Echtzeitsysteme

Echtzeitsysteme (EZS)
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Vorlesender	Kowalski
Ort	K2077
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Vorlesungsmaterial

Vorlesungsmaterial unter http://pi0.theoinf.tu-ilmenau.de/ezbs <hiddenlogin linktext="Login zum Zugriff (klick me!)">Login: ezbsu / alle9</hiddenlogin>

Zugelassene Hilfsmittel:

- eigenes VL-Script

- ein A4-Blatt

Vorlesungsmitschrift (Angaben ohne Gewähr)

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)

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
  • $H_{0}=ld(n)$
  • $M_{Z}=\{Z_{1},...,Z_{n}\}$ - Zustandsraum

• Auflösung: kleinste einstellbare, erkennbare Inkrement bezogen auf beschränkten Zustandsbereich
  • $A={\frac {{\hat {x}}-{\check {x}}}{\Delta x}}$ Länge des Inkrements

• Genauigkeit: größte Abweichung des realen Zustandes Xr von seinem durch Information beschriebenem Zustand Xi
  • $G=\left|X_{r}-X_{i}\right|_{max}$
  • $g={\frac {\left|X_{r}-X_{i}\right|_{max}}{X}}$ relative Genauigkeit

• Abtastung
  • Informationserfassung nur alle $\Delta t$ ($\Delta t$ > 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($\Delta$t)

Verarbeitung: diskret

Aktor:

• stellen
• wandeln y($\Delta$t) in y(t)

zeitdiskretes Signal

• fungiert über diskrete Zahlenfolgen $x_{i}$
• führt auf $y_{i}$

Untersuchung von Systemen

(1) statische Systeme

• y(t) hängt ausschließlich von x(t) ab

(2) dynamische Systeme

• y(t) hängt zumindest in einem Zeitpunkt $T_{1}$ von der Zeit und nicht nur von x($t_{x}$) ab

Unterscheidung durch Linearität

(1) lineare statische Systeme

• g.d.w. Überlagerungssatz gilt
• $f(x_{1}+x_{2})=f(x_{1})+f(x_{2})$

(2) lineare dynamische Systeme

• für E-/A-Signale aus Vergangenheit und Gegenwart gilt Überlagerungssatz
• $f(x_{1}(t)+x_{2}(t))=f(x_{1}(t))+f(x_{2}(t))$
• ist das nicht so: nichtlineare Systeme!

Verhalten in linearen dynamischen Systemen

mögliche Systemklassen

• 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: $y=a\cdot (b+c)$

• Knoten / Plätze: Datenspeicher / Variable (a, b, c, y)
• Operatoren: Operationen (ADD, MULT)

Defizit: Reihenfolge der Abarbeitung (Steuerfluß) fehlt

Grundstrukturen

• Reihenschaltung

• Parallelschaltung

• Rückkopplung
  • Gegenkopplung (Regler)
  • Mitkopplung (Oszillator)

Struktur hierarchischer Prozeßlenkungen

Ziel:

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

• Kopplung: EZ-Busse (z.B. CAN, Profi-Bus, Interbus)
• 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
• Verbundprozesse
• 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 Ebenen (z.B. Bedienung von (2))
  • Programmierumgebung
  • Steuerstrategien

(4) Leitebene / Managementebene

• zentrale Leitung des Ausgabesystems (Automatisierungssystems)
• Betriebsprozesse
• Planung / Statistik / wirtschaftliche Strategie
• Trennung zwischen System und Umgebung
• Kopplung (4) --> (3): nicht EZ-Busse (möglich mit EZ-Busse)
• Bedienung:
  • leistungsfähige (graphische) Programmierumgebung
  • Protokollierung / Archivierung

Zeithorizonte der Ebenen

bei ms-s (auch bei min): größte EZ-Forderung

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 (nötig!)
  • Stärke der Kopplung
  • Mitwirkung Mensch, Rechner

Varianten:

• Mensch --> technischer Prozeß
• Rechner --> technischer Prozeß
• Mensch --> Rechner

Kopplungsprinzipien

• handbediente Prozesse

• • Mensch beobachtet & steuert --> alle Aufgaben der Prozesssteuerung bei Menschen --> geringere Komplexität
  • ggf. Kleinkraftwerke, Heizanlagen

• indirekte Prozesskopplung
  • off-line
  • 
    • Rechner muss nicht EZ-Fähig sein
    • Mensch ist Bindeglied zwischen ZP und Prozessrechner
    • keine zeitliche Bindung
    • offline Datenübergabe, -abholung

• • in-line
  • 
    • zeitliche Bindung
    • parallele Berechnung komplexer Algorithmen mit Rechner
    • als Vorgabe für Menschen, Mensch steuert nach wie vor (z.B. Prozessrechner errechnet komplexe Steuerdaten, aber Mensch führt Steuerung aus)

• direkte Prozesskopplung
  • enge zeitliche Kopplung
  • Bediener möglichst ausserhalb der Kette
  • z.B. Fahrerloser Betrieb
  • Prozessrechner wird möglichst in Prozess integriert
  • siehe Bild 3._

Rechner zur Kopplung technischer Prozeß à Prozeßrechner (PR)

Prozeßrechner

• 2 Arten:
  • erweiterte technische Lösung einer allgemeinen Universalrechnerstruktur (Operativ-, Kooperativebene) mit spez. PR-Elementen, -eigenschaften
    (operativ- oder Kooperationsebene)
  • spezielle Realisierung mittels Mikroprozessoren als integrierte Systeme (Operativ- und / oder Prozeßebene)

zu Bild 3.7.:

• leistungsfähiger Rechenkern
  • modularer Aufbau
  • Konfigurierung von Meß- und Stellperipherie
  • (z.B. bis 100 Regelkreise)

• Prozeßperipherie
  • peripheres Gerät = f(Aufgabenstellung) (bereits im Sys vorhanden oder ggf neu entwickeln)
    • Bsp.: Gerät = Druckmesser, Aufgabe = Druckmessung, ...
  • oft höhere Kosten als zentrale Verarbeitungseinheit
  • bestimmen maßgeblich Signalverhalten, Zeitverhalten, Sicherheit

• Kommunikationsperipherie
  • Peripherie für Bedienung / Beobachtung
  • Kommunikation mit Bediener
  • Programmierung (Entwickler) / Parametrierung (Bediener)
  • --> für Systemkommunikationund
    • Rechnerverbund (funktionale Vernetzung von Rechnern)
    • fernwirk EA-Bindung
    • für Systemstart und Führung

zu Bild 3.8.: spezieller PR-Chip als kleinste PR-Architektur

• Ansatz
  • Aufgaben klein (bis mittel)
  • Verteilung von Aufgaben auf „kleine“ Systeme
• Vorteile
  • dezentrale (parallele) Verarbeitung
  • hohe (Verarbeitungs-)Geschwindigkeit
  • kurze Wege für Prozesse & E/A
  • hohe Zuverlässigkeit (Redundanz)
  • überschaubarer Hard- / Softwareentwurf
  • geringe Kosten
  • => möglich als Funktionsrechnerkonzept
  • =>erhöhter Kommunikationsaufwand
  • =>Anforderungen an Kommunikationsperipherie steigen

• Komplexität der Prozesse
  • Komplexe Struktur, Topologie
  • Komplexe Funktion
  • ggf beides

• => PR-Architekturen
  • Mehrrechnerarch.
  • Einrechnerarch.
  • Mehrprozessorarch.
  • Einprozessorarch.

Komplexe Systeme

• Verteilung
• Realisierung als Mehrprozessorsystem bzw. Mehrrechnersystem

Prozeßrechner als Mehrprozessorsystem (Bild 3.9)

• Verbindungssystem für Informationsaustausch (allgemeiner Bus, Speicherkopplung)
  • fest über Speicher
  • interne Busse
• 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
    • innerhalb Busse, Speicher
    • außerhalb
      • Speicher (global; Punkt zu Punkt)
• Eigenschaften:
  • Universalität / hohe (angepasste) Rechenleistung
  • Ergänzung von fehlenden Eigenschaften der Co-Prozessoren
  • einzelne Prozessoren => lose Kopplung, interne Busse
  • zusätzliche Kommunikationskanäle (in Umgebung)

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 3.11)

(einzelne Rechner kommunizieren über Speicher/Busse)

Multicomputersysteme

• System aus (gleichartigen) selbstständigen einzelnen Rechnern (Prozessor, Peripherie, Speicher)
• Verbindungssystem zwischen Rechnern für Informationsaustausch erforderlich
  • feste Kopplung (gemeinsame, globale Speicher)
  • lose Kopplung (Gerätekopplung, E/A-Kopplung)

Spezielle Mehrprozessorsysteme (Bild 3.12)

Ansatz:

• Leistungsfähige Verarbeitung
• zusätzliche leistungsfähige Kommunikation

z.B. für Vektor- & Matrizenrechnung

Transputersysteme:

• CPU + zusätzliche IO-Prozessoren (mit mehreren Kanälen) bilden einen Knoten (Rechner)

Abschätzung:

• Aufwand reine Rechenzeit
• Aufwand Übertragung über Links

Echtzeitkommunikation / Busse / EZ-Busse

Anforderungen an EZ-Busse

• definierte Antwortzeiten (Busübertragungszeit)
• Übertragungssicherheit
• Fehlererkennung und –behebung
• Verfügbarkeit, Preis
• effiziente Protokolle (Geschwindigkeit)
• Standardisierung (breite Anwendung)

Beispiel

• ASI: Aktor-Sensor-Bus (Interface)
  • Master Slave Bus
  • begrenzte Adressierbarkeit
  • begrenzter Datenaustausch (Sensorabfrage)
  • verbinden "intelligenter" E/A
  • Prozeßebene (Sensor-Aktor-Ebene) <-> technischer Prozeß

• CAN-Bus: (Profibus, Interbus) à siehe Folie
  • Regelungs-Steuerungs-Ebene

Prozeßperipherie

Aufgabe: Prozeßdaten vom und zum Prozeß zu übertragen!

Unterscheidung: Prozeßgrößen (Sicht Automatisches System)/ Prozeßdaten (Sicht Prozessrechner) aus der Sichtweise

Übertragungsart von parallel => seriell

--> siehe Bild 4.0 – Prozeßgrößen

• Prozeßperipherie:
  • erfaßt bzw. überträgt zum Prozeß
  • Prozeßdaten: analog, digital, binär (gemischt-hybrid)

Prozeßzustandserfassung

klassifizierbar nach:

• Auslösen der Zustandserfassung (Steuerungssystem, technischer Prozeß)
• Dauer der Prozeßzustände (statisch, dynamisch)

--> n-Tupel Tabelle

Initiator der Prozeßzustandserfassung	Dauer der Prozeßzustände
	langfristig	kurzfristig
Steuerung	statische Zustandssignale	dynamische Zustandsignale
technischer Prozeß	statische Alarmsignale	dynamische Alarmsignale

Statische Zustandssignale (siehe Folie 4.1)

• Prozeßsteuerung fordert zu definierten Zeiten regelmäßig Informationen aus Prozeß an, um bestimmte Reaktionen auszuführen
• nur sinnvoll, wenn ${\frac {1}{T_{S}}}>{\frac {1}{T_{P}}}$ (Anforderungsrate Prozeßsteuerung > Änderungsrate des Prozesses)
• Erfassung relevanter Zustände mit Abtasttheorem ( $f_{abtast}\geq 2\cdot f_{Prozess}$ )

Dynamische Zustandssignale

• kurzfristige Zustandsänderungen die erfaßt werden müssen, wenn $T_{P}<T_{S}$ (Dauer eines Prozeßzustandes < Periodendauer für Erfassung/Reaktion)
• Zustandsänderung dynamischer Signale müssen gepuffert werden (Aufheben)

--> Betriebsart: Taste-Halte-Glied (analog)

• D-Flip-Flop (binär)
• bis zum Überschreiben bleibt Pufferwert gültig
• sinnvoll auf kurzfristige Ereignisse
  • wenn nicht schritthaltend reagiert werden muß
• (Vorteil: Vermeidung von Busy-Waiting)
• wenig Aufwand f. extrem seltene Signale

Statische Alarmsignale

• zeigen längerdauernde (insbesondere binäre) Zustände an
• erweiterte Möglichkeit zur Abfrage und Auswertung von Prozeßsignalen durch:
  • Wegfall der zyklischen Abfrage bei seltenen Zuständen (vermeidet "busy-wait")
  • oder um bei Eintreten solcher Zustände unmittelbare Reaktionen zu veranlassen $T_{P}>>T_{S}>T_{R}$ (Reaktionszeit)
  • oder wenn während bestimmter Zustände im Prozeß keine Zustandserfassung möglich ist (Grenzwertüberschreitungen)
  • Wunsch statischer Meldungen ständig verfügbar z.B. für Wiederaufruf (aus Reset, kritischer Zustand)
• speichern möglich

Dynamische Alarmsignale

• Informationsparameter ist zeitlicher Ereignispunkt eines bestimmten Zustandswechsels
• erfordert sofortige Reaktion im aktuellen Zyklus mit hoher Priorität
• auffangen/speichern/reagieren
• erfordert geeignete Maßnahmen zur Prozesszustandsabhängigen Steuerung
• Reaktionszeit entspricht Prozeßzeit
  --> echtzeitfähige Reaktion
  • geht über Erfassung von Zustandssignalen hinaus

//Bild

• Reaktion echtzeitfähig aus jedem beliebigen Zustand der PR-Steuerung heraus

Funktionen und Funktionsgruppen der Prozeßperipherie

Hauptfunktionen:

• Abtastung
• Quantisierung (Grenzwerte, Messbereich, Stückelung)
• Digitalisierung

Nebenfuntionen:

• Signalanpassung (Pegelanpassung, Schaltungsanpassung)
• Signalübertragung
• Eliminierung von Störungen

Realisierung:

• Hardware (ADU, DAU, RC-Filter, ...)
• Software (Kodiealgorithmen, Filteralgorithmen, ...)

• Messgrößen klassifizierbar --> Bild 4.2.

• vollständige Meßkette / Stellkette
  • n-stufig
  • Realisierung durch Hardware und Software
• Signale:
  • elektrisch, nicht elektrisch
  • analog, digital, ...
• Eigenschaften der Signale erfordert spezielle Prozeßperipherie

Klassifikation der Prozeßsignale

a) nach Aufbereitung der Signale im Meßprozeß

• primäre Meßwerte
  • direkt am Prozeß aufgenommen
  • "unverfälscht" (außer eventuelle Sensorfehler)
  • dem Prozeßzustand zugeordnet
  • z.B. Füllmenge einer Flasche
• sekundäre Meßwerte
  • entstehen nach mindestens einer Umwandlung aus primären Meßwerten
  • können zusätzliche Fehler aufweisen
  • z.B. Füllhöhe auch von Form abhängig nicht nur von Füllhöhe

b) nach technischer Natur

• elektrische Meßwerte
• nichtelektrische Meßwerte (Mehrzahl in der Natur)

c) nach zeitlichen Verhalten

• statische Signale
  • Werte sind zeitlich konstant
• stationäre Signale
  • über längere Zeit wie statische Signale
  • bei Bedarf änderbar
• quasistationäre Signale
  • verhalten sich wie stationäre Signale
  • langsame Änderung möglich
  • z.B. Temperatur
• dynamische Signale
  • schnelle Änderung der Signalparameter möglich
  • nicht nur Momentanwert, auch Änderungsrate / Gradient ggf. interessant
• Ereignisse (Alarme)
  • sprunghafte Änderung entscheidet
  • nicht unbedingt Wert interessant sondern Tatsache, dass Änderung eintritt (qualitativ)
  • Richtung und/oder Zeitpunkt interessant
  • z.B. Inkrementalgeber

d) Klassifikation nach Signalformen

• Gestaltung der Peripherie
• beschreibt wie
  • Signal vom Meßglied bereitgestellt wird
  • vom Stellglied erwartet wird

--> Bild 4.3.

• analoge Signale: konstante Änderung, jeder beliebige Wert möglich
• diskontinuierliche Signale: zu bestimmten Zeitpunkten jede beliebige Amplitude möglich
• diskrete Signale:
  • wertdiskret (endlich viele Werte möglich)
  • zeitdiskret (endlich viele Zeitpunkte möglich)
  • wert- und zeitdiskret
• binäre Signale: 2 Zustände
• Impulsfolgen: Impulsabstand / Impulsanzahl
• Abtastimpulse

Zusammenfassung

• Prozeßperipherie muß an speziellen Charakter der Meß-/Stellwerte angepaßt werden
• leider häufig neu entwickelt werden
• im Regelfall (PDV) sind es quasistationäre bzw. dynamische, nichtelektrische, analoge Meßwerte (als Primärsignale)
• aus Signalart folgt:
  • Art der Meßgeräte zur Prozesssignalerfassung (Bild 4.4.)
  • Kette der Prozeßgrößenaufnahme (Bild 4.5.)

Prozessgrößenaufnahme

Ziel: Umwandlung v. Prozessgrößem in Prozessdaten (Zustandsgrößen, Alarme) Ausgangspunkt --> angepasste Umsetzung => aus Klassifikation der Signale => angepasste Umsetzung/Mess- bzw. Stellkette

a) nach Aufbereitung der Signale im Messprozess:

• primäre Messwerte:
  • direkt am Prozess gewonnen
  • unverfälscht (evtl. Fehler des Sensors)
  • Prozesszustandand zugeordnet
  • z.B. Füllhöhe in Behälter
• sekundäre Messwerte:
  • enstehen nach mindestens einer Umformung
  • können zusätzliche Fehler haben
  • z.B. Füllhöhe indirekt über Gewicht bzw. Winkelauslenkung ermitteln

b) nach technischer Natur

• elektrische Signale (Messwerte)
• nichtelektrische Signale (-"-) (Mehrzahl in der technische Anwendung)

c) nach zeitlichem Verhalten

• statische Signale: zeitlich konstant (gegebenenfalls in bezug auf Arbeitsprozess)
• stationäre Signale:
  • konstante Sollwertparameter für bestimmte Zeit
  • Parameter/Sollwert mit wenig Änderung
• quasistationäre Signale:
  • ähnlich zu stationären Signalen
  • sehr langsame Zustandsänderung
  • (Bsp.P Temperaturänderung bei großen Massen)
• dynamische Signale:
  • schnelle Änderung der Sollparameter
  • nicht nur Momentanwert sondern auch Gradient interessant
  • zum Beispiel gedämpfte Schwingung: interessante Parameter sind: Dämpfung, Frequenz, Startamplitude, Gradient...
• Ereignisse (Alarme):
  • sprunghafte Änderung der Signale
  • nicht nur Wert der Veränderung bedeutsam
  • sondern gegebenenfalls auch Zeitpunkt bzw. Richtung

d) nach Signalform

• siehe hier
• relevant für Gestaltung der Prozessperipherie
• beschreibt wie Signal vom Messglied bereitgestellt/aufgenommen wird bzw. vom Stellglied benötigt wird
• Formen:
  • analoge Signale:
    • kontinuierliche Änferung
    • innerhalb der bestimmten Grenzen ist jeder Wert möglich --> unendlicher Wertevorrat
  • diskontinuierliche Signale:
    • Veränderung sprunghaft
    • Signalwerte innerhalb der Grenzen
  • diskrete Signale
    • wertediskret
    • Zeitdiskret
    • kombination aus beiden --> Abtastsignal
  • quantisierte Signale: quantisierte Änderung möglich
  • binäre Signale: nur 1 und 0 als Zustand möglich
  • Impulsfolgen:
    • Information in $\Delta t$
    • Information in der Anzahl der Impulse
  • Abtastimpulse
    • quantisiert aber nur über bestimmtes Zeitraster
  • PBM(PWM):
    • Pulsbreitenmoduliertes Signal
    • Information stecken im Verhältnis von 0 zu 1 bereichen
• Zusammenfassung:
  • Prozessperipherie muss Charakter der Messwerte angepasst werden!
  • --> muss daher häufig neu entwickelt werden
  • im regelfall:
    • quasistatisch bzw. dynamische
    • nichtelektrische analoge Größen
    • als primäre Messwerte
• aus Signalart:
  • --> Arten von Messgeräten --> vgl. Bild 4.4
  • Konkrete Kette der Prozessgrößenaufnahme --> vgl Bild 4.5

Quantisierung / Digitalisierung

• Prinzip A/D-Umsetzung

• U ≙ kontinuierliches Signal
• F ≙ Zählsignal (digital)
• UF-Umsetzung langsamer als A/D Umwandlung

• Prinzip D/A-Umsetzer

• F ≙ Zählsignal (digital)
• U ≙ kontinuierliches Signal

Prozeßgrößenübertragung

Grundfunktionen

• Anpassung des Signals an physikalische Anschlussbedingungen
  • Schaltungsanpassung (Widerstände, Potentialtrennung, Rückwirkungsfreiheit)
  • Pegelanpassung (Verstärkung Meßsignal, Wandlung I → U)
• Übertragung
  • räumliche Trennung Meßgröße, Prozessrechner, Stellorgan
  • Fernwirksysteme
• aus Übertragung folgt:
  • Signalverhalten
  • Übertragungseigenschaften
  • Störempfindlichkeit
  • Kosten

--> siehe Bild 4.8.-10.

Multiplexen / Demultiplexen

(Technik zur Umsetzung vieler Signale)

--> Bilder auf den Folien 4.11. / 4.12

Steuergröße, Stellglieder, Stelleinrichtung

Steuergröße:

• wirkt auf Stellglied
• direkte Wirkung auf Stellgröße (Strom → Heizung)

Stellgröße

• wirkt am Stellort (Durchfluss bei Ventilen)
• praktisch geringere Vielfalt als P-Messgrößen
• Klassifizierung nach verschiedenen Gesichtspunkten

--> Bild 4.14

Statisches Verhalten

• durch Kennlinie
  • Eingang ist Funktion vom Ausgang E=f(A)
  • z.B. Drehzahl (Fördermenge)
• stetige Kennlinie
  • monoton
  • kontinuierlich
  • → stetiger Algorithmus
• schaltende Geräte (diskrete Werte)
  • 2-Punkt Regelung (an/aus)
  • 3-Punkt Regelung (+,aus,-) z.B. Motor (rechts, aus, links)

dynamisches Verhalten

• Stellglieder sind in der Regel langsamer als Messglieder (Mechanische/Thermische Geräte)
• Zeitverhalten muss im Prozess berücksichtigt werden (als Sprungantwort/ Impulsantwort)
• ermitteln durch Testsignale (Sprung, Impuls ...)
• oft zusätzliches nichtlineares Verhalten → Einfluss auf das Gesamtkonzept
• Siehe Bild "Unterscheidung nach Sprungantwort"

• dezentrale Systeme
  • z.B. Messglieder, Stellglieder, Busse
  • z.B. verschiedene Tastzeiten (TS)
    • Tsalgo, TsADU → Verschiebung durch nicht Synchrone Ts möglich (siehe später)

Grundlagen der Regelung mit Digitalreglern

→ Regelkreis

x: Regelgröße / Zustandsgröße

w: Führungswert

u: Regelabweichung

Beschreibung linearer dynamischer Systeme

f[x1(t)+x2(t)] = f[x1(t)] + f[x2(t)]
→ Überlagerungssatz gilt !

Elementar Signal	Transformation	häufige Anwendung
Stoß, Spalt	Faltungsintegral	allgemein
Sprung	Laplace Transformation	Automatisierungstechnik
Cosinus	Fouriertransformation	Nachrichtentechnik
periodische Stoßfolge	Z-Transformation	zeitdiskrete Systeme
Rechteckfolge	Walsh-Transformation	digitale Kommunikatioin

Bild/Tab 5.1

Analytische Beschreibung von Prozessen

• Funktionsbeziehung(Zeitfunktion/Zeitbereich)
  • Beschreibt analytisch das physikalische Verhalten von Systemkomponenten
  • ordnet Eingangsgrößen einer Ausgangsgröße y zu: y(t)= f(x(t))
  • Bsp.: Sprung (zu einer Bestimmung der Funktionalenbeziehung als Testsignal)
  • Verallgemeinerte Ableitung des Sprungs wird als Gewichtsfunktion bezeichnet, deren Laplace-Transformation Übertragungsfunktion heißt
• Übertragungsfunktion
  • Bild Funktionen,Frequenzbereich
  • durch Laplace Transformation aus Zeitfunktion von E und A Signalen mit einfachen Rechenregelwerk
• Def: Laplace-Transformation L{f(t)} ordnet der Zeitfunktion f(t) in eindeutiger weise eine komplexe Funktion F(s) zu

$F(s)=\int _{0}^{\infty }f(t)e^{-st}dt$

• s ist komplexe Variable: s= p+jw
• Bild 5.3.1 (Korrespondenzen der Laplace-Transformation)
• Bild 5.3.2 (Rechenregeln)
• Bild 5.4 (Zusammenstellung einfacher Kennlinienglieder)
• Bild 5.5 (Beschreibung der funktionalen Abhängigkeiten eines Gleichstrommotors)
• Bsp. Roboterarm

1 Elektrischer Teil

$U_{a}-e_{m}=R_{a}\cdot i_{a}+L_{a}\cdot {\dot {i}}_{a}$

Wobei gilt: $e_{m}=\tau _{m}\cdot \omega _{m}$

$\tau _{m}=c\cdot \Phi \ \ \Phi ...{\mathit {Hauptfluss}}$

Zeitbereich !!

2 Mechanischer Teil

${\dot {J}}_{m}\omega _{m}=M_{a}-M_{L}\ \ M_{L}...{\mathit {Lastmoment}}\ M_{a}...{\mathit {Arbeitsmoment}}$

Zeitbereich !!

→ Laplacetransformation

$R_{a}\cdot I_{a}$ → Linearkombination

$L_{a}\cdot {\dot {i}}_{a}$ → Differenziation

$U_{a}-E_{m}=R_{a}\cdot I_{a}+L_{a}\cdot s\cdot I_{a}$

$I_{a}={\frac {\frac {1}{R_{a}}}{\frac {1+L_{a}}{R_{a}+s}}}(U_{a}-E_{m})$ → Verzögerungsglied

$M_{a}-M_{l}=J_{m}(s\cdot \Omega _{m}(s)-\omega _{m}(t_{0}))$

$\Omega _{m}={\frac {M_{a}-M_{L}}{J_{m}\cdot s}}+{\frac {\omega _{m}{(-0)}}{s}}$ → I-Glied

1.Verstärker und Stromrichter haben proportionales Verhalten

→ Kv, Ksr

2. Summierpunkt

$U_{a}-e_{m}$ (Eingang)

3. $I_{A}$ (Ausgang) = $K={\frac {1}{R_{a}}},T={\frac {L_{a}}{R_{a}}}$

Übertragungsfunktion: ${\frac {K}{1+T_{s}}}$

4. proportional Wirkende Motorkonstante

$k=\tau _{m}$ (Übergang zum mechanischen Teil)

5. Summierpunkte: $M_{a}-M_{L}$ (Eingang)

6. Ω (Ausgang) Übertragnungsfunktion

${\frac {K}{s}}={\frac {1}{J_{m}\cdot s}}$

7. Rückwirkung:

$e_{m}-\tau _{m}\omega ,k=\tau _{m}$

Digitale Regelung

• für Modellierung (technischer Prozess, Regler)
• Simulation (technischer Prozess, Regler)
• Regelung (Regler)
• Forderung: Gesamtfehler muss unter max. zulässigem Fehler liegen!
  • bezüglich Zeit --> Nyquist Theorem (Shannon)
  • bezüglich Wert --> Auflösung, Genauigkeit,Abweichung
• t. Prozess: beschrieben durch Differenzialgleichung bzw. Integralgleichung
• getastete System: beschrieben durch Differenzengleichung bzw. Summengleichung

Differenzengleichungen, Regler, Filteralgorithmen

→ Bild 5.7

→ Bild 5.6 (Elementare Systeme und Modelle)

• Berechnung Gesamtübertragungsfunktion bei zusammengesetzten Systemen
  • Reihenschaltung
  • Parallelschaltung
  • Rückführung / Gegenkopplung

→ Bild 5.8 (PID-Regler)

→ Bild 5.9 (Filteralgorithmus für Hoch-Tiefpass)

Informationsverarbeitung in Prozeßrechnern

Echtzeitbetrieb

• Kopplung an technischen Prozeß nur sinnvoll, wenn auf alle Forderungen des technischen Prozesses zeitgerecht reagiert wird
• Echtzeitbetrieb ist Betriebsart eines Rechners, bei der der Rechner sich an die dynamisch ändernden Anforderungen aus dem Prozess anpasst
  • Zustände, Zeitbedingungen, Wichtigkeiten

technischer Prozeß:

• dynamische Änderung
• Zeitbedingungen

• technischer Prozess --> Prozessrechner Anpassug-->
• Anpassung
• spezielle E/A
• spezielle Kommunikation und zusätzlich Erfassung zeitlicher Bedingungen

→ angepasste Reaktion

→ entsteht Problem der Realisierung (Abbildung) von Zeiten

EZ-Forderungen

• Rechtzeitigkeit
  • Zeitforderungen für Antwortzeit
  • Start bzw. Ende Reaktionsprogramm
• Gleichzeitigkeit
  • in technischen Prozeß sind Teilprozesse zeitlich / wirkungsmäßig parallel
  • Reaktionsprogramme müssen parallel / quasiparallel ablaufen
  • gegebenenfalls nur Sequentiell bedienbar --> quasiparallele Abarbeitung <--> Erfüllung der Zeitanforderung
• Vollständigkeit
  • alle Teilprozesse sind auszuführen
• Korrektheit

Echtzeit

• harte Echtzeit
  • bei Nichteinhaltung Schäden am Prozeß bzw. Gefährdung
• weiche Echtzeit
  • Nichteinhaltung gegebenenfalls tollerierbar, keine kritisches Systemzustände

verallgemeinertes Zeitspiel:

--> siehe Bild 6.1. (Zeitparameter von Reaktionsprozessen)

• für EZ-Betrieb maßgeblich:
  • Einhaltung aller Erfassungs- und Antwortzeiten aller Teilprozesse

$T_{ai}\leq T_{pai}$

$T_{ej}\leq T_{pej}$

i, j = 1,2, ...

Abbildung von Zeiten in Prozeßrechner

• absolute Zeiten --> Echtzeituhr (EZU)
  • aus HW-Signal (Interupt)
  • aus SW-Uhrenmodell

• relative Zeiten (Zeiträume)

--> aus HW-Signal (Interupt)

--> aus Taktbasis (Schleifen / Zyklen)

• Auszählung von Takten bei Befehlsabarbeitung
• Problem: Cache-Sprünge, Unterbrechung durch Interupt, Busrequest

-->Zwischenform: Zählerregister

• laufen mit Takt
• Abfrage per Befehl möglich
• Sprung / Aktivität bei 0

Zeitabbildung

• Zeiträume --> Zyklen
• Zeitpunkte --> Bedingungen, Ereignisse

Koordination der Informationsverarbeitung

Zyklen: 3-Phasen-Zyklus

• Erfassen aller Meßsignale (Eingabe Prozeßabbild)
• Verarbeitung (Algorithmus entsteht Ausgabeprozeßabbild)
• Ausgabe (Ausgabeabbild über Stellsystem an Prozeß)

--> 3 Teilprozesse (Tasks) für n Aufgaben

• Anzahl der möglichen Prozesse: n * 3

--> Koordination und Planung erforderlich!

statische Koordinierung

• polling
• feste Reihenfolge (synchrone Programmierung)
• keine sofortige Reaktion ist eher Regel
• nicht variabel
• sehr einfach

dynamische Koordinierung

• Reaktion abhängig von Prozeßzustand
• bei überschaubaren (nicht kritischen) Prozessen
• führt auf verteilte Steuerstrukturen

Formen:

• Polling
  • Erfassung aller Prozeßeingangsignale
  • Abhängig von Signal wird Reihenfolge festgelegt
• selbstinitiierte Koordination
  • kürzere Bearbeitungszeiten
  • weniger Einflußnahme auf Ausnahmesituationen

prozeßgesteuerte Koordinierung

• Reaktion auf kritische Zustände
• ereignisgetrieben
• feste Bindung an Prozeß über Signale, Ereignisse (z.B. Ts-Interrupt, Alarmsignal)
• asynchrone Programme
  • keine Zyklen
  • Konflikte durch Prioritäten gelöst
  • stochastische Anforderungen mit Bedienmodell modellieren
  • Planung ggf. mit Bedienmodellen
  • Realisierung über Interuptsignale

Reaktionsprogramme mit Prioritätsprinzip

• prozeßgesteuerte Koordinierung

einfach Realisierung:

• alarmbedingter Programmsprung (kein Rücksprung, RESTART)
• alarmbedingter direkter Programmsprung (HW-Verteiler, Interupt --> Sprung --> Rücksprung)
• alarmbedingter indirekter Programmsprung (SW-Verteiler: entscheidet, wohin gesprungen wird, Sprung --> Rücksprung)

komplexe Realisierung:

• Echtzeitbetriebssystem (EZBS)
  • Prozesse sind Tasks
  • Prozesse mit Taskzustandsmodell (TZM) beschrieben

Zeitgerechte Einteilung (Bild 6.4)

Planung: deterministische Systeme (konzentriert)

• Zeiten sind bekannt
  • Festlegung
  • Messung
  • worst-case-Berechnung
• Prioritäten
• Zeiten (Antwortzeiten, Spielraum ($s=t_{a}-t_{l}$))
• Planung / Prüfung (Gannt-Diagramm, Bild 6.5 (Prozessorvergabe Antwortzeit & Spielraum), Bild (Zweiprozessorsysteme))

--> Bild 6.6

Auswahl = f(Ein- oder Mehrprozesse bzw. gleich oder ungleiche Startzeiten der Prozesse)

verteilte determinierte (zyklische) Systeme

• mit unterschiedlichen Zykluszeiten (unabhängig)

• Gesamtzykluszeit
• Dynamik
• Einzelzykluszeiten

bestimmen als Verbundelemente (2 bzw. 3)

--> Bild 6.7 (Zeitliches Verhalten eines 2-Elemente-Verbundes)

--> Bild 6.8 (Antwortzeiten in verteilten deterministischen Systemen)

• Verbundsystem mit Kommunkation

Gesamtprozeß:

• Gesamtzykluszeit (min, max, average)
• Gesamtlaufzeiten (min, max, average)

$T_{l,min}=T_{l,ADU}+T_{l,Algo}+T_{l,DAU}$

Zykluszeit des Verbundes

$T=max(T_{1},T_{2})$

Extremwert der Verzögerung

$\Delta t_{max}=min(T_{1},T_{2})$

$\Delta t_{min}=0$

${\overline {\Delta t_{min}}}={\frac {min(T_{1},T_{2})}{2}}$

Antwortzeit

$t_{A,Verbund}=t_{b1}+t_{b2}+\Delta t_{Verbund}(T_{1},T_{2})$

$t_{bi}$ – Bearbeitungszeiten (Laufzeiten)

- für n Elemente weitere Zusammenfassung möglich

stochastische Prozesse

• Bedienmodelle / Systeme (Kapitel 7)
• Einplanung nach:
  • Ankunft --> Variation von Prioritäten, Warteschlangen
  • Laufzeit --> Variation von Prioritäten, Warteschlangen oder shortest remaining processing time

Bedientheorie / Bediensysteme

• Versuch der Bedienung (echtzeitfähig) von stochastischen Anforderungen
• Versuch stochastische Systeme zu modellieren ?!

→ basiert auf Wahrscheinlichkeiten

siehe Folie 7.1. (Bedienungsanforderungen, Bedienprozesse)
siehe Folie 7.2. (Merkmale von Bedienprozessen und Ankunftsprozessen)

Modell eines Bediensystems

siehe Folie 7.3. (Modellstruktur eines Bedienungssystems)
siehe Folie 7.4. (Einflussgrößen und Bewertungsgrößen von Bedienungssystemen)

Klassifikation von Bedienprozessen

• nach sogenannten Kendall-Parametern

siehe Folie 7.5. (Klassifizierung von Bedienprozessen)

• bei PR-Anwendung sind poissonverteilte Anforderung und exponentialverteilte Bedienung der "härteste" Anwendungsfall

Statistische Kennwerte

siehe Folie 7.6. (stat. Kennwerte: Anforerungsprozesse (1))
siehe Folie 7.7. (stat. Kennwerte: Anforerungsprozesse (2))
siehe Folie 7.7. (stat. Kennwerte: Verweilprozesse)

• analytische Berechnung
• Simulation
• Schätzverfahren

Offene Bediensysteme (Folie 7.9.)

• keine Rückführung (von Senke auf Quelle)
• Anforderungen nicht Ergebnis einer Bedienung
• Anzahl der Anforderungen → unendlich

Geschlossene Bediensysteme (Folie 7.10.)

• Rückführung (von Senke auf Quelle)
• Anforderung ist Funktion der Bedienung
• Anzahl der Anforderungen (Quellen, Qi) endlich

siehe Folie 7.11. (Bewertungsgrößen für Bedienungssysteme)
siehe Folie 7.12. (Berechnungsbeispiele für Antwortzeiten)

Bedienstrategien

Funktion von

• System

• deterministisch

• verteilt
• konzentriert

• stochastisch

• zyklisch / nicht zyklisch
• endlich / unendlich

→ Verusch programmtechnischer Lösung

• synchron
• asynchron
• Mischung
• EZBS

Echtzeitsysteme / Echtzeitprogrammierung

Ziel: Programmsysteme, die echtzeitfähig die Anforderungen erfüllen!

• Zeitbedingungen (zeitgerechte Einplanung)
• Prioritäten
• Synchronisation (Steuerablauf) / Kommunikation von Prozessen (Datenaustausch)

→ gegenseitige Abhängigkeiten

• Ereignis- / Ausnahmebehandlung

Realisierungen:

• synchrone Programme
• Betriebssysteme mit Taskkonzept (asynchron)
  • universelle BS (Windows)
  • erweiterte universelle BS (EZ-Linux)
  • EZ-BS (QNX)
• Echtzeitprogrammiersprachen

Echtzeitbetriebssysteme (EZBS)

• Eigenschaften und Größe = f(Anforderungen)

Eigenschaften, die über universelle BS hinausgehen:

1) direkter Zugang zu E/A-Geräten

• direkte Programmierung von E/A Schnittstellen
• gerätespezifische Realisierung (Effizienz)
• definierte Zugriffszeiten

2) Interrupts auf Anwenderebene

• schnelle Reaktion auf Interrupt auf Algorithmenebene
• Operationen nötig: Maskierung, Priorisierung, Spezialisierung

3) Zeitverwaltung

• für alle Anforderungen der möglichen Taskplanung
• Fähigkeit einer EZ-Uhr

4) effektives Scheduling

• effektive Prozessorvergabe
• Einhaltung aller EZ-Forderungen

5) flexible Konfiguration (Skalierung)

• Anpassung an Umfang der Aufgabe
• maximale Leistung. minimale Größe
• Werkzeuge für Skalierung

Anforderungen der Prozesse verschieden

--> verschiedene angepasste EZBS-Strukturen!

--> Folie 8.1. (Strukturen von Prozessrechner-Betriebssystemen)

Abruf-BS

• Kontrolle der Programme durch sequentielle Abläufe

--> Takt- / Befehlsabarbeitung

• eingeschränkte EZ-Fähigkeit
• kleine / kompakte Systeme (Signalprozessoranwendungen)
• nicht flexibel
• Problem: Bedienung, Kommunikation, Anzeige

Interrupt-BS

• Zeitbasis ist Interrupt!
• Interrupt (HW / SW) führt auf Realisierungsprogramm
• zeitliche Kopplung an HW-Signal
• flexibler: erweiterbar, Abhängigkeiten, Maskieren, ...

Monitor-BS

• basiert auf Interrupt (Sammelanforderung)
• sehr flexibel (Monitor(SW) als Scheduler)
• Task sind durch Programmierung beliebig änderbar (Prozesse aufnehmen, entfernen, umpriorisieren)

Taskkonzept

• Prozeß-EZ-System
  • Sollwerermittlung
  • Erfassungstask
  • Verarbeitungstask
  • Ausgabe / Shell Task

• Task-Konzept --> TZM (Task-Zustands-Modell) --> Task hat definiert viele Zustände
• Multi-Task-Betrieb!

erfüllt werden muß:

• EZ-Forderungen
  • Rechtzeitigkeit
  • Gleichzeitigkeit
  • Vollständigkeit

--> erfüllbar mit Verwaltungsstrategien & Umschaltstrategien (Dispatcher)

• Korrektheit

--> Bild 8.2. (Zustandsübergänge von Tasks)

Wertung: Taskkonzept

• stellt alle Start-/Umschaltbedingungen bereit die von Prozesssteuerung gefordert werden
• Konflikbehandlung über zusätzliche Prioritäten (o. ä.) möglich

nötig-weiterhin:

• Taskkommunikation (Datenaustausch)
• Tasksynchronisation

zur Synchronisation / Kommunikation Mechanismen

• Semaphore (Informationsträger)
• Monitore (spezielle Datenstruktur, Daten + Mechanismen)
• Rendezvous
• Bolt-Variable (ähnlich Semaphore)

--> Bild 8.3. (Synchronisation von Tasks)

TZM

Grundlage für:

• Verwaltung / Planung der Takte
• für Umschaltung

Betrieb von Mehrprozessorsystem

• n-gleiche

PR1 <----Kommunikation --> Prn

• gemeinsamer BS

Prozessprogrammiersprachen (EZ Sprachen)

• zusätzliche Eigenschaften von EZ-Sprachen gegenüber herkömmlichen Prozeßprogrammiersprachen
  • Operationen für spezielle E/A
  • Operationen für Zeitabarbeitung
  • Operationen für Unterbrechungsverarbeitung (Ind, Alarme, dyn. Prozessorkopplung, Bedienkommandos, EA-Signale)
  • Operationen für Taskverarbeitung
    • z.B. Create
    • Terminate (T-Zyklen, T-Prioritäten)
    • Awaite
  • Operationen für Synchronisierung
  • Operationen für Kommunikation (Semaphor, Bolt ...)

• Sprachen für EZ-Programmierung
  • System, Assemblersprachen (CORAL, C, RTL, PLIM, PLIZ)
  • erweiterte höhere Sprachen (RT-Fortran, RT-Basic, PL/1)
  • Prozessprogrammiersprache (PEARL, Concurrent Pascal, OCCAM)
  • Spezialsprachen/Fachsprachen (STEP1, STEP M, MATLAB & Simulink)
• Wege der Realisierung
  • vorhandene Speicher
    • EZ-C
    • EZ-PASCAL
  • neu Erstellen
    • Ada. Für Multiprozessorsysteme
    • Pearl für PDV Systeme
    • --> Create REG Ti for n-Times TERMINATOR

Synchronisationsmechanismen in Sprachen:

a) Semaphor --> PEARL

b) Monitor --> PEARL, Modula 2, Concurrent Pascal

c) Rendesvouskonzept --> ADA

d) Bolt-Synchronisation (Riegel) --> PEARL

--> Bild 8.6. (Darstellung binärer Signalverarbeitung)