Reihe Automatisierungstechnik – serie

Als Teilgebiet der Automatisierungstechnik steht die Meß-, Steuerungs­ und Regelungstechnik im Mittelpunkt des Geschehens. Diese Technik kann jedoch nur wirksam werden, wenn die Produktionsanlage ein auto­ matisierungsgerechtes Stadium erreicht hat. Dazu ist erforderlich, daß die Mechanisierungsfragen geklärt sind, Meßwerte gebildet werden können und Stellorte für Eingriffe in den Prozeß existieren. Außerdem gehören Transporteinrichtungen, Wägemaschinen und ein breites Sortiment von Spezialmaschinen genauso zur industriellen Automatisierungstechnik wie Datenverarbeitungsanlagen zur Verbesserung der Verwaltungsarbeit. In den letzten Jahren wurde die Digitaltechnik so weit entwickelt, daß neue Formen der industriellen Automatisierung entstanden sind, die es gestatten, Meßwerte und Daten in großer Zahl zu speichern, zu ver­ arbeiten, zu drucken und als Steuersignale zu verwenden. Unter dem Begriff der Prozeßrechentechnik bahnt sich eine neue Technik den Weg zu einer qualitativ höheren Stufe der industriellen Automatisierung. Bei der Vielseitigkeit der Produktions bedingungen, Anforderungen und Lösungsmöglichkeiten ist die Projektierung von Automatisierungsanlagen fast immer mit einer speziellen Untersuchung und Bemessung verbunden. Wenn die Regelungstheorie heute auch so weit entwickelt ist, daß die prinzipielle Lösung einer Aufgabe unabhängig von der Art des Objekts erfolgen kann, sofern gewisse Kennwerte vorliegen, verbleibt für die Ver­ wirklichung immer noch ein großer Arbeitsaufwand bezüglich des Ver­ fahrens, der Schaltung, der Anpassung, der Sicherheit und Geräteauswahl, um eine befriedigende Lösung zu erreichen.

1. 1. Warum beschäftigen wir uns mit Rechenautomaten? Mit einem unvergleichbaren Tempo entwickelt sich die Technik und gibt dem Menschen die Möglichkeit, nicht nur zum Kern der Materie vorzu­ dringen, sondern sogar die Erde, an die er seit seiner Existenz gebunden war, zu verlassen, damit er das Weltall erforsche. Doch dies geschieht nicht im Selbstlauf, sondern verlangt vom Menschen die Lösung von Pro­ blemen mit größter Präzision und die Beantwortung von Fragen in kürzester Zeit. Dabei sind oft Tausende von Rechenoperationen in Bruch­ teilen einer Sekunde auszuführen. Die ständig zunehmende Verfeinerung der Produktionsprozesse verlangt auch, komplizierteste physikalische, chemische, technologische und andere Abläufe mit mathematischen Hilfsmitteln zu erfassen. Hierbei werden die klassischen Methoden der reinen Mathematik den wachsenden Anforde­ rungen der Technik immer weniger gerecht. Das technische Problem muß entweder den klassischen Methoden untergeordnet oder es müssen Nähe­ rungsmethoden angewendet werden. Dies bringt neue Schwierigkeiten mit sich, die einerseits von dem großen Umfang der durchzuführenden nume­ rischen Rechnungen und andererseits von der in den seltensten Fällen an­ gebbaren Genauigkeit der Resultate herrühren. Der Ingenieur bevorzugte daher meistens bei der mathematischen Behandlung praktischer Probleme lineare Ansätze und idealisierte die Aufgaben, um die genannten klassi­ schen Methoden zur Anwendung bringen zu können. Für die Praxis wich­ tige Effekte gingen dabei oft von vornherein verloren.

Bei der Auswahl des Stoffgebietes für den vorliegenden Band über digitale Kleinrechner mußte davon ausgegangen werden, einmal den in der Praxis stehenden Facharbeiter und Techniker mit den wichtigsten Fragen der digitalen Rechentechnik vertraut zu machen und zum ande­ ren den geforderten, äußerst beschränkten Umfang einzuhalten. Natur· gemäß- bleibt daher vieles unausgesprochen, und manche wichtige Einzel­ heit kann nur am Rande gestreift werden. In den ersten beiden Kapiteln wird auf einfache Möglichkeiten der Zahlendarstellung und der Zahlenverknüpfung in Rechenautomaten hin­ gewiesen und die logische Wirkungsweise der bekanntesten Baustufen erwähnt. Diese prinzipiellen Ausführungen nehmen noch keinen Bezug auf spezifische Eigenheiten digitaler Kleinrechner. Die nachfolgenden Kapitel über den Aufbau, die Programmierung und . den Einsatz elektronischer Kleinrechengeräte bilden den Kern der Be­ trachtungen über diese Kategorie von Rechenmaschinen. An Hand eines gedachten Automaten werden spezielle Fragen der Arbeitsweise und der Programmgestaltung behandelt. Das Schlußkapitel bringt die wichtigsten Daten einiger bekannter und bereits eingesetzter digitaler Kleinrechner aus verschiedenen Ländern. Die Lösungen der übungsaufgaben beschließen den Inhalt des Bandes. Im Text enthaltene Literaturangaben sind wie üblich durch in eckige Klammern gesetzte Ziffern gekennzeichnet, die sich auf das Literatur­ verzeichnis beziehen.

Es gibt nur wenige Gebiete der Technik außer der automatischen Regelung, bei denen einE' derart auffallende Disproportion zwischen den Resultaten besteht, die in der Theorie erreicht wurden und denen, die man in der Praxis tatsächlich ausnutzt. Auf dem Gebiet der automatischen Regelung gibt es heute nicht nur eine sehr große Menge von Veröffentlichungen, sondern es werden auch theoretisch sehr spezielle Probleme gelöst, die in der Praxis nur selten oder ausnahmsweise vorkommen können. Nichts­ destoweniger widmet man solchen Problemen in den Fachkreisen manch­ mal größere Aufmerksamkeit als anderen nicht weniger interessanten und schwierigen praktischen Aufgaben, deren Lösung in viel größerem Maße nützlich sein könnte. Die Kybernetik, die in sich die automatische Regelung, Führungs- und Störgrößenkompensation einschließt, findet ihre Anwendung in sehr verschiedenen Gebieten. Obwohl die Prinzipien der Regelung in diesen Gebieten gleich sind, unterscheiden sich die einzelnen Fälle oft wesentlich in Einzelheiten. Diese Tatsache begründet zwar die große Anzahl von Spezialmethoden d0r Regelung, aber sie beantwortet nicht die Frage, weshalb man so wenig die Resultate der Theorie in der Praxis anwendet. Die Antwort gibt uns wahrscheinlieh die nachstehende Betrachtung. Es ist undenkbar, daß ein Ingenieur in der Praxis einen derart aus­ gedehnten mathematischen Apparat beherrscht, der in der Theorie der Regelung vorkommt, und außerdem kann er nicht das Nützliche von dem UberflüsBigen abtrennen und darüber hinaus die ausgesuchte Methode selbst für die praktische Berechnung in geeigneter Weise umarbeiten.

Automatische Maschinen, Elektronenrechner, Roboter, diese Schlagworte füllen bereits sehr oft die Spalten der Tageszeitungen, aber auch von Fach­ veröffentlichungen. Dichtung und Wahrheit, Gegenwart und Zukunft vermengen sich sehr oft, so daß es für den weniger geschulten Leser_ oft zur Unmöglichkeit wird, die Realität einzuschätzen. Aber auch dem Fachmann fällt es oft sehr schwer zu erkennen, was bereits verwirklicht ist und was erst ver­ wirklicht werden soll und kann. Zu dieser Problematik möchten wir be­ züglich unserer Veröffentlichung folgendes erklären: Ein solches System, wie es von uns ausgeführt wird, gibt es in dieser Art noch nirgends in der Welt. Teilsysteme bestehen bereits. Alle genannten Aufgaben sind für sich betrachtet ebenfalls bereits industrielle Praxis. Die installierten Rechenanlagen, besonders die Prozeßrechner, laufen zum Teil noch als Versuchsanlagen, da in diesen Fällen die Zusammenhänge der metallurgischen Prozesse noch nicht mit ausreichender Genauigkeit bekannt sind, oder daß bekannte Einflußgrößen meßtechnisch noch nicht oder nicht genügend genau erfaßbar sind. Das Neue liegt in der Ver­ knüpfung und in dem organischen Ineinanderfügen zu einem gesamten System. Von den Verfassern wurde die Metallurgie als Beispiel gewählt, weil es in diesem Industriezweig bereits Teilsysteme gibt und an dem Aufbau eines solchen Gesamtsystems gearbeitet wird. Wir sind der Meinung, daß eine solche Gesamtdarstellung notwendig ist, um für die gerätetechnischen wie organisatorischen Arbeiten ein weiteres zielgerichtetes Betätigungsfeld zu eröffnen. Spezielle metallurgische Ausdrücke sind zum besonderen Verständnis im Anhang erläutert.

Wie die Automatisierungstechnik überhaupt, so ist auch die Betriebsmeßtechnik mit den verschiedenen Zweigen der Technik, vor allem aber mit dem Maschinen­ bau und der Elektrotechnik, gewachsen und hat sich schließlich zu einer eigenen Disziplin entwickelt. Daher finden sich im Wortschatz der Betriebsmeßtechnik neben den Begriffen der Physik und der allgemeinen Meßtechnik auch solche aus dem Maschinenbau und der Elektrotechnik. Die Beschreibung des dynamischen Verhaltens von Meßeinrichtungen machte es später notwendig, auch aus der Mathe­ matik und der Theorie der Regelungen Begriffe in den Wortschatz der Betriebs­ meßtechnik aufzunehmen. Bei derart verschiedenen Quellen ist es nicht verwunderlich, daß gleichartige Er. scheinungen unterschiedlich benannt werden oder daß derselbe Begriff (wie z. B. Dämpfung) unterschiedlich definiert wird. Zur Zeit arbeiten sowohl nationale als auch internationale Gremien daran, diese Begriffsvielfalt durch Begriffsstandards und durch Nomenklatur-Empfehlungen zu bereinigen. Dabei muß sowohl die Ver­ knüpfung der Zweige der Technik untereinander als auch der internationale Sprach­ gebrauch berücksichtigt werden. Neben den Begriffen aus der Theorie der Meßtechnik wurden auch die wichtigsten Verfahren der Betriebsmeßtechnik in den Band aufgenommen und in vielen Fällen anhand von Skizzen erläutert. Soweit möglich, wurden auch spezielle Gerätebegriffe, wie Schutzrohr, Meßeinsatz usw., behandelt. Bei dem vorgegebenen Umfang bleiben hier sicher einige Wünsche offen.

Gegenwärtig werden im Rahmen der Rationalisierung und Automatisie­ rung in vielen Bereichen der Volkswirtschaft in verstärktem Maß Prozeß­ rechner eingesetzt. Das betrifft besonders die chemische Industrie, die Energiewirtschaft und die Metallurgie. Schon mehrfach ist im Rahmen der REIHE AUTOMATISIERUNGSTECHNIK auf Aufbau und Einsatz von Meßwertverarbeitungsanlagen undProzeßrechnem eingegangen worden. Im vorliegenden Band wird ein Überblick über die Probleme gegeben, die bei der Programmierung von digitalen Meßwertverarbeitungs- und Prozeßsteuerungsanlagen auftreten. Dabei haben wir uns wegen der um­ fangmäßigen Beschränkung des Bandes dazu gezwungen gesehen, Grund­ kenntnisse über Aufbau und logische Struktur von Digitalrechnern sowie deren Programmierung vorauszusetzen (siehe RA 5 und RA 12). Wir halten es für sinnvoll, den gesamten zur Verfügung stehenden Raum für die Herausarbeitung der besonderen Probleme und Schwierigkeiten bei der Programmierung von Prozeßrechnern und ihre Erklärung an Bei­ spielen zu nutzen. In den Abschnitten 1. und 2. wird die Programmierung von Prozeßrechnern allgemein behandelt, in den Abschnitten 3. und 5. werden spezielle Prozeß­ rechner und ihre Programmierung vorgestellt. Abschn. 4. enthält die Be­ schreibung eines Einsatzbeispiels, und im Abschn. 6. wird auf die weitere Entwicklung der Programmiertechnik für Prozeßrechner eingegangen. Wir danken allen, die mit Anregungen und Hinweisen bei der Arbeit an diesem Band geholfen haben, insbesondere Herrn Dr. G. Schwarze.

Der EinRatz von Rechnern erfordert naturgemäß solide Kenntnisse auf dem Gebiet der Rechentechnik. Diese Kenntnisse sind zum Verständnis dieses Bandes, der nur eine Einführung in diese Problematik geben will, nicht Voraussetzung. Vorausgesetzt wird beim Leser ein gründliches tech­ nisches Allgemeinwissen und Kenntnisse, wie sie der erste Band der REIHE AUTOMATISIERUNGSTECHNIK "Grundbegriffe der Auto­ matisierungstechnik" von Dr. G. Schwarze vermittelt. Bei den prinzipiellen Einsatzmöglichkeiten wird offengelassen, welche Art von Rechnern, analog oder digital, verwendet werden sollte. Lediglich wegen der großen Anschaulichkeit des Koppelplanes werden für die Be­ schreibung von Einsatzmöglichkeiten häufig analoge Lösungen heran­ gezogen. Die für das Verständnis von Koppelplänen notwendigen Symbole und Erläuterungen sind am Schluß des Bandes zusammengestellt. Auf die Darstellung programmierungs- als auch gerätetechnischer Einzel­ heiten bei Digital- und Analogrechnern wird verzichtet. Dem sich hierfür interessierenden Leser seien die Bände RA 5 und RA 6 empfohlen. Der sich für die organisatorisch-ökonomische Seite des Prozeßrechnereinsatzes Interessierende "ei auf den Band RA 68 hingewiesen. Abschließend möchte ich den Herren Dr. G. Schwarze und Dipl.-Ing. H. Fuchs für die kritische Durchsicht des Manuskripts sowie dem Institut für Regelungstechnik Berlin für die mir zur Verfügung gestellten For­ schungsergebnisse danken.

Die Flüssigkeitsdichte ist eine Meßgröße, mit deren Hilfe viele Probleme der Betriebskontrolle gelöst werden können. Obwohl die Bemühungen, die Dichte kontinuierlich zu messen, schon längere Zeit im Gange sind, ist die Entwicklung noch immer nicht abgeschlossen. So gibt es auch heute noch viele Betriebskontrollprobleme, die durch eine kontinuierliche Mes­ sung der Flüssigkeitsdichte zufriedenstellend gelöst werden könnten, die aber infolge fehlender Kenntnisse oder auf Grund technischer oder orga­ nisatorischer Schwierigkeiten bisher offengeblieben sind. Deshalb erschien es angebracht, die Möglichkeiten der kontinuierlichen Flüssigkeitsdichte­ messung einmal etwas ausführlicher darzustellen, als es im Band "Flüssig­ keitsanalysen-Meßtechnik" RA 26 möglich war. Eine solche detaillierte Darstellung bot zugleich die Möglichkeit, auf einige meßtechnische Probleme von allgemeinerer Bedeutung etwas näher ein­ zugehen und sie am konkreten Beispiel zu erläutern. Die entsprechenden Abschnitte, in denen derartige Grundfragen der Betriebsmeßtechnik behandelt werden, sind durch Sterne kenntlich gemacht. Anschließend werden diese Fragen jeweils durch Beispiele aus dem Bereich der Flüssig­ keitsdichtemessung weiter verdeutlicht. Dabei sind diese Beispiele nicht in erster Linie nach ihrer Bedeutung für spezielle Meßprobleme, sondern vorzugsweise nach ihrer Eignung für die Demonstration derartiger meß­ technischer Grundlagenprobleme ausgewählt. Die bei der Besprechung einiger industriell hergestellter Meßeinrichtungen benutzten Gerätenamen sind z. T. geschützte Warenzeichen. Ihre Ver­ wendung im vorliegenden Text bedeutet jedoch nicht, daß sie zu ander­ weitiger Benutzung frei sind. Die Angabe der technischen Parameter der erwähnten Geräteist stellen­ weise lückenhaft, da manche der benötigten Informationen nicht zugäng­ lich waren. Deshalb wären Autor, Herausgeber und Verlag für weitere Unterlagen und andere weiterführende Hinweise dankbar.

Die REIHE AUTOMATISIERUNGSTECHNIK kündigt in ihrem Titel ein Gebiet an, das sich ständig ausdehnt und an Bedeutung gewinnt. Um über ein so großes Gebiet schnell und umfassend zu informieren, wurde von den Herausgebern und dem Verlag die Form eines Handbuches in Einzelbänden gewählt. - Modern ausgedrückt: Ein mobiles Buch. Es ist bei einer sich so stürmisch entwickelnden Technik nicht möglich, ein starres Skelett aufzustellen, das dann für einen größeren Zeitraum Gültigkeit hat. Daher wurde eine zwanglose Erscheinungsfolge gewählt. Inzwischen ist die Reihe zu einem stattlichen Druckwerk von rund 6000 Druckseiten gewachsen. Ein Blick auf das Gesamtverzeichnis zeigt, daß hier ein Handbuch entstanden ist, das aktuelle und volkswirtschaft. lich bedeutende Themen behandelt. Die Begrenzung des Umfangs auf etwa 80 Druckseiten bietet zwar auch dem vielbeschäftigten Fachmann die Möglichkeit, sich in wohlabgemessenen Dosen die neue Technik anzueignen; die Arbeit der Herausgeber und der Autoren jedoch wurde durch diese Forderung wesentlich erschwert. Allen Beteiligten sei für ihre Arbeit und ihr Verständnis gedankt. Die Reihe umspannt einen weiten Themenkreis mit folgenden Gebieten Grundlagen - Betriebsmeßtechnik - Bauelemente, Geräte und Anlagen - Rechentechnik und Datenverarbeitung - Planung, Projektierung und Anwendung. Das Hauptanliegen dieses Bandes ist es, die Ergebnisse der Regelungs­ theorie für die nutzbringende Anwendung durch Praktiker aufzubereiten. Er bietet gewissermaßen einen Schlüssel 2;ur 'rheorie. Die 2. Auflage wurde vom Autor auf Druckfehler durchgesehen und an einigen Stellen ergän2;t. Der Verlag Inhaltsverzeichnis Hinweise für den Benutzer des Bandes 6 Formelzeichen. . . . . . . . .

Große Mengen von Informationen sind bei der Planung und Leitung der Wirtschaft täglich zu erfassen, zu speichern und auszuwerten. Auch in den Betrieben und Verwaltungen werden laufend umfangreiche Daten­ mengen verarbeitet, die zunächst erfaßt und gespeichert werden müssen. Eine hohe Effektivität bei der Bearbeitung dieser. Daten ist aber nur ge­ währleistet, wenn ihre Aufbereitung mit einem möglichst geringen Aufwand in kurzer Zeit erfolgt. Der Einsatz der elektronischen Datenverarbeitung hat hier einen entscheidenden Fortschritt bei der Bewältigung dieser umfangreichen Datenmengen gebracht. Die elektronischen Datenver­ arbeitungsanlagen und Rechenanlagen ermöglichen die Speicherung und Verarbeitung der Informationen in einer Zeit, die den Erfordernissen weitgehend entspricht. Um dem ständig wachsenden Informationsbedürfnis gerecht zu werden, muß vor allem die Speicherung der umfangreichen Informationen ge­ sichert werden. Dazu sind Informationsspeicher großer Kapazität, d. h. mit einem 6l"Oßen Aufnahmevermögen, erforderlich. 1.1. Bedeutung der Speicher fUr Datenverarbeitung und Rechentechnik Die Anwendung der elektronischen Datenverarbeitung setzt eine dem Einsatzgebiet entsprechende Speicherkapazität voraus. Somit wird der Speicher ein wichtiger Bestandteil elektronischer Datenverarbeitungs­ anlagen und Rechenautomaten. Darüber hinaus stellt der Speicher eine wichtige Baueinheit aller Geräte und Maschinen zur Datenerfassung, Datenverarbeitung und Datenübertragung dar, in denen Daten über eine längere oder kürzere Zeit gespeichert werden müssen. Die wesentlichsten Aufgaben des Speichers sind: 1. Aufbewahrung von Informationen und von Zwischenergebnissen, die zur Auswertung in Datenverarbeitungsanlagen oder zur Berechnung in elektronischen Rechenautomaten benötigt werden, um die öko­ nomischen und technischen Prozesse effektiv durchführen zu können. 2. Speicherung von umfangreichen Programmen und Programmkonstan­ ten zur Durchführung der Datenverarbeitung und wissenschaftlich­ technischer Berechnungen.