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

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

2 Leiträden 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 AufgabensteIlung, Realisierung und Anwendungsbeispiele Von Dr.-Ing. Gunter Bolch Universität Erlangen-Nürnberg und Dipl.-Inform. Martina-Maria Seidel, Berkeley 2., überarbeitete und erweiterte Auflage m B. G. Teubner Stnttgart 1993

4 Dr.-Ing. Gunter Bolch Geboren 1940 in WesthausenI Württ. Studium der Nachrichtentechnik an der TU Karlsrube und der TU Berlin. Ab 1967 wissenschaftlicher Assistent am Institut für Regelungstechnik der TU Karlsruhe, 1973 Promotion. Ab 1973 Akademischer Rat und seit 1982 Akademischer 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 Pontiffcia Universidade Cat6lica (PUC) von Rio de Janeiro. Zahlreiche Veröffentlichungen mit dem Schwerpunkt "Leistungsbewertung von Rechensystemen" und Autor zweier Bücher zu diesem Gebiet. Seit 1992 auch Lehrbeauftragter an der Georg Simon-Ohm-Fachhochschule Nümberg im Bereich Regelungstechnik. Dipl.-Inf. Univ. Martina-Maria Seidel geb. 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 von wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Betriebssyteme 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. Seit August 1991 verheiratet in Berkeley, Kalifomien. Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Bolcb, Gunter: Prozeßautomatisierung: AufgabensteIlung, Realisierung und Anwendungsbeispiele/ von Gunter Bolch und Martina-Maria Seidel 2., überarb. und erw. Auf!. - Stuttgart : Teubner, 1993 (Leitfäden der angewandten Informatik) ISBN ISBN (ebook) DOI / NE: Seidel, Martina-Maria: Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist obne Zustimmung des Verlages unzulässig und strafbar. Das gilt besonders für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. B. G. Teubner Stuttgart 1993 Gesamtherstellung: Zechnersche Buchdruckerei GmbH, Speyer Umschlaggestaltung: P.P.K,S-Konzepte Tabea Koch, Ostfildern/Stgt.

5 Vorwort zur 1. Auflage 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. Echtzeitbetriebssysteme) 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 AufgabensteIlung 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 miteingefiossen.

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. Piesehe 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 TEX, U-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. 1. Richter für wertvolle Hinweise und die Aufnahme des Buches in das Verlagsprogramm. Erlangen, im Dezember 1990 G. Bolch, M.-M. Vollath

7 Vorwort zur 2. A uhage Die nach erfreulich kurzer Zeit notwendig gewordene zweite Auflage haben wir zum Anlaß genommen, das Manuskript zu überarbeiten, um einerseits Erfahrungen aus den Vorlesungen und andererseits neuere Entwicklungen zu berücksichtigen. Neu hinzugekommen ist das Kapitel über Fuzzy-Control. Umstrukturiert und ergänzt wurden die Kapitel über Hardware, Peripherie, Programmiersprachen und Echtzeitbetriebssysteme. Wir bedanken uns bei Herrn Dipl.-Inf. Stefan List für das neue PEARL Beispiel und bei Herrn Dipl.-Inf. Armin Rüth für das Kapitel über Fuzzy Control sowie bei beiden für wertvolle Anregungen und das Korrekturlesen. Herr Dipl.-Phys. Martin Trautner hat uns freundlicherweise bei Änderungen in der Beschreibung des PEARL-Betriebssystems unterstützt. Herr Henning Heinze hat uns wieder in dankenswerter Weise bei kniffligen TEX-Problemen und Zeichnungen unterstüzt. Beim Teubner-Verlag bedanken wir uns für die schnelle und problemlose Herausgabe der zweiten Auflage. Wir hoffen, daß diese Auflage ähnlichen Anklang finden wird wie die erste. Berkeley und Erlangen im Oktober 1992 G. Bolch, M.-M. Seidel Hinweis zum Lesen Die mit einem * versehenen Abschnitte sind nicht unbedingt zum Verständnis des Gesamttextes notwendig. Sie dienen der Vertiefung für entsprechend interessierte Leser.

8 Inhalt 1 Einleitung 13 2 Automatisierung technischer Prozesse Entwicklung der Prozeßautomatisierung Klassifizierung und Identifikation technischer Prozesse Definitionen Klassifizierung technischer Prozesse Einteilung nach dem transportierten/umgeformten Medium Einteilung nach Zeit- und/oder Ortsabhängigkeit der Prozeßgrößen * Mathematische Modelle (Prozeßmodelle) Beschreibung kontinuierlicher Prozesse durch Differentialgleichungen Beschreibung kontinuierlicher Prozesse durch Zustandsdifferentialgleichungen Beschreibung kontinuierlicher Prozesse durch Übertragungsfunktionen Beschreibung kontinuierlicher Prozesse mit Testsignalen * Prozeßidentifikation Theoretische Analyse Experimentelle Analyse Aufgaben der Prozeßautomatisierung Datenerfassung Ablaufbeschreibung für die Datenerfassung Analogwerterfassung Digitalwerterfassung Auswertung ("Datenreduktion") Überwachung Betriebsprotokolle Schematische Prozeßabbildung 64

9 10 Inhalt Störungserfassung und -analyse Steuerung Anfahrvorgang einer Pumpe Positionierung einer Säge Steuerung einer Malztransportanlage Programmierbare Steuerungen Regelung P-Regler, PI-Regler und PID-Regler Realisierung eines PID-Reglers auf dem Rechner Abtastregelung Fuzzy Regelung (Fuzzy Control) Adaptive Regelung Beispiel: Die automatische Regelung in Destillationskolonnen Führung Führung nach Festprogramm Sollwertführung nach Prozeßgleichungen Führung nach Prozeßgleichungen unter zusätzlicher Verwendung mathematischer Prozeßmodelle Optimierung Mathematische Formulierung eines Optimierungsproblems Lineare Optimierung Nichtlineare Optimierung Diskrete (ganzzahlige) Optimierung Stochastische Suchverfahren * Dynamische Programmierung 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. 144

10 Inhalt Zentraler Prozeßrechner Rechnereinsatz mit redundanten Einzelgeräten ("Back-up- G era "t e ") Doppelrechnersystem Verdopplung der Einzelwerke eines Rechensystems Dreirechnersystem Dezentrale Prozeßrechensysteme Bus-Struktur Ring-Struktur Stern-Struktur Netz-Struktur Hierarchische Systemstruktur 3.4 Prozeßrechner-Aufbau (Hardware und Peripherie) Grundaufbau eines Rechners Rechnerkern Hauptspeicher Busse - Verbindungswege im System Basisfunktionen eines Bussystems Erscheinungsformen von Bussystemen FDDI - Das Ethernet der 90er Jahre Peripherie von Prozeßrechnern Übertragungsperipherie Signalperipherie Speicherperipherie Benutzerperipherie Software in Prozeßautomatisierungssystemen 4.1 Echtzeitbetriebssysteme Aufbau eines Betriebssystems Aufgaben eines Betriebssystems Taskverwaltung Kommunikation und Synchronisation Speicherverwaltung Zeitverwaltung Unterbrechungsbearbeitung Fehlerbehandlung Echtzeitbetrieb (Realzeitbetrieb) Beispiele für Echtzeitbetriebssysteme Das PEARL-Betriebssystem ]92 192

11 Ein Echtzeitbetriebssystem für den Einsatz Spektralanalysen Weitere Echtzeitbetriebssysteme Programmiersprachen für Prozeßrechner Anforderungen an Prozeßprogrammiersprachen Arten von Prozeßprogrammiersprachen 4.3 Programmierbeispiele Beispiele in PEARL Steuerung eines Bohrers Steuerung einer Werkzeugmaschine Beispiele in ADA Beispiele in Modula Ausblick 6 Glossar / Definitionen Monographien, Bücher Index bei Inhalt