Technische Informatik

Durch die große Bedeutung, welche die Computertechnik in praktisch allen Bereichen unseres modernen Lebens erlangt hat, sind heute nicht nur Informatiker, als Experten des Computers, sondern insbesondere auch viele andere Berufe von den Entwicklungen und Errungenschaften der Informatik betroffen. Insbesondere durch das stürmische Fortschreiten der PCs und durch die rasche Verbreitung des Internets, werden mehr und mehr Berufe durch die Informationstechnik, d.h. durch Computer- und Kommunikationssysteme, beeinflusst.

Computer erfüllen keinen Selbstzweck, sondern sind in der Regel ein Werkzeug der Problemlösung. Als Werkzeuge des Geistes werden sie auch als „Denkzeug“ bezeichnet. Aber was charakterisiert ein Werkzeug? Welche Fähigkeiten muss man sich aneignen, um mit diesem Werkzeug erfolgreich arbeiten zu können und insbesondere um so ein Werkzeug zu erstellen? Betrachten wir als Metapher das einfache Bild eines uns sehr vertrauten Werkzeuges, eines Hammers.

In diesem Kapitel wird ein kurzer Überblick zur Programmentwicklung mit LabVIEW gegeben. LabVIEW ist ein grafisches Programmentwicklungssystem der Firma National Instruments (Austin, USA). Es stellt eine äußerst interessante, leistungsfähige und auch zukunftsweisende Softwaretechnologie dar. Obwohl LabVIEW speziell für den mess- und automatisierungstechnischen Bereich entwickelt wurde, ist es auch für allgemeine EDV-Anwendunsen sehr erfolgreich einsetzbar. Überdies eignet sich LabVIEW auch gut für die Simulation technischer Systeme. In den nachfolgenden Kapiteln befinden sich zur Vertiefung der Lehrinhalte daher Beispielprogramme zu konkreten Aufgabenstellungen in LabVIEW. Der interessierte Leser kann diese direkt nutzen. Die notwendige Voraussetzung ist ein PC mit Internetanschluss. Über die Internetadresse von National Instruments http://​www.​ni.​comkann eine lauffähige aktuelle Evaluierungsversion von LabVIEW direkt auf den PC heruntergeladen werden. Überdies finden sich eine Evaluierungsversion von LabVIEW sowie alle im Buch behandelten Beispiele in einer ausführbaren Version im Internet unter http://​www.​fhswels.​ac.​at/​technischeinform​atik. Zur Evaluierungsversion von LabVIEW gibt es eine sehr kompakte, kurze und umfassende Einführung in LabVIEW, auf die hier ausdrücklich hingewiesen werden soll [NI, 1999].

Eine endliche Menge A, d.h. eine Menge mit einer Mächtigkeit |A| = n, n ∈ N, heißt Zeichenvorrat. Wichtige Zeichenvorräte sind z.B. die Dezimalziffern D = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9}, die Grossbuchstaben {A, B, C, ...,Z} oder die Gesamtheit der Zeichen auf einer Schreibmaschinentastatur. Ein Zeichenvorrat kann jedoch grundsätzlich aus beliebigen, unterscheidbaren n Zeichen a_i, n ∈ N bestehen. Ein Zeichenvorrat wird in der Regel festgelegt um gewisse Sachverhalte eindeutig zu kennzeichnen. Mit der Tastatur eines Computers können Zeichen in einem Computer übertragen werden. Jeder Taste der Tastatur sind bestimmte Zeichen zugeordnet, wobei diese in Textverarbeitungssystemen noch über unterschiedliche Schriftarten im Erscheinungsbild einstellbar sind. Nachfolgend einige Beispiele, wobei die Zeichen am Computer direkt über die Tastatur eingegeben und mit den Zeichensätzen (Schriftarten) „Times New Roman“, „Windings“ und „Keystroke“ dargestellt werden.

Die Digitaltechnik hat heute in vielen Bereichen unseres täglichen Lebens und insbesondere auch im Wirtschaftsleben und in der Technik eine sehr große Bedeutung. Sie befindet sich nach wie vor in einer stürmischen Entwicklung und es fällt durch die erforderliche hohe Spezialisierung selbst Experten schwer, den Überblick zu behalten. Man muss sich vielfach mit einem Blick auf das Wesentliche begnügen, wenngleich es nicht leicht ist zu unterscheiden, was wesentlich und was nur Beiwerk ist. Ein Blick auf die Wurzeln der Technik und ihre historische Entwicklung kann hier sehr nützlich sein. Die Technik ist eigentlich nicht Selbstzweck, sondern hat immer eine Zielorientierung. Ohne allzu weit in der Geschichte zurückzublicken, sollen kurz zwei wesentliche Wurzeln der Digital- und der Analogtechnik im Zusammenhang mit der Industrialisierung betrachtet werden.

Die Bedeutung der technologischen Entwicklungen für die Fortschritte in der Automatisierungstechnik, der Rechentechnik und der Informationstechnik ist offensichtlich und unumstritten. Die enormen Errungenschaften wären jedoch undenkbar, wenn es nicht neben den rein technologischen auch Errungenschaften theoretischer Natur für die Analyse und den Entwurf von Systemen, basierend auf den zur Verfügung stehenden technologischen Komponenten, gegeben hätte. Für die analoge Elektronik sind hier insbesondere die Regelungstheorie und die lineare Systemtheorie zu nennen. Für den Bereich der Digitalelektronik und Rechnertechnik sind die mathematische Logik, die Schaltalgebra, die Schaltwerk- und Automatentheorie und die Theorie formaler Sprachen anzuführen. Die Entwicklung moderner komplexer Informationssysteme erfordert nicht nur ein solides Beherrschen und Verstehen von Theorie und Technik der Bausteinkomponenten, sondern insbesondere auch ein solides Beherrschen ihrer strukturierten architektonischen Ganzheit. Für die Struktur und Architektur moderner Rechenanlagen hat John von Neumann bahnbrechendes geleistet.

Besonders für den betrieblichen Einsatz in Unternehmen jeder Art ist die Festlegung einer zukunftssicheren Betriebssystem- und Hardwareplattform für Informationssysteme von großer operativer und strategischer Bedeutung. Diese Plattformen müssen eine Reihe von Anforderungen erfüllen:

Schnittstellen sind Hardware-Verbindungen samt der erforderlichen Software (Gerätetreiber), durch die externe Geräte, die sogenannte Peripherie, an einen Computer angeschlossen werden. Schnittstellen werden auch als Interface bezeichnet. Für jede Schnittstelle sind feste Eigenschaften vereinbart und sie ermöglichen eine weitgehend herstellerunabhängige Zusammenschaltung von Geräten. Hält sich ein Peripherie-Hersteller, z.B. von CD-ROM-Laufwerken, Festplatten oder Scannern an diese Konventionen, so können seine Geräte in jedem Fall über die entsprechende Schnittstelle an einen Computer angeschlossen werden, der diese Schnittstelle unterstützt. Voraussetzung ist jedoch, dass bei der Installation die Schnittstellensteuerung durch eine entsprechende Konfiguration der erforderlichen Systemressourcen harmonisch in das Gesamtsystem eingebunden wird.

Ausgangspunkt der technischen Kommunikation ist ganz allgemein das Bedürfnis, dass Personen oder Gruppen die sich an verschiedensten Orten befinden, miteinander über technische Hilfseinrichtungen kommunizieren wollen.

Die Ursprünge des Internet reichen in die 60er Jahre, die Zeit des „Kalten Krieges“ zwischen den Weltmächten USA und Sowjet Union zurück. Im Departement of Defense, dem amerikanischen Verteidigungsministerium, wurden Überlegungen angestellt, wie man wichtige militärische Daten und Einrichtungen besser schützen kann. Selbst bei einem atomaren Angriff sollten wichtige Daten nicht zerstört werden können. Ein für die Verteidigung zuständiges Informationssystem sollte so aufgebaut werden, dass es nicht von einem zentralen Knotenrechner abhängig ist. Für das System durfte es nicht möglich sein, dass durch einen „Single Point of Failure“ das Gesamtsystem funktionsunfähig wird. Als Lösung entstand ein elektronisches Datennetz, welches die gleichen Daten dabei auf mehreren, weit entfernten Rechnern abgelegt hat. Bei neuen oder geänderten Daten sollten sich alle angeschlossenen Rechner binnen kürzester Zeit den aktuellen Datenstand zusenden. Jeder Rechner sollte dabei über mehrere Wege mit jedem anderen Rechner kommunizieren können. So würde das Netz auch dann funktionieren, wenn ein einzelner Rechner oder eine bestimmte Leitung durch einen Angriff zerstört würde.

Rechnergestützte Messverfahren basieren im wesentlichen auf elektrischen Messverfahren. Bei diesen wird die eigentliche zu messende Größe zunächst in eine elektrische Größe umgewandelt und so weiterverarbeitet bzw. angezeigt. Direkte Messverfahren messen physikalische Größen durch Vergleich mit bekannten gleichartigen oder identischen Größen. Elektrische Messverfahren zur Messung physikalischer Größen bieten gegenüber den elektrischen viele Vorteile. Sie haben eine sehr hohe Empfindlichkeit und Auflösung und kommen mit sehr kleinen Leistungen aus. Elektrische Messgrößen lassen sich auch relativ einfach verstärken, wodurch es auch gelingt, sehr kleine Größen nachzuweisen und zur Anzeige zu bringen. Überdies sind elektrische Messverfahren sehr schnell, wodurch sie für Signale mit sehr hohen Grenzfrequenzen geeignet sind.

Technische Prozesse wie sie bei der Massenfertigung von Gütern aller Art, der Roheisengewinnung im Hochofen, der Stahlerzeugung im Stahlwerk, oder bei der Produktion von Flachstahl im Walzwerk vorzufinden sind, erfordern eine Vielzahl von Einrichtungen zur Erfassung von Messwerten, zur Steuerung, Regelung und Überwachung der unterschiedlichen Prozessgrößen. Voraussetzung dafür, dass die Prozesse optimal ablaufen ist, dass alle Einzelmaßnahmen aufeinander abgestimmt sind und in Beziehung auf ein Produktionsziel hin koordiniert werden.

Computer, Digitalrechner, sind in unterschiedlichsten Ausführungsformen und für ein sehr großes Spektrum von Problemstellungen verfügbar. Sie lassen sich grundlegend in zwei Klassen einteilen: