Leitfäden der angewandten Informatik. G. Bolch/M.-M. Vollath Prozeßautomatisierung

Transkript

1 Leitfäden der angewandten Informatik G. Bolch/M.-M. Vollath Prozeßautomatisierung

2 Leitfäden der angewandten Informatik Herausgegeben von Prof. Dr. Hans-Jürgen Appelrath, Oldenburg Prof. Dr. Lutz Richter, Zürich Prof. Dr. Wolffried Stucky, Karlsruhe Die Bände dieser Reihe sind allen Methoden und Ergebnissen der Informatik gewidmet, die für die praktische Anwendung von Bedeutung sind. Besonderer Wert wird dabei auf die Darstellung dieser Methoden und Ergebnisse in einer allgemein verständlichen, dennoch exakten und präzisen Form gelegt. Die Reihe soll einerseits dem Fachmann eines anderen Gebietes, der sich mit Problemen der Datenverarbeitung beschäftigen muß, selbst aber keine Fachinformatik-Ausbildung besitzt, das für seine Praxis relevante Informatikwissen vermitteln; andererseits soll dem Informatiker, der auf einem dieser Anwendungsgebiete tätig werden will, ein Überblick über die Anwendungen der Informatikmethoden in diesem Gebiet gegeben werden. Für Praktiker, wie Programmierer, Systemanalytiker, Organisatoren und andere, stellen die Bände Hilfsmittel zur Lösung von Problemen der täglichen Praxis bereit; darüber hinaus sind die Veröffentlichungen zur Weiterbildung gedacht.

3 Prozeßautomatisierung Aufgabenstellung, Realisierung und Anwendungsbeispiele Von DrAng. Gunter Bolch und Dipl.-Inform. Martina-Maria Vollath Universität Erlangen-Nümberg 83 B. G. Teubner Stnttgart 1991

4 Dr.-Ing. Gunter Bolch Geboren 1940 in Westhausen/Württ. Studium der Nachrichtentechnik an der TU Karlsruhe und der TU Berlin. Ab 1967 wiss. Assistent am Institut für Regelungstechnik der TU Karlsruhe, 1973 Promotion. Ab 1973 Akad. Rat und seit 1982 Akad. Direktor am Lehrstuhl für Betriebssysteme an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nümberg. Lehr- und Forschungstätigkeit auf den Gebieten "Modellbildung und quantitative Analyse von Rechensystemen" und "Prozeßautomatisierung". Zahlreiche Industriekooperationen. Mitarbeit bei mehreren Multiprozessorprojekten. Von 1977 bis 1979 Gastprofessur am Departmento de Informatica der Pontificia Universidade Cat6lica (PUC) von Rio de Janeiro. Dipl.-Inform. Martina-Maria Vollath Geboren 1959 in Coburg/Bayem. Ausbildung zur Ingenieurassistentin bei der Firma Siemens AG. Von 1981 bis 1985 dort tätig in den Bereichen Anwenderprogrammierung und Automatisierungstechnik. Studium der Informatik mit Schwerpunkt Kommunikationssysteme an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nümberg. Dort seit 1989 wiss. Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Betriebssysteme auf den Gebieten der "Prozeßautomatisierung" und "Modellbildung von Rechensystemen". Außerdem seit Januar 1989 Lehrtätigkeit im Weiterbildungszentrum der Firma Siemens AG im Bereich der PC-Anwendungen. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Bolch, Gunter: Prozeßautomatisierung : AufgabensteIlung, Realisierung und Anwendungsbeispiele / von Gunter Bolch und Martina-Maria Vollath. - Stuttgart : Teubner, 1991 (Leitfaden der angewandten Informatik) ISBN ISBN (ebook) DOI / NE: Vollath, Martina-Maria: Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfaltigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in j:lektjoilischen Systemen. B. G. Teubner Stuttgart 1991 Gesamtherstellung: Zechnersche Buchdruckerei GmbH, Speyer Umschlaggestaltung: P.P.K,S-Konzepte Tabea Koch, Ostfildern/Stgt.

5 Vorwort Obwohl die Prozeßautomatisierung in der Praxis ein ganz wesentliches Einsatzgebiet für Rechner ist, wird sie im Lehrplan der Informatik noch etwas stiefmütterlich behandelt. Das vorliegende Buch soll dazu beitragen, hier Abhilfe zu schaffen und dem zukünftigen Informatiker ein Basiswissen im Bereich der Prozeßautomatisierung für seine spätere Tätigkeit in der Industrie zu vermitteln. Die Autoren wenden sich damit hauptsächlich an Informatikstudenten und Fachleute, die bereits Vorkenntnisse in Informatik haben. Der Inhalt des Buches soll sie mit den Aufgaben der Prozeßautomatisierung vertraut machen und ihnen Kenntnisse darüber vermitteln, welche spezielle Peripherie bzw. welche Hardwarestrukturen notwendig sind, welche speziellen Anforderungen an die Betriebssysteme (sog. Echtzeit betriebssysteme) gestellt werden und welche speziellen Programmiersprachen es gibt. Ziel ist es, die Studenten bzw. Leser, die später im Bereich der Prozeßautomatisierung tätig sind, auf ein Umfeld vorzubereiten, in dem sie Fachgespräche nicht nur mit Informatikern, sondern auch mit Ingenieuren der verschiedensten Fachrichtungen, Naturwissenschaftlern oder z.b. auch Medizinern zu führen haben. Es wird verdeutlicht, daß bei der Automatisierung in den unterschiedlichsten Bereichen immer nach den gleichen Grundprinzipien vorgegangen wird: Daten werden aus dem zu automatisierenden Prozeß erfaßt und im Rechner entsprechend der Aufgabenstellung verarbeitet. Anschließend wird, gemäß den Ergebnissen dieser Verarbeitung, in den Prozeß über Stellglieder eingegriffen und/oder es werden die Ergebnisse der Verarbeitung zur Anzeige gebracht. Grundlage für dieses Buch ist eine Vorlesung, die seit vielen Jahren an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-N ürnberg für Informatikstudenten angeboten, aber auch von Hörern anderer Fachrichtungen besucht wird. Die Anregungen und die Kritik der Studenten wurden berücksichtigt und sind in dieses Buch miteingeflossen.

6 6 Vorwort An dieser Stelle sei allen gedankt, die zum Entstehen des Buches beigetragen haben. Unterlagen für einzelne Kapitel haben uns freundlicherweise folgende Herren überlassen: Dr. H. Dietsch, Dr. P. Eschenbacher, J. Gewalt, Dr. P. Hollezcek und Dipl.-Ing. T. Bonkhofer von der Firma Bayer AG Leverkusen. Der Abschnitt "Beispiele für Echtzeitbetriebssysteme" wurde unter Mitarbeit von Herrn Dipl.-Inf. F. Hauck verfaßt. Wir danken auch Herrn Dipl.-Ing. G. Piesche und seinen Kollegen von der Firma Siemens, Bereich Automatisierungstechnik, die uns mit einem Beispiel und Informationen über das Vorgehen in der Praxis gute Anregungen gaben. Für die mühsame Arbeit des Korrekturlesens und konstruktive Kritik bedanken wir uns bei Herrn Dipl.-Inf. W.. Jarschel und Herrn Dipl.-Inf. S. List. Mit zum Gelingen des Buches beigetragen haben auch die hervorragenden Arbeitsmöglichkeiten am Lehrstuhl für Betriebssysteme von Herrn Prof. Dr. F. Hofmann, wofür wir uns an dieser Stelle besonders bedanken. In bewährter Weise bewältigte Herr H. Heinze die notwendige Layoutarbeit und das Zeichnen der zum Teil sehr umfangreichen Bilder. Er verwendete dafür '!EX, Jj.TEX und METAFONT. Dabei bewies er sehr viel Einfühlungsvermögen und Geduld. Ihm gilt daher unser besonderer Dank. Ebenso bedanken wir uns bei Herrn Dr. P. Spuhler vom Teubner Verlag und bei den Herausgebern der Reihe "Leitfäden der angewandten Informatik", insbesondere bei Herrn Prof. Dr. L. Richter für wertvolle Hinweise und die Aufnahme des Buches in das Verlagsprogramm. Erlangen, im Dezember 1990 G. Bolch, M.-M. Vollath Hinweis zum Lesen Die mit einem * versehenen Abschnitte sind nicht unbedingt zum Verständnis des Gesamttextes notwendig. Sie dienen der Vertiefung für entsprechend interessierte Leser.

7 Inhalt 1 Einleitung 9 2 Automatisierung technischer Prozesse Entwicklung der Prozeßautomatisierung Klassifizierung und Identifikation technischer Prozesse Definitionen Klassifizierung technischer Prozesse * Mathematische Modelle (Prozeßmodelle) * Prozeßidentifikation Aufgaben der Prozeßautomatisierung Datenerfassung Auswertung ("Datenreduktion") Überwachung Steuerung Regelung Führung Optimierung 3 Rechensysteme in der Prozeßautomatisierung Verschiedene Prozeßkopplungsarten Kein Prozeßrechnereinsatz Indirekte Prozeßkopplung (off-line-betrieb) Dialogbetrieb (in-line-betrieb) Direkte Prozeßkopplung (on-line-betrieb) Betriebssicherheit und Zuverlässigkeitsanforderungen Begriff der Verfügbarkeit Verfügbarkeit in zusammengesetzten Systemen Konfigurationen zur Erhöhung der Zuverlässigkeit Struktureller Aufbau von Automatisierungssystemen.., Struktur konventioneller Automatisierungssysteme Zentraler Prozeßrechner

8 8 Inhalt Rechnereinsatz mit redundanten Einzelgeräten ("Backup-Geräte")..., Doppelrechnersystem , Verdopplung der Einzelwerke eines Rechensystems Dreirechnersystem Dezentrale Prozeßrechensysteme Prozeßrechner-Hardware Grundaufbau eines Rechners Busse, die Verbindungswege im System Prozeßeinheit Programmunterbrechungssystem Zeitgeber Peripherie von Prozeßrechnern Software in Prozeßautomatisierungssystemen Echtzeitbetriebssysteme Aufbau eines Betriebssystems Aufgaben eines Betriebssystems Echtzeitbetrieb (Realzeitbetrieb) Beispiele für Echtzeitbetriebssysteme Programmunterbrechungen Programmiersprachen für Prozeßrechner Anforderungen an Prozeßprogrammiersprachen Arten von Prozeßprogrammiersprachen Programmier beispiele Beispiele in PEARL Beispiele in ADA Allgemeines zur Modularisierung Ausblick Glossar / Definitionen 199 Monographien, Bücher 204 Index 208