Inhaltsverzeichnis Kapitel 1 Grundlagen für Echtzeitsysteme in der Automatisierung

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1 Kapitel 1 Grundlagen für Echtzeitsysteme in der Automatisierung Einführung Echtzeitdatenverarbeitung Ziele und Grundprinzip der Automatisierung von technischen Prozessen Anwendungsbeispiele zur Automatisierung von technischen Prozessen Prozessmodell Steuerung und Regelung Methoden zur Modellierung und zum Entwurf von diskreten Steuerungen Petri-Netze Automaten Zusammenhang zwischen Petri-Netzen und Automaten Methoden für Modellierung und Entwurf zeitkontinuierlicher Regelungen Aufgabenstellung in der Regelungstechnik Beschreibungsverfahren für zeitkontinuierliche Systeme Streckenidentifikation Entwurf von zeitkontinuierlichen Regelungen PID-Regler Vorsteuerung und Störgrößenaufschaltung Mehrschleifige Regelung Zustandsregler und modellbasierte Regler Adaptive Regler Methoden für Modellierung und Entwurf zeitdiskreter Regelungen Zeitdiskreter Regelkreis Das Abtasttheorem Beschreibung linearer zeitdiskreter Systeme im Zeitbereich Beschreibung linearer zeitdiskreter Systeme im Bildbereich Die zeitdiskrete Ersatzregelstrecke 98

2 X Inhaltsverzeichnis Der digitale PID-Regler Pole und Nullstellen der Übertragungsfunktion, Stabilität Stabilität mit dem Schur-Cohn-Kriterium Digitale Filter Methoden für Modellierung und Entwurf von Regelungen mit Matlab Systemanalyse und Reglerentwurf im zeitkontinuierlichen Fall Systemanalyse und Reglerentwurf im zeitdiskreten Fall Systemanalyse und Reglerentwurf mit Simulink 127 Literatur 129 Kapitel 2 Rechnerarchitekturen für Echtzeitsysteme Allgemeines zur Architektur von Mikrorechnersystemen Aufbau und Konzepte Unterbrechungsbehandlung Speicherhierarchien, Pipelining und Parallelverarbeitung Echtzeitfähigkeit Mikrocontroller Abgrenzung zu Mikroprozessoren Prozessorkern Speicher Zähler und Zeitgeber Watchdogs Serielle und parallele Ein-/Ausgabekanäle Echtzeitkanäle AD-/DA-Wandler Unterbrechungen DMA Ruhebetrieb Erweiterungsbus Signalprozessoren Parallelbusse Grundkonzepte Echtzeitaspekte Der PCI-Bus Der VME-Bus Schnittstellen Klassifizierung von Schnittstellen Beispiele Rechner in der Automatisierung 207 Literatur 212

3 XI Kapitel 3 Hardwareschnittstelle zwischen Echtzeitsystem und Prozess Einführung Der Transistor Der Transistor als Verstärker Der Transistor als Schalter Operationsverstärker Definition und Eigenschaften des Operationsverstärkers Realisierung mathematischer Funktionen mit Operationsverstärkern Weitere Operationsverstärkerschaltungen Datenwandler zur Ein- und Ausgabe von Analogsignalen Parameterdefinitionen für Datenwandler Digital zu Analog (D/A) - Wandler Analog zu Digital (A/D) - Wandler Analogmessdatenerfassung Eingabe/Ausgabe von Schaltsignalen Pegel-/Leistungsanpassung durch Relaistreiber mit gemeinsamer Spannungsversorgung Pegel-/Leistungsanpassung durch Relaistreiber mit separater Spannungsversorgung Pegelumsetzung auf 24 Volt Serielle Schnittstellen RS-232 Schnittstelle RS-422-Schnittstelle RS-485-Schnittstelle 253 Kapitel 4 Echtzeitkommunikation Einführung Grundlagen für die Echtzeitkommunikation Kommunikationsmodell Topologien von Echtzeit- Kommunikationssystemen Zugriffsverfahren auf Echtzeit- Kommunikationssysteme Signalkodierung, Signaldarstellung Ethernet für die Kommunikation zwischen Leitebene und Steuerungsebene Feldbusse für die Kommunikation zwischen Steuerungs- und Prozessebene Allgemeines PROFIBUS CAN-Bus CAN-Bus - höhere Protokolle 283

4 XII Inhaltsverzeichnis INTERBUS ASI-Bus Sicherheitsbus Industrial Ethernet mit Echtzeit ETHERNET Powerlink EtherCAT PROFInet SERCOS III Vergleich der Eigenschaften von Echtzeit- Ethernetsystemen 312 Literatur 314 Kapitel 5 Echtzeitprogrammierung Problemstellung und Anforderungen Rechtzeitigkeit Gleichzeitigkeit Verfügbarkeit Verfahren Synchrone Programmierung Asynchrone Programmierung Ablaufsteuerung Zyklische Ablaufsteuerung Zeitgesteuerte Ablaufsteuerung Unterbrechungsgesteuerte Ablaufsteuerung 340 Literatur 342 Kapitel 6 Echtzeitbetriebssysteme Aufgaben Schichtenmodelle Taskverwaltung Taskmodell Taskzustände Zeitparameter Echtzeitscheduling Synchronisation und Verklemmungen Task-Kommunikation Implementierungsaspekte der Taskverwaltung Speicherverwaltung Modelle Lineare Adressbildung Streuende Adressbildung Ein-/Ausgabeverwaltung Grundlagen Synchronisationsmechanismen Unterbrechungsbehandlung Klassifizierung von Echtzeitbetriebssystemen 420

5 XIII Auswahlkriterien Überblick industrieller Echtzeitbetriebssysteme Beispiele QNX POSIX RTLinux VxWorks 437 Literatur 442 Kapitel 7 Echtzeitmiddleware Grundkonzepte Middleware für Echtzeitsysteme RT-CORBA OSA+ 453 Literatur 465 Kapitel 8 Echtzeitsystem Speicherprogrammierbare Steuerung Einführung Grundprinzip der SPS Hardware und Softwarearchitekturen der SPS SPS-Programmierung 476 Literatur 486 Kapitel 9 Echtzeitsystem Werkzeugmaschinensteuerung Einführung Struktur und Informationsfluss innerhalb einer NC Bewegungsführung Kaskadenregelung für eine Maschinenachse 505 Kapitel 10 Echtzeitsystem Robotersteuerung Einführung Informationsfluss und Bewegungssteuerung einer RC Softwarearchitektur und Echtzeitverhalten der RC Sensorgestützte Roboter Sensorstandardschnittstelle 535 Indexverzeichnis 541