Echtzeitsysteme: Unterschied zwischen den Versionen
Sonne (Diskussion | Beiträge) |
Sonne (Diskussion | Beiträge) |
||
Zeile 329: | Zeile 329: | ||
**--> Zeitdiskretisierung | **--> Zeitdiskretisierung | ||
− | [[Bild:Abtastung.jpg]] | + | [[Bild:EZS-Abtastung.jpg]] |
=== Diskussion === | === Diskussion === |
Version vom 15. Mai 2007, 16:27 Uhr
Echtzeitsysteme (EZS) | |
---|---|
Vertiefungsrichtung | alle |
Vorlesender | Kowalski |
Ort | K2002B |
URL | Klick! |
Vorlesungsmaterial
Vorlesungsmaterial unter ftp://ii04.mysn.eu mit Login: ii04 / ii04
Vorlesungsmitschrift (Angaben ohne Gewähr)
auch als PDF verfügbar: Download
Prozesse – Informatik – Echtzeitsysteme (EZS)
Ziele der Prozeßinformatik (PIF)
- inter-, transdisziplinäres Gebiet
- enger Zusammenhang von PIF und Automatisierung
Ziel: zielgerichtete Beeinflussung technischer Prozesse (siehe: Bild 1.1)
Gründe für Automatisierung und PIF
- physische Grenzen
- psychische Grenzen
- humane Grenzen (zu komplex für den Menschen)
- technische / ökonomische Gründe
- Neuartigkeit
- Wirtschaftlichkeit
- "time to market" (Entwicklung und Überführung/Anpassung)
Merkmalsbetrachtung am Beispiel (eingebetteter) EZS (Bild 1.1a)
Entwurfsrelevante Merkmale
- Einbettung in die Umgebung
- Verteilung
- Zeitanforderungen
- Parallelitäten
- Datenhaltung
Nutzerrelevante (Qualitäts-) Merkmale
- Erfüllung der Funktion
- Benutzbarkeit (für den Bediener)
- Effizienz (Rechenleistung, Kosten à Zeit / Ressourcen)
- Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit
- Änderbarkeit
- Portabilität
- Sicherheitsanforderungen
- gesetzliche Anforderungen
Einordnung von EZS – PDV – Systemen interdisziplinär (Bild 1.2)
(PDV – Prozeß-Daten-Verarbeitung)
Phasen: Analyse / Synthese / Entwurf (Bild 1.3)
Verbindung: (Schnittstelle – SS)
- Art der Modellrepräsentation
- Funktionale Modellrepräsentation
Aufgabe für Prozeßinformatik beim EZ-Systementwurf
(1) Erstellung von geeigneten Verfahren und Entwurfswerkzeugen für Automatiker unter Beachtung der Modellrepräsentation
- Aufbereitung, Nutzung standardisierter Werkzeuge
- Erstellung spezialisierter Entwurfswerkzeuge
(2) direkter Entwurf von Hard- und Software
- Darstellung, Modellierung (allgemeingültig)
- Formalisierung
- Überführung in einen konkreten (einheitlichen) Entwurf
=> 2 Komplexe für die Vorlesung:
- Systeme, Modelle, ...
- Anforderungen an Systeme bzgl. Echtzeitverhalten (EZ-Sprachen)
Systemplanung:
Aussage: es existieren
- Vielzahl von Realisierungsmöglichkeiten
- Vielzahl von Kriterien
1) Voruntersuchung
- Klärung wirtschaftlicher Fragen
- Kosten-Nutzen-Analyse
- Automatisierungsgrad
2) Grobanalyse
- Ziele:
- Grobmodell für Verfeinerung und Implementierung
- Darstellung und Abbildung der möglichen Hierarchie und Struktur
- Auflösung von Elementar- und Einzelprozessen
3) Schema / Konfigurationsaspekte
- Meßaufgaben
- Ort-, Wert-, Zeitverhalten
- Verarbeitung, Übertragung, Meßeinrichtung
- Steuerungsaufgabe
- Lokalisierung, Größen
- Zeitverhalten
- Steuereinrichtung (elektrisch, mechanisch, pneumatisch)
- Stellaufgabe
- Ort-, Wert-, Zeitverhalten
- Übertragung
- Bedienaufgabe
- Darstellung, Protokollierung
- Bedienung, Bedienort / Bedieneinrichtung
- Sicherheitsaufgabe
- Vermeidung von Gefährdung bzw. Ausfall
- Sollkonzept
- Lastenheft / Pflichtenheft
Beschreibung von Elementarprozessen
- funktional
- Verbund (hierarchisch, konzentriert, ...)
Prozeßstrukturen
- statische Strukturen
- Grobstruktur des Aufbaus
- nicht immer Rückschluß auf Funktion möglich
- Blockdiagramme (z.B. Wirkungs- / Transportwege)
- stationäre Strukturen
- analog zu statischen Strukturen
- Darstellung paralleler Abläufe
- Blockdiagramme, ...
- dynamische Strukturen
- Elemente passen strukturell statisch zusammen
- passieren im richtigen Moment (zeitabhängige Übergänge)
- Beschreibung z.B. mit Petri-Netzen (PN)
Repräsentations- und Beschreibungsmöglichkeiten
- graphische Beschreibungsmittel
- Beschreibung für Struktur und Funktion möglich
- in PIF Netzdarstellung
- Instanzennetze
- SADT (erweitertes Instanzennetz)
- Petri-Netze
- Struktur: Verbindung --- Elemente --- Funktion (statisch / dynamisch)
- Beschreibungsmittel
- Knoten: Zustände, Speicherung
- Kanten: Übergänge, Wirkrichtung
- Beispiel:
- Instanzennetze (Bild 1.5)
- Instanzen, Kanäle, Verbindungen
- SADT - Structured Analyse and Design Technique (Bild 1.6)
- Trennung von Daten- und Funktionsmodell
- Redundanter Entwurf --- Sicherheit
- Petri-Netze (Bild 1.7)
- Besonderheiten: Prozeßübergänge und –dynamik beschreibbar
- geeignet für statische, stationäre und dynamische Strukturen
- mathematisches Fundament
- überführbar in andere Beschreibungsmittel
- Tools vorhanden !
- Plätze, Transitionen, Kanten, Marken
- Schaltregel muß erfüllt sein (Vor- / Nachbedingungen)
- Instanzennetze (Bild 1.5)
Begriffe der PIF mit EZS
System – Modell – Prozeß
allgemeines Wirkschema
Wirkschema Normalbetrieb
Prozess ist ursächlich! --> Quelle/Senke von Daten/Befehlen für Steuerung/Regelung
zur Beobachtung/Führung:
--> PDV-EZS mit folgender Spezifikation
- Einhaltung zeitlicher Abfolgen und vorgegebener Bearbeitungszeiten (von Prozeß vorgegebene EZ-Bedingungen)
- Echtzeitverarbeitung
- ständige Aufnahmebereitschaft der PDV-Systeme für äußere(von Prozeß) / innere (Ausnahmezustände, Fehlermeldungen) Informationen / Ereignisse
- deren schritthaltende Verarbeitung (nach vorgegebenen Algorithmen) zum Zweck der:
- Verarbeitung
- Speicherung
- Transport / Übertragung
- Daten/Ereignisse aus Gegenwart und Zukunft auch aus Vergangenheit erfolderlich
- Gesamtsystem (oder Teilsystem) müssen geforderte Funktionen erfüllen
- Gesamtsysteme (Teilsysteme) müssen sicher sein
EZ-Forderungen
- Rechtzeitigkeit
- Vollständigkeit
- Gleichzeitigkeit
- Korrektheit/Sicherheit
Begriffe
- System (aus Sicht der PIF)
- Einheit aus informationstechnischen Maßnahmen zur zielgerichteten Beeinflussung stofflicher, energetischer, informationelle Sachverhalte und Informationsverarbeitungstecnik selbst
- je nach Betrachtung angepasste Modelle für Analyse/Synthese erforderlich
- siehe Bild 2.4 / 2.5
- Modell
- Abbildung eines Systems mittels einer kognitiven Struktur
- Warum Modellnutzung?
- Ausgangspunkt für Systementwicklung
- Ausgangspunnkt für Systemuntersuchung
- gdw. --> am Original: nicht möglich ist; zu teuer; zu langwierig
Modellausprägungen
- physikalische (materielle Modelle)
- nur bei sehr teuren Zielsystemen
- biologischer Bereich
- mathematische Modelle
- formale Modelle
- grafisch, numerisch
Modellunterscheidung nach Charakter der Modellvariablen
- Modellvariablen
- Zeitbezug (--> dynamische /statische Modelle)
- Wertetyp (--> diskrete / stetige Modelle)
- Determiniertheit (--> deterministische / stochastische Modelle)
- siehe Bild 2.6
Modellprüfung
- Validierung: Übereinstimmung von Modell und Realität (Bewertung, Kenntnisse der Domäne)
- Verifikation: Übereinstimmung Computermodell und Realität (iterativ Herbeiführen)
Technische Prozesse
- Vorgang zur Umformung, Transport, Speicherung von Materie, Energie, Information
- dessen Zustandsgrößen mit technischen Mitteln erfasst werden können und beeinflusst werden können
(vgl. DIN 66201)
Unterscheidung wichtig da für verschiedene Grundformen
- angepaßte Regelung-/Führungsstrategien
- Einfluß auf EZ- Systemverhalten
siehe Bild 2.7
Informationen in technischen Prozessen
- Kopplung eines: technischen Prozesses und Steuerungssystems ist Ziel!
- erfolgt durch: Informationsgewinn aus dem Prozess und Informationsverteilung in dem Prozess
Repräsentation des Systems durch ein Modell ist:
- Darstellung der Systemzustände
- Darstellung der inneren Struktur
--> erfolgt alles durch Informationen
Abbildung der Systemzustände ist Voraussetzung für Prozeßbeobachtung
- Sensorik: (Messglieder) Informationserfassung für Zustand
- Aktorik: (Stellglieder) Informationsausgabe für Zustandsänderung
siehe Bild 2.8
Signale
- zeitlicher Verlauf einer physikalischen Größe x, die Informationen in sich trägt
Problem: Darstellung kontinuierlicher, veränderlicher Systemzustände durch Informationen
- unendlicher Wertevorrat --> wertkontinuierlich, zeitkontinuierlich
- unendlicher Wertevorrat nicht abbildbar in diskreten Systemen
Lösungsansatz
- Quantisierung
- Zustandsbereich auf Intervall beschränken in dem sich Zustandsgröße befindet
- Aufteilung des Intervalls in Inkremente
- Digitalisierung der Informationen
- Entscheidungsgehalt = Maß für Aufwand zur Klassifizierung der Zustandsgröße
- - Zustandsraum
- Auflösung: kleinste einstellbare, erkennbare Inkrement bezogen auf beschränkten Zustandsbereich
- Länge des Inkrements
- Genauigkeit: größte Abweichung des realen Zustandes Xr von seinem durch Information beschriebenem Zustand Xi
- relative Genauigkeit
- Abtastung
- Informationserfassung nur alle ( > 0)
- --> Zeitdiskretisierung
Diskussion
- Abtastfrequenz >> Signalfrequenz
- bei Anwendung können A und G (gleich und) verschieden sein
- hohe A bei kleiner G für Langzeitmessung
- G > A – falsche Abbildung der physikalischen Zustände
- Normalfall: A >,>> G
- Fakt: ADU, DAU --> A > G , G – schlechterer Wert
Prozeßlenkung, Prozeßkopplung, Prozeßrechner
Sensor:
- erfassen x(t)
- wandeln x(t) in x(t)
Verarbeitung: diskret
Aktor:
- stellen
- wandeln y(t) in y(t)
zeitdiskretes Signal
- fungiert über diskrete Zahlenfolgen
- führt auf
Untersuchung von Systemen
(1) statische Systeme
- y(t) hängt ausschließlich von x(t) ab
(2) dynamische Systeme
- y(t) hängt zumindest in einem Zeitpunkt von der Zeit und nicht nur von x() ab
Unterscheidung durch Linearität
(1) lineare statische Systeme
- g.d.w. Überlagerungssatz gilt
(2) lineare dynamische Systeme
- für E-/A-Signale aus Vergangenheit und Gegenwart gilt Überlagerungssatz
- ist das nicht so: nichtlineare Systeme!
Verhalten in linearen dynamischen Systemen
//Bilder
mögliche Systemklassen
//Bild
- lineare (insbesondere statische) Systeme lassen sich sehr gut beschreiben durch
- Datenflußgraphen (DFG)
- Signalflußgraphen (SFG)
- siehe Bild 3.3. (DFG / SFG)
- gerichteter Graph
- Richtung entspricht Datenfluß
Funktionsbeispiel:
- Knoten / Plätze: Datenspeicher / Variable (a, b, c, y)
- Operatoren: Operationen (ADD, MULT)
//Bild
Defizit: Reihenfolge der Abarbeitung (Steuerfluß) fehlt
Grundstrukturen
- Reihenschaltung
//Bild
- Parallelschaltung
//Bild
- Rückkopplung
- Gegenkopplung (Regler)
- Mitkopplung (Oszillator)
//Bild
Struktur hierarchischer Prozeßlenkungen
Ziel: //Bild
Vorraussetzung: Erfassung des Streckenzustandes
Strecke
- Teil des Systems
- technische bzw. physikalische Größen gemäß Zeitfunktion
- meist zeitkontinuierlich
- Streckenmodell durch Messen / Berechnen ermitteln
Art der Einflußnahme
- Steuerung
- ist rückwirkungsfrei
- SFG zyklenfrei
- n-Eingangsgrößen möglich
- Stellgrößen sind Ausgang
- Führungswertsteuerung über externe Führungswerte
- siehe Bild 3.6
- Regelung
- geschlossene Wirkungskette
- Regelabweichung = Istwert – Führungswert
- „Regeltechnisches Paradoxon“
- Führungsbetrieb
- Störbetrieb (externe Störungen)
Automatisierungsziel
- einfach --> einfaches PDV-EZS (autonomes) Automatisierungssystem
- komplex
- Dekomposition, Funktion, Hierarchie
- Taxonomie --> PDV-EZS als Rechnerverbund
- siehe Bild 3.6
- Rechnerverbund --> Ebenen --> Zeitebene, Intelligenz, Komplexität
Besonderheiten der Ebenen
(1) Prozeßebene
- direkte Prozeßüberwachung, -beeinflussung (Steuerung / Regelung)
- Elementar-, Einzel-, Verbundprozesse
- Kopplung Sensor --> Steuerung --> Aktor direkt oder über Busse (z.B. ASI-Bus)
- Bedienung: prozeßnah
- Handbetrieb
- Normalbetrieb
(2) Operativebene
- Überwachung und Bedienung von Gruppen- und Einzelreglern (gegebenenfalls Backup)
- Einzel-, Verbundprozesse
- Bindeglied zwischen (1) und (3) – Koordinationsebene
//Bild
- Kopplung: EZ-Busse (CAN, Profi-Bus, ...)
- Bedienung:
- problemspezifische Programmierumgebung
- Funktionstastaturen
- Ausgabe: Störmeldungen, Protokolle, Trendanalyse
(3) Koordinationsebene
- Gruppen der Operativebene zusammengefaßt
- Funktionskoordinierung:
- Voraussetzung für Prozeßlenkung über Leitrechner
- Funktionsoptimierung:
- max. Effizienz der Teilprozesse nach gemeinsamen Zielfunktionen
- Kopplung:
- (3) --> (2): EZ-Busse
- (4) <-- (3): nicht EZ-Busse, (EZ-Busse möglich)
- Redundanz für (2) (abhängig von Kopplung: EZ / nicht EZ)
- Bedienung:
- Abfrage aller unteren Schichten (z.B. Bedienung von (2))
- Programmierumgebung
- Steuerstrategien
(4) Leitebene / Managementebene
- zentrale Leitung des Ausgabesystems
- Betriebsprozesse
- Planung / Statistik / wirtschaftliche Strategie
- Trennung zwischen System und Umgebung
- Kopplung (4) --> (3): nicht EZ-Busse
- Bedienung:
- leistungsfähige (graphische) Programmierumgebung
- Protokollierung / Archivierung
Zeithorizonte der Ebenen
//Bild
konkrete Aufgabenstellung in der Hierarchie bestimmt:
- Zeitforderungen / Abläufe der Kopplung
- Enge der Kopplung einer Rechners an den Prozeß
- Eingriffsmöglichkeiten von Mensch und / oder Rechner auf den technischen Prozeß
- --> Unterscheidung von Kopplungsprinzipien
- Stärke der Kopplung
- Mitwirkung Mensch, Rechner
Varianten:
- Mensch --> technischer Prozeß
- Rechner --> technischer Prozeß
- Mensch --> Rechner
//Bild
Kopplungsprinzipien
- handbediente Prozesse
//Bild
- indirekte Prozeßkopplung
- off-line
- //Bild
- Mensch ist Bindeglied
- keine zeitliche Bindung
- offline Datenübergabe, -abholung
- in-line
- //Bild
- zeitliche Bindung
- parallele Berechnung komplexer Algorithmen mit Rechner
- als Vorgabe für Menschen, Mensch steuert nach wie vor
- direkte Prozeßkopplung
- siehe Bild 3._
Rechner zur Kopplung technischer Prozeß à Prozeßrechner (PR)
Prozeßrechner
2 Arten:
- erweiterte technische Lösung einer allgemeinen Universalrechnerstruktur (Operativ-, Kooperativebene)
- spezielle Realisierung mittels Mikroprozessoren als integrierte Systeme (Operativ- und / oder Prozeßebene)
--> siehe Bild 3.7.
- leistungsfähiger Rechenkern
- modularer Aufbau
- Konfigurierung von Meß- und Stellperipherie
- (z.B. bis 100 Regelkreise)
- Prozeßperipherie
- peripheres Gerät = f(Aufgabenstellung)
- Bsp.: Gerät = Druckmesser, Aufgabe = Druckmessung, ...
- oft höhere Kosten als ZVE (zentrale Verarbeitungseinheit)
- bestimmen maßgeblich Signalverhalten, Zeitverhalten, Sicherheit
- peripheres Gerät = f(Aufgabenstellung)
- Kommunikationsperipherie
- Peripherie für Bedienung / Beobachtung
- Kommunikation mit Bediener
- Programmierung / Parametrierung (Entwickler)
--> für Systemkommunikation
- Rechnerverbund
- für Systemstart und Führung
- funktionale Vernetzung mehrerer Rechner
- fernwirkende E/A-Bedienung
zu Bild 3.8.: spezielle Mikrocomputer der PDV als EZS / embedded!
spezielle PR:
- Ansatz
- Aufgaben klein (bis mittel)
- Verteilung von Aufgaben auf „kleine“ Systeme
- Vorteile
- dezentrale (parallele) Verarbeitung
- hohe Geschwindigkeit
- kurze Wege für E/A
- hohe Zuverlässigkeit (Redundanz)
- überschaubare Hard- / Software
=> Funktionsrechnerkonzept
- hohe Anforderungen an Kommunikationsperipherie
- hoher Kommunikationsaufwand
Komplexe Systeme
- Verteilung
- Realisierung als Mehrprozessorsystem bzw. Mehrrechnersystem
Prozeßrechner als Mehrprozessorsystem (Bild 3.9)
- es entstehen verschiedene Zeitebenen in den Knoten und beim Informationsaustausch
- Konzept: hohe Rechenleistung und gewisse Universalität
- Coprozessoren:
- Arithmetik
- E/A-Verkehr
- Speicher-Verkehr
- Busverkehr
- Besonderheit: Kommunikationssystem erforderlich
a) einzelne Prozessoren – feste Kopplung über gemeinsamen Speicher (intern), Bussysteme
b) zusammenhängende Kommunikationskanäle
- E/A-Kommunikation
- Punkt zu Punkt
- Busse (Linie, Ring, Stern)
Prozeßrechner als Mehrrechnersystem (Bild 3.10)
Multicomputersysteme
- System aus gleichartigen, einzelnen Rechnern (Prozessor, Peripherie, Speicher)
- Verbindungssystem für Informationsaustausch
- feste Kopplung (gemeinsame, globale Speicher)
- lose Kopplung (Gerätekopplung, E/A-Kopplung)
Spezielle Mehrprozessorsysteme (Bild 3.11)
//Bild
Transputersysteme:
- CPU + zusätzliche IO-Prozessoren (mit mehreren Kanälen) bilden einen Knoten (Rechner)
Abschätzung:
- Aufwand reine Rechenzeit
- Aufwand Übertragung über Links