Steuerungssysteme [Reprint 2021 ed.] 9783112550847, 9783112550830

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W . N . S A C H A R O W • D. A. P O S P E L O W . W. E. C H A S A Z K I

STEUERUNGSSYSTEME

E L E K T R O N I S C H E S R E C H N E N UND REGELN Herausgegeben

von

Prof. Dr. HANS FRÜHAUF • Prof. Dr. WILHELM KÄMMERER Prof. Dr. HELMUT THIELE • Prof. Dr. HORST YÖLZ

Sonderband 26

STEUERUNGSSYSTEME von

W. N. SACHAROW • D. A. POSPELOW • W. E. CHASAZKI

W. N. S A C H A R O W

D. A. P O S P E L O W • W. E. C H A S A Z K I

STEUERUNGSSYSTEME Aufgabenstellung, Projektierung, Realisierung I n deutscher Spache herausgegeben von

Prof. Dr. Herbert Ehrlich Mit 124 Abbildungen

und 87

Tabellen

AKADEMIE-VERLAG • BERLIN 1979

B. H. 3 A X A P 0 B • fl. A. nOCIIEJIOB • B. E. XA3A1JKHH C H C T C M H YnpaBJieHHH. 3anaHHe, npoeKTHpoBaime, peajiH3auHH H3u. ,,3HeprHH", MocKBa 1972

Deutsche Übersetzung: Dr.-Ing. Günter Müller

Erschienen im Akademie-Verlag, 108 Berlin, Leipziger Straße 3—4 © Akademie-Verlag Berlin 1979 Lizenznummer: 202 • 100/402/78 Gesamtherstellung: VEB Druckerei „Thomas Müntzer", 582 Bad Langensalza Bestellnummer: 762 3459 (6264) • LSV 1085 Printed in GDR DDR 5 8 , - M

VORWORT DES HERAUSGEBERS ZUR DEUTSCHEN

AUSGABE

Den Entwicklungsprozeß eines industriellen Steuerungssystems kann man in drei wesentliche Etappen einteilen, die hinsichtlich der verwendeten Mittel und Methoden voneinander abhängen: 1. die Erarbeitung der technischen Aufgabenstellung einschließlich ihrer Formalisierung, 2. die Durchführung des schaltungstechnischen Entwurfs und 3. die Realisierung auf der Grundlage einer entsprechenden Bauelemente- und Gerätebasis. Infolge der zunehmenden Kompliziertheit und Komplexität der zu steuernden Prozesse und der wachsenden Anforderungen an ihre Steuerung sowie des Vorhandenseins neuer Bauelementesysteme und neuartiger Realisierungsmöglichkeiten, die insbesondere durch die Entwicklung der Mikroelektronik und der Rechentechnik geprägt sind, hat in den letzten Jahren ein tiefgreifender Wandel bezüglich der Projektierung von Steuerungssystemen eingesetzt, der in allen drei Entwicklungsetappen seinen Niederschlag findet. Dem schaltungstechnischen Entwurf wurde in der Literatur seit jeher die entsprechende Aufmerksamkeit gewidmet. Die erfolgreiche Lösung eines Steuerungsproblems ist jedoch ohne die ausführliche Beschäftigung mit der vor- und nachgelagerten Etappe unmöglich, wobei beide die Verfahren und Kriterien des Entwurfes beeinflussen. Die Autoren des vorliegenden Buches haben versucht, den vielschichtigen Problemen der Schaffung eines modernen und effektiven Steuerungssystems auch in seinem Inhalt Rechnung zu tragen. Dabei wird der Leser in verständlicher Form an die Methodologie der wissenschaftlichen Lösung von Teilaufgaben in der Reihenfolge ihres zeitlichen Auftretens im Projektierungsprozeß herangeführt, wobei auch viele in der Praxis auftretende Probleme und Randbedingungen, die mitunter die Konfiguration des Steuerungssystems wesentlich bestimmen, erörtert werden. Eine entsprechende Darstellung dieser Probleme fehlt bisher in der deutschsprachigen Literatur weitgehend, weshalb auch der Entschluß zur Übersetzung und Herausgabe des sowjetischen Werkes gefaßt wurde. Dabei konnten die Änderungen und Ergänzungen der zweiten Auflage in russischer Sprache dank der Unterstützung der sowjetischen Autoren bereits berücksichtigt werden. Gedankt sei an dieser Stelle auch Herrn Dr.-Ing. G. LIERMANN für die Mitarbeit bei der Bearbeitung der deutschen Ausgabe und dem Akademie-Verlag, insbesondere Frau LAGOWITZ, für die jederzeit verständnisvolle Zusammenarbeit. Berlin, Dezember 1978

H. EHELICH

VORWORT ZUR DEUTSCHEN AUSGABE

Den Autoren ist es immer angenehm, wenn ihr Kind die Schwelle ihres Hauses überschreitet und in andere Länder geht. Das ist nicht nur angenehm, sondern auch eine große Ehre und damit verantwortungsvoll. Deshalb empfinden wir nicht nui Freude, sondern wir sind auch etwas besorgt. Denn das Buch haben wir für den sowjetischen Leser, für den sowjetischen Spezialisten auf dem Gebiet der Projektierung von Steuerungssystemen konzipiert und geschrieben. Die für den sowjetischen Leser charakteristischen Besonderheiten der Wechselbeziehungen zwischen dem Projektanten und dem Auftraggeber könnten in einem anderen Land unverständlich sein. Wir haben jedoch die Hoffnung auf einen gewissen Internationalismus dieser Beziehungen. Im geheimnisvollen Prozeß der Abstimmung der technischen Aufgabenstellung zur Erstellung eines Steuerungssystems erfolgt stets ein Zusammenstoß der Interessen der beiden Seiten. Und je schneller diese Seiten zu einem gegenseitigen Einvernehmen gelangen, desto effektiver und ergebnisreicher wird die Arbeit. Wie es uns scheint, bestehen die Hauptprinzipien, von denen sich der Auftraggeber und der Projektant leiten lassen müssen, in folgendem. 1. Der Auftraggeber möchte ein effektives Steuerungssystem haben. 2. Der Projektant kann und will ein solches System aufbauen. 3. Beide Partner stehen in diesem Prozeß auf der gleichen Seite, denn sie haben die gleichen Ziele. Das ist es, was wir den Lesern sagen möchten. Moskau, Dezember 1976

W . CHASAZKI D . POSPELOW W . SACIIAROW

INHALTSVERZEICHNIS

Einführung

1

Teil I — Das Gespräch mit dem Auftraggeber Kapitel 1. 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. Kapitel 2. 2.1. 2.2. 2.3. 2.4. Kapitel 3. 3.1. 3.2. 3.3.

Die Fragebogensprache

,

4

Anforderungen an die Fragebogensprache oder: „Was ist zu erfragen" u n d „ W i e ist zu f r a g e n " Deskriptoren u n d Detaillierungsbäume Fragenliste, Optimierung der Fragenlisten Speicherung von E r f a h r u n g e n ; der Auskunftsfonds und seine Organisation . .

4 13 16 22

Begegnungen und Gespräche

26

Was möchte der Auftraggeber, und wonach strebt der Auftragnehmer ? . . . Ist eine Automatisierung erforderlich ?. . . Was ist dem P r o j e k t a n t e n bisher über das Objekt und das Steuerungssystem bekannt ? Das Gespräch über den Aufbau eines Spezialrechners zur Informationsverarbeitung

26 28

Forderungen an die technische Aufgabenstellung

30 34 43

Die Vollständigkeit der technischen Aufgabenstellung Beispiel einer mißlungenen technischen Aufgabenstellung Der Netzplan und sein Nutzen

43 46 49

Teil II — Formulierung der Aufgabenstellung Kapitel 4. 4.1. 4.2. 4.3. 4.4. Kapitel 5. 5.1. 5.2.

Kapitel 6. 6.1. 6.2. 6.3.

Automatenbeschreibung

57

Automatentabellen — Einfachheit und Kompliziertheit Speicherminimierung Aussagenalgebra und Formalisierung verbaler Beschreibungen Sequentielle Beschreibung

57 66 70 75

logische Algorithmenschemata

79

Graphen und logische Algorithmenschemata Umwandlung der logischen Algorithmenschemata und einige Verallgemeinerungen Programme

• • •

Logische Programmschemata Notierung eines Programms in einer algorithmischen Sprache . . . . . . . . Einschätzung

79 83 ^8 88 94 101

VIII

Inhaltsverzeichnis

Teil III — Von der formalen technischen Aufgabenstellung zur Struktur Kapitel 7. 7.1. 7.2. 7.3. 7.4. 7.5. 7.6. 7.7. 7.8. Kapitel 8. 8.1. 8.2. 8.3. 8.4. 8.5. 8.6. 8.7. Kapitel 9. 9.1. 9.2. 9.3. 9.4. 9.5. 9.6. Kapitel 10.

Logiknetze und Logikschaltungen

104

Grunddefinitionen Kombinationsschaltungen Zeitabhängige Logikschaltungen Zeitabhängige Logikschaltungen Zeitabhängige Logikschaltungen Zeitabhängige Logikschaltungen Zeitabhängige Logikschaltungen Sequentialautomaten

104 107 119 120 123 126 132 136

erster Art zweiter Art . . . dritter Art und Automatenbeschreibung

Die Konzipierung von Logikschaltungen

147

Allgemeines Vorgehen beim Entwurf von Logikschaltungen 147 Entwurf von Kombinationsschaltungen 148 Über die Minimierung Boolescher Funktionen 156 Entwurf einer Kombinationsschaltung auf der Basis eines universellen Dekoders 160 Elemente zeitabhängiger Logikschaltungen 165 Entwurf zeitabhängiger Logikschaltungen 167 Von der Sequentialbeschreibung zur Logikschaltung 179 Steuerungsrechner

195

Über den Mikroprogramm-Automaten Steuerungsrechner und ihre Anwendung Struktur der Steuerungsrechner Steuerungsrechner mit Programmverteiler Einstellige Steuerungsrechner mit Programmspeicher Mehrstellige Steuerungsrechner mit Programmspeicher

195 198 204 210 214 220

Die Konzipierung von Systemen mit Steuerungsrechnern

229

10.1. Womit anfangen ? 229 10.2. Analyse des Algorithmus und Konkretisierung der Struktur des Steuerungsrechners 232 10.3. Programm eines Steuerungsrechners in der äußeren und in der Maschinensprache 234 Kapitel 11. 11.1. 11.2. 11.3. 11.4. 11.5. 11.6. 11.7. 11.8. Kapitel 12. 12.1. 12.2. 12.3. 12.4.

Prozeßrechner

241

Prozeßrechner irr der Steuerungskontur 241 Software der Prozeßrechner 243 Grundsätzliche Betriebsarten eines Prozeßrechners 248 Das Dispatcherprogramm des Steuerprogrammsystems 252 System zur Steuerung der Ein- und Ausgabe 257 Reihenfolge der Programmeingabe in den Rechner 260 System zur Automatisierung der Programmierung und Übersetzungsprinzip . . 261 Charakteristika von Prozeßrechnern 265 Die Konzipierung von Systemen mit Prozeßrechner

272

Prozeßmodell und Steuerungsmodell Eigenschaften komplizierter Systeme Imitationsmodellierung Situationssteuerung

272 275 277 282

Inhaltsverzeichnis Kapitel 13. Auswahl des strukturellen Verfahrens 13.1. Produktivität und Zuverlässigkeit 13.2. Funktionelle Möglichkeiten und Kosten

IX 292 292 294

Teil IV — Der Übergang zur Realisierung Kapitel 14. 14.1. 14.2. 14.3. 14.4. 14.5. Kapitel 15. 15.1. 15.2. 15.3. 15.4.

Die reale Struktur Aufgaben, die der Entwickler bei der Realisierung des Systems lösen muß . . Über Strukturtypen von Steuerungssystemen „Neue" Elemente in der realen Struktur Von der formalisierten Beschreibung eines Blocks zu seiner realen Struktur Besonderheiten der Anwendung von Automatenmodellen bei der Entwicklung von Steuerungssystemen

312

Standardisierte Steuerschaltungen in Mehrebenenstruktur Dezentralisierte und zentralisierte Steuerung Funktionelle und technologische Aufgaben der Steuerung Über Standard-Nachrichtenverbindungen Standardisierte Steuerungsblöcke

319 319 321 323 327

Kapitel 16. 16.1. 16.2. 16.3. 16.4. 16.5. 16.6.

Aulbau der Nachrichtenverbindungen in einem zentralisierten System Strukturelle Besonderheiten bei Einsatz von Steuerungs- und Prozeßrechnern . Kopplung der Zentraleinheit mit peripheren Einrichtungen Arbeitsregime bei Vorhandensein peripherer Einrichtungen Kopplungskanäle Beispiel für die Organisation einer Kopplung Verfahren der Informationsübertragung über die Kanäle des Steuerungssystems 16.7. Struktur der Kopplungseinrichtung eines Steuerungssystems

Kapitel 17. 17.1. 17.2. • 17.3. 17.4. 17.5. 17.6. 17.7. 17.8. 17.9. Kapitel 18. 18.1. 18.2. 18.3. 18.4.

298 298 300 304 306

332 332 334 337 341 342 344 347

Prüfung und Diagnose Einige besondere Forderungen an Steuerungssysteme Automatische Überwachung nichtredundanter logischer Schaltungen . . . . Überwachung logischer und arithmetischer Operationen an Binärkodes durch Paritätsprüfung Überwachung der Informationsübertragung Fehlerdiagnose nichtredundanter logischer Schaltungen Über Diagnose-Programme Diagnose und Korrektur von Fehlern bei der Informationsübertragung . . . Anwendung der Theorie der Experimente bei endlichen Automaten Über die manuelle Prüfung und Diagnose

350 350 352 358 364 366 367 369 372 374

Der Arbeitsplatz des Operateurs Wann wird ein Arbeitsplatz benötigt ? Typen von Arbeitsplätzen für Operateure Leitstand und Mensch Beispiel für die Organisation des Arbeitsplatzes eines Operateurs

379 379 380 383 391

Teil V — Was im Ergebnis herausgekommen ist Kapitel 19. 19.1. 19.2. 19.3.

Die Organisation der Arbeit Noch einmal über Netzpläne Expertisen Die Formierung des Kollektivs

396 396 403 411

X

Inhaltsverzeichnis

Kapitel 20. Ökonomische Effektivität 20.1. Kosten des Systems 20.2. Wie ist der Nutzen durch die Einführung des Systems zu berechnen 1 . . . 20.3. Vergleich des Aufwandes mit dem Nutzen

416 416 . 418 427

Literaturverzeichnis

431

Sachwortverzeichnis

437

EINFÜHRUNG

Seit langem ist bekannt, daß der erfahrene Leser die Einführung und das Vorwort wegläßt und unmittelbar zum ersten Teil eines Buches übergeht. Deshalb haben wir uns bemüht, die Einführung möglichst kurz zu halten. Ganz weglassen konnten wir sie nicht, denn im Hauptteil war kein Platz zur Beantwortung von zwei wichtigen Fragen: Wozu dieses Buch geschrieben wurde und wie es zu lesen ist. Als Käufer dieses Buches haben Sie sich natürlich wie jeder erfahrene Leser zuerst mit seinem Inhalt vertraut gemacht. Es ist Ihnen klar geworden, daß sich die Autoren die Aufgabe gestellt haben, ein Handbuch für Projektierungsingenieure von Steuerungssystemen der industriellen Automatisierungstechnik zu schreiben. Ein entwickeltes System trägt stets den Stempel der Anschauungen des Projektanten. Die vorgeschlagene Lösung wird häufig nicht durch eine „eiserne Notwendigkeit" geprägt, sondern durch überflüssige Freiheitsgrade, die sich ihm aus der nicht exakt formulierten Aufgabenstellung oder anderen Unklarheiten bieten. Einer der Hauptgründe dafür ist die technische und sprachliche Trennung zwischen dem Auftragnehmer (Projektanten) und dem Auftraggeber (Besteller). Sie verstehen einander schlecht, weil sie in verschiedenen technischen Sprachen „sprechen", in denen häufig ein und dasselbe Wort etwas völlig anderes bedeutet. Der eine, der ein Spezialist der Automatisierungstechnik ist, läßt möglicherweise viele Kleinigkeiten und Feinheiten des technologischen Prozesses außer acht und berücksichtigt die für den Anwender „selbstverständlichen" Beschränkungen nicht. Das kann die Brauchbarkeit eines Automatisierungssystems herabsetzen und sogar dazu führen, daß die ganze Arbeit umsonst war. Der Auftraggeber, der den technologischen Prozeß genauestens kennt, hat andererseits nicht immer klare Vorstellungen über die Möglichkeiten der Automatisierungstechnik. Für ihn ist es selbstverständlich, daß die Automaten „alles" können. Die Erfüllung bestimmter, möglicherweise zweitrangiger Forderungen führt jedoch zu einem sehr hohen gerätetechnischen Aufwand und zur Verkomplizierung des Systems, während der Auftraggeber meint, die Ausführung komplizierter Funktionen der automatischen Steuerung könne leicht realisiert werden. Irgendwann hat ein berühmter Mathematiker gesagt, daß die richtige Formulierung einer Aufgabe bereits die halbe Lösung darstellt. Leider sind die vielen vorhandenen Lehrbücher über die Projektierung komplizierter Systeme nur den restlichen fünfzig Prozent der Lösung einer Aufgabe gewidmet. Sie geben Projektierungsrezepte an, wenn die formalisierte Aufgabenstellung bereits vorliegt und die Wege für ihre Lösung bereits ausgewählt sind. Bei der Beantwortung der Frage des Projektanten „wie ist es zu machen ?" gehen sie nicht darauf ein, „was dabei alles erledigt werden muß". Der erste Teil dieses Buches dient der Herstellung des gegenseitigen Verständnisses zwischen dem Auftraggeber und dem Projektanten beim Abfassen der technischen

2

Einführung

Aufgabenstellung für das System. Das hilft, Fehler und Mißverständnisse, die bereits im ersten Stadium der Arbeit auftreten können, zu vermeiden. Wenn Sie schon einmal hinreichend komplizierte Steuerungssysteme projektiert und eine Menge Zeit für Verhandlungen mit dem Auftraggeber und den Herstellerwerken aufgewandt haben, wenn Sie die technische Aufgabenstellung ausgearbeitet, ein Versuchsmuster hergestellt und in die Serienproduktion übergeleitet haben, dann wissen Sie selbst, daß dieser ganze Prozeß, der als Projektierung bezeichnet wird, viel K r a f t und Energie kostet und daß der Wirkungsgrad in bestimmten Abschnitten äußerst gering ist. Unter den Projektierungsingenieuren herrscht bis heute die Meinung vor, daß man ein gutes System nicht in einem Zug entwickeln kann, sondern daß dies nur in einem Prozeß der Vervollkommnung, der Umarbeitung und der allmählichen Hinfiihrung auf den notwendigen Stand möglich ist. Es hat sich sogar ein spezieller Terminus „Etappe der Modernisierung" eingebürgert, der häufig bei der Aufstellung des Arbeitsplanes, ohne den man bei der Projektierung eines mehr oder weniger komplizierten Systems nur selten auskommt, angewandt wird. Dieser Umstand bestimmte die Zielstellung des Buches, das eine gewisse Anleitung zum Handeln in allen Etappen sein soll. Wir möchten dem Projektanten komplizierter Steuerungssysteme die Prinzipien der Projektierung darlegen, ausgehend davon, wie mit dem Auftraggeber zu verhandeln ist und wie man sich von ihm die genaue technische Aufgabenstellung verschafft bis hin zur Lösung technischer Fragen der Projektierung und der Beurteilung der erzielten Ergebnisse. Nach dem Gespräch mit dem Auftraggeber muß beim Auftragnehmer eine formalisierte technische Aufgabenstellung vorliegen, in der sowohl alle Forderungen des Auftraggebers als auch die Möglichkeiten des Projektanten berücksichtigt sind. Im zweiten Teil des Buches werden die Verfahren zur Gewinnung der formalisierten technischen Aufgabenstellung betrachtet. Also nehmen wir an, der erste Schritt wurde getan, die Aufgabenstellung ist formuliert und es ist klar, was zu machen ist. Danach taucht mit aller Schärfe die Frage auf: Wie ist es zu machen ? Wie muß die Struktur der Einrichtung aussehen, die den zahlreichen Forderungen, die durch den Auftraggeber formuliert wurden, gerecht wird ? Wie ist ein. gegebener Algorithmus mit dem zuverlässigsten Verfahren und in der erforderlichen Zeit zu realisieren ? Die Autoren hoffen, daß der Inhalt des dritten Teiles des Buches, in dem die strukturellen Methoden zum Aufbau automatischer Systeme dargelegt werden, dem Entwicklungsingenieur hilft, auf diese Fragen eine Antwort zu geben. In den anschließenden Teilen werden einige Fragen, die mit der praktischen Realisierung der vom Entwickler zu Papier gebrachten Strukturen und Schaltungen zusammenhängen, betrachtet. Die ganze Vielfalt aller möglichen konstruktiven und schaltungsmäßigen Lösungen konnte natürlich nicht in diesem Buch untergebracht werden; wir haben uns eine solche Aufgabe nicht einmal gestellt. Es war unser Anliegen, die Kernfragen der Realisierung automatischer Einrichtungen hervorzuheben und zu betrachten. Es sei hier nur auf die Tatsache hingewiesen, daß die schaltungsmäßigen und konstruktiven Lösungen weniger aus der ausgewählten Struktur hervorgehen, sondern viel stärker durch den Projektanten beeinflußt werden, der häufig gezwungen ist, Korrekturen an den Aufbauprinzipien des Systems vorzunehmen.

Einführung

3

Der abschließende Teil des Buches ist einigen sehr wichtigen, in erster Linie den Auftraggeber interessierenden Bewertungen gewidmet, die jedoch für den Projektanten, der eine hohe Qualität seiner Arbeit anstrebt, bei weitem nicht uninteressant sind. Wir wären Idealisten, würden wir annehmen, daß das Buch, das wir geschrieben haben, ein Retter aus allen Nöten und ein vollständiger Leitfaden der Projektierung sei. Der erste Versuch eines derartigen Buches kann nicht der beste sein. Deshalb sind die Autoren, wie man in derartigen Fällen sagt, für jede Kritik ihrer Arbeit dankbar. Wir haben die Frage „wozu das Buch geschrieben wurde" beantwortet. Es bleibt noch darüber zu sprechen, wie es zu lesen ist. Die Antwort hängt vom Leser ab. Der erfahrene Projektant kann das Buch auszugsweise lesen, indem er sich nur bei dem aufhält, was ihn interessiert. Der weniger erfahrene Leser kann beim Durcharbeiten des Buches eine ausreichende Vorstellung davon bekommen, womit bei der Projektierung begonnen werden muß, und wie sie durchzuführen ist. Einige Leser könnte der Stil des Buches verwundern, denn gewöhnlich ist die Sprache von Monographien zurückhaltender und trockener. Von den Autoren wird jedoch bewußt an vielen Stellen eine bildhaftere Sprache benutzt. Wie uns scheint, verliert dadurch das Buch nicht an Strenge, aber viele nach unserer Meinung wichtige Darlegungen werden für den Leser anschaulicher und verständlicher. Wie auch bei der Verteidigung einer Dissertation ist es im Schlußwort üblich, all jenen zu danken, die den Autor unterstützten. Wir halten uns mit Vergnügen an diese Tradition und danken den Rezensenten, den korr. Mitgliedern der Akademie der Wissenschaften der UdSSR, W. S . SEMENICHIN und N . P. B U S L E N K O sowie dem Redakteur des Buches, Kanditat der technischen Wissenschaften 0 . P. K U S N E Z O W , für ihre strenge, aber gutgemeinte Kritik, die den Autoren geholfen hat, den Inhalt des Buches wesentlich zu verbessern. Die Autoren waren bestrebt, vom Leser nur wenige Voraussetzungen zu fordern (wie man gewöhnlich sagt: im Umfang der Hochschulingenieurausbildung). Das System von Literaturangaben gestattet dem interessierten Leser das Auffinden der Literatur, in der zu bestimmten Fragen umfangreicher und tiefgehender Stellung genommen wird. Die Kapitel 4—6, 11 — 13 und der Abschnitt 19.1 wurden von D. A. POSPELOW geschrieben, die Kapitel 8 (außer Abschn. 8.3), 9, 10, 16, 17 (außer Abschn. 17.8 und 17.9) sowie Abschn. 14.2 wurden von W . E . CHASAZKI und die Kapitel 14 (außer Abschn. 14.2), 15, 18 sowie 8.3, 17.8 und 17.9 wurden von W . N . SACHAROW verfaßt, während die Kapitel 1—3 und 7 gemeinsam ausgearbeitet wurden. Außer den Autoren haben an der Abfassung des Buches L. F. POSPELOWA (Kapitel 20) und A. M. H U R E WITSCH (Abschn. 19.2) teilgenommen. Ungeachtet einer solchen Aufteilung trägt das Autorenkollektiv als Ganzes die Verantwortung für den gesamten Inhalt des Buches. In der Zeit, die zwischen dem Schreiben des Buches und seiner Herausgabe verging, wurde eine genauere Terminologie geschaffen, die bei der Entwicklung verschiedener automatisierter Steuerungssysteme (ASU) verwendet wird. In diesem Zusammenhang muß präzisiert werden, daß im vorliegenden Buch Systeme betrachtet werden, die jetzt üblicherweise als automatisierte Steuerungssysteme technologischer Prozesse (ASUTP) bezeichnet werden. Die Autoren nehmen Bemerkungen zum Inhalt des Buches und der Methodik der Darlegungen dankbar entgegen. Die Autoren

Teil I — Das Gespräch mit dem Auftraggeber KAPITEL 1

DIE FRAGEBOGENSPRACHE

1.1. Anforderungen an die Fragebogensprache oder: „Was ist zu erfragen" und „Wie ist zu fragen'i« Die Konturen eines zukünftigen Steuerungssystems bilden sich beim Entwickler nicht momentan heraus. Erst nach langen Gesprächen und Wortgefechten, nach der Überwindung terminologischer Barrieren und manchmal ermüdenden Versuchen, eine gemeinsame Sprache mit dem Auftraggeber für das System zu finden, beginnt sich das Bild aufzuhellen. Nur die dringende Notwendigkeit eines solchen Systems bei dem einen und das Interesse an der Projektierung dieses Systems bei dem anderen führen schließlich zum gegenseitigen Verständnis. Die Schwierigkeiten der ersten Etappe sind darin begründet, daß der Auftraggeber, der ein Spezialist auf seinem Gebiet ist, in den Kategorien des zu steuernden Objektes denkt, der Projektant jedoch Begriffe benutzt, die in der Steuerungstheorie üblich sind. Und obwohl sie eine gemeinsame Muttersprache sprechen, bleibt zunächst die Barriere des Unverständnisses bestehen. Das veranlaßt den Entwickler, die Prozesse, die im Steuerungsobjekt ablaufen, allseitig zu studieren, damit er lernt, den Auftraggeber schon bei der ersten Andeutung zu verstehen. Er kann jedoch kein gleich guter Spezialist sowohl auf dem Gebiet der Steuerung, als auch auf jenen technischen Gebieten sein, auf die seine Kenntnisse angewandt werden sollen. Nichtsdestoweniger •muß das Steuerungssystem, das er entwickelt, funktionieren und den Forderungen des Auftraggebers gerecht werden. Dazu muß der Projektant nicht alles über das Steuerungsobjekt wissen, sondern nur das, was für den Steuerungsprozeß wesentlich ist. Was aber ist für ihn wesentlich ? In Abb. 1.1 ist ein Steuerungsobjekt in Form eines „schwarzen Kastens" gezeigt. In der Kybernetik ist es üblich, als schwarzen Kasten Objekte zu bezeichnen, über deren inneren Aufbau nichts bekannt ist. Jegliche Kennt-

Abb. 1.1. Steuerungsobjekt mit Ein- und Ausgangsgrößen

1.1. Anforderungen

5

nisse über ihren Aufbau und ihre Funktion kann man nur durch Analyse der äußeren Ein- und Ausgänge dieser Objekte gewinnen. F ü r den Entwickler ist es in erster Linie notwendig, beim Auftraggeber zu erfahren, wieviel und welche Ein- und Ausgänge das Steuerungsobjekt hat. Nehmen wir an, der Auftraggeber hat dem Entwickler mitgeteilt, daß das Objekt n Eingänge und m Ausgänge hat. Der Entwickler bezeichnet sie entsprechend mit « l 5 a 2 , ... ,

^

v a;13) v £c8(x11 v

x

1 2

V ^5^13 = 3^5(^0 V £13) V Zg^u V = ^si^lO V CCn V X12) V

— X}XJX±q V «t'ijä'xl V X^X-^2 V y2

=

x

V ffz

=

—

(^7^10 V

—

(^10 ^ ^11 ^ ^13) ^

); X ^ X ^ -

J

^ ^13) ^

>

X X

7 12

>

§2)

Wir bemerken, daß man zwischen Tab. 4.1 und der Notierung in der Aussagensprache eine eindeutige Entsprechung feststellen kann. Wenn wir die oben angegebenen Abhängigkeiten von xt in Form einer Tabelle angeben wollten, dann müßten wir im linken Teil der Tabelle alle 213 = 8192 Zeilen aufschreiben und für jede Eingangsbelegung die Wahrheit der Ausgangsbelegung (ylt y2, y3, j/4> bestimmen, indem wir der Reihe nach alle Werte der Eingangsbelegungen in die von uns erhaltenen Beziehungen einsetzen und die sich dabei für yt ergebenden Werte überprüfen. Es ist klar, daß eine

4.4. Sequentielle Beschreibung

75

solche Möglichkeit der Funktionsbeschreibung des Steuerungssystems wegen der außerordentlich großen Abmessungen der Tabelle praktisch kaum anwendbar ist. Der umgekehrte Übergang von Tab. 4.1 zur Notierung in der Aussagensprache erfolgt folgendermaßen.' Allen Belegungen, bei denen gleich 1 ist, wird eine konjunktive Aussage zugeordnet, die nach dem oben bereits behandelten Prinzip aufgestellt wurde. Diese Aussagen werden über die Disjunktion miteinander verbunden. Der erhaltene Ausdruck ist der Automatendarstellung für eine Kombinationsschaltung äquivalent. Wenn z. B. in Tab. 4.1. der Eingangsbelegung 100 die Ausgangsbelegung 111 zugeordnet wird, dann kann man anstelle dieser Tabelle die folgenden drei Ausdrücke schreiben:

—

V

)

— - Xj^ii/g |Xg V X3 j V t^jXgi^ß — V CCJXqCCQ j 2/3 =

•

Man kann zeigen, daß zwischen den Automatentabellen für einen Automaten mit Speicher und der Schreibweise in der Aussagensprache ebenfalls eine eindeutige Entsprechung existiert. Mit dieser Frage wollen wir uns hier nicht beschäftigen. In den Kapiteln 7 und 8 wird eine solche Entsprechung detailliert betrachtet.

4.4. Sequentielle Beschreibung Die Methoden zur formalenBeschreibung des Funktionsalgorithmus, mit dem sich der Leser soeben vertraut gemacht hat (Automatentabellen und Automatengraph), können ihn entmutigen. Auf beliebig komplizierte Systeme sind diese Beschreibungsformen kaum anwendbar. Bei zehn Eingängen des Steuerungssystems (was einem nicht sehr komplizierten System entspricht) muß der Projektant eine Automatentabelle ausfüllen, deren Zeilenanzahl 210 = 1024 beträgt! Hinzu kommt noch, daß im realen System die Mehrzahl der Belegungen der Eingangsvariablen, die diese Tabelle bilden, wegen verschiedener technologischer Beschränkungen und der Struktur des Steuerungsobjekts im praktischen Betrieb niemals auftritt. Außerdem ist kaum zu erwarten, daß der Auftraggeber in der Lage ist, dem Projektanten im Verlaufe der Gespräche die zur Ausfüllung der Automatentabelle notwendigen Informationen zu geben, oder daß er ihm bei der Aufstellung des Automatengraphen behilflich ist. Die für diese Modelle erforderliche Informationsdarstellung ist dem Auftraggeber fremd, und der Projektant muß die von ihm erhaltenen Informationen beim Übergang zu den Automatentabellen oder Automatengraphen selbst umsetzen. Am Ende des zweiten Kapitels erwähnten wir eine für den Auftraggeber günstige Beschreibungsform der Informationen. Diese Form verlangt vom Auftraggeber Ausdrücke des Typs „Wenn A, dann B", die wir im Kapitel 2 Sequenzen nannten. In diesem Abschnitt werden wir zeigen, daß die Beschreibung der Algorithmen zur Steuerung des Objekts in der Sequentialschreibweise ziemlich einfach ist. Außerdem

76

4. Automatenbeschreibung

werden wir nachweisen, daß eine beliebige Automatenbeschreibung in der Sequentialform dargestellt und umgekehrt eine beliebige Sequentialschreibweise unter gewissen Zusatzbedingungen in die Automatenbeschreibung überführt werden kann. Und schließlich werden wir zeigen, daß bei der Sequentialbeschreibung die1 Aufzählung aller Eingangskombinationen des Systems nicht erforderlich ist, was für die Beschreibung realer Objekte, die in der Regel einige Dutzend, mitunter sogar einige Hundert Eingänge haben, sehr wesentlich ist. "Der Leser kann sich davon überzeugen, daß sich mit Hilfe der Sequentialbeschreibung die Probleme der Vollständigkeit und Widerspruchsfreiheit der Beschreibung und auch die Probleme des Übergangs von einer Primärbeschreibung in eine äquivalente kompaktere Form sehr einfach lösen lassen." Wie bereits im Kapitel 2 erwähnt, werden die Sequenzen mit A \— B bezeichnet. In diesem Abschnitt verstehen wir unter A und B gewisse logische Ausdrücke, die aus logischen Variablen und Operationen der Negation, Disjunktion und Konjunktion bestehen. Um zu unterscheiden, daß A und B in unserer Schreibweise eben diese Bedeutung haben, schreiben wir die Sequenzen in der Form:

geschrieben. Die arithmetischen Operationen haben die übliche Priorität: das Potenzieren hat die größte Priorität, dann folgen die Multiplikation und Division und danach die Addition und Subtraktion. Wenn die Reihenfolge der arithmetischen Operationen anders sein soll, dann werden runde Klammern benutzt. Klammern anderen Typs sind hierzu in ALGOL nicht zu verwenden. Wenn die Operationen gleichartig und keine Klammern vorhanden sind, dann werden sie von links nach rechts ausgeführt. Zum Beispiel wird a — b — c in ALGOL als (a — b) — c verstanden. Definieren wir andere Typen der Grundsymbole:

go to | it | then | else | for | do (Trennzei

; | := |

| step | until | while | comment

: : = own | Boolean | integer | real | array | switch | procedure (Spezifikationszeichen) : : = st ring | label | value Wir definieren noch die logischen Werte: (logischer Wert) :: = false | true Erläutern wir die eingeführten Typen der Grundsymbole. Die Vergleichsoperatoren haben den üblichen Sinn und brauchen nicht erläutert zu werden. Die logischen Operationen werden durch die Tabellen 6.1 und 6.2 definiert. Drei dieser Operationen haben wir schon betrachtet, das ist die Negation, die in ALGOL mit ~~]x bezeichnet wird, die Disjunktion x v y und die Konjunktion, wofür in ALGOL die Bezeichnung x A y verwendet wird. Die beiden neuen Operationen werden Implikation x D y und Äquivalenz x = y genannt. In ALGOL sind für die Bezeichnung der Werte dualer (logischer) Variabler nicht 0 und 1, sondern die Symbole false und true zu verwenden. Die Folgeoperationen haben in der Reihenfolge ihres Auftretens im rechten Teil der entsprechenden metalinguistischen Formel folgende Bedeutung: „übergehen zu",

96

6. Programme

Tab. 6.1. Negation einer Variablen X false true

Tab. 6.2. Logisehe Operationen X

y

x^y

x= y

xv y

x Ay

false false true true

false true false. true

true true false true

true false false true

false true true true

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„wenn", „dann", „anderenfalls", „für", „führe aus". Die Benutzung der Folgeoperationen wird später erklärt. Die englischen Termini, die einige Trennzeichen definieren, haben folgende Bedeutung: „Schritt", „bis", „solange", „Kommentar". Als Klammern werden zwei Operatorklammern „Beginn" und „Ende" benutzt. Vereinbarungszeichen haben folgenden Sinn: „eigen", „Boolsche", „ganzzahlig", „reell", „Feld", „Verteiler", „Prozedur". Und schließlich haben die Spezifikationszeichen folgenden Sinn: „Zeile", „Marke", „Wert". Wenn der Leser alle Grundsymbole der algorithmischen Sprache ALGOL gelernt hat, dann hat er schon die Hälfte des Weges zum Beherrschen der Sprache zurückgelegt. Jetzt muß man die Grundkonstruktionen der Sprache lernen. Die erste Konstruktion ist der Begriff der Zahl. Definieren wir zunächst einige Hilfsbegriffe:

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7. Logiknetze und Logikschaltungen

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7.2. Kombinationsschaltungen

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