In der Ingenieurwissenschaft gibt es einen Bereich, der besondere Beachtung verdient: die Echtzeitsysteme. Du fragst dich vielleicht, was genau Echtzeitsysteme sind? In diesem Artikel erhältst du eine Einführung in Echtzeitsysteme, deren Definition, Anforderungen und einfache Erklärungen. Weiterhin erfährst du alles über ihren Aufbau, die Funktionsweise und bekommst anhand von Beispielen einen anschaulichen Einblick. Und weil Echtzeitsysteme in der Industrie von besonderer Bedeutung sind, liegt ein Schwerpunkt auf der industriellen Steuerungstechnik, speziell den sicherheitsgerichteten Echtzeitsystemen.
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In der Ingenieurwissenschaft gibt es einen Bereich, der besondere Beachtung verdient: die Echtzeitsysteme. Du fragst dich vielleicht, was genau Echtzeitsysteme sind? In diesem Artikel erhältst du eine Einführung in Echtzeitsysteme, deren Definition, Anforderungen und einfache Erklärungen. Weiterhin erfährst du alles über ihren Aufbau, die Funktionsweise und bekommst anhand von Beispielen einen anschaulichen Einblick. Und weil Echtzeitsysteme in der Industrie von besonderer Bedeutung sind, liegt ein Schwerpunkt auf der industriellen Steuerungstechnik, speziell den sicherheitsgerichteten Echtzeitsystemen.
Willkommen zu einer aufschlussreichen Einführung in das Thema Echtzeitsysteme. Echtzeitsysteme sind integraler Bestandteil von so vielen modernen Technologien und industriellen Prozessen, dass es wichtig für dich ist, dieses Konzept gründlich zu verstehen.
Ein Echtzeitsystem ist ein Computersystem, das auf externe Eingaben reagiert und ausgeführte Prozesse innerhalb einer definierten Zeitspanne abschließt. Damit ist es möglicherweise die unverzichtbare Rückgratstruktur für viele der fortschrittlichsten Technologien und industriellen Prozesse, die wir heute haben.
Als einfaches Beispiel kannst du an ein Airbag-System in einem Auto denken. Wenn das Auto einen Aufprall registriert, muss der Airbag in Zehntelsekunden hochfahren. Das ist also ein Echtzeitsystem, weil es auf Eingaben (hier den Aufprall) reagieren und die Ausführung (hier das Auslösen des Airbags) innerhalb einer sehr festen Zeitspanne abschließen muss.
Daher sind Faktoren wie Latenz und Jitter, bei denen es um die Schwankungen in der Antwortzeit geht, auch sehr wichtig zu beachten, wenn es um die Anforderungen an Echtzeitsysteme geht. Sie können das Funktionieren eines Echtzeitsystems stark beeinflussen.
Echtzeitsysteme werden oft in drei unterschiedlichen Kategorien definiert:
1. Weiches Echtzeitsystem: Bei einem weichen Echtzeitsystem führt ein Überschreiten der Frist zu einer verminderten Qualität der Systemleistung, führt jedoch nicht zu einem Systemausfall.
2. Hartes Echtzeitsystem: Bei einem harten Echtzeitsystem führt ein Überschreiten der Frist zu einem Systemausfall.
3. Firmes Echtzeitsystem: Bei einem firmen Echtzeitsystem führt ein Überschreiten der Frist ebenfalls zu einem Systemausfall, aber nur, wenn die Frist wiederholt überschritten wird.
Weiches Echtzeitsystem | Verminderte Leistung, aber kein Systemausfall |
Hartes Echtzeitsystem | Systemausfall bei Fristüberschreitung |
Firmes Echtzeitsystem | Systemausfall bei wiederholter Fristüberschreitung |
Als Reaktionszeit (engl. response time) bezeichnet man die Zeitspanne zwischen dem Auftreten eines zu verarbeitenden Ereignisses und dem Abschluss der Verarbeitung dieses Ereignisses durch das System. Diese Zeit ermittelt, wie schnell ein Echtzeitsystem arbeitet.
Die Reaktionszeit muss also so kurz wie möglich sein, damit die Echtzeitbedingungen erfüllt werden.
Ein gutes Beispiel wären Anti-Blockier-Systeme (ABS) in Fahrzeugen. Dieses System überwacht ständig die Geschwindigkeit der Räder. Wenn die Räder beim Bremsen blockieren, wird das ABS die Bremsdruck modulieren, um ein Blockieren zu verhindern und ermöglicht es dem Fahrer, das Fahrzeug zu steuern.
Das Verständnis von Echtzeitsystemen erfordert ein eingehendes Verständnis ihrer Struktur und Funktionsweise. Echtzeitsysteme haben ein einzigartiges Design und zeichnen sich durch ihre Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit aus. Sie leisten ihre Arbeit häufig in kritischen Umgebungen, in denen die Einhaltung von Fristen und die ununterbrochene Funktion von höchster Bedeutung sind.
Ein typisches Echtzeitsystem besteht aus einem oder mehreren Prozessen oder Tasks, die zur gleichen Zeit auf demselben Prozessor laufen können. Diese Prozesse kommunizieren meistens über gemeinsam genutzte Datenstrukturen oder durch das Senden von Signalen oder Nachrichten aneinander. Die Hauptbausteine eines Echtzeitsystems sind:
Des Weiteren sind Echtzeitsysteme oft Teil einer größeren Systemarchitektur. Sie können mit vielen anderen Systemen und Geräten kommunizieren und zusammenarbeiten, indem sie Signale senden oder empfangen, Daten teilen oder auf gemeinsamen Speicher zugreifen.
Es gibt zahlreiche Beispiele, die zeigen, wie Echtzeitsysteme in verschiedenen Industrien und Technologien eingesetzt werden. Hier sind einige davon:
Ein Hauptmerkmal, das alle diese Beispiele gemeinsam haben, ist das kritische Echtzeitanforderungsprofil. Jedes dieser Systeme hat einen hohen Grad an Zuverlässigkeit und Präzision, was das Schlüsselelement in der Konstruktion von Echtzeitsystemen ist.
Von Produktionsanlagen über automatisierte Lager bis hin zu ferngesteuerten Stromnetzen; die industrielle Steuerungstechnik setzt zunehmend auf Echtzeitsysteme. Der Grund dafür ist einfach: kein anderes Computersystem kann den hohen Anforderungen der Industrie in Bezug auf Genauigkeit, Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit so gerecht werden wie ein Echtzeitsystem.
Industrielle Steuerungssysteme sind Computeranwendungen, die zur Automatisierung von Prozessen in Industrieumgebungen verwendet werden. Dabei reicht das Spektrum von einfachen Steuerungsaufgaben bis hin zu komplexen, vollautomatisierten Anlagen.
Die Verwendung von Echtzeitsystemen in der industriellen Steuerungstechnik stellt sicher, dass alle Prozesse reibungslos und termingerecht ablaufen. Viele industrielle Steuerungssysteme sind so kritisch, dass selbst kleinste Verzögerungen zu erheblichen Ausfällen und hohen Kosten führen können.
In der industriellen Steuerungstechnik überwachen und steuern Echtzeitsysteme eine Vielzahl von Komponenten und Prozessen wie z. B.:Ein gutes Beispiel dafür, wie Echtzeitsysteme in der industriellen Steuerungstechnik angewendet werden, ist die Roboterautomatisierung in Produktionslinien. Hier erledigen einzelne Roboterarme spezielle Aufgaben wie das Schweißen oder Montieren von Teilen. Diese Roboterarme werden von Echtzeitsystemen gesteuert, die Daten von Sensoren lesen, Entscheidungen treffen und daraufhin Befehle an die Roboterarme senden, um spezifische Aktionen durchzuführen.
Eine spezielle Klasse von Echtzeitsystemen im industriellen Kontext sind sicherheitsgerichtete Echtzeitsysteme. Diese Systeme sind so konzipiert, dass sie selbst in Fällen versagen, in denen andere Systeme ausfallen könnten. Sie werden oft in kritischen Anwendungen eingesetzt, in denen die Sicherheit von Menschen und Materialien von entscheidender Bedeutung ist.
Ein Beispiel für ein sicherheitsgerichtetes Echtzeitsystem ist das Steuerungssystem eines Kernkraftwerks. Das System überwacht ständig den Zustand des Reaktors. Wenn ein abnormer Zustand erkannt wird, kann das System automatische Notfallprozeduren einleiten, um einen Kernschmelzunfall zu verhindern. Es kann beispielsweise die Steuerstäbe in den Reaktor einfahren, um die Kettenreaktion zu stoppen oder das Kraftwerk ganz abschalten.
Was ist die Definition eines Echtzeitsystems?
Ein Echtzeitsystem ist ein Computersystem, das auf externe Eingaben reagiert und ausgeführte Prozesse innerhalb einer definierten Zeitspanne abschließt. Sie sind das Rückgrat vieler fortschrittlichen Technologien und industrieller Prozesse.
Was sind die Anforderungen an ein Echtzeitsystem?
Anwendungen müssen Aufgaben pünktlich abschließen, das System muss sehr zuverlässig sein und konstant laufen. Es muss auch schnell und angemessen auf unerwartete Eingaben oder Störungen reagieren können.
Was sind die Unterschiede zwischen harten, weichen und firmen Echtzeitsystemen?
Bei einem weichen Echtzeitsystem führt eine Fristüberschreitung zu verminderter Leistung, aber keinem Ausfall. Bei einem harten System führt Fristüberschreitung zu einem Systemausfall. Ein firmes System führt zu einem Ausfall, wenn die Frist wiederholt überschritten wird.
Was bedeutet Reaktionszeit in Bezug auf Echtzeitsysteme?
Die Reaktionszeit bezeichnet die Zeitspanne zwischen dem Auftreten eines zu verarbeitenden Ereignisses und dem Abschluss der Verarbeitung dieses Ereignisses durch das System. Sie bestimmt, wie schnell ein Echtzeitsystem arbeitet.
Was sind die Hauptkomponenten eines Echtzeitsystems?
Die Hauptkomponenten eines Echtzeitsystems sind Sensoren, Aktuatoren, Controller, Prozessor und Speicher sowie Datenbusse.
Welche Rolle spielen Sensoren und Aktuatoren in einem Echtzeitsystem?
Sensoren erfassen Informationen aus der Umgebung des Systems und Aktuatoren führen physische Aktionen aus, basierend auf den Anweisungen des Systems.
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