2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen

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1 Kapitel 2: Automatisierungsgerätesysteme und strukturen 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen Lernziele: Die unterschiedlichen Automatisierungscomputer kennen Wissen, was das Besondere an der Arbeitsweise einer SPS ist Zwischen zentralen und dezentralen Strukturen unterscheiden können Kombinationen von Automatisierungsstrukturen erkennen können Automatisierungshierarchien und deren Anforderungen kennen Verstehen, was dezentrale Automatisierungssysteme sind Wissen, was die Grundstrukturen der Kommunikation sind Wissen, was man unter Redundanz versteht Arten von Hardware-Redundanz kennen und charakterisieren können Erklären können, was Diversität ist 2015, IAS Universität Stuttgart 73

2 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 2.1 Automatisierungscomputer 2.2 Automatisierungs-Strukturen 2.3 Automatisierungs-Hierarchien 2.4 Verteilte Automatisierungssysteme 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz 2015, IAS Universität Stuttgart 74

3 Bildquellen: Siemens, Raspberry Pi Foundation, Beckhoff, ProLeiT 2.1 Automatisierungscomputer Arten von Automatisierungscomputer Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) Mikrocontroller Personal Computer (PC) Industrial Personal Computer (IPC) Prozessleitsysteme 2015, IAS Universität Stuttgart 75

4 2.1 Automatisierungscomputer Ziele der Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS) Zielgruppen Anwender ohne Informatik-Studium "Elektriker" Zielsetzung für den SPS-Einsatz Einsatz von Geräten mit Zertifizierungen (EMV etc.) Proprietärer Hardware mit oft langfristigen Zusagen für die Ersatzteillieferung Zielsetzung für die SPS-Sprachen Verknüpfung binärer Signale in einfachen Darstellungen beschreiben Kontaktplan (abgeleitet aus dem Stromlaufplan) Funktionsplan (abgeleitet aus dem Logikplan) Standardisierung der Entwicklung von SPS-Systemen IEC DIN EN , IAS Universität Stuttgart 76

5 Quelle: Siemens, Moeller 2.1 Automatisierungscomputer Ausführungsbeispiel SPS Breites Angebot: Je nach Anwendungsfall werden unterschiedliche Konfigurationen von Kompaktgeräten zu modularen Plattformen angeboten SIMATIC S7-400 Moeller PS4-200 SIMATIC S Günstige Kompaktgeräte für kleine Anwendungen mit geringerem Planungsund Entwicklungsaufwand. Jedoch eingeschränkte Leistung mit kleiner Anzahl von Ein-/Ausgängen. Oder, leistungsfähige und modulare Systeme zur individuellen Konfiguration. Nr Baugruppe Typ (z.b.) 1 Netzteil PS A 2 Zentralbaugruppe CPU Analog Eingang 8 x 13 Bit 4 Analog Ausgang 8 x 13 Bit 5 Digital Eingang 32 x DC 24 V 6 Digital Ausgang 32xDC24V / 0,5 A 7 Rack 9 x Steckplatz 77

6 Sensorsignale Aktorsignale 2.1 Automatisierungscomputer Blockschaltbild der Hardwarestruktur einer SPS Steuer- und Rechenwerk Programmspeicher Digitalund Analog- Eingabe interner Bus Digitalund Analog- Ausgabe RAMspeicher Zeitgeber Schnittstelle zum Programmiergerät Der SPS-Hersteller übernimmt die Anpassungsarbeiten zwischen den Modulen der selben Gerätefamilie geheim gehaltenes internes Kommunikationsprotokoll 2015, IAS Universität Stuttgart 78

7 2.1 Automatisierungscomputer Zyklischer Betrieb beim Einsatz einer SPS SPS Prozess abbild im Ausgangsspeicher Automatisierungsprogramm Aktorsignale Technischer Prozess in einem technischen System Prozess abbild im Eingangsspeicher Sensorsignale 2015, IAS Universität Stuttgart 79

8 2.1 Automatisierungscomputer Zyklischer Programmbetriebes bei einer SPS Prozessabbild aus dem Ausgangsspeicher ausgeben Programm abarbeiten Prozessabbild in den Eingangsspeicher laden Reaktionszeit Prozess- Ereignis Reaktion auf das Prozess- Ereignis Beginn des 1. Zyklus Beginn des 2. Zyklus Beginn des 3. Zyklus Beginn des 4. Zyklus 2015, IAS Universität Stuttgart 80

9 2.1 Automatisierungscomputer Eigenschaften des zyklischen Programmbetriebs Vorteil: einfache Programmierung durch zyklische Betriebsweise Nachteil: Reaktionszeit auf Ereignisse im technischen Prozess maximal zwei Programm-Zyklen Programmabarbeitungszeit: Zykluszeit nicht konstant 1 ms pro 1000 Anweisungen 2015, IAS Universität Stuttgart 81

10 2.1 Automatisierungscomputer Ablauf des Programmbetriebes bei einer SPS Abarbeitung Initialisierungs- Programm Prozessabbild in den Eingangsspeicher laden Abarbeitung zyklisches Programm Prozessabbild aus dem Ausgangsspeicher ausgeben Warten auf Zykluszeit Abarbeitung zeitgesteuertes Programm Warten auf Ereignis Abarbeitung ereignisgesteuertes Programm 2015, IAS Universität Stuttgart 82

11 2.1 Automatisierungscomputer Soft- SPS Aufbau: SPS-Laufzeitumgebung auf PC-System Standard- oder Echtzeit-Betriebssystem Prozessankopplung über digitale und analoge Ein- / Ausgänge Prozessankopplung SPS-Programm 1 SPS-Programm n SPS- Laufzeitumgebung Betriebssystem PC-System Anwenderprogramm 2015, IAS Universität Stuttgart 83

12 2.1 Automatisierungscomputer Soft- SPS Vorteile: Integration von Visualisierung und SPS auf einem Gerät Parallele SPS-Tasks mit verschiedenen Zykluszeiten Größere Anzahl an Systemschnittstellen Nachteile: Geringere Zuverlässigkeit Sicherheitsproblematik beim Einsatz Bei Auslastung: Einschränkungen im Echtzeitverhalten 2015, IAS Universität Stuttgart 84

13 Bildquelle:Raspberry Pi Foundation 2.1 Automatisierungscomputer Mikrocontroller (Ein-Chip-Computer) Hochintegrierte Bausteine Einsatz für Massenprodukte Aufbau aus - Standard-Mikroprozessor - Datenspeicher/ Programmspeicher - Bus-Schnittstellen - Prozess-Signal-Schnittstellen Programmierung über Entwicklungssysteme kurze Wortlänge extrem niedriger Preis ab 1-10 hohe Zuverlässigkeit und Lebensdauer hohe Anforderungen bezüglich Umgebungsbedingungen Temperatur, Feuchtigkeit 2015, IAS Universität Stuttgart 85

14 2.1 Automatisierungscomputer Unterscheidung Mikroprozessor Prozessor auf einem Mikroelektronik-Chip Mikrocomputer Alle Komponenten auf einem Mikroelektronik-Chip, d.h. Prozessor, Speicher, Schnittstellen zur Peripherie Mikrocontroller Automatisierungscomputer bzw. ein Automatisierungs- Computersystem auf einem Chip 2015, IAS Universität Stuttgart 86

15 2.1 Automatisierungscomputer Glossar Mikroprozessor: CPU = Central Processing Unit Arbeitsspeicher: RAM = Random Access Memory Festwertspeicher: EPROM/PROM/ROM = Erasable Programmable Read Only Memory Prozess-/Datenperipherie: I/O = parallele bzw. serielle Ein/Ausgabe- Bausteine Counter/Timer = Taktgeber Interrupt Controller = Unterbrechungswerk 2015, IAS Universität Stuttgart 87

16 Bildquellen: Beckhoff 2.1 Automatisierungscomputer Industrie-PC (IPC) Programmierung in Hochsprache Einsatz von Echtzeit-BS als einziges Betriebssystem zusätzlich zu Standard- Betriebssystemen Einsatzgebiete von Industrie-PCs Prozess-Visualisierung Prozessauswertung und -überwachung übergeordnete Steuerungsaufgaben (Leitstandsaufgaben) 2015, IAS Universität Stuttgart 88

17 2.1 Automatisierungscomputer (Eigenschaften) Umgebungsbedingungen Raue Umgebungsbedingungen Temperaturschwankungen Stöße und Erschütterungen Staub und Feuchtigkeit elektrische oder elektromagnetische Störungen Schutzvorrichtungen von Industrie-PCs (IPC) schwingungsgedämpfte Laufwerke hohe Güte der integrierten Bausteine spezielles Schutzgehäuse Video: Automatisierungscomputer (IPC) 2015, IAS Universität Stuttgart 89

18 Bildquellen: Siemens 2.1 Automatisierungscomputer Anordnung eines reinen IPC-Systems Bedienfeld Fernwartung Modem / Ethernet Industrie PC Feldbus Drucker.... Module für die Signalein- und Ausgabe Sensoren und Aktoren 2015, IAS Universität Stuttgart 90

19 Bildquellen: Beckhoff 2.1 Automatisierungscomputer Anordnung eines SPS-IPC-Systems Fernwartung Industrie PC Modem / Ethernet Serielle Verbindung, LAN oder Feldbus SPS mit CPU-Baugruppe Kommunikationsbaugruppe Signal-Ein-/Ausgabebaugruppe Sensoren und Aktoren 2015, IAS Universität Stuttgart 91

20 2.1 Automatisierungscomputer Prozessleitsysteme (PLS) Verteilte, über Bus-Systeme verbundene Rechnersysteme Kopplung mit SPS-Rechnern Einsatz von vorkonfektionierten, vom Hersteller des PLS entwickelten Programmbausteinen Konfigurierung durch Anwender Komplettlösungen von einem Hersteller keine Kompatibilitätsprobleme einheitliche Bedienung und Beobachtung des Prozesses hohe Verfügbarkeit definierte Verantwortlichkeit lange Lebenszeit 2015, IAS Universität Stuttgart 92

21 2.1 Automatisierungscomputer Anwendungsgebiete von Prozessleitsystemen Kraftwerkstechnik Verfahrenstechnik Gebäudetechnik Fertigungstechnik Bestandteile eines PLS Anzeige- und Bedienkomponente (ABK) Prozessnahe Komponenten (PNK) Systemkommunikation Engineering-Tools 2015, IAS Universität Stuttgart 93

22 2.1 Automatisierungscomputer Schematischer Aufbau Betriebs- Leitrechner Anzeige- und Bedienkomponente ABK Anzeige- und Bedienkomponente ABK Engineeringstation ES Betriebsbus redundanter herstellerspezifischer Systembus Prozessnahe Komponente PNK Prozessnahe Komponente PNK Prozessnahe Komponente PNK Sensoren und Aktoren Feldbus Feldgeräte 2015, IAS Universität Stuttgart 94

23 Bildquelle: SIMATIC PCS 7, Siemens AG 2.1 Automatisierungscomputer Engineering-Tools Aufgaben Konfiguration Programmierung Wartung/Pflege Werkzeuge graphische Werkzeuge (IEC 61131) standardisierte Bibliotheken mit Komponenten mächtige Editoren 2015, IAS Universität Stuttgart 95

24 2.1 Automatisierungscomputer Leitsystemhersteller und deren Produkte Hersteller ABB Foxboro- Echardt Siemens Honeywell Yokogawa Produktname AdvantOCS AdvaSoft Procontrol P Symphony Contronic P I/A Series System SIMATIC PCS 7 Teleperm M Teleperm XP PlantScape TDC 3000 CENTUM CS 3000 Bemerkung Firmenspezifischer Feldbus für kleine Anlagen Kraftwerktechnik Unterstützt Anbindung an Betriebsebene, Remote I/O System Verfahrenstechnik, Ausdehnung bis zu 12km, ehemals Hartmann & Braun Verfahrenstechnik, PNK mit PCMCIA-Technologie Verfahrenstechnik, ABK auf Basis von Windows 2000, XP. Umfangreiches Hardwareangebot. Feldbus: Profibus. Anbindung an Betriebsebene möglich. Verfahrenstechnik, weitverbreitet, kein Einsatz in Neuanlagen Migration von Teleperm M nach SIMATIC PCS 7 möglich. Kraftwerkstechnik, offene Kommunikation, umfangreiches Handwareangebot. Verfahrenstechnik, offenes System, ABK auf Basis von Windows NT, unterstützt Remote I/O. Anbindung an Betriebsebene möglich. Verfahrenstechnik, besitzt mehrere Prozessbusse mit unterschiedlicher Datenübertragung. MODBUS wird unterstützt. Verfahrenstechnik, Kraftwerktechnik 2015, IAS Universität Stuttgart 96

25 2.1 Automatisierungscomputer Frage zu Kapitel 2.1 Was sind die Vorteile von IPCs als Automatisierungscomputer? Antwort Skalierbarkeit der Hardware f Preis der Hardware Vielzahl an Programmiersprachen f Größe und Formgebung des IPCs 2015, IAS Universität Stuttgart 97

26 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 2.1 Automatisierungscomputer 2.2 Automatisierungs-Strukturen 2.3 Automatisierungs-Hierarchien 2.4 Verteilte Automatisierungssysteme 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz 2015, IAS Universität Stuttgart 98

27 2.2 Automatisierungs-Strukturen Struktur des technischen Prozesses technischer Prozess als Einheit Bsp.: Bohrvorgang bei einer Bohrmaschine technischer Prozess, der aus Teilprozessen besteht Bsp.: Fertigung eines Getriebes Örtliche Struktur der Automatisierungsgeräte örtlich zentrale Anordnung örtlich dezentrale Anordnung Wirkungsmäßige Struktur des Automatisierungssystems (funktionelle Struktur) = Aufteilung der Automatisierungsfunktionen auf die Automatisierungsgeräte wirkungsmäßig zentrale Grundstruktur wirkungsmäßig dezentrale Grundstruktur 2015, IAS Universität Stuttgart 99

28 Warte Feld 2.2 Automatisierungs-Strukturen Örtlich zentrale Anordnung der Automatisierungsgeräte Anzeigetafel Wartesignale Rangierverteiler, galvan. Trenner, Automatisierungsgeräte Messwertumformer Stellglieder Unterverteiler Farbbildschirme für die Prozessführung 2015, IAS Universität Stuttgart 100

29 Warte Anlagenbus Feldbus Feld Feldbus 2.2 Automatisierungs-Strukturen Örtlich dezentrale Anordnung der Automatisierungsgeräte AM AM AM SPS AM SPS AM: Anschluss-Modul für Sensoren bzw. Aktoren Farbbildschirme für die Prozessführung Leitrechner Anzeigetafel 2015, IAS Universität Stuttgart 101

30 2.2 Automatisierungs-Strukturen Wirkungsmäßig zentrale Automatisierungsstruktur Zentraler Automatisierungs- Computer Teilprozess 1 Teilprozess 2 Teilprozess n Technischer Prozess in einem technischen System 2015, IAS Universität Stuttgart 102

31 2.2 Automatisierungs-Strukturen Wirkungsmäßig dezentrale Automatisierungsstruktur Automatisierungs- Computer 1 Automatisierungs- Computer 2 Automatisierungs- Computer n Teilprozess 1 Teilprozess 2 Teilprozess n 2015, IAS Universität Stuttgart 103

32 2.2 Automatisierungs-Strukturen Vergleichskriterien für Automatisierungsstrukturen die Kosten für die Geräte, die Verkabelung, die Software, die Pflege und die Wartung die Teilverfügbarkeit bei Hardware-Ausfällen oder bei Software-Fehlern die Flexibilität bei Änderungen die Koordinierung der Teilprozesse und die Optimierung des Gesamtprozesses die Bedienbarkeit 2015, IAS Universität Stuttgart 104

33 2.2 Automatisierungs-Strukturen Dezentrale Struktur + Flexibilität bei Änderungen + Koordination der Teilprozesse + Optimierung des Gesamtprozesses 0 Störfall-Lokalisierung 0 höhere Transparenz 0 Bedienbarkeit und Benutzerfreundlichkeit - zusätzlicher Aufwand zur Kommunikation der einzelnen Automatisierungseinheiten 2015, IAS Universität Stuttgart 105

34 2.2 Automatisierungs-Strukturen Bewertung von Automatisierungsstrukturen Z = zentrale Struktur D = dezentrale Struktur ZZZ ZDZ Typisch für Automatisierung kleiner Geräte Geringere Verkabelungskosten als bei ZZZ DZZ DDZ ZZD ZDD DZD DDD Ungünstig bzgl. Verfügbarkeit, Wartbarkeit, Verkabelungskosten Ungünstig bzgl. Verfügbarkeit und Flexibilität Günstig Wartbarkeit und Flexibilität Ungünstig: Verkabelungskosten Günstig: Flexibilität, Verfügbarkeit, Verkabelung, Transparenz Günstig: Verfügbarkeit, Wartbarkeit Ungünstig: Verkabelungskosten Günstig: Flexibilität, Verfügbarkeit, Verkabelung, Transparenz Anlagenautomatisierung Produktautomatisierung Kfz- Elektronik wirkungsmäßige Struktur örtliche Struktur der Automatisierungsgeräte Struktur des technischen Prozesses so dezentral wie möglich, so zentral wie nötig 2015, IAS Universität Stuttgart 106

35 2.2 Automatisierungs-Strukturen Frage zu Kapitel 2.2 Was sind Vorteile einer dezentralen Automatisierungsstruktur? Antwort Höhere Flexibilität bei Änderungen f Geringerer Aufwand zur Kommunikation der einzelnen Automatisierungseinheiten Einfachere Störfalllokalisierung f Geringerer Aufwand bei der Softwareentwicklung für die Prozesssteuerung 2015, IAS Universität Stuttgart 107

36 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 2.1 Automatisierungscomputer 2.2 Automatisierungs-Strukturen 2.3 Automatisierungs-Hierarchien 2.4 Verteilte Automatisierungssysteme 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz 2015, IAS Universität Stuttgart 108

37 Anforderungen an die Verfügbarkeit Komplexität der Verarbeitungsaufgaben prozessnahe Ebene Koordinierungsebene zentrale Leitebene 2.3 Automatisierungs-Hierarchien Kombination von zentraler und dezentraler Struktur Einführung einer Hierarchie von Automatisierungseinheiten Leit- Einheit Koordinierungs Einheit 1 Koordinierungs Einheit 2 Koordinierungs Einheit m Dezentrale Automatisierungs- Einheit 1 Dezentrale Automatisierungs- Einheit 2 Dezentrale Automatisierungs- Einheit n Teilprozess 1 Teilprozess 2 Teilprozess n Technischer Prozess (Gesamtprozess) 2015, IAS Universität Stuttgart 109

38 2.3 Automatisierungs-Hierarchien Zuordnung von Automatisierungsfunktionen zu den Prozessführungsebenen Dezentrale Automatisierungseinheiten erfüllen die Aufgaben der prozessnahen Ebene, hohe Anforderungen an die Verfügbarkeit Koordinierungs-Einheiten realisieren die Automatisierungsfunktionen der Koordinierungsebene, wie Koordinierung der Teilprozesse, Optimierung, Prozessüberwachung und -sicherung Leiteinheit realisiert die Aufgaben der Leitebene 2015, IAS Universität Stuttgart 110

39 Anforderung an die Verfügbarkeit Regelungen Einzelsteuerungen Führungsregelung Führungssteuerung Kennwertberechnung Optimierung Schutz, Sicherung, Überwachung Verriegelung erforderliche Verarbeitungsleistung 2.3 Automatisierungs-Hierarchien Anforderungen an Verfügbarkeit und Verarbeitungsleistung Anforderungen an die Verfügbarkeit erforderliche Verarbeitungsleistung prozessnahe Ebene Koordinierungsebene Leitebene 2015, IAS Universität Stuttgart 111

40 2.3 Automatisierungs-Hierarchien Voraussetzung für die Realisierung Gliederung des technischen Prozesses in Teilprozesse Einsatz von intelligenten Automatisierungseinheiten Kommunikationssystem zwischen Automatisierungseinheiten Je nach Größe des Unternehmens und Umfang des technischen Prozesses können Zwischenebenen eingeführt werden bzw. Ebenen zusammengezogen werden. 2015, IAS Universität Stuttgart 112

41 2.3 Automatisierungs-Hierarchien Beispiel Koordinierungsrechner 1 Leitrechner Koordinierungsrechner 2 Prozessbus Bedien-Rechner Realisierung einer Automatisierungs-Hierarchie mit einem busorientierten verteilten Automatisierungscomputersystem. Leit- Ebene Koordinierungsebene Dezentraler Automati- sierungs- Computer 1 Dezentraler Automati- sierungs- Computer 2 Dezentraler Automati- sierungs- Computer n Prozessnahe Ebene AM Anschlussmodul AM AM AM AM AM AM AM Teilprozess 1 Teilprozess 2 Teilprozess n Technischer Prozess 2015, IAS Universität Stuttgart 113

42 2.3 Automatisierungs-Hierarchien Frage zu Kapitel 2.3 Welche Aufgaben werden in der prozessnahen Ebene durchgeführt? Antwort f Kennwertberechnung Einzelsteuerungen Überwachung f Optimierung 2015, IAS Universität Stuttgart 114

43 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 2.1 Automatisierungscomputer 2.2 Automatisierungs-Strukturen 2.3 Automatisierungs-Hierarchien 2.4 Verteilte Automatisierungssysteme 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz 2015, IAS Universität Stuttgart 115

44 2.4 Verteilte Automatisierungssysteme Zielsetzung bei verteilten Automatisierungssystemen Hohe Zuverlässigkeit durch Fehlertoleranz Ausfall eines dezentralen Computers führt nicht zu Gesamtausfall Eingrenzung des Fehlers durch Rekonfiguration Erhöhung der Verfügbarkeit durch schnelle Wartung und Instandsetzung gegenseitige Überwachung mit Fehlerdiagnose Gegenseitige Aushilfe bei hoher Belastung selbsttätige Anpassung der Aufgabenverteilung Reduzierung der Reserven der einzelnen Einheiten Einfache Erweiterungsfähigkeit 2015, IAS Universität Stuttgart 116

45 2.4 Verteilte Automatisierungssysteme Realisierung bei verteilten Automatisierungssystemen Verknüpfung von dezentralen Automatisierungseinheiten mit übergeordnetem Rechner über ein Kommunikationssystem keine Hierarchie Unterschied zu Automatisierungs-Hierarchie Einheiten kommunizieren dort nur mit nächst höherer Ebene Nur prozessnahe Informationsaufgaben werden dort dezentral wahrgenommen 2015, IAS Universität Stuttgart 117

46 2.4 Verteilte Automatisierungssysteme Kriterien für die Wahl eines Kommunikationssystems (1) niedrige Verkabelungskosten Wesentliche Kosten: mehr Kabel mehr elektromagn. Störungen standardisierte Schnittstellen bezüglich Stecker, Leitungen (mechanisch) Spannungspegel (elektrisch) Übertragungsprotokoll (logisch) Flexibilität bei Änderungen geringe Anforderungen an die Kommunikationspartner Speicherplatzbedarf Rechenzeitaufwand hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit 2015, IAS Universität Stuttgart 118

47 2.4 Verteilte Automatisierungssysteme Kriterien für die Wahl eines Kommunikationssystems (2) sichere Übertragung der Informationen Verwendung von Prüfbits Bestätigung des korrekten Empfangs Realisierung hoher Datenübertragungsraten kurze Reaktionszeiten auf Übertragungsanforderungen Kopplung unterschiedlicher Kommunikationspartner Problem: Festlegung der Prioritäten bei der Realisierung der sich zum Teil widersprechenden Einzelkriterien? Bsp.: hohe Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit durch redundantes Bus-System bedeutet hohe Verkabelungskosten 2015, IAS Universität Stuttgart 119

48 2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen 2.1 Automatisierungscomputer 2.2 Automatisierungs-Strukturen 2.3 Automatisierungs-Hierarchien 2.4 Verteilte Automatisierungssysteme 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz 2015, IAS Universität Stuttgart 120

49 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz Formen der Redundanz Grundsatz: Prozessbedienpersonal überwacht parallel zu einem AT- Computer! Hardware-Redundanz redundante Hardware Software-Redundanz redundante Software Messwert-Redundanz redundante Messgrößen abhängige Messgrößen Zeit-Redundanz mehrfache Abfrage des gleichen Messwertes in bestimmten Zeitabständen Hardware- und Softwareredundanz bedeutet höherer Aufwand erhöhte Verfügbarkeit sicherheitsrelevante Systeme Bsp.: Geschwindigkeit, Beschleunigung 2015, IAS Universität Stuttgart 121

50 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz Ziel beim Einsatz fehlertoleranter Strukturen Systeme so zu konstruieren, dass sie nach dem Auftreten von Fehlern in einzelnen Komponenten als Ganzes funktionsfähig sind. Stufen der Fehlertoleranz volle Fehlertoleranz fail operational verringerte Leistungsfähigkeit Übergang in einen sicheren Zustand fail soft, graceful degradation fail safe 2015, IAS Universität Stuttgart 122

51 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz Prinzip der Fehlertoleranz Aufbau eines Systems aus redundanten Modulen (Hardware- und Software), um bei Auftreten eines Fehlers die Funktionsfähigkeit des Systems zu erhalten. Arten von Redundanz Statische Redundanz alle redundanten Module ständig im Einsatz Dynamische Redundanz: redundante Module werden erst nach einem Ausfall eingesetzt blinde Redundanz redundante Module sind im fehlerfreien Fall nicht tätig funktionsbeteiligte Redundanz redundante Module führen im fehlerfreien Fall Stand-by-Funktionen durch 2015, IAS Universität Stuttgart 123

52 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz Hardware-Redundanz Ziel: Erkennung von Ausfällen der Hardware Einsatzprinzip: m-von-n-redundanz Mehrheitsentscheid Fehler erst bei Mehrfachdefekten Realisierung der Redundanz Doppel-Rechner-Strukturen Drei-Rechner-Strukturen 2015, IAS Universität Stuttgart 124

53 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz Doppelrechner-Struktur mit statischer Redundanz Eingabesignale (z.b. Messwerte) Rechner 1 Rechner 2 Vergleicher 2 - aus - 2 Ausgabesignal (z.b. Stellgrößen) Alarmsignal 2015, IAS Universität Stuttgart 125

54 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz Doppelrechner-Struktur mit dynamisch blinder Redundanz Eingabesignale Arbeitsrechner Ü Standby- Rechner Ü Alarm- Meldung Ausgabesignale Ü = Überwachungsprogramm 2015, IAS Universität Stuttgart 126

55 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz Doppelrechner-Struktur mit dynamisch funktionsbeteiligter Redundanz Eingabesignale Rechner 1 Ü Rechner 2 Ü Alarm- Meldung notwendige Ausgabesignale weniger dringliche Ausgabewerte 2015, IAS Universität Stuttgart 127

56 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz Drei-Rechner-Struktur mit statischer Redundanz Eingabesignale Rechner 1 Rechner 2 Rechner 3 Vergleicher 2 - aus - 3 Ausgabesignale 2015, IAS Universität Stuttgart 128

57 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz Software-Redundanz Ziel: Erkennung von Fehlern in der Software Ausgangspunkt: Software ist fehlerhaft Redundanzmaßnahmen bei Software: Mehrfaches Vorhandensein der gleichen Software ist nicht sinnvoll, da nicht Ausfälle das Problem bei Software sind. verschiedenartiger Aufbau von Programmteilen gleiche Eingangsdaten müssen gleiche Ergebnisse liefern 2015, IAS Universität Stuttgart 129

58 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz Diversitäre Software Diversität = Verschiedenartigkeit von Software bei gleicher Funktion Unabhängige Entwicklerteams lösen dieselbe Aufgabe Gezielte Entwicklung verschiedener Strategien, Algorithmen und Software-Strukturen Einsatz bzw. Ausführung diversitärer Software-Teile Redundante Software-Alternativen werden nacheinander ausgeführt und über Entscheider (Voter) verglichen, nicht für Echtzeitsysteme mit hohen Zeitanforderungen Parallele Ausführung redundanter Software-Teile auf redundantem Mehrrechnersystem Zyklische Abwechslung der diversitären Teile Vergleich schwierig Zwei Algorithmen mit unterschiedlichen Verarbeitungszeiten Beide Ergebnisse können korrekt sein, obwohl Werte unterschiedlich sind 2015, IAS Universität Stuttgart 130

59 2.5 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz Frage zu Kapitel 2.5 In einem Flugzeug werden wichtige Systemgrößen mehrfach berechnet. Würden Sie dafür ein Doppelrechnersystem oder ein Dreifachrechnersystem mit statischer Redundanz verwenden? Eingabesignale (z.b. Messwerte) Eingangsignale Rechner 1 Rechner 2 Rechner 1 Rechner 2 Rechner 3 Vergleicher 2 - aus - 2 Vergleicher 2 - aus - 3 Ausgabesignale (z.b. Stellgrößen) Alarmsignal Ausgabesignale Antwort Doppelrechnersystem mit statischer Redundanz: nicht fehlertolerant Fehler führt zu Abbruch des Betriebs, d.h. nicht empfehlenswert Dreirechnersystem: 2 aus 3 Entscheidung Fehlertoleranz vorhanden 2015, IAS Universität Stuttgart 131

60 Kapitel 2: Vorbereitungsfrage Vorbereitungsfragen zu Kapitel 2 Frage 1: Redundanz (SS 2006) Bei einer Anlagensteuerung werden ein Rechner zur Prozesssteuerung und ein weiterer zur Protokollierung eingesetzt. Ein zusätzliches Programm überwacht jeweils die Funktions tüchtigkeit des anderen Rechners. Im Fall des Ausfalls des Rechners zur Prozesssteuerung übernimmt der Protokollierungsrechner die Aufgabe der Prozesslenkung und beendet die Protokollierungsfunktion. Um welche Art von Redundanz handelt es sich? Nennen Sie eine weitere Art von Redundanz. Frage 2: SPS (WS 2003/2004) Bei der Programmierung von Speicherprogrammierbaren Steuerungen werden sog. Programmiergeräte eingesetzt. Was versteht man darunter und warum werden sie benötigt? 2015, IAS Universität Stuttgart 132