atp edition Entwurf portabler eingebetteter Steuerung (Vorschau)

Bernd Opgenoorth, Jan H. Richter, Thomas Grosch, Siemens AG;
David Wolff, Alexander Fay, Helmut-Schmidt-Universität, Hamburg
Ausgangspunkt für den Entwurf von automatisierungstechnischen
Systemen sind die funktionalen
Anforderungen an das automatisierte
System. Im Entwurf sind darüber hinaus
nicht-funktionale Anforderungen zu berücksichtigen.
Zu diesen nicht-funktionalen Anforderungen
zählen unter anderem die Anforderungen hinsichtlich
Zuverlässigkeit (reliability), Wartbarkeit (maintainability),
und Verfügbarkeit (availability), die unter dem
Begriff dependability zusammengefasst werden [1], [2],
der hier – wie meist üblich – mit Verlässlichkeit übersetzt
wird. Weiter gefasst beinhaltet die Verlässlichkeit
auch funktionale Sicherheit (safety) und Datensicherheit
(security) [1]. Oftmals wird im Engineering-Ablauf
ein Entwurf erstellt, der sich primär an den funktionalen
Anforderungen orientiert, und dieser Entwurf wird
anschließend dahingehend überprüft, ob auch die
nicht-funktionalen Anforderungen erfüllt werden. Die
dann erforderlichen iterativen Korrekturen führen zu
erhöhtem Zeit- und Ressourcenaufwand und zu einer
nicht optimalen (Unter- oder Über-)Erfüllung der nichtfunktionalen
Anforderungen.
Für einen effektiven und effizienten Engineering-
Ablauf müssen auch die nicht-funktionalen Anforderungen
bereits entwurfsbegleitend systematisch berücksichtigt
werden, damit der Ingenieur jederzeit die Auswirkungen
seiner Entwurfsentscheidungen auf die nichtfunktionalen
Anforderungen erkennen kann [6].
Dafür sind Modelle erforderlich, die es ermöglichen,
sowohl Anforderungen an die Funktion als auch Zusicherungen
hinsichtlich der Verlässlichkeit zusammen
mit anderen Engineering-Informationen abzubilden. Diese
Modelle müssen hinreichend ausdrucksstark und
umfassend sein und Produkte, Fertigungsprozesse und
Fertigungsressourcen gleichermaßen einschließen. Die
derartige Modellierung von Verlässlichkeits-Anforderungen
an den Beispielen der Verfügbarkeit für reparable
Systeme und anhand der Zuverlässigkeit ist Gegenstand
dieses Beitrags, siehe Bild 1. Erweiterungen zur
reinen Wartbarkeitsanalyse sind leicht möglich, weil die
Wartbarkeit ein Bestandteil der Verfügbarkeit ist.
1. Modellierung der Verfügbarkeit:
Anforderungen
1.1 Zuverlässigkeit, Wartbarkeit und Verfügbarkeit
In diesem Abschnitt werden die Zusammenhänge zwischen
den Begriffen Zuverlässigkeit, Wartbarkeit und
Verlässlichkeit für reparable Systeme zusammengefasst
[3]. Diese Begriffe sind sämtlich statistisch zu verstehen
und beziehen sich auf ein gegebenes System, das
im Kontext dieses Beitrags eine Anlagenressource, eine
komplexe Anlage oder auch ein Fertigungsprozess oder
Teilprozess sein kann.
Grundlage aller Begriffe ist die Überlebenswahrscheinlichkeit
R(t), eine zeitabhängige Funktion, die
ausgehend von Zeitpunkt Null zum Zeitpunkt t die
Wahrscheinlichkeit dafür angibt, dass das System noch
intakt ist und seine Funktion erfüllen kann:
cc
(1),
wobei λ(t) die im Allgemeinen zeitabhängige Ausfallrate
des Systems ist. Im speziellen Fall konstanter Ausfallrate
λ(t) = λ für alle t (auch exponentielles Ausfallverhalten genannt)
ergibt sich der einfachere Ausdruck R(t) = e – λ·t . Die
Annahme konstanter Ausfallraten ist aus folgender Überlegung
heraus häufig realistisch. Zwischen einer frühen
Betriebsphase mit einer größeren Zahl von Frühausfällen
und einer späten Betriebsphase mit verschleißbedingt zunehmenden
Spätausfällen liegt eine lange Betriebsphase
mit sporadisch auftretenden zufälligen Ausfällen. Diese
Mechanismen führen auf einen zeitlichen Verlauf der Ausfallrate
gemäß einer „Badewannenkurve“.
Die Zuverlässigkeit des Systems lässt sich für eine gegebene
Zeitspanne T (zum Beispiel T = 1000 h) als Wahrscheinlichkeit
R(T) angeben, dass das System nach Ablauf
der Zeitspanne T noch funktionsfähig ist:
(2).
atp edition
3 / 2011
45