Wozu dient Hardware-in-the-Loop-Testing?
Beim Hardware-in-the-Loop-Testing wird Software auf echter Zielhardware getestet, während ein HiL-Prüfstand die Umgebung über simulierte Signale in Echtzeit nachbildet. So lassen sich Integrationsprobleme finden, die in reinen Software-Simulationen nicht auftauchen — besonders wichtig bei sicherheitskritischen Systemen im Automotive- und Industriebereich.
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Hardware-in-the-Loop (HiL) ist ein Testverfahren, bei dem das reale Steuergerät oder die echte SPS auf einem Hardware-in-the-Loop-Prüfstand in Betrieb genommen wird, während ein Echtzeit-Simulator die physikalische Umgebung — Sensorsignale, Aktorlasten, Streckendynamik — über die realen Ein- und Ausgänge nachbildet. HiL schließt damit die Lücke zwischen reiner Software-Simulation und dem Test in der realen Anlage: Der Prüfling läuft mit echter Hardware, die Strecke ist simuliert. Eingesetzt wird das Verfahren vor allem in Automotive, Embedded und Maschinenbau, um sicherheitskritische Funktionen gefahrlos und reproduzierbar zu prüfen.
Im Gegensatz zu Model-in-the-Loop (MiL), bei dem nur ein Modell der Software gegen ein Streckenmodell läuft, und Software-in-the-Loop (SiL), bei dem der kompilierte Code ohne Zielhardware getestet wird, betreibt HiL die reale Steuerung. Dadurch werden zusätzlich Timing-, Treiber- und I/O-Fehler sichtbar, die in MiL und SiL verborgen bleiben. Der Echtzeitanspruch ist der entscheidende Punkt: Die Simulation muss schnell genug rechnen, um dem Regelzyklus des Prüflings zu folgen, sonst entstehen Artefakte. Eingesetzt werden dafür spezialisierte Plattformen wie dSPACE, NI/VeriStand oder Speedgoat.
Im Vergleich zum realen Anlagentest ist HiL gefahrlos reproduzierbar und erlaubt das gezielte Einstreuen von Fehlerfällen — Kabelbruch, Sensorausfall, Grenzwertüberschreitung —, die am realen Fahrzeug oder an der laufenden Maschine zu gefährlich oder zu teuer wären. Genau deshalb ist HiL für sicherheitskritische Funktionen besonders wertvoll: Man weist nach, dass ein Steuergerät bei einem Sensorausfall korrekt in den sicheren Zustand wechselt, ohne dafür einen echten Fehler in der Anlage provozieren zu müssen.
Für Industrial DevOps ist HiL die Brücke, die kontinuierliches Testen bis an die Hardware bringt. Tests lassen sich als automatisierte Stage in eine CI/CD-Pipeline einbinden, sodass jeder relevante Build gegen die Test-Bench läuft. Stolpersteine sind die hohen Kosten und die begrenzte Zahl an Test-Benches, die zum Engpass werden, sowie der Pflegeaufwand für das Streckenmodell — ist es zu ungenau, verlieren die Ergebnisse ihren Wert.
Fehlerinjektion für sicherheitskritische Funktionen
Ein Automotive-Team simuliert auf einem HiL-Prüfstand gezielt Sensorausfälle und Kurzschlüsse, um nachzuweisen, dass das Steuergerät korrekt in den sicheren Zustand wechselt — ein Test, der am realen Fahrzeug zu gefährlich wäre.
Nächtliche HiL-Stage in der CI-Pipeline
Ein Maschinenbauer koppelt seine SPS-Builds an eine HiL-Bench, sodass jeder Nightly-Stand automatisch gegen ein Anlagenmodell getestet wird und Regressionen in der Regelung auffallen, bevor neue Firmware an reale Maschinen geht.
- Was ist Hardware-in-the-Loop (HiL)?
- Hardware-in-the-Loop ist ein Testverfahren, bei dem die reale Steuerung — etwa ein Automotive-Steuergerät oder eine SPS — betrieben und gegen eine in Echtzeit simulierte Umgebung getestet wird. Der Simulator bildet Sensorsignale, Aktorlasten und Streckendynamik über die echten Ein- und Ausgänge nach, sodass der Prüfling sich verhält, als steckte er in der realen Anlage. So lassen sich Funktionen reproduzierbar und gefahrlos prüfen.
- Was ist der Unterschied zwischen HiL, SiL und MiL?
- MiL (Model-in-the-Loop) testet ein Modell der Software gegen ein Streckenmodell, rein virtuell. SiL (Software-in-the-Loop) testet den kompilierten Code ohne Zielhardware. HiL (Hardware-in-the-Loop) betreibt dagegen die reale Steuerung gegen eine Echtzeit-Simulation und deckt dadurch zusätzlich Hardware-, Treiber- und Timing-Fehler auf — dafür ist es langsamer und teurer als MiL und SiL.
- Wofür werden HiL-Tests eingesetzt?
- Vor allem für sicherheitskritische Funktionen, die am realen System zu gefährlich oder zu teuer zu testen wären: gezielte Fehlerinjektion wie Sensorausfall oder Kabelbruch, Grenzwertprüfungen und Regressionstests neuer Firmware-Stände. Typische Einsatzfelder sind Automotive-Steuergeräte, Embedded-Systeme und SPS-gesteuerte Maschinen. HiL fängt den Großteil der Fehler früher und gefahrlos ab, ersetzt den finalen Test an der realen Anlage aber nicht vollständig.
- Wie integriert man HiL-Tests in eine CI/CD-Pipeline?
- Üblicherweise als eigene, gesteuerte Stage, die nicht bei jedem Commit, sondern etwa nächtlich oder vor Releases läuft, weil Test-Benches knapp sind. Die Pipeline reserviert eine freie Bench, flasht den Build, fährt die Testfälle und zieht die Ergebnisse als Artefakt zurück. Damit bringt HiL kontinuierliches Testen bis an die reale Hardware.
- Was ist ein HiL-Prüfstand?
- Ein HiL-Prüfstand (auch Hardware-in-the-Loop-Prüfstand, HiL-Bank oder Test-Bench) ist der physische Aufbau, auf dem Hardware-in-the-Loop-Tests laufen: das reale Steuergerät oder die SPS, ein Echtzeitsimulator, der Sensorsignale und Anlagenverhalten nachbildet, sowie die Signalkonditionierung und Fehlerinjektions-Hardware dazwischen. Der Prüfstand gaukelt der Steuerung eine echte Anlage vor — inklusive gezielt provozierter Fehler wie Kabelbruch oder Sensorausfall, die am realen System zu gefährlich wären.
- Wofür steht die Abkürzung HiL?
- HiL steht für Hardware-in-the-Loop — wörtlich „Hardware in der Schleife“. Gemeint ist, dass die reale Hardware, also das Steuergerät oder die SPS, in einen geschlossenen Regelkreis mit einer Echtzeitsimulation eingebunden wird. Die verwandten Abkürzungen MiL und SiL bezeichnen dieselbe Idee mit einem Modell beziehungsweise der Software statt echter Hardware in der Schleife.
- Was gehört zu einer HiL-Umgebung?
- Eine HiL-Umgebung umfasst vier Bausteine: den Prüfling (Steuergerät oder SPS), einen Echtzeitsimulator mit dem Streckenmodell, die Signalkonditionierung samt Fehlerinjektions-Hardware sowie die Testautomatisierung, die Testfälle ausführt und Ergebnisse protokolliert. Häufig kommt eine Restbussimulation hinzu, die fehlende Kommunikationsteilnehmer — etwa am CAN-Bus — realistisch nachbildet.
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