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Entwurf mechatronischer Systeme > Verteilte mechatronische Systeme / Funktionen > Flashcards

Verteilte mechatronische Systeme / Funktionen Flashcards

1
Q

Beispiel von einem vernetzten System?

A

Automobilproduktion
A. Örtlich verteilte Produktion
1. Warenlieferung (zeitgerecht)
2. Abhängigkeiten (nicht jeder Tag ist identisch)
3. Produktvariation (jedes Fahrzeug benötigt anderer Parameter)

B. Baukastensystem Fabrikanlage

  1. Einsetzen von standardisierten Komponenten (Sensor, Aktor, SPS, …)
  2. Flexible Systemanpassung

Ein System, dessen Gesamtfunktion sich aus der geordneten Zusammenarbeit der einzelnen Teilsysteme und -Funktionen ergibt.

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2
Q

Was ist ein verteiltes System?

A

Ein System, dessen Gesamtfunktion sich aus der geordneten Zusammenarbeit der einzelnen Teilsysteme und -Funktionen ergibt.

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3
Q

Beispiel von einem verteilten System?

A

Kraftfahrzeug

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4
Q

Warum wird auf verteilte und vernetzte Systeme gesetzt?

A

Wunsch nach:

  1. Modularität
  2. Geometrische Aufteilung
  3. Notwendigkeit der Parallelisierung

*Komponente kann entfernt werden

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5
Q

Was ist ein Zentrallansatz?

A

Zentralansatz

Ein Steuergerät mit allen Funktionen und Schnittstellen.

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6
Q

Was ist ein vernetztes System?

A

vernetztes System

Viele Steuergeräte mit geringerem Funktionsumfang.

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7
Q

Der Begriff der Funktion im Kontext des EMS, mit Zeichnung.

A
  1. Funktion F ist die Abbildung einer Eingangsgröße E auf die Ausgangsgröße A über eine Abbildungsvorschrift
  2. Eine Teilfunktion stellt eine atomare (nicht weiter unterteilbare) Funktionalität zur Verfügung
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8
Q

Definition von Funktion im Kontext des EMS, mit Zeichnung.

A

Funktion F ist die Abbildung einer Eingangsgröße E auf die Ausgangsgröße A über eine Abbildungsvorschrift

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9
Q

Definition von Teilfunktion im Kontext des EMS, mit Zeichnung.

A

Eine Teilfunktion stellt eine atomare (nicht weiter unterteilbare) Funktionalität zur Verfügung

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10
Q

Definition Partitionierung

A

Partitionierung ist die Zerlegung einer Funktion oder eines Systems in Teil- /Subfunktionen bzw. Teil-/Subsysteme, sowie die Ermittlung der Beziehungen zwischen den Teilfunktionen bzw. –Systemen. (siehe System of systems)

Die Partitionierung ist eine wichtige Aufgabe im Entwurf und wird meist im Rahmen der Systemspezifikation vorgenommen.

Gesamtfunktion > Sinnvolle Gliederungsebenen > Teilfunktion

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11
Q

Was ist das Ziel der Partitionierung?

A

Ziel der Partitionierung ist die Ermittlung von sinnvollen Teilsystemen/- funktionen um mit diesen weiter zu arbeiten

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12
Q

Wozu gehört die Funktionspartitionierung?

A

Funktionspartitionierung gehört zu den Ingenieuraufgaben und wird somit subjektiv von Einzelpersonen oder Teams erstellt

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13
Q

Merkmale von Funktionspartitionierung

A

Funktionspartitionierung gehört zu den Ingenieuraufgaben und wird somit subjektiv von Einzelpersonen oder Teams erstellt

  1. Ziel der Partitionierung ist die Ermittlung von sinnvollen Teilsystemen/- funktionen um mit diesen weiter zu arbeiten
  2. Gesamtsystemstruktur soll erkennbar sein
  3. Implementierungsdetails nicht vorwegnehmen
  4. Teilsysteme/-funktionen müssen anschließend der Hardware zugeordnet werden
  5. Aus der Partitionierung sollen Verantwortlichkeiten beim Entwurf abgeleitet werden (z.B. Fachbereiche, Interne oder Externe Entwicklung)
  6. Es werden frühzeitig Experten identifiziert, die jeweils die Partitionierung bewerten und verbessern
  7. Systemstruktur muss die Beziehungen zwischen den Komponenten (grob) darstellen
  8. Abschätzung des notwendigen Informationsaustausches für die spätere Zuordnung von Funktionen zur Hardware (z.B. Datenmengen bei Bildauswertung beachten)
  9. Klärung der notwendigen Inhalte für die Kommunikationsschnittstellen
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14
Q

Was ist die Definition von EE-Architektur?

A

Eine EE-Architektur ist ein Modell eines EE - Gesamtsystems und stellt das Ergebnis eines Denk-Prozesses dar.

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15
Q

Was ist die Definition von Topologie?

A

Eine Topologie ist die räumliche Lage und Anordnung von geometrischen Gebilden im Raum.
Bezogen auf EE-Architekturen verstehen wir unter Topologie die Anordnung der Komponenten (in Hardware und Software) im Fahrzeug.

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16
Q

Was ist die Definition des Begriffes Funktionsmapping oder Mapping beim EMS

A

Definition Mapping:

Zuordnung einer oder mehrerer (Teil-) Funktionen auf die vorher definierten Hardwarekomponenten.

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17
Q

Was sind die Funktionsebene?

A

Funktionsebene: alle Teilfunktionen zur Erfüllung der Systemfunktion

18
Q

Was sind die Hardwareebene?

A

Hardwareebene: alle Steuergeräte und Komponenten, die eine Teilfunktion erfüllen können

19
Q

Definition Verteilte und Vernetzte Systeme nach Kiencke:

A

Ein verteiltes und vernetztes System besteht aus mehreren Subsystemen, die miteinander kommunizieren, wobei die Steuerung als auch die Hardware und die Daten zumindest teilweise dezentral organisiert sind.

20
Q

Was sind die Eigenschaften verteilter Systeme?

A

Eigenschaften verteilter Systeme

  1. Verringerung des Verkabelungsaufwands durch räumliche Verteilung der Einzelsysteme (zentrale System meist mit mehr Verkabelungsaufwand)
  2. einfache Erweiterbarkeit, Wiederverwendbarkeit und Skalierbarkeit, dadurch Variantenvielfalt
  3. Universelle Kopplung von Komponenten in Form von Baukastensystemen
  4. höhere Funktionalität durch übergeordnete Funktionen (Zusammenführung unterschiedlicher Teilfunktionen und Hinzufügen von Koppelfunktionen)
  5. ausfalltolerante Systeme möglich und dadurch Erhöhung der Zuverlässigkeit und Sicherheit
21
Q

Definition von CAN-Bus

A

ein einfaches, störsicheres und preiswertes Bussystems für den Automobilbereich

22
Q

CAN-Bus Merkmale

A
  1. Entwickelt von BOSCH, Ende der achtziger Jahre
  2. ein einfaches, störsicheres und preiswertes Bussystems für den
    Automobilbereich.
  3. CAN ist als ISO 11898 international standardisiert.
  4. Zweidraht-Bus mit Stichleitungen und Abschlußwiderständen
23
Q

Beispiele von Anwendung des CAN-Protokolls in der Industrie

A
  1. Automatisierungstechnik (zeitkritische Sensoren im Feld, Überwachungstechnische Einrichtungen)
  2. Medizintechnik (Magnetresonanz- und Computertomographen, Blutgewinnungsmaschinen, Laborgeräte, Elektro-Rollstühle, Herzlungen- Maschinen)
  3. Luftfahrttechnik(Vernetzung innerhalb von Kabinen- und Flugführungssystemen)
24
Q

Eigenschaften des CAN-Protokolls?

A
  1. Nachrichtenorientierung
  2. Arbitrierung
  3. Nachrichten mit 11 oder 29 Bit Identifier
  4. Multi-Master-Betrieb
  5. maximal 1MBit/s Übertragungsrate bei 40 m Ausdehnung
  6. max. 8 Datenbytes je Datenpaket
  7. Fehlererkennung und Fehleranzeige
25
Q

Bussystem umfasst die Charakteristika:

A
  1. Art der Verbindung (Topologie),
  2. den Regeln (Protokoll),
  3. Spezifikation der physikalischen Realisierung
    der Kommunikation mehrerer Teilnehmer, als ein System digitaler Signalübertragung.
26
Q

Was beschreibt ein Protokoll?

A

beschreibt ein vollständiges und eindeutiges Regelwerk für die Kommunikation von mindestens zwei Teilnehmern.

27
Q

Ein mit Signalen/Daten befüllter Nachrichtenrahmen heißt..

A

…Nachricht/Botschaft.

28
Q

Aufbau von Nachrichtenrahmen mit Zeichnen

A

[Header/ Vorspann] [Payload/ Nutzdaten] [Trailer/ Nachspan]

Header/ Vorspann
• Adressierung, Sender , Empfänger, Botschaftskennung
• Angaben über Art/Anzahl der Daten

Payload/ Nutzdaten
Signale (Sensormesswerte, Status- bzw. Zustandsinformationen)

Trailer/ Nachspan
• Information zur Fehlerprüfung/- korrektur
• Quittierung

29
Q

Merkmale von einem Kommunikation- oder K-Matrix

A
  1. Die Kommunikations- oder K-Matrix stellt den Zusammenhang zwischen Signalen, Nachrichten auf dem CAN-Bus und den Steuergeräten her.
  2. Entsprechend der zugrunde liegenden funktionellen Topologie wird hier den Signalen ihre Bedeutung zugeordnet.
  3. Die Signale entsprechen dabei den Kanten des Funktionsgraphen. Darüber hinaus werden technologische Daten (Wiederholzeit, Übertragungsart) für jedes Signal/Nachricht definiert.
  4. Die K-Matrix wird manuell erstellt und ist wichtige Grundlage im Entwicklungsprozess des verteilten Steuergerätenetzwerkes in Kraftfahrzeugen.
30
Q

Was stellt eine Kommunikations- oder K-Matrix her?

A

Die Kommunikations- oder K-Matrix stellt den Zusammenhang zwischen Signalen, Nachrichten auf dem CAN-Bus und den Steuergeräten her.

31
Q

Bewertungskriterien von Eigenschaften des Kommunikationssystems

A
  1. Nutzdaten:
    • Umfassen die zu übertragenden Informationen
    • Stellen den Nutzen der Datenübertragung dar
    • Sie sind (meist) im Payload enthalten
  2. Overhead:
    • neben den Nutzdaten werden weitere Inhalte übertragen
    • diese werden Overhead genannt
    • vor allem zur Sicherung und Steuerung der Datenübertragung notwendig
  3. Übertragungsrate:
    • Die Anzahl der insgesamt übertragbaren Bits je Zeiteinheit (meist pro Sekunde)
    • Beispiel: kBit/s oder Mbit/s (k=1000, M=1.000.000)
    • Eine Eigenschaft für ein Bussystem
    • Beim CAN muss ist diese Eigenschaft fest definiert (für alle Teilnehmer identisch)
  4. Nutzdateneffizienz:
    • Ist der relative Anteil der Nutzdaten an den insgesamt für eine Nachricht zu
    übertragenden Daten (Nutzdaten + Overhead)
    • Effizienz e = nNutzdaten / nGesamtdate (n = Anzahl der Bits)
  5. Busauslastung:
    • Gibt an, wieviele Bits innerhalb eines festen Zeitraumes im Verhältnis zu den maximal möglichen Bits über das Bussystem gesendet werden
    • Relative Angabe meist %
    • Bezieht alle Kommunikationsvorgänge (Nachrichten) innerhalb des betrachteten
    Zeitraumes mit ein
    • a = nübertragen / nÜbertragungsrate * 100
32
Q

Ist IT-Security ein Thema in Mechatronischen Systemen?

A
  1. Ja, denn der IT-Anteil in Mechatronischen Systemen steigt stetig.
  2. Ja, denn es gibt sensitive Daten und Prozesse deren Manipulation sowohl dem Kunden als auch dem Hersteller schaden kann.
33
Q

Worin bestehen die Gefahren für IT-Security?

A
  1. Spionage
    (System wird unerlaubt gescannt, unter- sucht und analysiert)
  2. Täuschung
    (System bleibt unangetastet, den Sensoren wird vorsätzlich eine falsche Umwelt vorge- gaukelt, die zu Fehlfunktionen führt)
  3. Manipulation
    (System wird angetastet und unerlaubt verändert: Beschädigung bis Zweckent- fremdung)
34
Q

Was sind die Sicherheitsstufen auf der Basis kryptographischer Methoden?

A

Sicherheitsstufen auf der Basis kryptographischer Methoden:
1. Unbedingte Sicherheit (Unconditionally secure)
(Es ist unmöglich Nachrichten zu entschlüsseln, selbst mit unbegrenzten Ressourcen -> zu wenig Information)

  1. Beweisbare Sicherheit (Provably secure)
    (beweisbar, dass eine Entschlüsselung rechentechnisch nicht lösbar ist)
  2. Rechentechnische Sicherheit (Computationally secure) (nicht knackbar mit verfügbarer Rechenleistung)
  3. Ausreichende Sicherheit (secure enough) (Aufwand, z.B. Kosten, übersteigt den Nutzen)
35
Q

Aspekte für den Entwurfsprozess

A 
1. Vollständigkeit der Anforderungsanalyse
Funktionale Anforderungen (Regelgüte, Zeitverhalten,... ) Qualitätsanforderungen (Zuverlässigkeit, Sicherheit, ... ) Rahmenbedingungen (Entwicklungsaufwand, Kosten,...)
  1. Optimierungskriterien
    Funktions-/Systemverteilung (Bewertung Varianten)
    in Abhängigkeit der Optimierungskriterien (Echtzeitverhalten, Sicherheit, Energieeffizienz, Bauraum,)
  2. Kommunikationssystem
    Welches Bussystem erfüllt am besten die Anforderungen?
    (Datenrate, Steuerungsparadigma, Echtzeitfähigkeit, Zuverlässigkeit, Kosten)
  3. Eigenschaften der (elektronischen) Komponenten
    Sensoren, Verarbeitungseinheiten, Aktoren (Genauigkeit, Leistung, Energieverbrauch)
36
Q

Zeitliche Aspekte verteilter Regelungen?

A
  1. Echtzeitverhalten -> Zeitverhalten Regelstrecke
  2. zeitdiskrete Systeme -> Abtastbedingung -> Zeitauflösung
  3. Latenzzeit: Zeitraum zwischen Ereignis und sichtbarer Reaktion
  4. End-to-End-Timing
    Verzögerung zwischen Änderung der Messgröße und der entsprechenden Stellgröße -> Berücksichtigung aller Verzögerungen
  5. Synchronisation -> werden parallel erfassten Signale mit gleichem Zeitbezug
    verarbeitet
  6. Probleme bei Zustandsübergängen in System of Systems
37
Q

Eigenschaften verteilter Systeme?

A
  1. Verteilte Struktur
  2. Dezentrale Organisation
  3. Heterogenität
  4. Starke Kopplung der Steuergeräte zum
    technischen Prozess oder zur natürlichen Umgebung
38
Q

Anforderungen verteilter Systeme?

A
  1. Sicherheit
  2. Zuverlässigkeit / Robustheit • Flexibilität
  3. Bedienbarkeit
  4. Echtzeitfähigkeit
39
Q

Aspekte verteilter Systeme?

A
  1. Notwendigkeit funktionaler Sichtweise
  2. Lebensdauerkonflikt
  3. Komplexer Entwicklungsprozess zwischen Fahrzeughersteller und Zulieferer
  4. Integrationsaufwand (zukünftig aktive Unterstützung gewünscht)
  5. Historisch geprägte Entwicklung
40
Q

Fachrichtungen verteilter Systeme?

A
  1. Systemtechnik
  2. Informationstechnik / Informatik
  3. Elektrotechnik / Elektronik
  4. Regelungstechnik
  5. Maschinenbau / Konstruktionstechnik

Entwurf mechatronischer Systeme (9 decks)

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