Ekbert Hering/Jiirgen Gutekunst/Ulrich Dyllong · Informatik fiir Ingenieure

Informatik für Ingenieure

Prof. Dr.rer.nat. Dr.rer.pol. Ekbert Hering Dipl.-Ing. Jürgen Gutekunst Dr.rer.nat. Dipl.-Phys. Ulrich Dyllong

SPRINGER-VERLAG BERLIN HEIDELBERG GMBH

Autoren: Prof. Dr. Dr. Ekbert Hering lehrt Physik, Informatik und Management an der Fachhochschule Aalen und hat jahrzehntelange Erfahrung im Aufbau von Informations-und Managementsystemen in der Praxis. Dipl.-Phys. Dr. Ulrich Dyllong ist in der PSI AG tätig, einem Unternehmen der Informationstechnologie, das sich auf das Automatisieren von Produktion, Distribution und Verwaltung konzentriert. Er hat dort einschlägige Erfahrungen im Erstellen und Vertreiben von betrieblichen Informationssystemen gesammelt. Dipl.-Ing. Jürgen Gutekunst war langjährig in der Entwicklung von Flugnavigationsgeräten der SEL Alcatel tätig. Seit einigen Jahren ist er verantwortlich für die Hardware-Entwicklung der Gebr. Heller Werkzeugmaschinen GmbH.

Unter Mitarbeit von Dip!.-Wirtsch. Ing. Oswin Bihler, IBM Deutschland, Herrenberg Prof. Dr. rer. nat. Ulrich Holzbaur, Fachhochschule Aalen Dipl.-Ing. Friedrich Limbach, Mitarbeiter der Alcatel Air Navigation Systems GmbH Dip!.-Wirtsch. Ing. Wolfgang Rieg, Mitarbeiter der Firma Vossloh-Schwabe GmbH Dipl.-Ing. Gerd Sigmund, Mitarbeiter der SEL Alcatel, Stuttgart Dipl.-Phys. Jörg Staudenmaier, Mitarbeiter der Firma PSI, Berlin Prof. Dr. phil. Manfred Thiel, Fachhochschule Görlitz

Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme

Hering, Ekbert: Informatik für Ingenieure I Ekbert Hering ; Jürgen Gutekunst ; Ulrich Dyllong. [Unter Mitarb. von Oswin Bihler ... ].

ISBN 978-3-662-00519-4 ISBN 978-3-662-00518-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-662-00518-7

NE: Gutekunst, Jürgen:; Dyllong, Ulrich:

© Springer-Verlag Berlin Beideiberg 1995 Ursprünglich erschienen bei VDI-Verlag GmbH, Düsseldorf 1995

Softcoverreprint ofthe hardcover1st edition 1995

Alle Rechte, auch das des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder vollständigen fotome­chanischen Wiedergabe (Fotokopie, Mikrokopie), der elektronischen Datenspeicherung (Wiedergabe­systeme jeder Art) und das der Übersetzung, vorbehalten.

Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen u.ä. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daß solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften.

Herstellung: PRODUserv, Berlin Satzherstellung mit Ib.Tp(: Lewis & Leins GmbH, Berlin

ISBN 978-3-662-00519-4

Vorwort

Die Informatik hat sich in den letzten Jahren mit einem außergewöhnlich hohen Innovati­onstempo entwickelt. In jedem Gebiet der Ingenieurtätigkeit werden Computer eingesetzt. So muß sich der Ingenieur in allen Tätigkeitsfeldern- sei es im Maschinenbau, in der Elek­trotechnik, im Apparatebau, in der Verfahrenstechnik, in der Fertigungs- oder Feinwerk­technik - ständig mit Fragen des Computereinsatzes auseinandersetzen. Deshalb werden von ihm Grundlagen der Informatik verlangt und in allen Bereichen ein solides praxisnahes Grund- und Anwendungswissen.

Dieses Lehrbuch ist ein Kompendium der augewandten Informatik für Studierende der Naturwissenschaften und für Ingenieure in der Praxis, deren Arbeitswelt ohne Computer nicht mehr denkbar ist. In diesem Sinn soll das vorliegende Werk auch einen wichtigen Beitrag zur beruflichen Fort- und Weiterbildung leisten.

Im Abschnitt A werden die Grundlagen der Informatik vorgestellt, ohne die die einzelnen Abschnitte nicht verstanden werden können. Es handelt sich dabei um die Grundlagen der Informationstheorie, der Systemanalyse, den Einsatz von Kodierungsmethoden und die Grundzüge der Ergonomie.

Der Abschnitt B behandelt die Komponenten der Hardware, insbesondere den Aufbau von Rechnern und deren Architektur sowie die Speichermedien und die wichtigen Periphe­riegeräte. Die Softwaresysteme, d. h. die Betriebssysteme und die Datenbanken werden im Abschnitt C vorgestellt.

Dem wichtigen Aspekt des Software-Engineering, d. h. der kostengünstigen und qua­litätsbewußten Erstellung von Programmsystemen wird im Abschnitt D ein breiter Raum gewidmet. Es werden die klassischen Methoden an Hand von Beispielen abgehandelt, z. B. Struktogramme, Datenflußpläne, Petrinetze, Entity-Relationship-Modelle, das Jacksonver­fahren sowie die objektorientierten Methoden. Weitere Abschnitte sind der computerun­terstützten Softwareerstellung (CASE), den wissensbasierten Systemen, der künstlichen In­telligenz und der Fuzzy-Logik gewidmet. Die Anforderungen an Software in Bezug auf Qualität, Sicherheit und Projektmanagement wird ausführlich dargestellt.

Der Abschnitt E beschäftigt sich mit betrieblichen und kommerziellen Informationssy­stemen und Abschnitt F mit Kommunikationssystemen.

Die CA-Techniken im Unternehmen, d. h. CAD, CAE, CAM, CAP und CAQ werden ausführlich im Abschnitt G behandelt. Spezielle Anwendungen, wie Simulation, sicherheits­kritische Software und Meßdatenerfassung und -auswertung sind im Abschnitt H zu finden. Das Buch schließt im Abschnitt I mit den Lösungen der Aufgaben.

Jeder Abschnitt ist in der gleichen Weise gegliedert: Eine strukturierte Übersicht zeigt die Zusammenhänge auf. Beispiele aus der Praxis verdeutlichen die Gedankengänge, die durch Beispiele vertieft werden. Aufgaben mit Lösungen festigen beim Leser das vermittelte Wissen. Die weiterführende Literatur gibt Hinweise zur weiteren Vertiefung des Stoffes.

Zu danken haben wir den Mitarbeitern zahlreicher namhafter Firmen, die uns Infor­mationen und aktuelles Bildmaterial zur Verfügung gestellt haben und unsere Manuskripte durchgesehen haben. Stellvertretend für viele möchten wir folgende Firmen nennen: AESOP

VI Vorwort

in Stuttgart, Gebr. Heller Maschinenfabrik GmbH in Nürtigen, ISICAD-RAND Corporation in Ellwangen, PSI in Berlin und SEL Alcatel in Stuttgart mit ihren zahlreichen fachkom­petenten Mitarbeitern.

Ganz besonderer Dank gilt der VDI-Verlag GmbH, deren Mitarbeiter für eine reibungs­lose und zügige Abwicklung in erfreulicher Atmosphäre sorgten. Hervorheben möchten wir die sorgfältige formale und fachliche Durchsicht von Manuskript und Bildern durch Herrn Dipl.-Ing. Paul Laufens, die ganz wesentlich zur Qualität des Werkes beigetragen hat. Wei­terhin ist es uns ein Anliegen, unseren Ehefrauen, Kindem und Lebensgefährten zu danken für das große Verständnis für diese Arbeit, ohne das dieses Buch nicht hätte geschrieben werden können.

Wir hoffen, daß dieses Werk den Ingenieurstudenten eine gute Hilfe beim Erarbeiten des Wissens über die Informatik bietet und den Ingenieuren in der Praxis hilft, sich sehr schnell in dieses wichtige und sich ständig verändernde Gebiet einzuarbeiten und die Kenntnisse für ihre Aufgaben erfolgreich umzusetzen. Gern nehmen wir Kritik und Verbesserungsvor­schläge entgegen, um zukünftige Neuauftagen optimieren und den Wünschen der Nutzer anpassen zu können.

Heubach Nürtingen Berlin

Ekbert Hering Jürgen Gutekunst

Ulrich Dyllong März 1995

Inhaltsverzeichnis

A Al A2 A 2.1 A2.2 A2.3 A 2.4 A 2.4.1 A2.4.2 A 2.4.3 A2.5 A 2.5.1 A 2.5.2 A 2.5.3 A 2.5.4 A 2.5.5 A3 A 3.1 A3.2 A 3.2.1 A3.2.2 A 3.2.3 A 3.2.4 A 3.2.5 A3.2.6 A3.2.7 A 3.2.8 A3.2.9 A4 A 4.1 A 4.1.1 A 4.1.2 A4.2 A 4.2.1 A 4.2.2 A4.3 A4.3.1 A 4.3.2 A4.4 A4.4.1 A 4.4.2 A 4.4.3 AS A 5.1 A5.2 A 5.2.1 A5.2.2 A5.3

Theoretische Grundlagen Einführung . . . . Informationstheorie . . . . Grundbegriffe . . . . . . . Messung des Informationsgehaltes Informationsfluß und Kanalkapazität Algorithmen . . . . . . . . . . Begriff des Algorithmus . . . . Eigenschaften des Algorithmus Realisierung des Algorithmus Automatentheorie . . . . Einteilung der Automaten . . Endlicher Automat . . . . . Anwendung von endlichen Automaten Kellerautomat . . . . . . . . . . . . . Turing-Maschine .......... . Systemanalyse und Systementwicklung . System, Systemanalyse und Systementwicklung Phasenkonzepte Vorstudie ... Ist-Analyse . . Soll-Konzeption Realisierungs-Planung (Pflichtenheft) . Bewertung und Auswahl . . . . . . . Entwurf des gesamten Systems und seiner Teile System-Realisierung, System-Implementierung und Test, Einführung Pflege und Wartung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beispiel für eine Systemanalyse und Systementwicklung Zahlensysteme und Kodierungsmethoden . Zahlensysteme . . . . . . . . Duales Zahlensystem . . . . . . . . . . . Hexadezimales Zahlensystem . . . . . . . Erweiterungen zum binären Zahlensystem Negative Zahlen . . . . . . . . . . . Festkomma- und Gleitkommazahlen Grundlagen der Booleschen Algebra Binäre Verknüpfungen . . . . . . . Gesetze von Boole und De Morgan Kodes ... . ASCII-Kode ... . Gray-Kode .... . Redundante Kodes . Ergonomie ..... Gesamtkonzeption . Rechnersystem Hardware . Software .. Arbeitsplatz

1 1 2 2 3 6 7 7 8 8 9 9

10 13 13 14 14 14 15 18 20 21 22 22 24 25 25 25 26 26 28 30 30 30 32 34 34 35 38 39 41 42 51 51 51 51 54 55

VIII Inhaltsverzeichnis

A5.4 A 5.5 A5.6

B B 1 Bl.l B 1.2 B 1.2.1 B.l.2.2 B 1.2.3 Bl.3 B 1.3.1 B 1.3.2 B 1.3.3 B 1.3.4 B2 B 2.1 B 2.2 B 2.3 B 2.4 B 2.4.1 B 2.4.2 B3 B 3.1 B 3.1.1 B 3.1.2 B 3.1.3 B 3.1.4 B 3.1.5 B 3.2 B 3.2.1 B 3.2.2 B 3.2.3 B 3.2.4 B 3.2.5 B 3.3 B 3.3.1 B 3.3.2 B 3.3.3 B 3.3.4

c c 1 Cl.l c 1.2 c 1.2.1 c 1.2.2 c 1.2.3 c 1.2.4 c 1.2.5 Cl.3 c 1.4

Arbeitsumgebung Arbeitsgestaltung Checkliste zur Ergonomie

Hardware Digitale Bauelemente für Rechner . Logikfamilien digitaler Bausteine Speicherbausteine . . . . Flüchtige Speicher . . . . . . . . Nicht flüchtige Speicher . . . . . Sonderformen von Speicherbausteinen Mikroprozessoren . . . . . . . . . . CISC-Mikroprozessoren ...... . RISC-Prozessoren (Reduced Instruction Set Computer) Superskalare Mikroprozessoren Transputer . . . . . . . . . . . . . . Rechner-Architekturen ......... . Aufbau und Funktion eines Rechnerkerns . Einplatinen-Computer (SBC: Single Board Computer) Ein-Chip-Computer (SCC: Single Chip Computer) Parallelrechner . . . . . . Nebenläufige Rechensysteme Pipelining-Rechner ..... Speicher in Rechnersystemen Arbeitsspeicher eines Rechners Hauptspeicher . . . . . . . . . Cache-Speicher . . . . . . Aufbau großer Speichersysteme . Batteriegestützte Speicher . . . . Virtuelle Speicherverwaltung durch die MMU Massenspeicher . . Disketten-Laufwerke Festplatten-Laufwerke . Bemoulli-Laufwerk .. Bandlaufwerke Optische Massenspeicher Speicherkarten . . . . . . Verschiedene Standards und Technologien für Speicherkarten Technologien von Speicherkarten . . Aufbau und Eigenschaften von Flash-Speicherkarten Speicherkarten nach dem PCMCIA-Standard

Softwaresysteme Betriebssysteme . Definition und Aufgaben Klassen ... Betriebssystem für einen Benutzer und einen Prozeß Betriebssystem für mehrere Benutzer und viele Prozesse Mehrprozessor-Systeme ...... . Betriebssystem für verteilte Systeme Echtzeitsysteme . . . . . . . . . . Hardware-Komponenten ..... . Methoden zur Prozeßbeschreibung

57 57 58

61 61 61 67 68 71 76 78 79 81 82 82 85 88 90 90 92 94 94 99

100 100 101 102 103 106 109 109 116 119 121 125 131 131 132 136 138

149 149 149 150 150 152 154 154 154 155 157

c 1.4.1 c 1.4.2 c 1.5 c 1.5.1 c 1.5.2 c 1.6 c 1.6.1 c 1.6.2 c 1.6.3 c 1.6.4 c 1.7 C2 c 2.1 c 2.1.1 c 2.1.2 c 2.1.3 c 2.1.4 c 2.1.5 C2.2 c 2.3 c 2.3.1 c 2.3.2 c 2.3.3 C2.3.4 c 2.3.5 c 2.4 c 2.5 c 2.5.1 c 2.5.2 c 2.6 c 2.6.1 c 2.6.2 c 2.7 c 2.7.1 c 2.7.2

D Dl Dl.l D 1.2 Dl.3 D2 D 2.1 D 2.1.1 D 2.1.2 D2.2 D 2.2.1 D2.2.2 D2.3 D 2.3.1 D 2.3.2 D 2.4 D 2.4.1

Inhaltsverzeichnis IX

Virtualisierung . . Schichtenaufbau . Kommunikation . Kommunikationsarten . Verklemmungen . . . . Ein-/ Ausgabe-Systeme Ein- und Ausgabe-Prozeduren . Datenverwaltung Geräteverwaltung Kanalverwaltung Zugriffsschutz . . Datenbanksysteme . Daten und Datenstrukturen Daten, Datei und Datenbank . Datenstrukturen . . . . . Organisation von Dateien . . Datenflüsse . . . . . . . . . Datenbeziehungen und Normalisieren von Daten (Coddsche Normalisierung) Aufgaben von Datenbanksystemen Datenbankmodelle . . . . . . . . Hierarchisches Datenbankmodell Netzwerk-Modell ...... . Relationen-Datenmodell ... . Objektorientiertes Datenmodell Verteilte Datenbank . . . . . Architektur von Datenbanken Entwurf von Datenbanken . Grundsätze . . . . . . . . . Schema des Entwurfs . . . . Datenbankbenutzung und Datenbanksprachen . Typen von Datenbanksprachen Typen von Abfragen . . . Tendenzen .......... . Multimedia-Datenbanken .. . Datenbank als umfassende Schnittstelle .

Software-Engineering Software-Entwicklung . Merkmale von Software . . . . Software-Entwicklungs-Phasen Aufgaben des Software-Engineering Methoden ............ . Hierarchische Funktionsgliederung Beschreibung der Methode . . . . Vorgehensweise und Beispiel . . . Entscheidungstabelle nach DIN 66241 Beschreibung der Methode . . . . . . Vorgehensweise und Beispiele . . . . . Programmablaufplan nach DIN 66001 Beschreibung der Methode . . . . . . Vorgehensweise und Beispiel . . . . . Struktogramm nach DIN 66261 (Nassi-Shneiderman-Diagramm) und Pseudokode . Beschreibung der Methode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

158 159 160 160 162 163 164 164 164 164 164 166 168 168 170 172 174 176 179 183 183 183 184 186 186 188 188 188 189 190 190 192 193 193 194

195 195 195 195 198 198 200 200 200 200 200 204 206 206 210 210 210

X Inhaltsverzeichnis

D 2.4.2 Vorgehensweise und Beispiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 D 2.5 Datenflußplan nach DIN 66001, Informationsflüsse und Schnittstellen 217 D 2.5.1 Datenflußplan nach DIN 66001 . . . . . . . . . 217 D 2.5.2 Informationsflußplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 D 2.5 .3 Beschreibung der Module und ihre Schnittstellen . . . . . . . . . . . 219 D 2.6 Structured Analysis (SA) und Structured Analysis and Design Technique (SADT) . 219 D 2.6.1 Beschreibung der Methode . . . . . . . . . 219 D 2.6.2 Vorgehensweise und Beispiel . . . . . . . . 222 D 2.7 Jackson Strukturierte Programmierung (JSP) 224 D 2.7.1 Beschreibung der Methode . . . . . . . . 224 D 2.7.2 Vorgehensweise und Beispiel . . . . . . . 228 D 2.8 Entity-Relationship-Modellierung (ERM) . 228 D 2.8.1 Wesen und grundlegende Begriffe . 228 D 2.8.2 Vorgehensweise und Beispiel 228 D 2.9 Petri-Netze . . . . . . . . . . . . 231 D 2.9.1 Beschreibung der Methode . . . . 231 D 2.9.2 Typen von Petri-Netzen und ihre Aussagemöglichkeiten 233 D 2.9.3 Vorgehensweise und Beispiel . . . . . . 238 D 2.10 Objektorientierte Software-Entwicklung 242 D 2.10.1 Wesen der Objektorientierung . . . . . . 242 D 2.10.2 Objektorientierte Sichtweise . . . . . . . 245 D 2.1 0.3 Angebot an objektorientierten Methoden 248 D 2.1 0.4 Objektorientierte Modeliierung und Vorgehensmodelle 250 D 2.1 0.5 Objektorientierte Vorgehensweise am Beispiel einer Kaffeemühle 251 D 3 Computerunterstützte Software-Entwicklung (CASE: Computer Aided Software En-

gineering) . . . . . . . . . . . 251 D 3.1 Begriff und Entwicklung . . . . . . . . . . . . . . 251 D 3.2 Gründe für den CASE-Einsatz . . . . . . . . . . . 254 D 3.3 Einzelwerkzeuge im Software-Entwicklungsprozeß . 254 D 3.3.1 Werkzeuge zur Analysephase . . . . . 255 D 3.3.2 Werkzeuge zur Designphase . . . . . . . . . . . . . 255 D 3.3.3 Werkzeuge zur Implementierungsphase . . . . . . . 255 D 3.3.4 Übergreifende Werkzeuge (nicht einer Phase zuzuordnen) 255 D 3.4 Integrierte Entwicklungsumgehungen . . . . 255 D 3.4.1 Rahmenmodelle für die Werkzeugintegration . . . . . . . 256 D 3.4.2 Datenaustausch zwischen Werkzeugen . . . . . . . . . . 258 D 3.5 Beispiel einer CASE-orientierten Anwendungsentwicklung . 258 D 3.6 Entwicklungstendenzen . . . . . . . . . . . 259 D 3.6.1 Downsizing und Ad-Hoc-Entwicklung . . . 259 D 3.6.2 Offene und verteilte Software-Architekturen 261 D 3.6.3 Objektorientierte Programmierung . . . . . 261 D 4 Wissensbasierte Systeme, Expertensysteme und künstliche Intelligenz 261 D 4.1 Wissensbasierte Systeme und künstliche Intelligenz im Überblick 261 D 4.1.1 Zielsetzung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 D 4.1.2 Vergleich der Expertensysteme mit Künstlicher Intelligenz 262 D 4.2 Expertensysteme und Wissensverarbeitung . . . 262 D 4.2.1 Grundlagen und Definition . . . . . . . . . . . 262 D 4.2.2 Wissensverarbeitung und Wissensrepräsentation 264 D 4.2.3 Problemlösungskomponente (lnferenzmaschine) 265 D 4.2.4 Unsicherheit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266 D 4.2.5 Entwicklung von Expertensystemen . . . . . . . 266 D 4.2.6 Beispiel für ein Expertensystem zur Klassifikation 268 D 4.2.7 Anwendungsbereiche von Expertensystemen . . . 270

D4.3 D 4.3.1 D 4.3.2 D 4.3.3 D 4.3.4 D5 D 5.1 D 5.1.1 D 5.1.2 D 5.1.3 D 5.1.4 D 5.1.5 D 5.1.6 D 5.2 D 5.2.1 D 5.2.2 D 5.2.3 D 5.3 D6 D 6.1 D 6.2 D 6.3 D 6.4 D7 D 7.1 D 7.1.1 D 7.1.2 D 7.2 D 7.2.1 D 7.2.2 D 7.2.3 D 7.3 D 7.4 D7.5 D 7.5.1 D 7.5.2 D 7.5.3 D 7.5.4 D 7.5.5 D 7.5.6 D 7.5.7 D 7.5.8 D8 D 8.1 D 8.2 D 8.3 D 8.3.1 D 8.3.2 D9 D 9.1 D 9.1.1 D 9.1.2 D9.2

Künstliche Intelligenz (KI) . . . . . . . . . Grundlagen und Überblick . . . . . . . . . Beispiele für den Einsatz von KI-Techniken Ausgewählte Methoden der KI . . . . . . . Vorgehen bei der Erstellung von KI-Systemen FUZZY-Logik ........ . Begriffe zur Fuzzy-Set Theorie Linguistische Variablen Terme ........ . Zugehörigkeitsfunktion Inferenz ...... . Defuzzifizierung . . . . Plausibles Schließen . . Mathematische Beschreibung unscharfer Mengen . Minimum- Maximum-Regel . . . . . . . . . Mathematische Beschreibung von Termen . Berechnung der Defuzzyfizierungsmethoden Entwicklungsmethoden und Hilfsmittel . . . Programmiersprachen . . . . . . . . . . . . Generationen der Programmiersprachen im Überblick Programmiersprachen der ersten bis dritten Generation Programmiersprachen der vierten Generation (4GL) Programmiersprachen der fünften Generation . Software-Qualitätsmanagement und Test . . . Aufgaben des Software-Qualitätsmanagements Definitionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . Notwendigkeit und Aufgaben . . . . . . . . . Phasenmodell, Fehlerkosten und Software-Produktivität Phasenmodell . . . . . Qualitätskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . Software-Produktivität . . . . . . . . . . . . . . Werkzeuge des Software-Qualitätsmanagements Bestimmungsgrößen der Software-Qualität . . . Software-Qualitätsmanagement an einem Beispiel Software-Qualitätsplanung . . . . . Visualisierung der Aufgabenstellung . . . . Gliederung . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pflichtenheft und Schnittstellenbeschreibung Methoden des Software-Engineering Dokumentation . . . . . . . . Software-Prüfung ......... . Software-Qualitäts-Controlling . . . Software-Sicherheit und Ergonomie . Aspekte der Software-Sicherheit Sicherheitsrisiken . . . . . . . Sicherheitsmaßnahmen . . . . . Maßnahmen zum Ausfallschutz . Maßnahmen zum Zugriffsschutz Software-Projektmanagement Einführung und Begriffe . Einführung Begriffsdefinitionen Projektplanung

Inhaltsverzeichnis XI

271 271 272 274 279 282 283 284 284 284 287 289 293 294 295 296 296 297 302 302 302 303 305 305 305 305 306 308 308 308 310 310 311 311 313 313 313 314 314 317 320 329 331 331 332 332 332 334 335 335 335 335 336

XII Inhaltsverzeichnis

D 9.2.1 D 9.2.2 D 9.2.3 D 9.2.4 D 9.2.5 D 9.3 D 9.3.1 D 9.3.2 D 9.3.3 D 9.4 D9.4.1 D 9.4.2 D 9.4.3 D9.4.4

n" 9.4.5 D 9.4.6

E E 1 El.l E 1.2 El.3 E2 E 2.1 E 2.2 E 2.3 E 2.3.1 E3

F F 1 Fl.l F 1.2 F 1.3 F 1.4 F 1.5 F 1.6 F 1.6.1 F 1.6.2 Fl.7 F 1.7.1 F 1.7.2 F2 F 2.1 F 2.2 F 2.2.1 F 2.2.2 F 2.2.3 F 2.3 F2.4 F 2.5 F 2.5.1

Projektbeteiligte . . . . Entwicklungseinheiten . Personalplanung . . . . Meilenstein- und Terminplanung Projekttermine . . . . . . . . . . Aufwandschätzung . . . . . . . Vorbemerkungen zur Aufwandsschätzung . Erarbeitung von Schätzgrundlagen . . . . Schätzen des Gesamtaufwands für das Projekt Projektverfolgung . . . . . . . . . . . . . . . Verfolgung von Terminen und Aufwand auf Projektebene Verfolgung von Terminen und Aufwand auf Mitarbeiterebene Unterstützung der Projektverfolgung in CASE-Systemen . Projektverfolgungs-Werkzeuge wie Daten flußdiagramm, CPM -Chart und Gantt-Diagramm ..... . Projektstatusberichte . Musterformulare . . .

Informationssysteme Einführung . . . . . . . . . . . . . . Gegenstand von Informationssystemen Informationssysteme im Überblick . . Planung und Lebenszyklus von IS . . . Betriebliche IS (Beispielfabrik mit CIM) IS des betrieblichen Umfeldes Innerbetriebliche IS . . . . . . Rechnergestützte Fabrik (CIM) Produktion . . . . . . . . . . . Management-Informationssysteme (MIS)

Kommunikation und Kommunikationsnetze Grundlagen . . . . . . Kommunikationsmodell Dienste ....... . Nachrichtenverbindung Nachrichtenübermittlung Nachrichtenvermittlungsnetz Vermittlungsprinzipien . . . Durchschalte- oder Leitungsvermittlung . Speichervermittlung . . . . . . . . . . . OSI-Referenzmodell für offene Kommunikationssysteme Sieben Schichten des OSI-Referenzmodells . Kommunikation zwischen den Schichten Öffentliche Netze . . . . . . . . . . Fernsprechnetz . . . . . . . . . . . Datenübertragung im Fernsprechnetz Datenübertragung über Modem . . . Telefax .............. . Bildschirmtext (Btx) bzw. DATEX-J Telex DATEX-L ......... . DATEX-P ......... . Prinzip der Paketvermittlung

336 336 336 338 338 340 340 341 341 349 350 351 352

353 353 353

356 356 356 356 356 357 357 358 359 360 376

378 378 378 378 378 379 381 382 382 383 383 383 386 387 387 388 388 388 389 389 389 389 389

F 2.5.2 F 2.5.3 F2.5.4 F 2.6 F 2.7 F3 F 3.1 F 3.1.1 F 3.1.2 F 3.2 F 3.3 F 3.3.1 F 3.3.2 F 3.3.3 F 3.3.4 F4 F 4.1 F 4.1.1 F 4.1.2 F 4.1.3 F 4.1.4 F 4.2 F 4.2.1 F 4.2.2 F 4.2.3 F4.3 F4.4 F4.5 F 4.5.1 F 4.5.2 F 4.5.3 F4.6 F4.7 F 4.8 F4.9 F 4.9.1 F4.9.2 F4.9.3 F 4.9.4 F4.9.5 F 4.9.6 F4.10 F 4.10.1 F 4.10.2 F 4.11 F5 F 5.1 F 5.2 F 5.2.1 F 5.2.2 F 5.3 F5.4 F 5.5

Prinzip der virtuellen Verbindung Anpassungseinrichtungen X.25-Schnittstelle . . . . Datendirektverbindungen ISDN ....... . Lokale Netze (LAN) . . Zugriffsverfahren . . . . Kollisionsbehaftete Verfahren Kollisionsfreie Verfahren . . Kopplungsverfahren . . . . . Planung von lokalen Netzen . Allgemeine Anforderungen . Einführung eines hierarchischen Kommunikationskonzeptes Einsatz von Lichtwellenleitern (LWL) .... Vorgehensweise bei der Planung von Netzen . Integriertes digitales Nachrichtennetz (ISDN) . Dienste im ISDN . . Übermittlungsdienste . . . . . . . . . Teledienste . . . . . . . . . . . . . . Dienst- und Netzübergänge (national) . Dienstmerkmale im ISDN . ISDN-Netzzugang . . . . Basisanschluß . . . . . . . Primärmultiplexanschluß . Mehrfachausnutzung der Anschlußleitung . Signalisierung im ISDN . Netzübergänge ... Die So-Schnittstelle Aufbau ..... Übertragungskode . Rahmenstruktur . . D-Kanal Zugriff . . D-Kanal-Protokoll DSSl Vermittlungsarten . . . . Protokoll der Schicht 2 . Blockbegrenzung (Flag) . Adreßfeld ....... . SAPI (Service Access Point Identifier) Command/Response Bit . . . . . . TEl (Terminal Endpoint Identifier) .. Steuerfeld . . . . . . . . . . . . . . . Protokoll der Schicht 3 (Vermittlungsschicht) Der Protokolldiskriminator . . . . . . . . . . Die Call Reference . . . . . . . . . . . . . . Beispiel-Protokollablauf für eine leitungsvermittelte Verbindung Breitband-ISDN .............. . Grundsätzlicher Ansatz . . . . . . . . . . . Kommunikationsformen im Breitband-ISDN Verbindungsorientierte Kommunikation . . Verbindungslose Nachrichtenübermittlung Signalisierung in ATM-Netzen Netzgestaltung . . ATM-Pilotprojekt . . . . . . .

Inhaltsverzeichnis XIII

390 390 390 392 392 392 393 393 395 399 401 401 401 402 403 403 404 405 405 405 406 406 406 406 407 407 409 409 409 411 411 411 412 412 413 413 414 414 414 414 416 416 417 417 417 419 419 421 421 421 421 422 424

XIV Inhaltsverzeichnis

F 5.6 F 5.6.1 F 5.6.2 F6 F 6.1 F 6.2 F 6.2.1 F6.2.2 F 6.3 F 6.3.1 F 6.3.2 F6.4 F 6.4.1 F 6.4.2 F6.4.3

ATM-Privatnetze ATM-Backbone-Netze . ATM-LAN .. Anwendungen . . . Einführung . . . . Anwendungsschicht Anwendungsunabhängige Dienstelemente . Anwendungsspezifische Dienstelemente (Beispiele) Standards zur innerbetrieblichen Vernetzung (MAP und TOP) MAP-Standard . . . . . . TOP-Standard . . . . . . . . . . . . Spezielle Anwendungen . . . . . . . Message Handling-Systeme (X.400) X.400-Modell ...... . X.400 Versorgungsbereiche . . . . .

424 425 426 427 427 428 429 430 431 431 431 434 434 435 435

G CA-Technologien (computerunterstützte Technologien 439 G 1 Einführung . . . . . . . . . . . . . . 439 G 1.1 Rahmenbedingungen für Unternehmen . . . . . . . . . . 439 G 1.2 Überblick über CA-Technologien . . . . . . . . . . . . . 440 G 2 CAD (Computer Aided Design)- rechnerunterstützte Konstruktion 442 G 2.1 Konstruktionsprozeß . 443 G 2.2 CAD-Systeme . . 445 G 2.2.1 CAD 2D-Systeme . . 445 G 2.2.2 CAD 3D-Systeme . . 446 G 2.3 Beispiele zu Anwendungsbereichen . 448 G 2.4 Geometrische Beschreibungen . . . 451 G 2.4.1 Beschreibende und konstruktive Darstellung 451 G 2.4.2 Koordinatensysteme . 451 G 2.5 Modellorganisation . . . . 452 G 2.5.1 Elemente . . . . . . . . . 452 G 2.5.2 Unterstützungs-Funktionen 452 G 2.6 Editieren der Geometriemodelle . 452 G 2.7 Grafische Darstellungsmethoden 452 G 2.8 Weiterverarbeitung von Konstruktionsdaten (CA- und CAD-Schnittstellen) 452 G 2.8.1 VDA-FS . 453 G 2.8.2 DXF . 453 G 2.8.3 IGES 454 G 2.8.4 STEP 454 G 2.8.5 EDIF 455 G 2.8.6 MAPffOP-Modell . 455 G 2.9 CAD-Systeme und Systemkerne 455 G 2.10 CAD-Arbeitsplatz . . . . . . 455 G 2.11 Auswahl eines CAD-Systems 457 G 2.11.1 Checkliste . . . . . . . . . . 457 G 2.11.2 Nutzwertanalyse . . . . . . . 457 G 2.11.3 Wirtschaftlichkeitsrechnung . 457 G 2.11.4 Benchmark . . . . . . . . . 458 G 2.11.5 Anzahl der CAD-Arbeitsplätze 459 G 3 CAE (Computer Aided Engineering) - rechnergestützte Entwicklung 459 G 3.1 FEM (Finite Element Method) -Methode der Finiten Elemente und BEM (Boundary

Element Method) - Methode der Grenzelemente 459 G 3.2 Simulation von Bewegungsabläufen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460

G4 G5 G5.1 G5.2 G5.3 G5.4 G 5.5 G5.6 G6

G 6.1 G6.2 G 6.2.1 G6.2.2 G 6.2.3 G 6.3 G 6.4 G 6.4.1 G 6.4.2 G 6.4.3 G6.4.4 G 6.4.5 G 6.4.6 G 6.5 G6.6 G7 G 7.1 G7.2 G7.3 G7.4

H H1 Hl.l H 1.2 Hl.3 H 1.4 H2 H 2.1 H 2.1.1 H 2.1.2 H2.2 H 2.2.1 H2.2.2 H2.2.3 H 2.2.4 H3 H 3.1 H 3.1.1 H 3.1.2 H 3.1.3 H 3.1.4 H3.2

Inhaltsverzeichnis XV

CAP (Computer Aided Planning)- rechnergestützte Arbeitsplanung . CAM (Computer Aided Manufacturing) - rechergestützte Produktion CAD/NC/CNC-Kopplung ....... . Rapid Prototyping mit Stereolithografie . . . . . . . . . . . . . . . Industrieroboter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Flexible Fertigungssysteme (FMS: Flexible Manufacturing System) Fabrik- und Gebäudeplanung (FM: Facility Management) VR (Virtual Reality) .............. . CAQ (Computer Aided Quality Management) -rechnergestütztes Qualitätsmanagement . Qualitätsbegriff . CAQ-Elemente . Qualitätsplanung . Qualitätsprüfung . Qualitätslenkung . Informatik-Anforderungen an CAQ-Systeme Planung und Aufbau von CAQ-Systemen . Vorstudie ... Problemanalyse Pflichtenheft . . Systemauswahl Probeinstallation . Installation . . . . Wirtschaftlichkeit von CAQ . Grenzen eines CAQ-Systems und Ausblick Integration von CA-Technologien ..... . CIM (Computer Integrated Manufacturing) . Engineering Data Management (EDM) - Datenmanagement im Ingenieurbereich DTP (Desk Top Publishing) - Rechnergestütztes Publizieren (Dokumentation) Entwicklungen in der CA-Technologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Spezielle Anwendungen Simulation . . . . . . . Wesen und Bedeutung . Einsatzgebiete . Vorgehensweise . . . . Beispiel ....... . Erstellung sicherheitskritischer Software Einführung . . . . . . . . . . . . Gefahren der fehlerhaften Software . . . Weitere Entwicklung . . . . . . . . . . Allgemeine Betrachtung von Systemen mit sicherheitskritischer Software Zielsetzungen zur Sicherstellung der System-Integrität Betrachtungen zum System-Design .. . Software-Entwicklungs-Prozeß .... . Softwarewartung (software maintenance) Meßdatenerfassung und -auswertung Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . Technische Prozesse . . . . . . . . . . . Anbinden technischer Prozesse an den Computer . Begriff der Echtzeit . . . . . . . . . . . . . . . . Komponenten eines Echtzeitsystems für die Prozeßautomatisierung Grundlegende Elemente für die Meßdatenerfassung . . . . . . . . .

460 463 463 465 465 465 467 471

471 471 473 473 475 477 477 482 482 483 483 485 485 485 486 486 487 487 488 488 491

492 492 492 492 492 494 497 497 497 497 498 500 501 511 520 521 521 521 522 524 524 525

XVI Inhaltsverzeichnis

H 3.2.1 H3.2.2 H 3.2.3 H 3.2.4 H3.3 H 3.3.1 H 3.3.2 H3.3.3 H3.4 H 3.4.1 H 3.4.2 H3.4.3 H3.4.4 H 3.4.5

I

Meßwertaufbereitung, Signalkonditionierung Intelligente Sensormodule . Erfassung analoger Signale . . . . . . . . . Erfassung digitaler Signale . . . . . . . . . Meßdatenerfassung und digitale Signalverarbeitung . Digitale Signalverarbeitung . . . . . . . . . Fourier-Anwendungen in der Signalanalyse . Anwendungen . . . . . . . . . . . PC-Meßtechnik ......... . Konzept der virtuellen Instrumente Meßdatenerfassung mit PC . . . . Kriterien zur Auswahl von Meßdatenerfassungskarten Beispiel einer schnellen Meßdatenerfassungskarte . . Übersicht über Software-Konzepte in der Meßdatenerfassung

Lösungen der Übungsaufgaben

Weiterführende Literatur

Sachwortverzeichnis

526 526 529 535 543 543 546 550 562 562 562 563 565 567

568

593

599