Ein optimales Raumklima trägt wesentlich zum persönlichen Wohlbefinden bei: Heizung, Lüftung und Klimatisierung sorgen für den notwendigen Komfort. Genau da setzt das global agierende Unternehmen Copeland an: Mit nachhaltigen Lösungen zur Optimierung von Heizung und Kühlung leistet es einen wichtigen Beitrag zu verbesserter Luftqualität und Energieeffizienz in Innenräumen. Eine virtuelle Testumgebung auf Basis von dSPACE Tools unterstützt das Unternehmen bei der Steuergeräteabsicherung.
Die frühe virtuelle Absicherung bei der Entwicklung von Steuergeräten ist ein Trend, von dem nicht nur die Automobilindustrie profitiert. Der große Vorteil der Absicherung mittels Software-in-the-Loop (SIL)-Simulation liegt darin, dass Software-Entwicklung und Testausführung direkt auf dem eigenen PC stattfinden können. Damit kann die Absicherung der Software beginnen, lange bevor die Hardware und der Hardware-in-the-Loop (HIL)-Simulator verfügbar sind.
SIL goes Klimatechnik
Egal ob Wohnraum, Arbeitsbereich oder Industrie: Klimaschonende Lösungen für das Heizen, Lüften und Kühlen von Räumen sind gefragter denn je. Mit seinen innovativen und nachhaltigen Klimatechnologien ist das Unternehmen Copeland hier ein wichtiger Partner für Hersteller, Installateure und Gebäudeeigentümer. Beim Testen und Absichern der Funktionalitäten seiner Steuergeräte setzt das Unternehmen auf SIL. Die Entwicklungs- und Testumgebung dafür basiert auf dSPACE Tools und einem Umgebungsmodell von Copeland. Um aus dem vorliegenden C-Code möglichst schnell ein passendes virtuelles Steuergerät (V-ECU) zu erhalten, hat Copeland ein spezielles dSPACE Toolset verwendet, das V-ECU SDK (SDK: Software Development Kit).
Prinzipieller Testaufbau
Für die Absicherung seiner Klimatechniksteuergeräte nutzt Copeland eine virtuelle Testumgebung, die auf VEOS, der dSPACE Plattform für PC-basierte Simulation, basiert. Der prinzipielle Testaufbau umfasst die typischen Bestandteile eines Regelungskreistests:
- Das virtuelle Steuergerät (V-ECU): Dieses enthält den zu testenden Code mit entsprechenden Ein- und Ausgängen für Sensoren und Aktuatoren.
- Das Umgebungsmodell: Es simuliert die Werte der verbundenen Sensoren unter Einbezug der Aktuatoren. Das thermische Modell wird über das standardisierte Format Functional Mock-up Unit (FMU) von Copeland bereitgestellt.
- ControlDesk: Die dSPACE Experimentier- und Instrumentierungssoftware visualisiert ausgewählte Variablenwerte und dient zum interaktiven Experimentieren und Testen sowohl mit dem Regler als auch mit dem Umgebungsmodell.
- AutomationDesk: Mit dem leistungsstarken Test-Authoring- und Testautomatisierungswerkzeug von dSPACE baut Copeland eine Bibliothek von Testfällen auf, die später automatisiert ausgeführt werden.
Die V-ECU als virtueller Zwilling
Ein wesentlicher Schritt beim Aufbau einer virtuellen Testumgebung für die Steuergeräteabsicherung ist die Erstellung des System-under-Test (SUT). Hierbei ist es wichtig, den zu testenden Steuergeräte-Code unverändert in die Simulation einzubinden. Dafür muss der Code von der Simulationsumgebung aufgerufen und Sensorwerte sowie Stellgrößen müssen mit dem Modell ausgetauscht werden. Es entsteht ein virtueller Zwilling des Steuergeräts in Form einer V-ECU, die den ursprünglichen Code enthält.
Vom C-Code zur V-ECU
Die Regelalgorithmen bei Copeland sind in C entwickelt und werden in eine sogenannte „Step“-Funktion integriert. Diese erfüllt drei typische Aufgaben:
- Einlesen der Eingangsdaten aus der Simulation in die Code-internen Variablen: Das geschieht bei V-ECUs über frei konfigurierbare, virtuelle Ports.
- Ausführen des Regelalgorithmus: Dieser nutzt die eben gesetzten Eingangswerte und errechnet die Werte für die Ausgangsgrößen. Genau dieser Seriencode stellt den Testgegenstand dar und wird später in unveränderter Form für die Ziel-Hardware genutzt.
- Die errechneten Werte werden auf die Ausgangs-Ports der V-ECU geschrieben.
Die Step-Funktion ist der Glue-Code, also das Bindeglied, zwischen der Simulationsumgebung und dem Seriencode. Sie wird im konkreten Anwendungsfall von Copeland alle 100 ms wiederholt ausgeführt. In diesem Projekt kommt die V-ECU mit nur einer Step-Funktion aus, es ist aber auch möglich, mit mehreren Step-Funktionen ein aufwendigeres Zeitverhalten nachzubilden.
Zusammenfassend sind die wesentlichen Aufgaben bei der Virtualisierung der V-ECU die Folgenden:
- Definition der virtuellen Ports für die Kommunikation
- Definition der Step-Funktion samt Aufruf-Zyklus
- Konfiguration und Erzeugung der V-ECU-Container-Datei
Alle diese Aufgaben konnte Copeland mit Hilfe des V-ECU SDKs von dSPACE selbstständig bewältigen.
V-ECU leicht gemacht – mit dem V-ECU SDK
Das V-ECU SDK ist ein Toolset von dSPACE für die Virtualisierung und Generierung von V-ECUs aus C-Code. Bei Copeland ist das Set seit 2022 erfolgreich im Einsatz. Mit Hilfe des SDKs konnte Copeland aus dem vorliegenden C-Code schnell und bequem die passende V-ECU für die Steuergeräteabsicherung generieren. Han Hu, Senior Software Engineer bei Copeland, freut sich über die Erleichterungen, von denen sein Team und der gesamte Absicherungsprozess profitieren: „Mit Hilfe des V-ECU SDKs von dSPACE können wir unsere Software mit mehr Flexibilität ohne Hardware zeit- und ortsunabhängig testen.“
Verteiltes Arbeiten und leichter SIL-Einstieg
Die textbasierte Konfiguration des V-ECU SDKs selbst und die skriptbasierte VEOS-Automatisierung erlauben eine problemlose Einbindung des Testaufbaus in ein Versionskontrollsystem, zum Beispiel die Open-Source-Software Git.
Bei Copeland wurde der skizzierte Aufbau zunächst von nur einem Experten initial aufgesetzt, zur gewünschten Reife gebracht und dann per Git verteilt. Das reduzierte die Einstiegshürde für den Einsatz von SIL mit VEOS als Entwicklungs- und Testumgebung in der breiten Entwicklermannschaft auf ein Minimum und legte den Grundstein für das heute bei Copeland etablierte verteilte Arbeiten.
Zusammenfassung und Ausblick
Copeland ist es im Rahmen dieses Projekts gelungen, eine SIL-Entwicklungs- und -Testumgebung mit VEOS aufzubauen und erfolgreich einzuführen. Dank des dSPACE V-ECU SDKs konnte das Unternehmen dieses Ziel auch ohne spezielle SIL-Vorerfahrungen und ohne zusätzliches Engineering erreichen. In nur wenigen Schritten hat Copeland dank SIL einen echten Mehrwert für seine Absicherung erzielt. Das Beispiel zeigt auch, wie vielfältig SIL über die Automobilindustrie hinaus einsetzbar ist und wie einfach der Einstieg in die SIL-Absicherung mit VEOS und dem V-ECU SDK gelingt.
Auf Grundlage der SIL-Simulation entwickelt Copeland automatisierte Tests mit AutomationDesk. Diese sollen als Regressionstests für die SIL-Entwicklung zum Einsatz kommen und dienen gleichzeitig als Vorbereitung für die anstehende HIL-Absicherung.
Mit freundlicher Genehmigung der Copeland Europe GmbH
dSPACE MAGAZIN, VERÖFFENTLICHT APRIL 2024
