Problematik des Steuerungsentwurfes

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Problematik des Steuerungsentwurfes

Am Anfang steht die funktionale Vorgabe dessen, was getan werden soll. Durch die Komplexität, welche oben angesprochen wurde, kommen die Informationen oft erst nach und nach von den verschiedenen Wissensträgern.  Das Vorgehen beim Steuerungsentwurf kann klar in einzelne Schritte gegliedert werden.  Die verwendeten Begriffe, die oft unterschiedlich verwendet werden, sollen für den Bereich der Steuerungstechnik definiert werden. (Litz & Frey, Apr.1999)

 

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Abbildung 6‑2: Vorgehen beim Steuerungsentwurf

 

Die informelle Spezifikation liegt dem Steuerungstechniker als Ausgangspunkt vor. Darunter fällt alles, was nicht auf einer streng definierten theoretischen Basis aufbaut (verbale Beschreibungen, Skizzen oder freie Ablaufdiagramme).  

Die informelle Spezifikation kann umfassen: eine Beschreibung des umgesteuerten Prozesses (z.B. Anlagenschemata oder RI-Fließbild nach DIN 28004 und DIN 19227)

Anforderungen an den gesteuerten Prozess

Direkte Anforderungen an den Steuerungsalgorithmus

Da derartige Aufgabenbeschreibungen keine wohldefinierte Syntax und Semantik zugrunde liegt, können sie nicht zweifelsfrei auf Vollständigkeit, Eindeutigkeit bzw. Widerspruchsfreiheit überprüft werden.

 

Die Formalisierung ist die Umsetzung der informellen Spezifikation in die formale Spezifikation. Dieses ist die Leistung des Menschen und ist der Schlüssel zur systematischen Lösung der Steuerungsaufgabe.  

 

Die formale Spezifikation benötigt als Voraussetzung die Kenntnis geeigneter Methoden und Werkzeuge. Bekannte Methoden sind Systeme Boolescher Gleichungen, endliche Automaten oder Petri-Netze. Als neue Methode soll die Zonenprogrammierung angewendet, verglichen und auf die Qualitätskriterien hin geprüft werden.

 

Die Implementierung besteht im Idealfall in einer automatischen Codegenerierung durch das Entwurfswerkzeug, abhängig vom Zielsystem, und beruht auf der formalen Spezifikation.

 

Die Realisierung besteht immer aus der Kombination von Hard- und Software, wobei mehrere Softwareebenen wie Echtzeitbetriebssystem, Kommunikationssoftware, Algorithmensoftware involviert sind. Nutzt man Standardsysteme mit wohldefinierter Funktion, etwa SPS, so ist das Endergebnis die Software der Algorithmenebene.  Hier kann die Normierung durch die IEC 61131 als Stand der Technik angesehen werden.

 

Die Validierung gibt Aussagen darüber, inwieweit die gesamte Steuerung die beabsichtigten Funktionen erfüllt. Über alle Schritte hinweg wird die Validierung vorgenommen und man erhält die Möglichkeit Fehler in der Formalisierung der Aufgabenstellung aufzudecken. Es können unvollständige bzw. widersprüchliche Vorgaben in der informellen Spezifikation erkannt werden. Das führt oft zur Veränderung der ursprünglich gegebenen (a posteriori ungültigen) Spezifikation.

 

Die direkte Umsetzung ist im industriellen Alltag nach wie vor die meist verbreitete Vorgehensweise bei der Realisierung der informellen Spezifikation. Dadurch kommen die Möglichkeiten der formalen Spezifikation erst gar nicht zur Anwendung. Der direkte Weg bietet leider vielfältige Fehlermöglichkeiten und Änderungen durch die Ergebnisse einer Validierung sind meist aufwendig bzw. unmöglich. Die Inbetriebnahme wird oft langwierig und auftretende Fehlfunktionen können nur schwer behoben werden.

 

Dem gezeigten Prozess des Steuerungsentwurfs wird nun ein neues Prozessbild in Form eines Kanal-Instanzennetz abgeleitet, welches in folgender Abbildung gezeigt ist:

 

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Von der informellen Spezifikation mit der Beschreibung der technischen Einrichtung, dem Prozessverhalten, Aktoren, Sensoren, den technologischen Randbedingungen und den Benutzeranforderungen ausgehend, werden die formalen Spezifikationen erzeugt. Es sind die Modelle für die Verhaltensanforderungen, den Steueralgorithmus sowie die Steuerstrecke (vgl. Litz L. , 2005, S. 188). Die technologischen Randbedingungen können im Modell der Steuerstrecke berücksichtigt werden. Die Überführung der informellen Spezifikationen in die formale Darstellung ist nicht automatisiert und ist so im vollen Umfang eine herausfordernde Ingenieurleistung.

Der vierte Zweig ist der Überführung und der Berücksichtigung der Anforderungen an die Schnittstelle zu überlagerten Systemen und zum Menschen, wie oben gezeigt, gewidmet. Die Anforderungen der Steuerung zum Menschen hin sind  unter den Qualitätskriterien näher beschrieben und werden später eingehend behandelt.