Prozessautomatisierung 1

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Peter Göhner ist Leiter des Instituts für Automatisierungs- und Softwaretechnik (IAS) an der Universität Stuttgart. Seine Hauptarbeitsgebiete sind angewandte Softwaretechnik, komponentenbasierte Softwareentwicklung von Automatisierungssystemen, Verlässlichkeit von Prozessautomatisierungssystemen, Web-Technologien in der Automatisierungstechnik und Agenten in der Automatisierungstechnik.

1 Was Heisst Prozessautomatisierung?.- 1.1 Definition einiger Grundbegriffe.- 1.1.1 Der Begriff "Technischer Prozess".- 1.1.2 Der Begriff "Prozessautomatisierung".- 1.1.3 Das Prozessautomatisierungssystem als Echtzeitsystem.- 1.1.4 Rechner für die Prozessautomatisierung.- 1.2 Automatisierungsgrad und Rechner-Einsatzarten.- 1.2.1 Definition des Automatisierungsgrades.- 1.2.2 Rechner-Einsatzarten.- 1.3 Automatisierung technischer Produkte und technischer Anlagen.- 1.4 Die Bestandteile eines Prozessautomatisierungs-systems.- 1.4.1 Die Teilsysteme eines Prozessautomatisierungssystems.- 1.4.2 Sensoren und Aktoren.- 1.4.3 Das Kommunikationssystem.- 1.4.4 Das Automatisierungs-Computersystem.- 1.4.5 Das Automatisierungs-Softwaresystem.- 1.5 Ebenen der Prozessführung und Automatisierungs-funktionen.- 1.5.1 Ebenen-Modell bei der Führung technischer Prozesse.- 1.5.2 Automatisierungsfunktionen.- 1.6 Grundtypen von Vorgängen in technischen Systemen.- 1.6.1 Gebräuchliche Klassifizierungsverfahren für technische Prozesse.- 1.6.2 Klassifizierung nach Vorgängen, bei denen bestimmte Arten von Prozessgrößen vorkommen.- 1.6.3 Kontinuierliche, sequentielle und objektbezogene Vorgänge.- 1.6.4 Klassifizierung technischer Prozesse nach den dominierenden Typen von Vorgängen.- 1.6.5 Graphische Darstellung technischer Prozesse.- 1.7 Beispiele für Prozessautomatisierungssysteme.- 1.7.1 Beispiel für ein Prozessautomatisierungssystem zur Produktautomatisierung.- 1.7.2 Beispiel für ein Prozessautomatisierungssystem zur Anlagenautomatisierung.- 1.8 Auswirkungen der Prozessautomatisierung auf Mensch, Gesellschaft und Umwelt.- 1.8.1 Beabsichtigte (positive) und unbeabsichtigte (negative) Auswirkungen.- 1.8.2 Die Verantwortung des Automatisierungs-Ingenieurs für die Auswirkungen der Prozessautomatisierung.- Selbsttestaufgaben.- 2 Automatisierungs-Gerätesysteme und -Strukturen.- 2.1 Arten von Prozess-Signalen und Darstellung der Prozessdaten in Automatisierungs-Computern.- 2.2 Automatisierungs-Computer.- 2.2.1 Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS).- 2.2.2 Mikrocontroller.- 2.2.3 Industrie-PC.- 2.2.4 Prozessleitsysteme.- 2.3 Zentrale und dezentrale Automatisierungsstrukturen.- 2.3.1 Die verschiedenen Arten von Automatisierungsstrukturen.- 2.3.2 Kriterien für einen Vergleich der Eigenschaften von Automatisierungsstrukturen.- 2.4 Automatisierungs-Hierarchien.- 2.5 Verteilte Automatisierungssysteme.- 2.5.1 Zielsetzung.- 2.5.2 Grundstrukturen der Kommunikation bei verteilten Computersystemen.- 2.5.3 Bussysteme.- 2.6 Automatisierungsstrukturen mit Redundanz.- 2.6.1 Formen der Redundanz.- 2.6.2 Fehlertolerante Strukturen.- 2.6.3 Doppel- und Drei-Rechner-Strukturen.- 2.6.4 Software-Redundanz.- Selbsttestaufgaben.- 3 Prozessperipherie.- 3.1 Schnittstellen zwischen dem technischen Prozess und dem Automatisierungs-Computersystem.- 3.1.1 Arten von Schnittstellen.- 3.1.2 Prozess-Signal-Ein-/Ausgabe bei direktem Anschluss von Sensoren bzw. Aktoren.- 3.1.3 Prozess-Signal-Ein-/Ausgabe über Feldbussysteme.- 3.1.4 Das VME-Bussystem.- 3.2 Sensoren und Aktoren.- 3.2.1 Sensoren.- 3.2.2 Aktoren.- 3.3 Feldbussysteme.- 3.3.1 Übersicht.- 3.3.2 Bus-Zugriffsverfahren.- 3.3.3 Der PROFIBUS.- 3.3.4 Der lnterbus-S.- 3.3.5 Der CAN-Bus (Controller Area Network).- 3.4 Ein-/Ausgabe von analogen Signalen.- 3.4.1 Analog-Eingabe.- 3.4.2 Analog-Digital-Umsetzer.- 3.4.3 Analog-Ausgabe.- 3.4.4 Potentialfreie Durchschaltung analoger Signale.- 3.5 Ein-/Ausgabe von binären und digitalen Signalen.- 3.5.1 Digital-Eingabe.- 3.5.2 Digital-Ausgabe.- 3.5.3 Programmierbare Digital-Ein-/Ausgabe.- 3.5.4 Potentialfreie Durchschaltung von Binärsignalen.- 3.6 Störbeeinflussungen auf Prozess-Signalleitungen.- 3.6.1 Arten von Störbeeinflussungen.- 3.6.2 Gegentakt-Störbeeinflussungen.- 3.6.3 Gleichtakt-Störbeeinflussungen.- 3.7 Maßnahmen gegen Störbeeinflussungen.- 3.7.1 Übersicht.- 3.7.2 Potentialtrennung.- 3.7.3 Maßnahmen gegen elektromagnetische Beeinflussung elektrischer Prozess-Signale.- 3.7.4 Erdungsmaßnahmen.- 3.7.5 Maßnahmen gegen Überspannungen.- 3.7.6 Einsatz von Lichtwellenleitern.- Selbsttestaufgaben.- 4 Echtzeitprogrammierung.- 4.1 Problemstellung.- 4.1.1 Was heißt Echtzeitprogrammierung?.- 4.1.2 Forderung nach Rechtzeitigkeit.- 4.1.3 Forderung nach Gleichzeitigkeit.- 4.1.4 Forderung nach Determiniertheit.- 4.1.5 Arten von Echtzeit-Rechensystemen.- 4.2 Echtzeit-Programmierverfahren.- 4.2.1 Arten des Vorgehens zur Erfüllung der Forderungen nach Rechtzeitigkeit und Gleichzeitigkeit.- 4.2.2 Das Verfahren der synchronen Programmierung.- 4.2.3 Das Verfahren der asynchronen Programmierung (Parallelprogrammierung).- 4.2.4 Ereignisgesteuerte vs. Zeitgesteuerte Systeme.- 4.3 Rechenprozesse (Tasks).- 4.3.1 Einführung des Begriffs "Rechenprozess".- 4.3.2 Zustandsmodelle von Rechenprozessen.- 4.3.3 Einplanung von Rechenprozessen.- 4.3.4 Zeitparameter von Rechenprozessen.- 4.4 Zeitliche Koordinierung (Synchronisierung) von.- Rechenprozessen.- 4.4.1 Parallele und sequentielle, nebenläufige und simultane Aktionen von Rechenprozessen.- 4.4.2 Synchronisierung von Rechenprozessen.- 4.4.3 Semaphorvariable und Semaphoroperationen zur Synchronisierung von Rechenprozessen.- 4.5 Kommunikation zwischen Rechenprozessen.- 4.6 Strategien zur Zuteilung des Prozessors an ablauf-bereite Rechenprozesse (Scheduling-Verfahren).- 4.6.1 Das Scheduling-Problem.- 4.6.2 Scheduling-Verfahren.- 4.6.3 Tests zur Prüfung der Ausführbarkeit.- Selbsttestaufgaben.- 5 Echtzeit-Betriebssysteme.- 5.1 Begriffsbestimmung.- 5.1.1 Was ist ein Betriebssystem?.- 5.1.2 Betriebsmittel.- 5.1.3 Anforderungen an ein Echtzeit-Betriebssystem.- 5.1.4 Kategorien von Echtzeit-Betriebssystemen.- 5.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems.- 5.2.1 Aufbau und Eigenschaften eines Echtzeit-Betriebssystems.- 5.2.2 Rechenprozess-Verwaltung.- 5.2.3 Interrupt-Verwaltung.- 5.2.4 Speicherverwaltung.- 5.2.5 Ein-/Ausgabesteuerung.- 5.2.6 Fehlerbehandlung und (Wieder-) Anlauf.- 5.3 Entwicklung eines Mini-Echtzeit-Betriebssystems.- 5.3.1 Zielsetzung und Vorgehen.- 5.3.2 Klärung und Festlegung der Aufgabenstellung und der Anforderungen.- 5.3.3 Entwurf einer Lösungskonzeption.- 5.4 Software-Systementwurf des Mini-Echtzeit-Betriebssystems.- 5.4.1 Software-Systementwurf unter Zugrundelegung der stark vereinfachten Aufgabenstellung.- 5.4.2 Erste Erweiterung des Software-Systementwurfs: Zulassen längerer Rechenzeiten für die Rechenprozesse.- 5.4.3 Zweite Erweiterung des Software-Systementwurfs: Vorsehen der Möglichkeit von Interrupts.- 5.4.4 Dritte Erweiterung des Software-Systementwurfs: Betriebsmittelverwaltung für Ein-/Ausgabegeräte.- 5.4,5 Übergang zum realen Echtzeit-Betriebssystem.- 5.5 Gliederung der Systemprogramme in anwendungsbezogene Programmbausteine.- 5.6 Beispiele für Echtzeit-Betriebssysteme.- 5.6.1 Marktübersicht.- 5.6.2 Das Echtzeit-Betriebssystem QNX.- Selbsttestaufgaben.- 6 Programmiersprachen für die Prozess-Automatisierung.- 6.1 Grundbegriffe.- 6.1.1 Vorgehensweisen bei der Erstellung der Programme für die Prozessautomatisierung.- 6.1.2 Arten von Programmiersprachen.- 6.1.3 Übersetzung in die Maschinensprache.- 6.2 Höhere Programmiersprachen für die Prozessautomatisierung.- 6.2.1 Die Problematik der Echtzeit-Programmierung.- 6.2.2 Vor- und Nachteile der Assembler-Programmierung.- 6.2.3 Entwicklungsrichtungen zur Anwendung maschinenunabhängiger, universeller Echtzeit-Programmiersprachen.- 6.3 Programmierung von Speicherprogrammierbaren Steuerungen (SPS).- 6.3.1 Ausgangssituation.- 6.3.2 Programmablauf in SPS-Systemen.- 6.3.3 Programmiersprachen für SPS-Systeme.- 6.3.4 Programm-Organisation.- 6.4 Die Echtzeitprogrammiersprache Ada 95.- 6.4.1 Entstehungsgeschichte.- 6.4.2 Sprachkonstrukte für die algorithmische Programmierung.- 6.4.3 Sprachkonstrukte für die Echtzeit-Programmierung.- 6.4.4 Spracherweiterungen.- 6.5 Die Echtzeitprogrammiersprache PEARL.- 6.5.1 Entstehungsgeschichte.- 6.5.2 Übersicht über die wichtigsten Spracheigenschaften.- 6.6 Die Programmiersprachen C und C++.- 6.6.1 Entstehungsgeschichte.- 6.6.2 Sprachkonzepte von C.- 6.6.3 Sprachkonzepte von C++.- 6.6.4 Eignung von C und C++ für die Echtzeitprogrammierung.- 6.7 Die Programmierumgebung Java.- 6.7.1 Entstehungsgeschichte.- 6.7.2 Sprachkonzepte.- 6.7.3 Sprachkonstrukte.- 6.7.4 Eignung von Java für Echtzeitsysteme.- Selbsttestaufgaben.- 7 Zuverlässigkeit und Sicherheit von Prozessautomatisierungssystemen.- 7.1 Grundlagen.- 7.1.1 Abgrenzung der Begriffe Zuverlässigkeit und Sicherheit.- 7.1.2 Verschiedene Bedeutungen des Sicherheitsbegriffs.- 7.1.3 Risiko und Grenzrisiko.- 7.1.4 Ausfälle und Fehler.- 7.1.5 Weitere wichtige Begriffe der Zuverlässigkeits- und Sicherheitstechnik.- 7.1.6 Zuverlässigkeits- und Sicherheitsstrategien.- 7.2 Zuverlässigkeitstechnik.- 7.2.1 Zuverlässigkeitskenngrößen bei nicht-reparierbaren Betrachtungseinheiten.- 7.2.2 Zuverlässigkeitkenngrößen bei reparierbaren Betrachtungseinheiten.- 7.2.3 Zuverlässigkeitsmodelle für Hardwaresysteme.- 7.2.4 Zuverlässigkeitsmodelle für Softwaresysteme.- 7.2.5 Zuverlässigkeitsmodelle für Hardware-Software-Gesamtsysteme.- 7.3 Zuverlässigkeitsmaßnahmen.- 7.3.1 Übersicht über Zuverlässigkeitsmaßnahmen.- 7.3.2 Zuverlässigkeitsmaßnahmen bei Hardwaresystemen.- 7.3.3 Zuverlässigkeitsmaßnahmen bei Softwaresystemen.- 7.4 Sicherheitstechnik.- 7.4.1 Sicherheitsanalyse.- 7.4.2 Technische Prozesse mit und ohne sicheren Zustand.- 7.4.3 Ereignisfolge bis zum Eintreten eines Unfallschadens.- 7.4.4 Quantitative Definition von Sicherheitskenngrößen.- 7.4.5 Anforderungs-Klassen bzw. Sicherheitsstufen für sicherheitsrelevante technische Prozesse.- 7.4.6 Sicherheitsvorschriften.- 7.4.7 Sicherheitsnachweis.- 7.5 Sicherheitsmaßnahmen.- 7.5.1 Übersicht über die grundsätzlichen Strategien und Sicherheitsmaßnahmen.- 7.5.2 Sicherheitsmaßnahmen bei Gerätesystemen.- 7.5.3 Sicherheitsmaßnahmen gegen Software-Fehler.- 7.6 Sicherheits-Nachweisverfahren.- 7.6.1 Übersicht.- 7.6.2 Sicherheits-Nachweisverfahren für Hardwaresysteme.- 7.6.3 Sicherheits-Nachweisverfahren für Softwaresysteme.- 7.6.4 Formale Verfahren zum Nachweis der Korrektheit.- Selbsttestaufgaben.- Lösungen der Selbsttestaufgaben.- Lösungen der Selbsttestaufgaben zu Kapitel 1.- Lösungen der Selbsttestaufgaben zu Kapitel 2.- Lösungen der Selbsttestaufgaben zu Kapitel 3.- Lösungen der Selbsttestaufgaben zu Kapitel 4.- Lösungen der Selbsttestaufgaben zu Kapitel 5.- Lösungen der Selbsttestaufgaben zu Kapitel 6.- Lösungen der Selbsttestaufgaben zu Kapitel 7.- Literatur.- Literatur zu Kapitel 1.- Literatur zu Kapitel 2.- Literatur zu Kapitel 3.- Literatur zu Kapitel 4.- Literatur zu Kapitel 5.- Literatur zu Kapitel 6.- Literatur zu Kapitel 7.