2 Automatisierungsgerätesysteme und -strukturen - Universität ...
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Kapitel 2: <strong>Automatisierungsgerätesysteme</strong> <strong>und</strong> –<strong>strukturen</strong><br />
§ 2 <strong>Automatisierungsgerätesysteme</strong> <strong>und</strong><br />
-<strong>strukturen</strong><br />
Lernziele:<br />
AT1<br />
– Die unterschiedlichen Automatisierungscomputer kennen<br />
– Wissen, was das Besondere an der Arbeitsweise einer SPS ist<br />
– Zwischen zentralen <strong>und</strong> dezentralen Strukturen unterscheiden können<br />
– Kombinationen von Automatisierungs<strong>strukturen</strong> erkennen können<br />
– Automatisierungshierarchien <strong>und</strong> deren Anforderungen kennen<br />
– Verstehen, was dezentrale Automatisierungssysteme sind<br />
– Wissen, was die Gr<strong>und</strong><strong>strukturen</strong> der Kommunikation sind<br />
– Wissen, was man unter Red<strong>und</strong>anz versteht<br />
– Arten von Hardware-Red<strong>und</strong>anz kennen <strong>und</strong> charakterisieren können<br />
– Erklären können, was Diversität ist<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 76
§ 2 <strong>Automatisierungsgerätesysteme</strong> <strong>und</strong><br />
-<strong>strukturen</strong><br />
AT1<br />
2.1 Automatisierungscomputer<br />
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
2.3 Automatisierungs-Hierarchien<br />
2.4 Verteilte Automatisierungssysteme<br />
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 77
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Arten von Automatisierungscomputer (Wiederholung)<br />
– Speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS)<br />
– Mikrocontroller<br />
– Personal Computer (PC)<br />
Industrial Personal Computer (IPC)<br />
– Prozessleitsysteme<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 78
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Speicherprogrammierbare Steuerungen<br />
– SPS seit 1972<br />
– Von Bauteilen <strong>und</strong> Technologien geprägt<br />
– Abhängig von der Aufgabe<br />
– Einzug der SW<br />
<br />
stetige Zunahme der Funktionalität <strong>und</strong> Leistungsfähigkeit<br />
1980 : 2 kByte<br />
1990 : 20 kByte<br />
2000 : 2000 kByte<br />
2009 : 64 MByte<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 79
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Ziele der SPS<br />
– Zielgruppen<br />
Anwender ohne Informatik-Studium<br />
"Elektriker"<br />
– Zielsetzung für den SPS-Einsatz<br />
Schütze/Relais ablösen<br />
Zuverlässigkeit erhöhen<br />
Kosten reduzieren<br />
Verknüpfung binärer Signale<br />
– Zielsetzung für die SPS-Sprachen<br />
Funktionen in bekannten Darstellungen beschreiben<br />
• Kontaktplan (abgeleitet aus dem Stromlaufplan)<br />
• Funktionsplan (abgeleitet aus dem Logikplan)<br />
Standardisierung der Entwicklung von SPS-Systemen<br />
IEC 61131<br />
DIN EN 61131<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 80
Sensorsignale<br />
Aktorsignale<br />
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Blockschaltbild der Hardwarestruktur einer SPS<br />
Steuer- <strong>und</strong><br />
Rechenwerk<br />
Programmspeicher<br />
Digital<strong>und</strong><br />
Analog-<br />
Eingabe<br />
interner Bus<br />
Digital<strong>und</strong><br />
Analog-<br />
Ausgabe<br />
RAMspeicher<br />
Zeitgeber<br />
Schnittstelle<br />
zum<br />
Programmiergerät<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 81
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Zyklischer Betrieb beim Einsatz einer SPS<br />
SPS<br />
Prozess<br />
abbild<br />
im<br />
Ausgangsspeicher<br />
Automatisierungsprogramm<br />
Aktorsignale<br />
Technischer<br />
Prozess in<br />
einem<br />
technischen<br />
System<br />
Prozess<br />
abbild<br />
im<br />
Eingangsspeicher<br />
Sensorsignale<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 82
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Zyklischer Programmbetriebes bei einer SPS<br />
Prozessabbild<br />
aus dem Ausgangsspeicher<br />
ausgeben<br />
Programm<br />
abarbeiten<br />
Prozessabbild<br />
in den<br />
Eingangsspeicher<br />
laden<br />
Reaktionszeit<br />
Prozess-<br />
Ereignis<br />
Reaktion auf<br />
das Prozess-<br />
Ereignis<br />
Beginn<br />
des 1.<br />
Zyklus<br />
Beginn<br />
des 2.<br />
Zyklus<br />
Beginn<br />
des 3.<br />
Zyklus<br />
Beginn<br />
des 4.<br />
Zyklus<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 83
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Eigenschaften des zyklischen Programmbetriebs<br />
Vorteil:<br />
einfache Programmierung durch zyklische Betriebsweise<br />
Nachteil:<br />
Reaktionszeit auf Ereignisse im technischen Prozess<br />
maximal zwei Programm-Zyklen<br />
Programmabarbeitungszeit:<br />
• Zykluszeit nicht konstant<br />
• 1 ms pro 1000 Anweisungen<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 84
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Ablauf des Programmbetriebes bei einer SPS<br />
Abarbeitung<br />
Initialisierungs-<br />
Programm<br />
Prozessabbild in<br />
den Eingangsspeicher<br />
laden<br />
Abarbeitung<br />
zyklisches<br />
Programm<br />
Prozessabbild aus<br />
dem Ausgangsspeicher<br />
ausgeben<br />
Warten auf<br />
Zykluszeit<br />
Abarbeitung<br />
zeitgesteuertes<br />
Programm<br />
Warten auf Ereignis<br />
Abarbeitung ereignisgesteuertes<br />
Programm<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 85
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Soft- SPS<br />
Aufbau:<br />
– SPS-Laufzeitumgebung auf PC-System<br />
– Standard- oder Echtzeit-Betriebssystem<br />
– Prozessankopplung über digitale <strong>und</strong> analoge Ein- / Ausgänge<br />
Prozessankopplung<br />
SPS-Programm<br />
1 …<br />
SPS-Programm<br />
n<br />
SPS-<br />
Laufzeitumgebung<br />
Betriebssystem<br />
PC-System<br />
Anwenderprogramm<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 86
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Soft- SPS<br />
Vorteile:<br />
– Integration von Visualisierung <strong>und</strong> SPS auf einem Gerät<br />
– Integrierte Entwicklungsumgebung zur Modifikation der Programme<br />
– parallele SPS-Tasks mit verschiedenen Zykluszeiten<br />
– größere Anzahl an Systemschnittstellen<br />
Nachteile:<br />
– Geringere Zuverlässigkeit<br />
– Sicherheitsproblematik beim Einsatz von Standard-Betriebssystemen<br />
– bei Auslastung: Einschränkungen im Echtzeitverhalten<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 87
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Mikrocontroller (Ein-Chip-Computer)<br />
– Hochintegrierte Bausteine<br />
– Einsatz für Massenprodukte<br />
– Aufbau aus<br />
- Standard-Mikroprozessor<br />
- Datenspeicher/ Programmspeicher<br />
- Bus-Schnittstellen<br />
- Prozess-Signal-Schnittstellen<br />
– Programmierung über Entwicklungssysteme<br />
– kurze Wortlänge<br />
– extrem niedriger Preis<br />
ab 1 - 10 €<br />
– hohe Zuverlässigkeit <strong>und</strong> Lebensdauer<br />
– hohe Anforderungen bezüglich Umgebungsbedingungen<br />
Temperatur, Feuchtigkeit<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 88
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Unterscheidung<br />
– Mikroprozessor<br />
Prozessor auf einem Mikroelektronik-Chip<br />
– Mikrocomputer<br />
Alle Komponenten auf einem Mikroelektronik-Chip, d.h. Prozessor,<br />
Speicher, Schnittstellen zur Peripherie<br />
– Mikrocontroller<br />
Automatisierungscomputer bzw. ein Automatisierungs-<br />
Computersystem auf einem Chip<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 89
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Glossar<br />
Mikroprozessor:<br />
CPU = Central Processing Unit<br />
Arbeitsspeicher:<br />
RAM = Random Access Memory<br />
Festwertspeicher:<br />
EPROM/PROM/ROM = Erasable Programmable<br />
Read Only Memory<br />
Prozess-/Datenperipherie: I/O =<br />
parallele bzw. serielle Ein/Ausgabe-<br />
Bausteine<br />
Counter/Timer = Taktgeber<br />
Interrupt Controller = Unterbrechungswerk<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 90
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Industrie-PC (IPC)<br />
– Einsteckbare Leiterplatten zum Anschluss von<br />
elektrischen Prozess- Signalen<br />
optischen Prozess-Signalen<br />
Bussystemen<br />
– Programmierung in Hochsprache<br />
– Einsatz von Echtzeit-BS<br />
als einziges Betriebssystem<br />
zusätzlich zu Standard-Betriebssystemen<br />
Einsatzgebiete von Industrie-PCs<br />
– Prozess-Visualisierung<br />
– Prozessauswertung <strong>und</strong> -überwachung<br />
– übergeordnete Steuerungsaufgaben (Leitstandsaufgaben)<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 91
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
(Eigenschaften) Umgebungsbedingungen<br />
– Raue Umgebungsbedingungen<br />
Temperaturschwankungen<br />
Stöße <strong>und</strong> Erschütterungen<br />
Staub <strong>und</strong> Feuchtigkeit<br />
elektrische oder elektromagnetische Störungen<br />
– Schutzvorrichtungen von Industrie-PCs (IPC)<br />
schwingungsgedämpfte Laufwerke<br />
hohe Güte der integrierten Bausteine<br />
spezielles Schutzgehäuse<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 92
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Schutzart von Industrie-PCs mit IP-Index<br />
1. Ziffer<br />
Schutz gegen<br />
Festkörper<br />
2. Ziffer<br />
Schutz gegen<br />
Wassereinwirkung<br />
0 kein Schutz 0 kein Schutz<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
Handkontakt<br />
unmöglich<br />
(50mm Objekte)<br />
Fingerkontakt<br />
unmöglich<br />
(12mm Objekte)<br />
Drahtkontakt<br />
unmöglich<br />
(2.5mm Objekte)<br />
Feiner Drahtkontakt<br />
unmöglich<br />
(1.0mm Objekte)<br />
Schutz gegen<br />
schädlichen<br />
Staub<br />
Komplett<br />
staubgeschützt<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
5<br />
6<br />
7<br />
8<br />
Schutz gegen vertikal<br />
fallende Tropfen/<br />
Kondensation<br />
Schutz gegen Tropfen<br />
mit einem Fallwinkel<br />
von 15°<br />
Schutz gegen<br />
Regenfall bis zu 60°<br />
Schutz gegen Sprühwasser<br />
von allen<br />
Seiten<br />
Schutz gegen Wasserstrahlen<br />
von allen<br />
Seiten<br />
Schutz gegen Wasserfluten<br />
(bei schwerem<br />
Seegang)<br />
Schutz gegen Wassereinwirkung<br />
bei 1m<br />
Tiefe<br />
Schutz gegen lange<br />
Wassereinwirkung bei<br />
> 1m Tiefe<br />
IP =<br />
Ingress Protection<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 93
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Reine IPC-Lösung<br />
– Erfassung von Prozessgrößen<br />
– Steuerungsfunktion unter Echtzeit<br />
– Schnittstelle zum Bediener<br />
Vorteile einer reinen IPC-Lösung<br />
– bessere Skalierbarkeit der Hardware<br />
– großes Angebot an Betriebssystemen<br />
– großes Spektrum an Programmiersprachen<br />
– offenes System zur Integration von fertigen Teillösungen<br />
Video: Automatisierungscomputer (IPC)<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 94
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Anordnung eines reinen IPC-Systems<br />
Bedienfeld<br />
Fernwartung<br />
Modem / Ethernet<br />
Industrie<br />
PC<br />
Feldbus<br />
Drucker<br />
. . . .<br />
Module für<br />
die Signalein-<br />
<strong>und</strong><br />
Ausgabe<br />
Sensoren <strong>und</strong><br />
Aktoren<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 95
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Anordnung eines SPS-IPC-Systems<br />
Fernwartung<br />
Industrie<br />
PC<br />
Modem / Ethernet<br />
Serielle<br />
Verbindung, LAN<br />
oder Feldbus<br />
Drucker<br />
SPS mit<br />
• CPU-Baugruppe<br />
• Kommunikationsbaugruppe<br />
• Signal-Ein-/Ausgabebaugruppe<br />
Sensoren <strong>und</strong> Aktoren<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 96
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Prozessleitsysteme (PLS)<br />
– Verteilte, über Bus-Systeme verb<strong>und</strong>ene Rechnersysteme<br />
– Kopplung mit SPS-Rechnern<br />
– Einsatz von vorkonfektionierten, vom Hersteller des PLS<br />
entwickelten Programmbausteinen<br />
– Konfigurierung durch Anwender<br />
Komplettlösungen von einem Hersteller<br />
– keine Kompatibilitätsprobleme<br />
– einheitliche Bedienung <strong>und</strong> Beobachtung des Prozesses<br />
– hohe Verfügbarkeit<br />
– definierte Verantwortlichkeit<br />
– lange Lebenszeit<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 97
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Anwendungsgebiete von Prozessleitsystemen<br />
– Kraftwerkstechnik<br />
– Verfahrenstechnik<br />
– Gebäudetechnik<br />
– Fertigungstechnik<br />
Bestandteile eines PLS<br />
– Anzeige- <strong>und</strong> Bedienkomponente (ABK)<br />
– Prozessnahe Komponenten (PNK)<br />
– Systemkommunikation<br />
– Engineering-Tool<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 98
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Schematischer Aufbau<br />
Betriebs-<br />
Leitrechner<br />
Anzeige- <strong>und</strong><br />
Bedienkomponente<br />
ABK<br />
Anzeige- <strong>und</strong><br />
Bedienkomponente<br />
ABK<br />
Engineeringstation<br />
ES<br />
Betriebsbus<br />
red<strong>und</strong>anter herstellerspezifischer Systembus<br />
Prozessnahe<br />
Komponente PNK<br />
Prozessnahe<br />
Komponente PNK<br />
Prozessnahe<br />
Komponente PNK<br />
Sensoren <strong>und</strong><br />
Aktoren<br />
Feldbus<br />
Feldgeräte<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 99
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Anzeige- <strong>und</strong> Bedienkomponente (ABK)<br />
– Funktionen<br />
Rezepte/ Batch Abläufe erstellen/ modifizieren<br />
aktuelle Sollwerte ändern<br />
Kommunikation mit dem Prozess<br />
Alarme/ Bedienanforderungen bearbeiten<br />
Prozessvisualisierung<br />
Schnittstelle zu Datenbanksystemen zur Prozessprotokollierung<br />
– Realisierung<br />
PC, IPC, Workstation<br />
Windows 2000 / XP / Vista / Windows 7; Unix<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 100
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Prozessnahe Komponente (PNK)<br />
– Funktionen<br />
Regelungs- <strong>und</strong> Steuerfunktionen mit kleiner Zykluszeit<br />
Grenzwertprüfung<br />
Zwischenpuffern von Prozesssignalen<br />
– Realisierung: Eigenentwicklungen der Leitsystem-Hersteller<br />
Automatisierungscomputer: SPS, IPC<br />
dezentrale Peripherie<br />
Feldgeräte: Sensoren, Aktoren<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 101
2.1 Automatisierungscomputer<br />
Systemkommunikation<br />
Datenmenge<br />
AT1<br />
Betriebsebene<br />
Prozessebene<br />
Feldebene<br />
Bus-Systeme<br />
Betriebsebene:<br />
Prozessebene:<br />
unterste Feldebene:<br />
standardisierter Ethernet-Bus<br />
Feldbus, z.B. Profibus, H1-Bus, Modbus,<br />
Interbus-S<br />
Reaktionsgeschwindigkeit<br />
schnelle Aktor-Sensor-Busse<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 102
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Engineering-Tool<br />
– Aufgaben<br />
Konfiguration<br />
Programmierung<br />
Wartung/Pflege<br />
– Werkzeuge<br />
graphische Werkzeuge (IEC 61131)<br />
standardisierte Bibliotheken mit Komponenten<br />
mächtige Editoren<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 103
2.1 Automatisierungscomputer<br />
Leitsystemhersteller <strong>und</strong> deren Produkte<br />
AT1<br />
Hersteller<br />
ABB<br />
Foxboro-<br />
Echardt<br />
Siemens<br />
Honeywell<br />
Yokogawa<br />
Produktname<br />
AdvantOCS<br />
AdvaSoft<br />
Procontrol P<br />
Symphony<br />
Contronic P<br />
I/A Series System<br />
SIMATIC PCS 7<br />
Teleperm M<br />
Teleperm XP<br />
PlantScape<br />
TDC 3000<br />
CENTUM CS 3000<br />
Bemerkung<br />
Firmenspezifischer Feldbus<br />
für kleine Anlagen<br />
Kraftwerktechnik<br />
Unterstützt Anbindung an Betriebsebene, Remote I/O System<br />
Verfahrenstechnik, Ausdehnung bis zu 12km,<br />
ehemals Hartmann & Braun<br />
Verfahrenstechnik, PNK mit PCMCIA-Technologie<br />
Verfahrenstechnik, ABK auf Basis von Windows 2000, XP.<br />
Umfangreiches Hardwareangebot. Feldbus: Profibus.<br />
Anbindung an Betriebsebene möglich.<br />
Verfahrenstechnik, weitverbreitet, kein Einsatz in Neuanlagen<br />
Migration von Teleperm M nach SIMATIC PCS 7 möglich.<br />
Kraftwerkstechnik, offene Kommunikation, umfangreiches<br />
Handwareangebot.<br />
Verfahrenstechnik, offenes System, ABK auf Basis von<br />
Windows NT, unterstützt Remote I/O. Anbindung an Betriebsebene<br />
möglich.<br />
Verfahrenstechnik, besitzt mehrere Prozessbusse mit unterschiedlicher<br />
Datenübertragung. MODBUS wird unterstützt.<br />
Verfahrenstechnik, Kraftwerktechnik<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 104
2.1 Automatisierungscomputer<br />
AT1<br />
Frage zu Kapitel 2.1<br />
Was sind die Vorteile von IPCs als Automatisierungscomputer?<br />
Antwort<br />
<br />
Skalierbarkeit der Hardware<br />
f Preis der Hardware<br />
<br />
Vielzahl an Programmiersprachen<br />
f Größe <strong>und</strong> Formgebung des IPCs<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 105
§ 2 <strong>Automatisierungsgerätesysteme</strong> <strong>und</strong><br />
-<strong>strukturen</strong><br />
AT1<br />
2.1 Automatisierungscomputer<br />
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
2.3 Automatisierungs-Hierarchien<br />
2.4 Verteilte Automatisierungssysteme<br />
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 106
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
AT1<br />
Struktur des technischen Prozesses<br />
– technischer Prozess als Einheit<br />
Bsp.: Bohrvorgang bei einer Bohrmaschine<br />
– technischer Prozess, der aus Teilprozessen besteht<br />
Bsp.: Fertigung eines Getriebes<br />
Örtliche Struktur der Automatisierungsgeräte<br />
– örtlich zentrale Anordnung<br />
– örtlich dezentrale Anordnung<br />
Wirkungsmäßige Struktur des Automatisierungssystems<br />
(funktionelle Struktur)<br />
= Aufteilung der Automatisierungsfunktionen auf die Automatisierungsgeräte<br />
– wirkungsmäßig zentrale Gr<strong>und</strong>struktur<br />
– wirkungsmäßig dezentrale Gr<strong>und</strong>struktur<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 107
Warte<br />
Feld<br />
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
AT1<br />
Örtlich zentrale Anordnung der Automatisierungsgeräte<br />
Anzeigetafel<br />
Wartesignale<br />
Rangierverteiler,<br />
galvan.<br />
Trenner,<br />
Automatisierungsgeräte<br />
Messwertumformer<br />
Stellglieder<br />
Unterverteiler<br />
Farbbildschirme<br />
für<br />
die Prozessführung<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 108
Warte<br />
Anlagenbus<br />
Feldbus<br />
Feld<br />
Feldbus<br />
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
AT1<br />
Örtlich dezentrale Anordnung der Automatisierungsgeräte<br />
AM<br />
AM<br />
AM<br />
SPS<br />
AM<br />
SPS<br />
AM: Anschluss-Modul für<br />
Sensoren bzw. Aktoren<br />
Farbbildschirme<br />
für die<br />
Prozessführung<br />
Leitrechner<br />
Anzeigetafel<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 109
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
AT1<br />
Wirkungsmäßig zentrale Automatisierungsstruktur<br />
Zentraler<br />
Automatisierungs-<br />
Computer<br />
Teilprozess<br />
1<br />
Teilprozess<br />
2<br />
Teilprozess<br />
n<br />
Technischer Prozess in einem technischen<br />
System<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 110
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
AT1<br />
Wirkungsmäßig dezentrale Automatisierungsstruktur<br />
Automatisierungs-<br />
Computer<br />
1<br />
Automatisierungs-<br />
Computer<br />
2<br />
Automatisierungs-<br />
Computer<br />
n<br />
Teilprozess<br />
1<br />
Teilprozess<br />
2<br />
Teilprozess<br />
n<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 111
wirkungsmäßig<br />
Struktur<br />
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
AT1<br />
Unterschiedliche Kombination der Automatisierungs<strong>strukturen</strong><br />
Technischer Prozess als<br />
eine Einheit betrachtet<br />
(zentrale Prozess-Struktur)<br />
Technischer Prozess als<br />
Teilprozesse gegliedert<br />
(dezentrale Prozess-Struktur)<br />
örtlich<br />
zentrale<br />
Anordnung<br />
der Automatisierrungsgeräte<br />
örtlich<br />
dezentrale<br />
Anordnung<br />
der Automatisierrungsgeräte<br />
örtlich<br />
zentrale<br />
Anordnung<br />
der Automatisierrungsgeräte<br />
örtlich<br />
dezentrale<br />
Anordnung<br />
der Automatisierrungsgeräte<br />
wirkungsmäßig<br />
zentrale Automatisierungssstruktur<br />
Z Z Z Z D Z D Z Z D D Z<br />
wirkungsmäßig dezentrale<br />
Automatisierungssstruktur<br />
Z Z D Z D D D Z D D D D<br />
Kennzeichnung der verschiedenen Strukturen: Z = zentral/ D = dezentral<br />
1. Stelle 2. Stelle 3. Stelle<br />
wirkungsmäßige Automatisierungsstruktur<br />
örtliche Struktur der Automatisierungsgeräte<br />
Struktur des technischen Prozesses<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 112
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
AT1<br />
Vergleichskriterien für Automatisierungs<strong>strukturen</strong><br />
– die Kosten für die Geräte, die Verkabelung, die Software, die Pflege<br />
<strong>und</strong> die Wartung<br />
– die Teilverfügbarkeit bei Hardware-Ausfällen oder bei Software-Fehlern<br />
– die Flexibilität bei Änderungen<br />
– die Koordinierung der Teilprozesse <strong>und</strong> die Optimierung<br />
des Gesamtprozesses<br />
– die Bedienbarkeit<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 113
Beschaffungskosten<br />
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
AT1<br />
Vergleich der Anschaffungskosten<br />
wirkungsmäßig<br />
dezentrale Struktur<br />
wirkungsmäßig<br />
zentrale Struktur<br />
wenn Auslegung mit Reserve<br />
kaum zusätzliche Kosten bei<br />
Erweiterung<br />
Zahl der Teilprozesse <strong>und</strong> / oder der Automatisierungsfunktionen<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 114
Zuverlässigkeit des Betriebes<br />
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
AT1<br />
Vergleich der Zuverlässigkeit des Betriebes<br />
wirkungsmäßig dezentral, Prozessstörung<br />
bei zwei Einzelausfällen<br />
wirkungsmäßig<br />
zentral<br />
wirkungsmäßig dezentral, Prozessstörung<br />
bei einem Einzelausfall<br />
Zahl der Teilprozesse <strong>und</strong>/oder der Automatisierungsfunktionen<br />
Im Normalfall Verkopplung schwach:<br />
kein Totalausfall bei Ausfall von zwei oder mehr Automatisierungseinheiten<br />
Zuverlässigkeit des Betriebes bei einer wirkungsmäßig dezentralen<br />
Struktur höher als beim Einsatz eines zentralen Prozessrechners<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 115
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
AT1<br />
Dezentrale Struktur<br />
+ Flexibilität bei Änderungen<br />
+ Koordination der Teilprozesse<br />
+ Optimierung des Gesamtprozesses<br />
+ Störfall-Lokalisierung<br />
+ höhere Transparenz<br />
0 Bedienbarkeit <strong>und</strong> Benutzerfre<strong>und</strong>lichkeit<br />
- zusätzlicher Aufwand zur Kommunikation der einzelnen<br />
Automatisierungseinheiten<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 116
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
Bewertung von Automatisierungs<strong>strukturen</strong><br />
Z = zentrale Struktur<br />
D = dezentrale Struktur<br />
ZZZ<br />
ZDZ<br />
Typisch für Automatisierung kleiner Geräte<br />
Geringere Verkabelungskosten als bei ZZZ<br />
AT1<br />
DZZ<br />
DDZ<br />
ZZD<br />
ZDD<br />
DZD<br />
DDD<br />
Ungünstig bzgl. Verfügbarkeit, Wartbarkeit,<br />
Verkabelungskosten<br />
Ungünstig bzgl. Verfügbarkeit <strong>und</strong> Flexibilität<br />
Günstig Wartbarkeit <strong>und</strong> Flexibilität<br />
Ungünstig: Verkabelungskosten<br />
Günstig:<br />
Flexibilität, Verfügbarkeit, Verkabelung,<br />
Transparenz<br />
Günstig: Verfügbarkeit, Wartbarkeit<br />
Ungünstig: Verkabelungskosten<br />
Günstig:<br />
Flexibilität, Verfügbarkeit, Verkabelung,<br />
Transparenz<br />
Anlagenautomatisierung<br />
Produktautomatisierung<br />
Kfz-<br />
Elektronik<br />
wirkungsmäßige Struktur<br />
örtliche Struktur der Automatisierungsgeräte<br />
Struktur des technischen Prozesses<br />
so dezentral wie möglich, so zentral wie nötig<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 117
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
AT1<br />
Frage zu Kapitel 2.2<br />
Was sind Vorteile einer dezentralen Automatisierungsstruktur?<br />
Antwort<br />
<br />
Höhere Flexibilität bei Änderungen<br />
f Geringerer Aufwand zur Kommunikation der einzelnen<br />
Automatisierungseinheiten<br />
<br />
Einfachere Störfalllokalisierung<br />
f Geringerer Aufwand bei der Softwareentwicklung für die Prozesssteuerung<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 118
§ 2 <strong>Automatisierungsgerätesysteme</strong> <strong>und</strong><br />
-<strong>strukturen</strong><br />
AT1<br />
2.1 Automatisierungscomputer<br />
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
2.3 Automatisierungs-Hierarchien<br />
2.4 Verteilte Automatisierungssysteme<br />
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 119
Anforderungen an die Verfügbarkeit<br />
Komplexität der Verarbeitungsaufgaben<br />
prozessnahe<br />
Ebene<br />
Koordinierungsebene<br />
zentrale<br />
Leitebene<br />
2.3 Automatisierungs-Hierarchien<br />
AT1<br />
Kombination von zentraler <strong>und</strong> dezentraler Struktur<br />
Einführung einer Hierarchie von Automatisierungseinheiten<br />
Leit-<br />
Einheit<br />
Koordinierungs<br />
Einheit<br />
1<br />
Koordinierungs<br />
Einheit<br />
2<br />
Koordinierungs<br />
Einheit<br />
m<br />
Dezentrale<br />
Automatisierungs-<br />
Einheit<br />
1<br />
Dezentrale<br />
Automatisierungs-<br />
Einheit<br />
2<br />
Dezentrale<br />
Automatisierungs-<br />
Einheit<br />
n<br />
Teilprozess<br />
1<br />
Teilprozess<br />
2<br />
Teilprozess<br />
n<br />
Technischer Prozess<br />
(Gesamtprozess)<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 120
2.3 Automatisierungs-Hierarchien<br />
AT1<br />
Zuordnung von Automatisierungsfunktionen zu den<br />
Prozessführungsebenen<br />
– Dezentrale Automatisierungseinheiten erfüllen die Aufgaben der<br />
prozessnahen Ebene, hohe Anforderungen an die Verfügbarkeit<br />
– Koordinierungs-Einheiten realisieren die Automatisierungsfunktionen<br />
der Koordinierungsebene, wie Koordinierung der Teilprozesse,<br />
Optimierung, Prozessüberwachung <strong>und</strong> -sicherung<br />
– Leiteinheit realisiert die Aufgaben der Leitebene<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 121
Anforderung an die Verfügbarkeit<br />
Schutz, Sicherung,<br />
Überwachung<br />
Verriegelung<br />
Regelungen<br />
Einzelsteuerungen<br />
Führungsregelung<br />
Führungssteuerung<br />
Kennwertberechnung<br />
Optimierung<br />
erforderliche Verarbeitungsleistung<br />
2.3 Automatisierungs-Hierarchien<br />
AT1<br />
Anforderungen an Verfügbarkeit <strong>und</strong> Verarbeitungsleistung<br />
Anforderungen an die<br />
Verfügbarkeit<br />
erforderliche Verarbeitungsleistung<br />
prozessnahe<br />
Ebene<br />
Koordinierungsebene<br />
Leitebene<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 122
2.3 Automatisierungs-Hierarchien<br />
AT1<br />
Voraussetzung für die Realisierung<br />
– Gliederung des technischen Prozesses in Teilprozesse<br />
– Einsatz von intelligenten Automatisierungseinheiten<br />
– Kommunikationssystem zwischen Automatisierungseinheiten<br />
Je nach Größe des Unternehmens <strong>und</strong> Umfang des technischen Prozesses<br />
können Zwischenebenen eingeführt werden bzw. Ebenen zusammengezogen<br />
werden.<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 123
2.3 Automatisierungs-Hierarchien<br />
AT1<br />
Beispiel<br />
Koordinierungsrechner<br />
1<br />
Leitrechner<br />
Koordinierungsrechner<br />
2<br />
Prozessbus<br />
Bedien-Rechner<br />
Realisierung einer<br />
Automatisierungs-Hierarchie<br />
mit einem busorientierten<br />
verteilten Automatisierungscomputersystem.<br />
Leit-<br />
Ebene<br />
Koordinierungsebene<br />
Dezentraler<br />
Automati-<br />
sierungs-<br />
Computer<br />
1<br />
Dezentraler<br />
Automati-<br />
sierungs-<br />
Computer<br />
2<br />
Dezentraler<br />
Automati-<br />
sierungs-<br />
Computer<br />
n<br />
Prozessnahe<br />
Ebene<br />
AM … Anschlussmodul<br />
AM<br />
AM<br />
AM<br />
AM<br />
AM<br />
AM<br />
AM<br />
Teilprozess<br />
1<br />
Teilprozess<br />
2<br />
Teilprozess<br />
n<br />
Technischer Prozess<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 124
2.3 Automatisierungs-Hierarchien<br />
AT1<br />
Frage zu Kapitel 2.3<br />
Welche Aufgaben werden in der prozessnahen Ebene durchgeführt?<br />
Antwort<br />
f Kennwertberechnung<br />
<br />
Einzelsteuerungen<br />
<br />
Überwachung<br />
f Optimierung<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 125
AT1<br />
§ 2 <strong>Automatisierungsgerätesysteme</strong> <strong>und</strong><br />
-<strong>strukturen</strong><br />
2.1 Automatisierungscomputer<br />
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
2.3 Automatisierungs-Hierarchien<br />
2.4 Verteilte Automatisierungssysteme<br />
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 126
2.4 Verteilte Automatisierungssysteme<br />
AT1<br />
Zielsetzung bei verteilten Automatisierungssystemen<br />
– Hohe Zuverlässigkeit durch Fehlertoleranz<br />
Ausfall eines dezentralen Computers führt nicht zu<br />
Gesamtausfall<br />
Eingrenzung des Fehlers durch Rekonfiguration<br />
– Erhöhung der Verfügbarkeit durch schnelle Wartung <strong>und</strong> Instandsetzung<br />
gegenseitige Überwachung mit Fehlerdiagnose<br />
– Gegenseitige Aushilfe bei hoher Belastung<br />
selbsttätige Anpassung der Aufgabenverteilung<br />
Reduzierung der Reserven der einzelnen Einheiten<br />
– Einfache Erweiterungsfähigkeit<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 127
2.4 Verteilte Automatisierungssysteme<br />
AT1<br />
Realisierung bei verteilten Automatisierungssystemen<br />
Verknüpfung von dezentralen Automatisierungseinheiten mit<br />
übergeordnetem Rechner über ein Kommunikationssystem<br />
keine Hierarchie<br />
Unterschied zu Automatisierungs-Hierarchie<br />
– Einheiten kommunizieren dort nur mit nächst höherer Ebene<br />
– Nur prozessnahe Informationsaufgaben werden dort dezentral<br />
wahrgenommen<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 128
2.4 Verteilte Automatisierungssysteme<br />
AT1<br />
Kriterien für die Wahl eines Kommunikationssystems (1)<br />
– niedrige Verkabelungskosten<br />
Wesentliche Kosten:<br />
mehr Kabel mehr elektromagn. Störungen<br />
– standardisierte Schnittstellen bezüglich<br />
Stecker, Leitungen (mechanisch)<br />
Spannungspegel (elektrisch)<br />
Übertragungsprotokoll (logisch)<br />
– Flexibilität bei Änderungen<br />
– geringe Anforderungen an die Kommunikationspartner<br />
Speicherplatzbedarf<br />
Rechenzeitaufwand<br />
– hohe Verfügbarkeit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 129
2.4 Verteilte Automatisierungssysteme<br />
AT1<br />
Kriterien für die Wahl eines Kommunikationssystems (2)<br />
– sichere Übertragung der Informationen<br />
Verwendung von Prüfbits<br />
Bestätigung des korrekten Empfangs<br />
– Realisierung hoher Datenübertragungsraten<br />
– kurze Reaktionszeiten auf Übertragungsanforderungen<br />
– Kopplung unterschiedlicher Kommunikationspartner<br />
Problem:<br />
Festlegung der Prioritäten bei der Realisierung der sich zum Teil<br />
widersprechenden Einzelkriterien?<br />
Bsp.:<br />
hohe Verfügbarkeit <strong>und</strong> Zuverlässigkeit durch red<strong>und</strong>antes<br />
Bus-System bedeutet hohe Verkabelungskosten<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 130
2.4 Verteilte Automatisierungssysteme<br />
AT1<br />
Gr<strong>und</strong><strong>strukturen</strong> der Kommunikation<br />
a) Stern-<br />
Struktur<br />
DAE<br />
DAE<br />
DAE<br />
c) Netzstruktur<br />
ZAE<br />
DAE<br />
ZAE<br />
DAE<br />
DAE<br />
DAE<br />
DAE<br />
DAE<br />
DAE<br />
b) Ringstruktur<br />
DAE<br />
ZAE<br />
DAE<br />
d) Busstruktur<br />
ZAE<br />
(Datensammelleitung)<br />
DAE<br />
DAE<br />
DAE DAE DAE<br />
DAE<br />
ZAE = zentrale Automatisierungseinheit<br />
DAE = dezentrale Automatisierungseinheit<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 131
2.4 Verteilte Automatisierungssysteme<br />
AT1<br />
Eigenschaften<br />
Stern-Struktur<br />
Ausfall der Zentraleinheit bedeutet Ausfall der Kommunikation<br />
Ring-Struktur<br />
Jede Einheit kann nur an direkte Nachbarn übertragen<br />
Netz-Struktur<br />
Parallele Informationsübertragung, kurze Reaktionszeit, viele Schnittstellen,<br />
hohe Verkabelungskosten<br />
Bus-Struktur<br />
Nur jeweils ein Teilnehmer kann senden, gleichzeitige Informationsaufnahme<br />
von allen Teilnehmern<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 132
2.4 Verteilte Automatisierungssysteme<br />
AT1<br />
Parallele Busse<br />
– Adressen, Daten <strong>und</strong> Steuersignale werden parallel übertragen<br />
– Leitungsbündel<br />
bis 20 m<br />
Serielle Busse<br />
– Bits einer Nachricht zeitlich nacheinander<br />
– Übertragungszeit länger als bei Parallelbus<br />
– niedrigere Leitungskosten<br />
– Erhöhung der Zuverlässigkeit<br />
– Flexibilität bezüglich Leitungsprotokollen<br />
20 m bis 15 km<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 133
2.4 Verteilte Automatisierungssysteme<br />
AT1<br />
Frage zu Kapitel 2.4<br />
Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Strukturen für ein<br />
Kommunikationssystem. Welchen der folgenden Aussagen würden Sie<br />
zustimmen?<br />
Antwort<br />
<br />
Eine Busstruktur verursacht den geringsten Verkabelungsaufwand<br />
f Eine Busstruktur ist schneller als eine Netzstruktur<br />
<br />
Eine Netzstruktur kann eine größerer Datenmenge parallel übertragen als<br />
eine Busstruktur<br />
f Eine Busstruktur hat kürzere Reaktionszeiten als eine Netzstruktur<br />
f Eine Netzstruktur ist einfacher zu erweitern als eine Sternstruktur<br />
f Eine Busstruktur eignet sich nur für dezentrale Systeme<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 134
§ 2 <strong>Automatisierungsgerätesysteme</strong> <strong>und</strong><br />
-<strong>strukturen</strong><br />
AT1<br />
2.1 Automatisierungscomputer<br />
2.2 Automatisierungs-Strukturen<br />
2.3 Automatisierungs-Hierarchien<br />
2.4 Verteilte Automatisierungssysteme<br />
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 135
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
AT1<br />
Formen der Red<strong>und</strong>anz<br />
Gr<strong>und</strong>satz: Prozessbedienpersonal überwacht parallel zu einem AT-<br />
Computer!<br />
– Hardware-Red<strong>und</strong>anz<br />
red<strong>und</strong>ante Hardware<br />
– Software-Red<strong>und</strong>anz<br />
red<strong>und</strong>ante Software<br />
– Messwert-Red<strong>und</strong>anz<br />
red<strong>und</strong>ante Messgrößen<br />
abhängige Messgrößen<br />
– Zeit-Red<strong>und</strong>anz<br />
mehrfache Abfrage des gleichen Messwertes in bestimmten<br />
Zeitabständen<br />
Hardware- <strong>und</strong> Softwarered<strong>und</strong>anz bedeutet höherer Aufwand<br />
– erhöhte Verfügbarkeit<br />
– sicherheitsrelevante Systeme<br />
Bsp.: Geschwindigkeit,<br />
Beschleunigung<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 136
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
AT1<br />
Ziel beim Einsatz fehlertoleranter Strukturen<br />
Systeme so zu konstruieren, dass sie nach dem Auftreten von Fehlern in<br />
einzelnen Komponenten als Ganzes funktionsfähig sind.<br />
Stufen der Fehlertoleranz<br />
– volle Fehlertoleranz<br />
fail operational<br />
– verringerte Leistungsfähigkeit<br />
– Übergang in einen sicheren Zustand<br />
fail soft, graceful degradation<br />
fail safe<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 137
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
AT1<br />
Prinzip der Fehlertoleranz<br />
Aufbau eines Systems aus red<strong>und</strong>anten Modulen (Hardware- <strong>und</strong> Software),<br />
um bei Auftreten eines Fehlers die Funktionsfähigkeit des Systems zu<br />
erhalten.<br />
Arten von Red<strong>und</strong>anz<br />
– Statische Red<strong>und</strong>anz<br />
alle red<strong>und</strong>anten Module ständig im Einsatz<br />
– Dynamische Red<strong>und</strong>anz:<br />
red<strong>und</strong>ante Module werden erst nach einem Ausfall eingesetzt<br />
blinde Red<strong>und</strong>anz<br />
red<strong>und</strong>ante Module sind im fehlerfreien Fall nicht tätig<br />
funktionsbeteiligte Red<strong>und</strong>anz<br />
red<strong>und</strong>ante Module führen im fehlerfreien Fall Stand-by-Funktionen<br />
durch<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 138
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
AT1<br />
Hardware-Red<strong>und</strong>anz<br />
– Ziel:<br />
Erkennung von Ausfällen der Hardware<br />
– Einsatzprinzip:<br />
m-von-n-Red<strong>und</strong>anz<br />
Mehrheitsentscheid<br />
Fehler erst bei Mehrfachdefekten<br />
– Realisierung der Red<strong>und</strong>anz<br />
Doppel-Rechner-Strukturen<br />
Drei-Rechner-Strukturen<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 139
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
AT1<br />
Doppelrechner-Struktur mit statischer Red<strong>und</strong>anz<br />
Eingabesignale (z.B. Messwerte)<br />
Rechner 1<br />
Rechner 2<br />
Vergleicher<br />
2 - aus - 2<br />
Ausgabesignal<br />
(z.B. Stellgrößen)<br />
Alarmsignal<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 140
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
AT1<br />
Doppelrechner-Struktur mit dynamisch blinder Red<strong>und</strong>anz<br />
Eingabesignale<br />
Arbeitsrechner<br />
Ü<br />
Standby-<br />
Rechner<br />
Ü<br />
Alarm-<br />
Meldung<br />
Ausgabesignale<br />
Ü = Überwachungsprogramm<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 141
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
AT1<br />
Doppelrechner-Struktur mit dynamisch funktionsbeteiligter<br />
Red<strong>und</strong>anz<br />
Eingabesignale<br />
Rechner<br />
1<br />
Ü<br />
Rechner<br />
2 Ü<br />
Alarm-<br />
Meldung<br />
notwendige<br />
Ausgabesignale<br />
weniger dringliche<br />
Ausgabewerte<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 142
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
AT1<br />
Drei-Rechner-Struktur mit statischer Red<strong>und</strong>anz<br />
Eingabesignale<br />
Rechner 1 Rechner 2 Rechner 3<br />
Vergleicher<br />
2 - aus - 3<br />
Ausgabesignale<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 143
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
AT1<br />
Software-Red<strong>und</strong>anz<br />
– Ziel:<br />
Erkennung von Fehlern in der Software<br />
– Ausgangspunkt:<br />
Software ist fehlerhaft<br />
Red<strong>und</strong>anzmaßnahmen bei Software:<br />
Mehrfaches Vorhandensein der gleichen Software ist nicht sinnvoll, da nicht<br />
Ausfälle das Problem bei Software sind.<br />
verschiedenartiger Aufbau von Programmteilen<br />
gleiche Eingangsdaten müssen gleiche Ergebnisse liefern<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 144
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
AT1<br />
Diversitäre Software<br />
Diversität = Verschiedenartigkeit von Software bei gleicher Funktion<br />
– Unabhängige Entwicklerteams lösen dieselbe Aufgabe<br />
– Gezielte Entwicklung verschiedener Strategien, Algorithmen <strong>und</strong><br />
Software-Strukturen<br />
Einsatz bzw. Ausführung diversitärer Software-Teile<br />
– Red<strong>und</strong>ante Software-Alternativen werden nacheinander ausgeführt<br />
<strong>und</strong> über Entscheider (Voter) verglichen, nicht für Echtzeitsysteme<br />
mit hohen Zeitanforderungen<br />
– Parallele Ausführung red<strong>und</strong>anter Software-Teile auf red<strong>und</strong>antem<br />
Mehrrechnersystem<br />
– Zyklische Abwechslung der diversitären Teile<br />
Vergleich schwierig<br />
– Zwei Algorithmen mit unterschiedlichen Verarbeitungszeiten<br />
– Beide Ergebnisse können korrekt sein, obwohl Werte unterschiedlich<br />
sind<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 145
2.5 Automatisierungs<strong>strukturen</strong> mit Red<strong>und</strong>anz<br />
AT1<br />
Frage zu Kapitel 2.5<br />
In einem Flugzeug werden wichtige Systemgrößen mehrfach berechnet.<br />
Würden Sie dafür ein Doppelrechnersystem oder ein<br />
Dreifachrechnersystem mit statischer Red<strong>und</strong>anz verwenden ?<br />
Eingabesignale (z.B. Messwerte)<br />
Eingangsignale<br />
Rechner 1<br />
Rechner 2<br />
Rechner 1 Rechner 2 Rechner 3<br />
Vergleicher<br />
2 - aus - 2<br />
Vergleicher<br />
2 - aus - 3<br />
Ausgabesignale<br />
(z.B. Stellgrößen)<br />
Alarmsignal<br />
Ausgabesignale<br />
Antwort<br />
Doppelrechnersystem mit statischer Red<strong>und</strong>anz: nicht fehlertolerant<br />
Fehler führt zu Abbruch des Betriebs, d.h. nicht empfehlenswert<br />
Dreirechnersystem: 2 aus 3 Entscheidung<br />
Fehlertoleranz vorhanden<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 146
Kapitel 2: Vorbereitungsfrage<br />
AT1<br />
Vorbereitungsfragen zu Kapitel 2<br />
Frage 1: Red<strong>und</strong>anz (SS 2006)<br />
Bei einer Anlagensteuerung werden ein Rechner zur Prozesssteuerung <strong>und</strong> ein<br />
weiterer zur Protokollierung eingesetzt. Ein zusätzliches Programm überwacht<br />
jeweils die Funktionstüchtigkeit des anderen Rechners. Im Fall des Ausfalls<br />
des Rechners zur Prozesssteuerung übernimmt der Protokollierungsrechner<br />
die Aufgabe der Prozesslenkung <strong>und</strong> beendet die Protokollierungsfunktion.<br />
– Um welche Art von Red<strong>und</strong>anz handelt es sich?<br />
– Nennen Sie eine weitere Art von Red<strong>und</strong>anz.<br />
Frage 2: SPS (WS 2003/2004)<br />
Bei der Programmierung von Speicherprogrammierbaren Steuerungen werden<br />
sog. Programmiergeräte eingesetzt. Was versteht man darunter <strong>und</strong> warum<br />
werden sie benötigt?<br />
© 2013, IAS <strong>Universität</strong> Stuttgart 147
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