Komplexe technische Prozesse und Automatisierungssysteme, die diese Prozesse kontrollieren, spielen eine immer wichtigere Rolle. Selbst komplexe Systeme lassen sich heutzutage mit den zur Verfügung stehenden Steuerrechnern effizient betreiben. Grundlage dafür sind Methoden zum Entwurf derartiger Systeme, die bereits vor der Realisierung einer Steuerung ihre Arbeitsweise anhand eines Modells überprüfen können. Dabei steht bisher im klassischen Entwurfsprozess zunächst die korrekte Umsetzung der gewünschten Funktionen im Vordergrund.

Bei eingebetteten Systemen, mit denen Automatisierungssysteme gesteuert bzw. realisiert werden, sind darüber hinaus Eigenschaften wie Rechtzeitigkeit und Zuverlässigkeit entscheidend. Eine weitere sogenannte nichtfunktionale Eigenschaft, die in der aktuellen Diskussion um ressourcenschonendes Wirtschaften an Bedeutung gewinnt, ist die Energieeffizienz dieser Systeme. Während in der Industrie bereits einzelne Bausteine wie z.B. Mikrocontroller mit geringem Energieverbrauch entwickelt werden, ist für ein als Ganzes energieeffizientes Automatisierungssystem auch das Zusammenspiel mit dem gesteuerten System zu betrachten. Es fehlen derzeit ganzheitliche Modellierungs- und Bewertungsverfahren, mit denen bereits in frühen Entwurfsphasen der Energieverbrauch betrachtet und in die Bewertung eines Systementwurfs einbezogen werden kann. Dabei ist sowohl der elektronische / elektrische Systemaufbau als auch die Computerhardware und die darauf ablaufenden Algorithmen zu betrachten.

In diesem Projekt sollen klassische Modellierungsmethoden für diskrete Automatisierungssysteme so weiter entwickelt werden, dass der Energieverbrauch neben anderen Leistungsparametern modelliert, bewertet und verringert werden kann. Ziel ist es, den Energieverbrauch als zunehmend wichtiges Entscheidungskriterium in den Entwurfsprozess mit der Suche nach guten Architektur- und Design‐Alternativen einzubeziehen, um Automatisierungssysteme möglichst ressourcenschonend einzusetzen.

Für die entstehenden Modelle müssen Simulations- und Analyseverfahren entwickelt bzw. angepasst werden, so dass Alternativen bewertet und mit Hilfe von heuristischen Verfahren nach dem Optimum gesucht werden kann. Die entwickelten Techniken werden dazu in einem Softwarewerkzeug prototypisch realisiert.

Die Abbildung 1 zeigt einen schematischen Überblick über das Verfahren. Ausgehend von einer Systembeschreibung, die aus einem die fest vorgegebenen Elemente beschreibenden Grundmodell, den Systemvarianten und den Bewertungskriterien besteht, wird ein iterativer (im Bild kreisförmig dargestellter) Prozess der Verbesserung bzw. Optimierung durchgeführt. Aus dem Grundmodell wird mit Hilfe einer Bibliothek von existierenden Beschreibungen von Teilsystemen bzw. Modulen ein konkretes ausführbares Modell erzeugt. Für verschiedene, in der letzten Ausbaustufe durch Parameterauswahl automatisch generierte Entwurfsvarianten wird das Modell mit Werten für Entscheidungsvariablen gefüllt und anschließend durch ein Simulationsverfahren der Wert der Kriterien (Optimierungs- bzw. Kostenfunktion) berechnet.

Die Simulation bewertet das Modell und gibt damit Aufschluss darüber, ob bzw. wie gut das parametrisierte Modell den Anforderungen entspricht. Voraussetzung ist dafür, dass das System simulier- bzw. ausführbar ist. Dazu sind geeignete Grundmodelle zu verwenden, wie z.B. die in unserem Softwarewerkzeug TimeNET. Eine gute Systemauslegung wird durch eine wiederholte Festlegung von Parametern und der dazu gehörenden Systembewertung erreicht, so dass schlussendlich „optimale“ Steuerparameter berechnet werden. Diese geben dann an, welche Systemvariante tatsächlich realisiert wird.

Die im unteren Bereich von Abbildung 1 hervorgehobenen Bereiche sind die wichtigsten Arbeitspunkte des Projekts. Der in Abbildung 1 dargestellte Prozess ist so oder in ähnlicher Form für alle modellbasierten Entwurfsverfahren charakteristisch, in der beschriebenen Arbeit wird er für die Betrachtung und Optimierung des Energieverbrauchs angepasst. Dazu beschäftigen wir uns im ersten Schritt mit der Frage, wie die Systembeschreibung eines Automatisierungssystems geeignet erweitert werden kann, so dass der Energieverbrauch beschrieben wird und später in der Simulation mit berechnet werden kann.

In der zurückliegenden Zeit wurde der Stand der Technik genauer analysiert und insbesondere nach geeigneten Modellierungsmitteln gesucht. Im Ergebnis lässt sich zusammenfassen, dass das Gebiet zwar aktuell zunehmendes Interesse erhält und an derartigen Modellen geforscht wird, aber noch kein allgemein anerkannter Standard vorhanden ist. Im Industrieumfeld des System- und Software‐Engineerings werden meist Beschreibungen der Unified Modeling Language (UML) eingesetzt. Diese sind aber durch ihren Ausgangspunkt reiner Software weder direkt in der Lage, Systemeigenschaften geeignet zu beschreiben, noch gibt es Konstruktionen für die Bewertung nichtfunktionaler Eigenschaften. Diesem Problem wird seit einigen Jahren mit der Entwicklung spezieller Profile der UML begegnet, wie z.B. dem MARTE‐Profil (Modeling and Analysis of Real‐Time and Embedded Systems) als Nachfolger des UML SPT-Profils (Schedulability, Performance, and Time). Damit lassen sich nichtfunktionale Eigenschaften wie Auslastung, Ausfälle, Zeitdauern usw. beschreiben. Das Profil wurde speziell für eingebettete Systeme entwickelt und ist daher für unsere Zwecke besser geeignet als UML allein.

Für die notwendige Simulation werden wir im Laufe des Projekts die Modelle in stochastische zeiterweiterte Petri‐Netze transformieren, so dass das Verhalten und die Eigenschaften bewahrt bleiben. Die entstehenden Modelle können dann mit dem am Fachgebiet entwickelten Softwarewerkzeug TimeNET bewertet werden. Die Ergebnisse geben dann Auskunft über den Energieverbrauch einer Systemvariante bzw. betrachten den Verbrauch als Teil einer umfassenderen Bewertungsfunktion. Nach der Festlegung von geeigneten Modellen ist außerdem eine Modellbibliothek typischer Elemente von eingebetteten Systemen zu erstellen (siehe Abbildung 1). Für die verbleibenden Schritte (Parameterwahl und Optimierung) können übliche Heuristiken wie Simulated Annealing, Taboo Search oder naturähnliche Verfahren eingesetzt werden. Hierzu gab es bereits in anderen Projekten Erweiterungen von TimeNET, die im hier beschriebenen Vorhaben eingesetzt werden können. Für eine beschleunigte Simulation der transformierten Ergebnisse können eventuell Ergebnisse eines parallel laufenden Projekts mit genutzt werden.

Durch Simulation berechnete Werte für den Energieverbrauch eines Systems müssen zum Nachweis der Funktionsweise der Methode an einem realen Beispielaufbau überprüft werden. Darüber hinaus benötigen wir für die einzelnen Modellbausteine realistische Werte beispielsweise für den Energieverbrauch eines Mikrocontrollers in verschiedenen Betriebsmodi. Daher wird parallel zu den theoretischen Arbeiten der Aufbau eines kleinen Laborversuchs vorangetrieben.

Anfang 2010 wurde nach Recherchen ein geeigneter Prototyp ausgewählt und aus Mitteln des Fachgebiets beschafft. Als gute Variante wurde dafür ein Entwicklungsboard eines Mikrocontrollers ausgewählt, dessen Struktur gut erfassbar ist und der verschiedene Betriebsmodi für energiesparenden Betrieb unterstützt. Ein Mikrocontroller ATxmega128A1 auf der Entwicklungsplatine Xplain der Firma Atmel wurde dafür beschafft, auch weil am Fachgebiet bereits Erfahrungen mit anderen Controllern dieses Herstellers vorliegen. Er gehört zur XMEGA-Reihe, die die sog. picoPower‐Technologie unterstützt. Nach der Inbetriebnahme und Tests werden nun erste Untersuchungen zum Energieverbrauch in verschiedenen Modi vorgenommen, und diese mit dem MARTE-Profil modelliert, um die Eignung zu bewerten und ggf. nötige Erweiterungen zu bestimmen.