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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen von Gerätebeschreibungen
für Feldgeräte der Automatisierungstechnik
gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
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In
der Prozessautomatisierungstechnik und Farbikautomatisierungstechnik
werden vielfach Feldgeräte
eingesetzt, die zur Erfassung und/oder Beeinflussung von Prozessvariablen
dienen. Beispiele für derartige
Feldgeräte
sind Füllstandsmessgeräte, Massendurchflussmessgeräte, Druck-
und Temperaturmessgeräte,
pH-Redoxpotential-Messgeräte,
Leitfähigkeitsmessgeräte etc.
für die
Prozessautomatisierungstechnik, die als Sensoren die entsprechenden
Prozessvariablen Füllstand,
Durchfluss, Druck, Temperatur, pH-Wert bzw. Leitfähigkeitswert
erfassen.
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Zur
Beeinflussung von Prozessvariablen dienen Aktoren, z. B. Ventile,
die den Durchfluss einer Flüssigkeit
in einem Rohrleitungsabschnitt steuern oder Pumpen, die den Füllstand
in einem Behälter verändern.
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Eine
Vielzahl solcher Feldgeräte
wird von der Firma Endress + Hauser® hergestellt
und vertrieben.
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Häufig sind
Feldgeräte über Kommunikationssysteme
(Profibus®,
Foundation®-Fieldbus, HART® etc.)
mit übergeordneten
Einheiten verbunden. Diese übergeordneten
Einheiten mit ihren entsprechenden Anwendungsprogrammen dienen u.
a. zum prozessnahen Asset-Management.
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Die
Integration der Feldgeräte
in Anwendungen von übergeordneten
Einheiten erfolgt über
Gerätebeschreibungen.
Diese Gerätebeschreibungen werden
von den Geräteherstellern
bereitgestellt, damit übergeordnete
Einheiten die Bedeutung der von den Feldgeräten gelieferten Daten erkennen
und interpretieren können.
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Es
sind verschiedene Gerätebeschreibungen
für die
unterschiedlichen Feldbussysteme bekannt (HART-Gerätebeschreibungen,
Fieldbus Foundation Gerätebeschreibungen,
Profibus-Gerätebeschreibungen).
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In
Zusammenarbeit der Fieldbus Foundation (FF), der HART Communication
Foundation (HART CF) und der Profibus Nutzerorganisation (PNO) wurde
eine elektronische Gerätebeschreibung
(Electronic Device Description EDD) geschaffen, die in der Norm
IEC 61804-2 definiert ist.
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Mit
einer Vielzahl von weltweit installierten EDD-basierten Feldbussystemen
(FF, HART, Profibus) ist EDD eine wichtige und sehr verbreitete
Beschreibungssprache für
Gerätebeschreibungen
in der Automatisierungstechnik.
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Zur
Bedienung der Feldgeräte
sind entsprechende Bedienprogramme (Bedientools) notwendig, die
auf den übergeordneten
Einheiten entweder eigenständig
ablaufen (Endress + Hauser FieldCare, Pactware, AMS Fisher-Rosemount, PDM Siemens) oder
aber auch in Leitsystem-Anwendungen (Siemens PCS7, ABB Symphony,
Emerson Delta V) integriert sind.
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Für eine vollumfängliche
Bedienung der Feldgeräte
sind seit kurzem spezielle Gerätebeschreibungen,
so genannte DTMs (Device Type Manager), die den FDT (Field Device
Tool) Spezifikationen entsprechen, erhältlich. Die als Industriestandard
geltenden FDT-Spezifikationen wurden von der PNO (Profibus Nutzer
Organisation) in Zusammenarbeit mit dem ZVEI (Zentralverband Elektrotechnik- und
Elektroindustrie) entwickelt. Die aktuelle FDT-Spezifikation 1.2.1
inklusive dem Addendum für die
Kommunikation „Foundation
Fieldbus" ist über den
ZVEI bzw. die PNO bzw. die FDT-Group erhältlich.
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Viele
Feldgerätehersteller
liefern bereits für ihre
Feldgeräte
entsprechende DTMs aus. Die DTMs kapseln alle Variablen und Funktionen
des jeweiligen Feldgeräts
und bieten meist eine graphische Nutzeroberfläche zum Bedienen der Geräte an. Gerätespezifischen
Gerätebeschreibungen
können
bereits via Internet-Verbindung von Servern der entsprechenden Gerätehersteller
heruntergeladen werden.
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Mit
Hilfe von DTMs ist eine geräte-
und herstellerübergreifende
Bedienung von Feldgeräten
mit entsprechenden Bedienprogrammen möglich.
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Als
Laufzeitumgebung benötigen
die DTMs eine Rahmenapplikation (FDT-Frame). Die Rahmenapplikation und die
entsprechenden DTMs erlauben so einen sehr komfortablen Zugriff
auf verschiedene Variablen der Feldgeräte (z.B. Geräteparameter, Messwerte,
Diagnoseinformationen, Statusinformationen, etc.) sowie den Aufruf
von speziellen Funktionen, die einzelnen DTMs zur Verfügung stellen.
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Rahmenapplikationen
und DTMs arbeiten nach dem Client-Server-Prinzip.
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Da
die Feldgeräte über DTMs
bedient werden, sind umfangreiche Funktionstests notwendig, um zu
gewährleisten,
dass die DTMs einwandfrei arbeiten.
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Diese
Funktionstests haben insbesondere auch einen sicherheitskritischen
Aspekt, da auch sicherheitskritische Einstellungen an Feldgeräten mit DTMs
vorgenommen werden.
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Eine
Möglichkeit
DTMs zu testen, bietet das Testwerkzeug dtmINSPECTOR (M&M Software GmbH,
St. Georgen). Hierzu werden umfangreiche Testscripts erstellt, die
zusammen mit dem zu testenden DTM ausgeführt werden. Im Wesentlichen
wird bei diesen Tests überprüft, ob der
DTM den FDT-Spezifikationen, also den FDT Schnittstellendefinitionen
entspricht. Die korrekte Funktion des DTMs hinsichtlich der Gerätefunktionalität wird hierbei
jedoch nicht geprüft.
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Die
Testscripts für
den dtmINSPECTOR werden einzeln von Hand erstellt. Typische Testfälle auf Basis
der FDT – Spezifikationen
werden zusammengestellt und in Testscripts umgewandelt.
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Die
Anmelderin, CodeWrights GmbH (Karlsruhe), erstellt aus herkömmlichen
Gerätebeschreibungsdateien
(HART, FF oder Profibus) mit Hilfe eines entsprechenden Werkzeugs
(DTMstudio®)
gerätespezifische
DTMs in großer
Stückzahl.
Für jeden einzelnen
DTM ein spezielles Testscript manuell zu erzeugen, das neben der
Schnittstellenüberprüfung auch
den test der Gerätefunktionalität umfasst,
ist äußerst zeitaufwendig
und kostenintensiv.
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Je
mehr Parameter ein Feldgerät
umfasst, desto höher
wird dabei der Test-Aufwand.
Komplexe Feldgeräte
können
heute bereits bis zu 1000 und mehr Parameter aufweisen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zum Testen
von Gerätebeschreibungen
für Feldgeräte der Automatisierungstechnik
anzugeben, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist, das
insbesondere die einfache Erzeugung von Testscripts erlaubt, wobei
die Testscripts möglichst
alle denkbaren Testfälle
für das
jeweilige Feldgerät
abdecken.
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Gelöst wird
diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Verfahrensmerkmale.
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Vorteilhafte
Weiterentwicklungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Nachfolgend
ist die Erfindung anhand mehreren in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiele
näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 schematische
Darstellung eines Netzwerks der Automatisierungstechnik mit mehreren Feldgeräten;
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2 schematische
Darstellung einer Kommunikationsverbindung zwischen einem Bedienprogramm
und mehreren Feldgeräten;
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3 schematische
Darstellung der Erzeugung eines Testscripts;
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4 Test
DTM online;
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5 Test
mit einem Model-Checker;
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6 Test
Kommunikations Interpreter
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7 Gerätebeschreibungsdatei
Micropilot M (auszugsweise)
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8 abstrakte
Zustandsmaschine (auszugsweise)
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9 endlicher
Zustandsautomat (auszugsweise)
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10 Testsequenz
(auszugsweise)
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In 1 ist
ein Kommunikationsnetzwerk der Prozessautomatisierungstechnik näher dargestellt.
An einen Datenbus D1 sind mehrere Rechnereinheiten (Workstations,
Host-Rechner) WS1, WS2 angeschlossen. Diese Rechnereinheiten können als übergeordnete
Einheiten (Leitsystem, Steuereinheit, Bedienstation) zur Prozessvisualisierung,
Prozessüberwachung
und zum Engineering aber auch zum Bedienen und Überwachen von Feldgeräten dienen. Der
Datenbus D1 arbeitet z. B. nach dem Profibus® DP-Standard
oder nach dem HSE (High Speed Ethernet)-Standard der Foundation® Fieldbus. Über ein
Gateway G1, das auch als Linking Device oder als Segmentkoppler
bezeichnet wird, ist der Datenbus D1 mit einem Feldbussegment SM1
verbunden. Das Feldbussegment SM1 besteht aus mehreren Feldgeräten F1,
F2, F3, F4 die über
einen Feldbus FB miteinander verbunden sind. Bei den Feldgeräten F1,
F2, F3, F4 können
es sich sowohl um Sensoren oder um Aktoren handeln. Der Feldbus
FB arbeitet entsprechend nach einem der bekannten Kommunikations-Standards
Profibus, Foundation Fieldbus oder HART. Mit dem Feldbus FB kann
temporär
auch eine tragbare Rechnereinheit BE verbunden werden.
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In 2 ist
ein Bedienprogramm, das auf einer der Rechnereinheiten WS1, WS2
oder auf der Bedieneinheit BE ablaufen kann, schematisch dargestellt.
Bei dem Bedienprogramm kann es sich z. B. um die Bediensoftware
PACTware (PACTware Consortium e.V.) oder FieldCare® (Firma
Endress + Hauser®) handeln, die beide als
Betriebssystem Microsoft Windows®, 98NT,
2000 benötigen
und die als FDT-Frame dienen. Die Rahmen-Applikation FDT-Frame ist insbesondere
verantwortlich für
die Verwaltung der DTMs in einer Projektdatenbank (projekt database),
für die
Kommunikation zum Bussystem und für die Verwaltung des Gerätekatalogs.
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In
die Rahmen- Applikation FDT-Frame sind Gerätetreiber u. a. für mehrere
Feldgeräte
integriert. Der Übersichtlichkeit
halber sind nur zwei Geräte-DTMs DTM-F1 und DTM-F2
sowie ein Kommunikations-DTM CommDTM dargestellt. Beispielsweise kapselt
der Geräte-DTM
DTM-F1 die Parameter und Funktionen des Feldgerätes F1.
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Mit
Hilfe der DTMs ist eine geräte-
und herstellerübergreifende
Bedienung der Feldgeräte
sowie der Aufbau einer Kommunikationsverbindung zwischen der Rechnereinheit
WS1 und den Feldgeräten F1,
F2, F3, F4 möglich.
So erlaubt der DTM-F1 den speziellen Zugriff auf verschiedene Informationen
im Feldgerät
F1 wie Geräteparameter,
Gerätekonfiguration,
Diagnosedaten und Statusinformationen. Erleichtert wird der Zugriff
für den Anwender
auf diese Informationen meist durch eine herstellerspezifische graphische
Benutzeroberfläche.
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Das
FDT-Konzept basiert darauf, dass in eine FDT-Frame-Applikation unterschiedliche
Feldgeräte
von unterschiedlichen Herstellern über die entsprechenden Geräte-DTMs,
die im Prinzip Treibern für
Peripheriegeräte
wie z. B. Druckern für
Standard-PCs entsprechen, in einfacher Weise integriert werden können.
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Hardwaremäßig erfolgt
die Verbindung über eine
Busanschaltung BA, den Datenbus D1, das Gateway G1, den Feldbus
FB zum Feldgerät
F1.
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In 3 ist
schematisch dargestellt, wie ein Testscript TS aus einer Gerätebeschreibungsdatei DD
erzeugt wird. DD steht allgemein für Device Description (Gerätebeschreibung)
und bezeichnet die textliche Beschreibung des Geräts bzw.
die entsprechende Datei.
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Gerätebeschreibungen
können
als System aufgefasst werden, das Zustände und Zustandsübergänge des
Feldgerätes
beschreibt. Ein Zustand ist dabei durch die Werte aller Variablen
und ggf. der aktiven Transaktionen, sowie der zur Verfügung stehenden
Funktionen einschließlich
des Bedienmenüs
definiert. Zustandsübergänge werden
definiert als die erlaubten Änderungen
der Variablenwerte. Diese Änderungen
erfolgen normalerweise durch das Editieren von Werten über die
Benutzeroberfläche
am Bedienprogramm (Bedientool oder Bedienwerkzeug). Weiterhin können Funktionen
(Methoden) Änderungen
von Variablenwerten bewirken. Die Änderung von Variablenwerten
oder das Ausführen
von Funktionen wird über
die externe Kommunikationsverbindung des Feldgerätes ausgelöst.
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Der
Inhalt einer Gerätebeschreibungsdatei ist
am Beispiel des Produkts Micropilot M FMR2xx der Fa. Endress + Hauser
auszugsweise in 7 dargestellt.
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Aus
der Gerätebeschreibungsdatei
DD-F1 für
das Feldgerät
F1 wird mit Hilfe eines Compilers C2 eine abstrakte Zustandsmaschine
DD-F1 ASM erzeugt. Abstrakte Zustandsmaschinen werden in der englischen
Literatur als Abstract State Machines bezeichnet und zum Teil auch
mit ASM abgekürzt.
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Eine
abstrakte Zustandsmaschine ist ein abstraktes Maschinenmodell, mit
dem beliebige Algorithmen, Programmiersprachen, Protokolle und andere
Systeme beschrieben und simuliert werden können.
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Zur
Beschreibung einer abstrakten Zustandsmaschine steht z. B., die
Abstract State Machine Language von Microsoft and XASM (www.xasm.org)
als Open Source Implementierung zur Verfügung wie sie in 8 auszugsweise
dargestellt ist. Derartige Sprachen eignen sich vor allem zur Erstellung
von ausführbaren
Spezifikationen.
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Diese
abstrakte Zustandsmaschine DD-F1 ASM wird noch um eine zusätzliche
allgemeine abstrakte Zustandsmaschine DDL-ASM erweitert, die aus
den Spezifikationen der Gerätebeschreibungssprache
DDL (Device Description Language) gewonnen wird. DD-F1 ASM und DDL-ASM
werden miteinander verknüpft
und bilden zusammen eine Zustandsmaschine x-DD-F1 ASM. Diese erweiterte abstrakte Zustandsmaschine
x-DD-F1 ASM wird mit Hilfe eines FSM-Generators (finite state machine
Generator) unter Zuhilfenahme von speziellen Testparametern (z.
B vorgegebene Wertebereiche für
bestimmte Datentypen) für
das Feldgerät
F1 in eine endliche Zustandsmaschine DD-F1 FSM (Finite State Machine)
umgewandelt.
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Ein
Auszug einer solchen endlichen Zustandsmaschine ist in 9 dargestellt
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Mit
Hilfe eines Testgenerators TG wird aus der endlichen Zustandsmaschine
DD-F1 FSM letztendlich ein Testscript TS-F1 für das Feldgerät F1 erzeugt.
Ein solches Testscript ist auszugsweise in 10 dargestellt.
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Die
Compiler C1 bzw C2 und die Generatoren FMS und TG sind Programme
die auf beliebigen Computer-Einheiten z. B. Standard PCs unter Windows®,
Unix® oder
Linux ablaufen. ablaufen. Sie müssen
einmal erstellt werden und können
dann für
Gerätebeschreibungen
von verschiedenen Feldgeräten verwendet
werden.
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Die
allgemeine abstrakte Zustandsmaschine DDL-ASM muß ebenfalls einmalig erstellt
werden.
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Aus
der Gerätebeschreibungsdatei
DD-F1 für
das Feldgerät
F1 kann auch mit Hilfe eines Compilers C1 (z. B. DTM Studio) ein
DTM-F1 für
das Feldgerät
F1 gewonnen werden.
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In 4 ist
der Online-Test des Feldgeräts F1
schematisch dargestellt.
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Das
Feldgerät
F1 ist dabei wie in 1 dargestellt mit einer Rechnereinheit
verbunden, die mit WS-Test bezeichnet ist. Die Rechnereinheit WS-Test ist
im Wesentlichen ähnlich
zur Rechnereinheit WS1. Neben einem DTM-Frame ist noch ein weitere Applikation,
ein Testwerkzeug „Testtool", installiert.
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Das
Testwerkzeug „Testtool" kann auf die DTMs
zugreifen, d. h. Daten an DTMs senden und von diesen abrufen.
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Die
Kommunikation kann entweder über
den FDT-Frame oder falls am DTM eine entsprechende Test-Schnittstelle
vorgesehen ist, auch über
den DTM direkt erfolgen.
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Diese
Kommunikationswege sind durch Pfeile entsprechend dargestellt.
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Zum
Testen des DTMs DTM-F1 wird das Testscript TS-F1 vom Testwerkzeug
Testtool abgearbeitet.
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Dabei
werden spezielle Parameterwerte an den DTM-F1 gesendet und von diesem
empfangen. Der DTM-F1 kommuniziert online über den Comm DTM mit dem an
dem am Feldbus FB angeschlossenen Feldgerät F1. Über den Comm DTM können Geräteparameter
auch direkt vom Testwerkzeug Testtool aus dem Feldgeräte F1 ausgelesen
bzw. in dieses geschrieben werden.
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Enthält das Testscript
TS-F1 die Anweisung Write (A, 10), so soll die Variable A im Feldgerät F1 mit
Hilfe des DTM-F1 mit dem Wert 10 (Sollwert) beschrieben werden.
Durch die direkte Abfrage des Istwerts der Variablen A aus dem Feldgerät F1 über den Comm
DTM kann anschließend
geprüft
werden, ob diese Anweisung ordnungsgemäß durchgeführt wurde. Auf diese Weise
können
alle gemäß der Gerätebeschreibung
möglichen
Zustandsübergänge durchgeführt und
geprüft
werden. Die verschiedenen Aktionen werden in einem Testreport, der
vom Testwerkzeug „Testtool" erzeugt wird, festgehalten.
Treten Abweichungen auf, d.h. Sollwerte stimmen nicht mit Istwerten überein,
so wird dies im Testreport speziell vermerkt. Diese Fehler müssen anschließend analysiert
werden um festzustellen, ob die Ursache ein fehlerhaftes Verhalten
des DTMs bzw. des Gerätes war
oder ob ein Fehler in der Gerätebeschreibung vorliegt.
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Neben
dem Online-Test mit einem angeschlossenen Feldgerät ist auch
ein Offline-Test ohne Kommunikation mit dem Feldgerät F1 möglich. Weiterhin
kann anstatt eines Online-Tests der Test auch mit einem simulierten
Feldgerät
erfolgen.
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In 5 ist
ein alternativer Test schematisch dargestellt. Aus den Gerätespezifikationen
für das Feldgerät F1, die
im Prinzip als Basis für
die Gerätebeschreibungsdatei
DD-F1 dient, wird direkt eine endliche Zustandsmaschine GS-F1 FSM
erzeugt. Mit Hilfe eines Model-Checkers MC kann die endliche Zustandsmaschine
DD-F1 FSM gegen die endliche Zustandsmaschine GS-F1 FSM gestestet
werden, um zu prüfen,
ob die Gerätebeschreibungsdatei DD-F1
den Spezifikationen für
das Feldgerät
F1 entspricht.
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In 6 ist
die Testautomation für
einen Kommunikations-Interpreter KI dargestellt. Der Kommunikationsinterpreter
KI kommuniziert mit einem Test-Comm
DTM und der endlichen Zustandsmaschine DD-F1 FSM. Wenn das Feldgerät F1 angeschlossen
ist, kennt der Test-Comm DTM die Parameterwerte des Geräts. Andernfalls
können
einfach Regeln definiert werden, so dass der Test-Comm DTM ein virtuelles
Feldgerät
repräsentiert.
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In 10 ist
eine Testsequenz auszugsweise dargestellt.
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Die
wesentlichen Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens sind:
Erzeugung
einer endlichen Zustandsmaschine aus einer Gerätebeschreibung, wobei die Gerätebeschreibung
in beliebiger Form vorliegen kann, z. B. als Device Description.
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Aus
der endlichen Zustandsmaschine wird ein Testscript generiert.
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Zum
Testen der Gerätebeschreibung
wird das Testscript ausgeführt,
wobei Daten an die Gerätebeschreibung
gesendet und von dieser empfangen werden. Dabei wird geprüft, ob die
im Testscript festgelegten Sollwerte mit den Istwerten, die z. B.
vom Feldgerät
geliefert werden, übereinstimmen.
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Die
Erfindung erlaubt automatische Tests von Gerätebeschreibung bzw. Feldgeräten in beliebiger
Hinsicht, funktionales Verhalten, Kommunikationsverhalten, Schnittstellendefinitionen
etc. ohne dass Testscripts von Hand erstellt werden müssen. Dadurch
können
schnell und einfach Gerätebeschreibungen überprüft werden.
Dadurch erhöht
sich auch die Prozess-Sicherheit, da Fehler bei der Bedienung von
Feldgeräten
aufgrund von fehlerhaften Gerätebeschreibungen,
weitgehenst ausgeschlossen werden können.