Prozessautomatisierung 1: Automatisierungssysteme Und -Strukturen, Computer- Und Bussysteme Für Die Anlagen- Und Produktautomatisierung, Echtzei

ISBN-13: 9783540653189 / Niemiecki / Miękka / 1999 / 504 str.

Rudolf Lauber; Peter Göhner

Opis

Der auf dem Fachgebiet der Anlagen- oder der Produktautomatisierung tatige Ingenieur benotigt Kenntnisse und Fahigkeiten nicht nur uber die Automatisierungsverfahren, sondern auch uber Computer-Hardware- und Softwaretechnik sowie uber die Durchfuhrung von Automatisierungs-Projekten. Dieses zweibandige Lehrwerk vermittelt solides Grundwissen in diesen Bereichen. Ubungsaufgaben stehen hinter jedem Kapitel. Der erste Band befasst sich mit den strukturellen, geratetechnischen und programmtechnischen Grundlagen der Automatiserungssysteme. Die dritte, vollstandig uberarbeite Neuauflage tragt den sturmischen Entwicklungen in vielen Bereichen der Automatisierungstechnik in den letzten Jahren Rechnung

Spis treści

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.

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Der auf dem Fachgebiet der Anlagen- oder der Produktautomatisierung tätige Ingenieur benötigt Kenntnisse und Fähigkeiten nicht nur über die Automatisierungsverfahren, sondern auch über Computer-Hardware- und Softwaretechnik sowie über die Durchführung von Automatisierungs-Projekten. Dieses zweibändige Lehrwerk vermittelt solides Grundwissen in diesen Bereichen. Übungsaufgaben stehen hinter jedem Kapitel. Der erste Band befaßt sich mit den strukturellen, gerätetechnischen und programmtechnischen Grundlagen der Automatiserungssysteme. Die dritte, vollständig überarbeite Neuauflage trägt den stürmischen Entwicklungen in vielen Bereichen der Automatisierungstechnik in den letzten Jahren Rechnung.