumgebung haben wir die HiL-Simulation gewählt, da hierbei nicht nur das Steuerungsmodell oder -programm in den Test einbezogen wird, sondern auch die Steuerungshardware. Unsere Architektur nutzt geringfügig modifizierte SPS-Programmiersprachen zur Spezifikation von Testfällen. Dadurch vermeiden wir den Methodenbruch der entsteht, wenn dedizierte Testfallspezifikationssprachen und entsprechende Testumgebungen verwendet werden. Weiterhin haben wir unser Konzept mit der Möglichkeit einer randomisierten Testfallgenerierung versehen, sodass eine Vielzahl von Testfällen generiert und getestet werden kann, ohne dass ein Tester diese manuell spezifizieren muss. Unsere Hypothese ist, dass dies zu schneller und zuverlässiger anpassbaren Testfällen führt und somit die gewünschte Agilität schafft. Die Evaluation unserer Implementierung zeigt, dass insbesondere bei Entwicklern, welche mit SPS-Programmiersprachen vertraut sind, eine Steigerung der Effizienz bei der Implementierung gegenüber bestehenden Testwerkzeugen erreicht wird. Des Weiteren zeigen wir beim randomisierten Testen von Sicherheits-SPSen, dass unser Testwerkzeug kritische Fehler in Steuerungssystemen finden kann, welche mit traditionellen Testmethoden nur bedingt gefunden worden wären. Aus diesen Ergebnissen schließen wir, dass das hier vorgestellte Konzept eine wertvolle Ergänzung zu existierenden Testmethoden darstellt und gut auf die Anforderungen von CPPS zugeschnitten ist.

Testing industrial controllers such as Programmable Logic Controllers (PLCs) poses specific challenges to the test process. Especially in the context of Cyber-Physical Production System (CPPS) the control systems are subject to continuous reconfiguration. Therefore, it is no longer sufficient to test solely before commissioning, but it must bepossible to test existing control systems after their reconfiguration with low effort and to put them back into operation.Our approach for this is to develop a test environment that allows an efficient and modular test case specification and can therefore be easily adapted to changing environmental conditions. We have chosen Hardware-in-the-Loop (HiL) simulation as the basis for this test environment since not only the control model or control program is includedin the test, but also the control hardware. Our architecture uses slightly extended PLC programming languages to specify test cases. Thus, we avoid the change in methodology that occurs when using dedicated test case specification languages and corresponding test environments. Furthermore, we have provided our concept with the possibility of randomized test case generation, such that a large number of test cases can be generated and tested without a tester having to specify them manually. Our hypothesis is that this will lead to faster and more reliable customizable test cases and thus create the desired agility. The evaluation of our implementation shows that especially developers who are familiar with PLC programming languages can achieve an increase in testing efficiency compared to existing test tools. Furthermore, by randomized testing of Safety Programmable Logic Controllers (Safety PLCs), we show that our test tool can find critical errors in control systems, which would have been found with traditional test methods only to a limited extent. From these results we conclude that the concept presented here is a valuable addition to existing test methods and well-tailored to the challenges of CPPS.

OpenAccess:
PDF
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