1 Was heißt Prozeßautomatisierung, Prozeßleittechnik, Prozeßdatenverarbeitung? 1

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1 Inhaltsverzeichnis 1 Was heißt Prozeßautomatisierung, Prozeßleittechnik, Prozeßdatenverarbeitung? Definition einiger Grundbegriffe Der Begriff'Technischer Prozeß" Was ist ein Prozeßrechner? Prozeßrechensysteme Ein neues technisches Fachgebiet mit den Namen Prozeßautomatisierung, Prozeßleittechnik oder Prozeßdatenverarbeitung Geräte- bzw. Maschinen-Automatisierung und Automatisierung technischer Anlagen Definition von zwei Arten von Prozeßautomatisierungssystemen Kennzeichnende Eigenschaften bei der Automatisierung von Geräten bzw. Maschinen Kennzeichnende Eigenschaften bei der Automatisierung technischer Anlagen ; Automatisierungsgrad und Prozeßrechner-Einsatzarten Definition des Automatisierungsgrades Herkömmliche Art des Prozeßbetriebes Off-line-Einsatz eines Rechners On-line und open-loop-betrieb eines Prozeßrechensystems On-line und closed-loop-betrieb eines Prozeßrechensystems Die Bestandteile eines Prozeßautomatisierungssystems (Prozeßleitsystems) Die Teilsysteme eines Prozeßautomatisierungssystems Die Schnittstelle des Automatisierungssystems zum technischen Prozeß Das Prozeßrechensystem Das Prozeßrechner-Software-System Ebenen der Prozeßführung und Automatisierungsfbnktionen Entscheidüngs- und Ausführungsebenen Automatisierungsfunktionen Grundtypen von Vorgängen in technischen Prozessen Gebräuchliche Klassifizierungsverfahren für technische Prozesse Klassifizierung nach Vorgängen, bei denen bestimmte Arten von Prozeßgrößen vorkommen Kontinuierliche, sequentielle und objektbezogene Vorgänge Klassifizierung technischer Prozesse nach den dominierenden Typen von Vorgängen Graphische Darstellung technischer Prozesse. 33

2 X 1.7 Beispiel für ein Prozeßautomatisierungssystem: Automatisierung eines Heizungs- und Brauchwasserbereitungssystems Aufgabenstellung Fachtechnische Lösungskonzeption Auslegung des Prozeßautomatisierungssystems Auswirkungen der Prozeßautomatisierung auf Mensch und Gesellschaft ^ Beabsichtigte (positive) und unbeabsichtigte (negative) Auswirkungen Die Verantwortung des Automatisierungs-Ingenieurs für die Auswirkungen der Prozeßautomatisierung 42 Selbsttestaufgaben 43 2 Prozeßrechner - Gerätesysteme Mini- und Mikrorechner als Prozeßrechner Was ist ein Mini- bzw. Mikrorechner? Aufbau von Mikrorechnern, die als Prozeßrechner verwendet werden Hardware-Eigenschaften von Mikrorechnern Darstellung der Prozeßdaten in Prozeßrechnern Zentrale und dezentrale Automatisierungsstrukturen Die verschiedenen Arten von Automatisierungsstrukturen Kriterien für einen Vergleich der Eigenschaften von Automatisierungsstrukturen Automatisierungs-Hierarchien Kombination einer wirkungsmäßig zentralen und dezentralen Struktur Realisierung einer Automatisierungs-Hierarchie mit einem Bus-orientierten verteilten Prozeßrechensystem Verteilte Prozeßautomatisierungssysteme Zielsetzung bei verteilten Prozeßautomatisierungssystemen Grundstrukturen der Kommunikation bei verteilten Prozeßautomatisierungssystemen Tendenz der gegenwärtigen technischen Entwicklungen bezüglich der Kommunikationssysteme Automatisierungsstrukturen mit Redundanz Formen der Redundanz Die Hardware-Redundanz Die Software-Redundanz Konfiguration der Prozeßrechner-Hardware Mögliche Komponenten einer Prozeßrechner-Hardware-Konfiguration Beispiele für Konfigurationen der Prozeßrechner-Hardware 75 Selbsttestaufgaben 78

3 XI 3 Prozeßperipherie Schnittstellen zwischen Prozeßrechensystem und technischem Prozeß Übertragung von Prozeßsignalen zwischen dem Prozeßrechensystem und dem technischen Prozeß Arten von Prozeßsignalen an den Schnittstellen des Prozeßrechensystems Prozeßsignal-Ein-/Ausgabe bei örtlich zentraler Struktur des Automatisierungssystems Prozeßsignal-Ein-/Ausgabe bei örtlich dezentraler Struktur des Automatisierungssystems Digital-Ein- und Ausgabe Digital-Eingabe Digital-Ausgabe Potentialfreie Durchschaltung von Binärsignalen Analog-Ein- und Ausgabe Analog-Eingabe Analog-Digital-Umsetzer Analog-Ausgabe Arten von Digital-Analog-Umsetzern Potentialfreie Durchschaltung analoger Signale Programmierbare und "intelligente" Prozeßsignal- Ein-/Ausgabeeinheiten Programmierbare Digital-Ein-/Ausgabe "Intelligente" Prozeßsignal-Ein-/Ausgabeeinheiten Sensoren und Aktoren Sensoren Aktoren Störbeeinflussungen auf Prozeßsignalleitungen Arten von Störbeeinflussungen Gegentakt-Störbeeinflussungen Gleichtakt-Störbeeinflussungen Maßnahmen gegen Störbeeinflussungen Maßnahmen zur Verhinderung von Störbeeinflussurig infolge von Erdpotentialdifferenzen Maßnahmen zur Sicherung der Prozeßsignal-Eingabeleitungen gegen elektromagnetische Störfelder Erdungsmaßnahmen Schutzmaßnahmen gegen zu hohe Störspannungen (Überspannungen) an Eingängen von elektronischen Schaltungen 123 Selbsttestaufgaben 124 \ 4 Echtzeit-Programmierung von Prozeßrechnern 126

4 XII 4.1 Problemstellung Was heißt Echtzeit-Programmierung? Forderung nach Rechtzeitigkeit Forderung nach Gleichzeitigkeit Arten von Echtzeit-Rechensystemen Echtzeit-Pro grammierverfahren Zwei grundsätzliche Arten des Vorgehens Das Verfahren der synchronen Programmierung Das Verfahren der asynchronen Programmierung (Parallelprogrammierung) Rechenprozesse (Tasks) Einführung des Begriffs "Rechenprozeß" Zustandsmodelle von Rechenprozessen Einplanung von Rechenprozessen Zeitliche Koordinierung (Synchronisierung) von Rechenprozessen Parallele und sequentielle, nebenläufige und simultane Aktionen von Rechenprozessen Synchronisierung von Rechenprozessen Semaphorvariable und Semaphoroperation zur Synchronisierung von Rechenprozessen 150 Selbsttestaufgaben Prozeßrechner-Betriebssysteme Begriffsbestimmung Was ist ein Betriebssystem? Typen von Betriebssystemen Betriebsmittel Organisationsaufgaben eines Prozeßrechner-Betriebssystems Übersicht Rechenprozeß-Verwaltung Speicherverwaltung Ein-/Ausgabesteuerung Fehlerbehandlung und (Wieder-)Anlauf Entwicklung eines 'Mini-Betriebssystems' als Beispiel für die Lösung der Organisationsaufgaben Vorgehen Zielsetzung Aufgabenstellung Lösungskonzeption Systementwurf des Mini-Betriebssystems Systementwurf unter Zugrundelegung der stark vereinfachten Aufgabenstellung Erste Erweiterung des Systementwurfs 181

5 5.4.3 Zweite Erweiterung des Systementwurfs Dritte Erweiterung des Systementwurfs Übergang zum realen Echtzeit-Betriebssystem Gliederung der Prozeßrechner-Systemprogramme in anwendungsbezogene Programmbausteine Beispiele für Prozeßrechner-Betriebssysteme Einordnung auf dem Markt befindlicher Betriebssysteme Aufbau und Eigenschaften eines realen Betriebssystems 188 Selbsttestaufgaben Programmiersprachen für die Prozeßautomatisierung Grundbegriffe Arten von Programmiersprachen Übersetzung in die Maschinensprache Höhere Programmiersprachen für die Echtzeit-Programmierung von Prozeßrechensystemen Die Problematik der Echtzeit-Programmierung bei Aufgabenstellungen in der Prozeßautomatisierung r Vor- und Nachteile der Anwendung von Assemblersprachen für die Prozeßautomatisierung Entwicklungsrichtungen zur Anwendung maschinenunabhängiger Programmiersprachen für die Prozeßautomatisierung Übersicht über die Prozeßrechner- Programmierspräche PEARL Entstehungsgeschichte Entwicklungsziele und Sprachanforderungen Übersicht über die wichtigsten Spracheigenschaften Sprachmittel zur Strukturierung eines PEARL-Programms Aufbau eines PEARL-Programms Struktur des Problemteils Blockstruktur von PEARL Beispiel für den Aufbau eines Problemteils Der algorithmische Sprachkern von PEARL Schreibregeln für PEARL-Programme Vereinbarung von PEARL-Objekten Grunddatentypen Zusammengesetzte Datenobjekte Zuweisung Standard-Operationen Zugriff auf Matrizen, Verbünde und Bit-Strings Anweisungen zur Steuerung des Programmablaufs Prozeduren 236

6 6.6 Sprachmittel von PEARL für die Ein- und Ausgabe Die Ein-/Ausgabe-Konzeption Beschreibung von Geräteverbindungen bzw. Geräteanschlüssen im Systemteil Vereinbarung von Ereignissen im Systemteil Spezifikation von Datenstationen Deklaration von benutzerdefinierten Datenstationen Ein- und Ausgabeanweisungen Sprachmittel von PEARL für die Echtzeit-Programmierung Vereinbarung von Tasks Steuerung der Übergänge zwischen Task-Zuständen Einplanung von Tasks Synchronisierung von Tasks Maskierung von Interrupts Sprachmittel für verteilte Prozeßrechensysteme (Mehrrechner-PEARL) Struktur eines Mehrrechner-PEARL-Programms Beschreibung von Teilstationen (Stations-Teil) Beschreibung der physikalischen Verbindungswege (NET-Teil) Beschreibung des Zugangs zur Peripherie (Systemteil) Beschreibung der Software-Konfiguration (Konfigurations-Teil) Botschaftenaustausch * Beispiel für die Entwicklung eines PEARL-Programms Ingenieurtätigkeiten bei der Software-Entwicklung Klärung der Aufgabenstellung und Definition der Anforderungen an die Heizungsautomatisierung Heizungstechnische bzw. regelungstechnische Konzeption Systementwurf Umsetzung des Software-Feinentwurfs in ein PEARL-Programm (Implementierung) 282 Selbsttestaufgaben Zuverlässigkeit und Sicherheit von Prozeßautomatisierungssystemen Grundlagen Problemstellung Ausfälle und Fehler Zuverlässigkeits- und Sicherheitsstrategien und -Verfahren Zuverlässigkeitstechnik Zuverlässigkeitskenngrößen Zuverlässigkeitsmodelle für Gerätesysteme Zuverlässigkeitsmodelle für Programmsysteme Zuverlässigkeitsmaßnahmen 311

7 XV Klassifizierung von Zuverlässigkeitsmaßnahmen Zuverlässigkeitsmaßnahmen bei Gerätesystemen Zuverlässigkeitsmaßnahmen bei Programmsystemen Sicherheitstechnik Qualitative Definition von Grundbegriffen Technische Prozesse mit und ohne sicheren Zustand Ereignisfolge bis zum Eintreten eines Unfallschadens Quantitative Definition von Sicherheitskenngrößen Vorschriften der Sicherheitstechnik Sicherheitsnachweis Sicherheitsmaßnahmen Klassifizierung von Sicherheitsmaßnahmen bei Prozeßautomatisierungssystemen Sicherheitsmaßnahmen bei Gerätesystemen Sicherheitsmaßnahmen gegen Software-Fehler 326 Selbsttestaufgaben 328 Lösungen der Selbsttestaufgaben 331 Lösungen der Selbsttestaufgaben zu Kapitel Lösungen der Selbsttestaufgaben zu Kapitel Lösungen der Selbsttestaufgaben zu Kapitel 3 v 335 Lösungen der Selbsttestaufgaben zu Kapitel Lösungen der Selbsttestaufgaben zu Kapitel Lösungen der Selbsttestaufgaben zu Kapitel Lösungen der Selbsttestaufgaben zu Kapitel Literaturverzeichnis 348 Literatur zu Kapitel Literatur zu Kapitel Literatur zu Kapitel Literatur zu Kapitel Literatur zu Kapitel Literatur zu Kapitel Literatur zu Kapitel Sachwortverzeichnis 354