Prozeßinformatik

Um die Frage zu beantworten, was denn unter „Prozeßinformatik“ zu verstehen sei, versetzt man sich am besten in die Situation, einen komplexen Vorgang, den Prozeß, der ganz allgemein durch die Veränderung und Umformung von Stoff und Energie gekennzeichnet ist, mit Hilfe digitaler Datenverarbeitungstechnik zielgerichtet ablaufen zu lassen. Der Vorgang selbst sei durch mathematische Verknüpfung seiner energetischen und stofflichen Größen beschreibbar. Damit gelangt man zur Abbildung der Wirklichkeit auf abstrakte Informationsbezüge. Wegen der darin enthaltenen formalen Informationsstruktur sind diese Informationsbezüge, abgesehen von ihrer Bedeutung, auch einer instrumentellen (technischen) Behandlung zugänglich. Gelingt es, die zuerst eher vage und nicht präzise ausgedrückte Zielrichtung ebenso in strengere Abbildungsschemata zu überführen, kann auf informationsverarbeitender, d.h. technischer Ebene, zwischen dem Vorgang und seiner Steuerung eine Kommunikation erfolgen. Die konkrete Beeinflussung des betreffenden Vorgangs selbst als Folge der Informationsverarbeitung geschieht dann in umgekehrter Weise: Der stoffliche oder energetische Eingriff erfordert jetzt die Umwandlung formaler Information durch physikalische Effekte.

Für die Prozeßinformatik ist die Darstellung, Klassifizierung und Behandlung ihres Betrachtungsgegenstands nach funktionalen Eigenschaften charakteristisch. Das hat auch den Vorteil, daß solche Eigenschaften seltener Änderungen unterworfen sind; eine Darstellung nach rein technischen Merkmalen wäre beim gegenwärtigen Entwicklungstempo ständig zu aktualisieren.

Nachdem Prozesse bisher mehr unter grundsätzlichen Gesichtspunkten behandelt wurden, um trotz ihrer in Wirklichkeit vorhandenen Vielgestaltigkeit einheitliche und verbindende Strukturkriterien durch funktionale Analyse und formale Abstrahierung herauszustellen, sollen nun (reale) technische Prozesse, deren Aktivitäten durch Umwandlung, Transport oder Verarbeitung von Energie und Stoffen oder nachrangig von Information als Medium gekennzeichnet sind, untersucht werden. In praxi kommen meist Kombinationen all dieser Erscheinungsformen vor. Beispiele für die Klassifizierung von Prozessen nach Art des Mediums sind in Tabelle 3-1 zusammengestellt. Wenn man hingegen die Aktivitäten im System betont, sind andere Klassifikationsmerkmale vorrangig, z. B. nach Be- bzw. Verarbeitung, Verteilung und Umwandlung; eine entsprechende Zuordnung findet man in der dritten Spalte der Tabelle 3–1. Eine weitere Betrachtungsweise geht von der Form des Mediums im Prozeß aus, wo dann nach Mengen- oder Stückprozessen unterschieden wird.

Die Kopplung eines technischen Prozesses mit seinem zugehörigen Steuerungssystem wird theoretisch durch die Verknüpfung jeweils geeigneter Modelle nach einem funktional orientierten Strukturkonzept durchgeführt, in dem Information eine entscheidende Rolle spielt (vgl. Bild 4–5). Daher ist es an dieser Stelle zweckmäßig, den Informationsbegriff in diesem Umfeld zu präzisieren, wobei hier über die engere Fassung des Informationsbegriffs im Sinne einer statistischen Betrachtungsweise aus der Nachrichten- oder Informationstheorie [5–1, 5–2] hinausgegangen werden muß.

Die heutigen Prozeßrechner sind erweiterte technische Lösungen einer allgemeinen Universalrechnerstruktur, deren theoretische Grundlagen 1946/47 von von Neumann, Goldstine und Burks in Harvard entwickelt wurden [6–1 bis 6–4]. Mit diesem sogenannten von Neumannschen Konzept wird das Prinzip begründet, das einen Rechner von allen anderen Maschinen unterscheidet. Es besagt, daß die Funktionsstruktur eines Rechners nicht zwangsläufig seiner gerate technischen Ausführung entspricht und umgekehrt, und daß der Rechner seine eigentliche Aufgabe, im vorliegenden Fall die Steuerung technischer Prozesse, erst dann erfüllen kann, wenn seine internen Arbeitsabläufe durch entsprechende Informationen gesteuert werden. In dieser Steuerinformation, dem Programm, hat die zielgerichtete Beeinflussung ihren dauerhaften Niederschlag gefunden. Aus der Programmausführung gehen Informationen hervor, wie der jeweilige Zustand des Objektprozesses zu beeinflussen ist. Das Programm wird normalerweise in einer vom momentanen Prozeßgeschehen zeitlich unabhängigen und ihm vorausgehenden Entwurfsphase realisiert. Erst im Zusammenspiel einer anwendungsunabhängigen Gerätetechnik mit der anwendungsspezifischen strukturellen Steuerungsinformation und der momentanen Zustandsinformation führt der Rechner die beabsichtigte Aufgabe aus.

Die Steuerung von technischen Prozessen mit Rechnern beruht auf Änderungen von Informationszuständen. Wie die Informationszustände zu ändern sind, ist in einem Programm gespeicherter Information enthalten. Implizit enthält das Programm die Menge aller Informationszustände und ihrer Verknüpfungen als Struktur eines komplexen Systems; die dynamische Folge einzelner Zustände wird durch die Bearbeitung des Programms veranlaßt und hauptsächlich durch die aktuellen Zustände des angekoppelten technischen Prozesses, durch die Gültigkeitsgrenzen von Zuständen und durch äußere Einflüsse seitens des Bedieners bestimmt. Formal läßt sich das Geschehen in einem Prozeßrechner damit wieder als zielgerichtet gesteuerter Prozeß interpretieren, bei dem es vorrangig um die Transformation von Informationszuständen in einem Informationssystem geht. Es gibt hier demnach ebenfalls duale Informationskategorien (Bild 7–1):

Die Veränderung von Information im Steuerungssystem aufgrund eigenständiger Initiative oder in gegenseitiger Wechselwirkung mit dem Objektprozeß ist eine notwendige Voraussetzung, damit der Gesamtprozeß überhaupt abläuft. Der übergeordneten Zielsetzung gemäß, den Objektprozeß zielgerichtet zu beeinflussen, muß das zugehörige Informationssystem der Prozeßsteuerung von vornherein geplant werden (vgl. Kap. 11).

Die Konfiguration der Komponenten eines Steuerungssystems bestimmt maßgeblich seine Leistungsfähigkeit. Diese ist wiederum Voraussetzung für die Funktion der Prozeßsteuerung, wovon schließlich das Verhalten des Gesamtsystems abhängt.

Die Dynamik eines Prozeßsteuerungssystems umfaßt die Gesamtheit des zeitlichen Verhaltens aller Zustandsänderungen des stofflich-energetischen Objektsystems wie seines informationsverarbeitenden Steuerungssystems. Neben der jeweiligen Eigendynamik des Objekt- und des Steuerungsprozesses resultiert die Systemdynamik vor allem aus der gegenseitigen und gleichzeitigen Wechselwirkung; einmal aufgrund des Eingriffs der Steuerung in den Prozeß, zum anderen aufgrund der Reaktion der Steuerung auf das Geschehen im Objektsystem. Die sich dabei abspielenden Teilprozesse werden durch das zeitliche Auftreten bestimmter Ereignisse oder durch tatsächliche Werte bestimmter Zustände aufeinander abgestimmt.

Systeme zeichnen sich durch Komplexität aus, d. h. sie weisen sehr viele Freiheitsgrade auf, z.B. einmal in der Konfiguration und Funktion ihrer Elemente, dann in der Typenvielfalt der einzelnen Teile selbst und schließlich im dynamischen Verhalten der Elemente und ihrer Verknüpfungen untereinander. Ein System wird hier verstanden als Ganzes aus vielen Teilen, die zusammen die Funktion des Ganzen erfüllen, in sich aber Funktionsschwerpunkte vereinigen. Systeme werden deutlich als Ordnung von Teilen zur Erfüllung eines Zwecks. Die Ordnung des Systems tritt in seiner Struktur und Dynamik hervor. Dabei schafft nur der von einer umfassenden Betrachtungsweise ausgehende Entwurf in Analyse und funktioneller Aufteilung die Grundlage für den Aufbau eines Systems durch seine Komponenten.