Test driven software development for improving the quality of control software for industrial automation systems

Abstract

Der starke Konkurrenzdruck der Märkte lässt die Anforderungen heutiger industrieller Automatisierungssysteme rapide ansteigen. Dies führt zu einer Erhöhung der Komplexität solcher Systeme. Darum steigt der Aufwand in der Entwicklung, welche mit ständigen Adaptierungen des Software Codes verbunden ist. Durch den Einsatz von wiederverwendbaren und testbaren Komponenten kann die Effizienz für zukünftige Projekte gesteigert werden. Zusätzlich können die Entwicklungszeiten und Entwicklungskosten durch Verwendung solcher Komponenten reduziert werden. Die Intention dieser Doktorarbeit ist, einen signifikanten Schritt zur Steigerung der Qualität von Steuerungssoftware beizutragen und eine Testinfrastruktur mit geeigneten Techniken zum Testen einer solchen Software bereitzustellt. Um eine hohe Softwarequalität zu erreichen ist ein Testprozess notwendig, welcher dem/der Ingenieur/in während der ganzen Entwicklungszeit unterstützend zur Verfügung stehen soll. Derzeit gibt es keine systematischen Testprozesse für Software im Bereich der industriellen Steuerungstechnik. Erste Ansätze sind im akademischen Bereich erforscht. Hierzu werden Techniken aus dem Bereich der Informatik, im Speziellen der Softwareentwicklung, adaptiert. Diese Doktorarbeit zeigt eine neue Teststruktur, die das Testen von industrieller Steuerungssoftware nach dem Standard IEC 61131 und IEC 61499 an unterschiedlichen Testebenen mit unterschiedlichen Perspektiven unterstützt. Geeignete Unified Modeling Language (UML) Modelle für die Testspezifikation werden vorgestellt. Weiters werden Testmethoden und Techniken diskutiert, die für das Testen von Steuerungssoftware nach der "Test-First Development" Strategie geeignet sind. Abschließend wird eine neue komponentenbasierte Architektur und ein neues Komponentendesign für die Entwicklung testbarer Steuerungsapplikationen präsentiert. Nun ist es möglich, die Qualität der industriellen Steuerungssoftware mithilfe der neu entwickelten Testinfrastruktur zu erhöhen.<br />

In today's world the complexity of industrial automation systems increases rapidly. Because of this complexity, the development of such automation systems becomes more time consuming and has to deal with adaptations of the industrial automation code on short notice. The engineering efficiency has to be increased in terms of reusability support of tested and testable software components for upcoming projects in order to reduce the development time and costs.<br />The intention of this thesis is to make a significant step towards an increase in the quality of industrial automation software by providing a test infrastructure with appropriate testing techniques for industrial automation software. To ensure the high software quality, testing processes are necessary which assist the development engineers during the life-cycle of developing industrial automation systems. First steps are available in academia to adapt testing techniques from the software engineering domain applied on the industrial automation domain.<br />A new test framework is developed in this thesis which is able to support testing of industrial automation software, i.e. based on IEC 61131 and IEC 61499, on various levels of detail and from different perspectives. New criteria are proposed for selecting Unified Modeling Language (UML) models which are useable for specifying tests of industrial automation software. According to the developed test framework, different testing techniques considering the different test levels are presented which are able to test industrial automation software considering the Test-First Development strategy. Finally, a new automation component architecture and a new component design for developing industrial automation applications are introduced to support testability. Therefore, it is now possible to increase the quality of industrial control software by using the newly developed test infrastructure.<br />