Echzeitgeregelt

Eine Echtzeit-Steuerungsmaschine ist ein System, das darauf ausgelegt ist, Eingaben oder Veränderungen in einem Prozess oder einer Umgebung innerhalb eines garantierten Zeitrahmens zu überwachen, zu steuern und darauf zu reagieren. Diese Systeme werden häufig in Branchen wie der Fertigung, der Robotik, der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt und der Telekommunikation eingesetzt, wo Verzögerungen oder Ungenauigkeiten zu Sicherheitsproblemen, Qualitätsproblemen oder Betriebsausfällen führen können.

Eine Echtzeit-Kontrollmaschine funktioniert in der Regel folgendermaßen:

1. Eingangssensoren:

Das System ist mit Sensoren ausgestattet, die kontinuierlich verschiedene Parameter im System oder in der Umgebung überwachen. Diese Sensoren sammeln Daten über Bedingungen wie Temperatur, Druck, Geschwindigkeit, Position usw. Die Daten werden häufig in elektrische Signale umgewandelt, die von der Steuereinheit des Systems interpretiert werden können.

2. Datenerfassung:

Die Sensordaten werden in eine Verarbeitungseinheit (in der Regel ein Mikrocontroller, eine SPS oder ein eingebettetes System) eingespeist, die die Signale verarbeitet, um relevante Informationen zu extrahieren. Dieser Prozess muss schnell genug ablaufen, damit das System Entscheidungen in Echtzeit treffen kann.

3. Echtzeit-Betriebssystem (RTOS):

Echtzeit-Steuerungsmaschinen arbeiten normalerweise unter einem Echtzeit-Betriebssystem (RTOS). Ein RTOS ordnet Aufgaben nach ihrer Dringlichkeit und stellt sicher, dass kritische Aufgaben innerhalb strenger Zeitvorgaben ausgeführt werden. Es garantiert, dass Aufgaben mit hoher Priorität, wie Notabschaltungen oder kritische Steuersignale, ohne Verzögerung ausgeführt werden.

Harte Echtzeit: Wird eine Aufgabe verpasst, könnte das System ausfallen (z. B. bei medizinischen Geräten oder Flugzeugsteuerungen).
Soft Real-Time: Das Verpassen einer Frist kann die Leistung beeinträchtigen, führt aber nicht zum Ausfall des Systems (z. B. bei Multimediasystemen).

4. Verarbeitung und Entscheidungsfindung:

Die Steuereinheit verarbeitet die Sensordaten mit Hilfe vordefinierter Algorithmen oder Logik (oft in Steuerungssoftware oder Regelkreisen wie PID-Reglern implementiert), um Entscheidungen zu treffen. Wenn beispielsweise die Temperatur einen Schwellenwert überschreitet, kann das System einen Kühlmechanismus aktivieren.

Die Logik ist so konzipiert, dass sie sofort und ohne Verzögerung auf veränderte Umweltbedingungen reagiert.

5. Stellantriebe:

Auf der Grundlage der verarbeiteten Daten und der vom System getroffenen Entscheidungen werden Aktoren eingesetzt, um Befehle auszuführen. Bei den Aktoren kann es sich um Motoren, Ventile, Pumpen oder andere Geräte handeln, die den Zustand des Systems physisch verändern (z. B. die Geschwindigkeit eines Motors anpassen, die Position eines Roboterarms ändern oder ein Ventil öffnen).

6. Rückkopplungsschleife:

Eine Rückkopplungsschleife ist für Echtzeit-Steuerungsmaschinen unerlässlich. Das System überwacht kontinuierlich die Ergebnisse seiner Aktionen, vergleicht sie mit den gewünschten Ergebnissen und passt sie entsprechend an. Dies ist häufig Teil eines geschlossenen Regelkreises.

Wenn das Ergebnis nicht den Erwartungen entspricht, passt das Kontrollsystem seine Maßnahmen an.
Stimmt die Ausgabe mit dem gewünschten Ergebnis überein, fährt das System mit der Überwachung und Steuerung des Prozesses fort.

7. Zeitplan und Zwänge:

In Echtzeitsystemen ist das Timing entscheidend. Es gibt strenge Fristen, die sowohl für die Eingabeverarbeitung (Erhalt von Daten von Sensoren) als auch für die Ausgabeverarbeitung (Senden von Befehlen an Aktoren) eingehalten werden müssen. Verzögerungen sind oft nicht akzeptabel, vor allem in Umgebungen, in denen viel auf dem Spiel steht, wie in der Fertigung, im Verteidigungsbereich oder bei medizinischen Geräten..

8. Kommunikation:

Echtzeit-Steuerungssysteme müssen häufig mit anderen Maschinen oder Systemen kommunizieren. Diese Kommunikation muss auch innerhalb strenger zeitlicher Vorgaben erfolgen, insbesondere wenn das System Teil eines größeren Netzwerks ist (z. B. industrielles IoT, Robotik-Koordination)..

Arten von Echtzeit-Kontrollsystemen:

Harte Echtzeitsysteme: Das System muss seine Aufgaben innerhalb eines bestimmten Zeitrahmens erledigen, sonst kommt es zu einem Ausfall. In der Luftfahrt zum Beispiel muss das Kontrollsystem in Echtzeit reagieren, um die Sicherheit des Flugzeugs zu gewährleisten.
Soft-Echtzeit-Systeme: Das System kann gewisse Verzögerungen oder Terminüberschreitungen tolerieren, muss aber dennoch effizient und vorhersehbar arbeiten. Beim Medienstreaming zum Beispiel kann eine gewisse Toleranz für Pufferverzögerungen bestehen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass eine Echtzeit-Steuerungsmaschine durch die kontinuierliche Überwachung einer Umgebung, die Verarbeitung dieser Informationen innerhalb strenger Zeitgrenzen und den Einsatz von Aktoren zur sofortigen Reaktion funktioniert. Die wichtigsten Komponenten sind die Eingangssensoren, eine Echtzeitverarbeitungseinheit, Aktoren und ein RTOS, das sicherstellt, dass zeitkritische Aufgaben innerhalb des erforderlichen Zeitrahmens ausgeführt werden.