DE102009032229A1 - Verfahren und Einrichtung zur Protokollierung von Prozessvariablen eines digitalen Feldgerätes - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine elektronische Einrichtung zum Protokollieren von Prozessvariablen eines busgesteuerten Automatisierungssystems, bei welchem auswertungsrelevante Prozessvariablen in mindestens einem digitalen Feldgerät (1) zwischengespeichert werden, die nachfolgend von einer mit dem Feldgerät (1) über einen Datenbus (2) verbundenen zentrlaen Rechnereinheit (3) zur Auswertung ausgelesen werden. Es wird vorgeschlagen, auswertungsrelevante Prozessvariablenwerte im Feldgerät (1) in Form eines Telegramms zwischenzuspeichern, wobei für jedes Telegramm eine Mehrzahl äquidistant aufeinanderfolgender Prozessvariablenwerte aufgenommen werden, dessen erstem Prozessvariablenwert ein Zeitspempel zugeordnet wird, und wobei weitere Prozessvariablenwerte in weiteren gleichartigen Telegrammen gespeichert werden.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine elektronische Einrichtung zum Protokollieren von Prozessvariablen eines busgesteuerten Automatisierungssystems, bei welchem auswertungsrelevante Prozessvariablen in mindestens einem digitalen Feldgerät zwischengespeichert werden, die nachfolgend von einer mit dem Feldgerät über einen Datenbus verbundenen zentralen Rechnereinheit zur Auswertung ausgelesen werden.
  • Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf Automatisierungssysteme in der Industrie, wie verfahrenstechnische Anlagen, Verpackungsanlagen, mechanische Fertigungsstrecken und dergleichen, in welchen digitale Feldgeräte, wie beispielsweise elektromotorische Regelantriebe oder Stellungsregler für Ventile, über einen Datenbus vernetzt per zentraler Steuereinheit betrieben, konfiguriert und überwacht werden. Im Rahmen der Überwachung des Automatisierungssystems ermitteln die digitalen Feldgeräte charakteristische Prozessvariablen aus denen beispielsweise Diagnoseinformationen ableitbar sind. Zu diesem Zwecke ist es erforderlich, dass alle Prozessvariablen zeitsynchron erfasst werden.
  • Aus der DE 43 15 336 B4 geht ein gattungsgemäßes Verfahren und eine elektronische Einrichtung zum Protokollieren von Prozessvariablen eines busgesteuerten Automatisierungssystems hervor. Vom Feldgerät, hier exemplarisch einem Temperaturfühler, gemessene Prozess-Variabelwerte, hier in Form des Temperaturverlaufs, werden einem AD-Wandler zugeführt, um diese digitalisiert anschließend über einer Übertragungsstrecke, vorzugsweise einen Datenbus, einer zentralen Rechnereinheit zuzuführen. Die zentrale Rechnereinheit wertet die empfangenen Prozessvariablen anschließend aus, indem hier vornehmlich eine Korrektur der gemessenen Prozessvariablen durch Approximation der temperaturabhängigen Aussteuerungskennlinie der Elektronik durchgeführt wird.
  • Das Änderungsverhalten von Prozessvariablen ist dadurch charakterisiert, dass sich jede Prozess-Variable ihren Wert unabhängig von den restlichen Prozessvariablen sporadisch ändert. Eine meist hohe Änderungsgeschwindigkeit erfordert eine entsprechend hohe Abtastrate, von vorzugsweise 10 Hz. Typischerweise bewirkt die Veränderung einer Prozessvariablen die nachfolgende Veränderung übriger Prozessvariablen. Die Änderungshäufigkeit ist gewöhnlich verglichen mit der Änderungsgeschwindigkeit gering, typischerweise weniger als 0,2 Hz. Dies bedeutet, dass in der Regel alle Prozessvariablen immer über einen längeren Zeitraum stabil bleiben. Die die zu Auswertungszwecken die Prozessvariablen anfordernde zentrale Rechnereinheit arbeitet gewöhnlich über die bestehende Busverbindung mit einer Abtastrate von 1 Hz oder langsamer. Hierbei ist die Frequenz des Datenaustausches um +/–30% variabel. Zudem kann auch die Datenmenge, welche je Datenaustausch übertragen werden kann wegen systemtechnischer Ristriktionen begrenzt sein auf beispielsweise maximal 25 Byte pro HART-Telegramm.
  • Im allgemeinen Stand der Technik in Bezug auf HART-Busprotokolle und hiermit verbundene Feldgeräte werden zwecks Protokollierung von Prozessvariablen diese zunächst im Feldgerät zwischengespeichert, wie es beispielsweise bei der Fieldbus Foundation, Foundation Specification FF890, 4.9 Trend Objects vorgesehen ist. Nach Abschluss einer Aufzeichnung werden anschließend alle Prozessvariablenwerte zu einem späteren Zeitpunkt über den Datenbus von der zentralen Rechnereinheit gelesen. Dieses Verfahren wird zumeist für dezidierte Tests mit klarer zeitlicher Beschränkung verwendet. Nachteilig hierbei ist, dass der Speicherplatz im Feldgerät und damit die Menge der aufzeichenbaren Prozessvariablenwerte begrenzt ist.
  • Während die zentrale Rechnereinheit die Daten liest, kann das Feldgerät selbst keine neuen Prozessvariablenwerte abspeichern. Dieses Verfahren erlaubt damit keine so genannte Online-Protokollierung.
  • Alternativ hierzu wird aus dem allgemein bekannten Stand der Technik ein Verfahren zur Protokollierung von Prozessvariablenwerten hervor, bei welchem das Feldgerät in festen Zeitabständen alle Prozessvariablenwerte speichert und mit jeder Kommunikation mehr als einen Wert je Prozessvariablen überträgt. Die Nachteile dieses Verfahrens sind, dass Datenmenge und damit die Anzahl der übertragbaren Werte und deren Auflösung von der Übertragungsgeschwindigkeit des verwendeten Busprotokolls abhängen. Beispielsweise bedeutet eine Kommunikationsfrequenz von 1 Hz und maximaler Datenmenge von 25 Byte pro Sekunde mit einer Abtastrate von 10 Hz, dass maximal 2 Prozessvariablen mit je 1 Byte Auflösung (0 ... 255 oder –127 ... +127) übertragbar sind. Störungen in der Kommunikationsverbindung können zudem nicht kompensiert werden.
  • Aus dem vorstehend erläuterten Stand der Technik ergibt sich die generelle Problematik, dass zur Protokollierung von Prozessvariablen die erreichbare Abtastrate bei vielen digitalen Feldgeräten wie Stellungsreglern, elektrischen Antrieben, Druck- und Durchflussmessumformern nicht ausreicht.
  • Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine elektronische Einrichtung zum Protokollieren von Prozessvariablen eines busgesteuerten Automatisierungssystems zu schaffen, welches ein bedarfsgerecht schnelles Übertragen mehrerer im Feldgerät erfasster Prozessvariablenwerte zur zentralen Rechnereinheit mit geringem technischen Aufwand ermöglicht.
  • Die Aufgabe wird ausgehend von einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Im Hinblick auf eine elektronische Einrichtung wird die Aufgabe durch die technische Lehre des Anspruchs 4 gelöst. Die jeweils rückbezogenen abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
  • Die Erfindung schließt die verfahrenstechnische Lehre ein, dass auswertungsrelevante Prozessvariablen im Feldgerät in Form eines Telegramms zwischengespeichert werden, wobei für jedes Telegramm eine Mehrzahl äquidistant aufeinanderfolgender Prozessvariablenwerte aufgenommen werden, dessen erstem Prozessvariablenwert ein Zeitstempel zugeordnet wird, und wobei weitere Prozessvariablenwerte in weiteren gleichartigen Telegrammen gespeichert werden.
  • Die Telegramme werden in einer Speichereinheit chronologisch aufeinanderfolgend abrufbereit vorgehalten, bis sie nach Maßgabe eines in der zentralen Rechnereinheit implementierten auf die mindestens eine Speichereinheit ausgerichteten Kommunikationsdienstes ausgelesen werden.
  • Vorteilhafterweise wird auf diese Weise für schnell ablaufende Prozesse ein hoher Datendurchsatz und eine hohe Datendichte pro Telegramm erreicht. Dabei bezieht sich der einzige Zeitstempel pro Telegramm unmittelbar auf den ersten Prozessvariablenwert und mittelbar über die äquidistante Beabstandung der Prozessvariablenwerte auf alle Prozessvariablenwerte desselben Telegramms. Folglich wird die zur Verfügung stehende, begrenzte Bandbreite des Übertragungskanals effizient für die Übertragung von Prozessvariablenwerte ausgenutzt.
  • Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit geringer Rechenleistung ein redundanzarmes Datentelegramm zur Verfügung gestellt wird, das insbesondere zur Verwendung in Feldgeräten in leistungsbegrenzten Stromkreisen geeignet ist.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Speichereinheit als Ringspeicher ausgebildet, welcher eine diskrete Anzahl von Speicherplätzen für Telegramme mit Prozessvariablenwerten zur Verfügung stellt. Ein Ringspeicher ist mit einem so genannten Schreibzeiger sowie einem Lesezeiger versehen. Ein Schreibzeiger zeigt auf denjenigen Speicherplatz des Ringspeichers, welcher beim nächsten Schreiben beschrieben werden wird.
  • Dagegen zeigt ein Lesezeiger auf denjenigen Speicherplatz, welcher beim nächsten Lesevorgang gelesen werden wird. Der Algorithmus der Schreib- und Lesezeiger-Inkrement ist so implementiert, dass vom letzten Speicherplatz des Ringspeichers auf den ersten Speicherplatz gesprungen wird. Der Lesezeiger steht in der zeitlichen Abfolge immer hinter dem Schreibzeiger. Zeigt der Schreibzeiger auf den Speicherplatz hinter dem Lesezeiger, so werden beide Zeiger simultan inkrementiert, d. h. die ältesten Daten des Ringspeichers werden ggf. überschrieben.
  • Dieser Funktionalität eines Ringspeichers bedient sich die erfindungsgemäße Lösung. Da ein Ringspeicher softwaremäßig darstellbar ist, ist dessen Umsetzung mit geringem Aufwand möglich. Zur Anpassung an die Verwendung eines Ringspeichers in einem Feldgerät zum Zwischenspeichern von Prozessvariablenwerten erfordert eine analoge Anpassung seitens der zentralen Rechnereinheit, damit diese in der Lage ist, einen solchen Ringspeicher auszulesen.
  • Zur Übertragung der zwischengespeicherten Prozessvariablenwerte aus der Ringspeichereinheit zur zentralen Rechnereinheit wird gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme vorgeschlagen, dass nach Empfangen eines Anforderungstelegramms von der zentralen Rechnereinheit durch das Feldgerät das vom Feldgerät hierauf hin zurückgesendete Anworttelegramm dann mit den gespeicherten Prozessvariablenwerten der Ringspeichereinheit gefüllt wird, wenn das Anforderungstelegramm einen Flag enthält, das das vorhergehende Antworttelegramm korrekt empfangen wurde.
  • Nach einer anderen, die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Speicherplätze der Ringspeichereinheit im digitalen Feldgerät derart dimensioniert sind, dass alle auswertungsrelevanten Prozessvariablenwerte des Feldgerätes mit zugeordnetem Zeitstempel hierin abspeicherbar sind. Die Anzahl der erforderlichen Speicherplätze richtet sich demnach nach dem Bedarf anhand des Datenaufkommens. Hierdurch lässt sich das erfindungsgegenständliche dynamische Speichern exemplarisch realisieren.
  • Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
  • 1 eine schematische Blockschaltbilddarstellung einer elektronischen Einrichtung zum Protokollieren von Prozessvariablen, und
  • 2 eine grafische Darstellung zum zeitlichen Auftreten von Prozessvariablenwerten
  • 3 eine schematische Darstellung der Ablage der Prozessvariablenwerte in Telegrammen
  • 4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der erfindungsgegenständlichen Verfahrensschritte beim Speichern
  • 5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung der erfindungsgegenständlichen Verfahrensschritte beim Datenaustausch
  • Gemäß 1 besteht eine elektronische Einrichtung zum Protokollieren von Prozessvariablen im Wesentlichen aus einem hier exemplarisch dargestellten digitalen Feldgerät 1, der in diesem Ausführungsbeispiel ein intelligenter Stellregler für ein Ventil einer verfahrenstechnischen Anlage ist. Dieses digitale Feldgerät 1 ist über einen Datenbus 2 mit einer zentralen Rechnereinheit 3 verbunden.
  • Über die zentrale Rechnereinheit 3 erfolgt ein Betrieb sowie eine Überwachung des busgesteuerten Automatisierungssystems. Zur Anbindung an den Datenbus 2 besitzt das digitale Feldgerät 1 eine Kommunikationsschnittstelle 4. Weiterhin umfasst das digitale Feldgerät 1 eine spezielle Speichereinheit 5. In die Speichereinheit 5 speichert das digitale Feldgerät 1 Prozessvariablenwerte in Form von Ist-Position des Stellreglers, anliegender Arbeitsdruck und dergleichen als Telegramm dynamisch ab.
  • Über die zentrale Rechnereinheit 3 lassen sich diese im Speicher 5 abgespeicherten Prozessvariablenwerte nach Maßgabe eines hierin implementierten und auf die Speichereinheit 5 ausgerichteten Kommunikationsdienstes auslesen. Dies bedeutet, dass die zentrale Rechnereinheit 3 mit einer Software ausgestattet ist, welche in der Lage ist, Speichereinheiten 5 digitaler Feldgeräte 1 des Automatisierungssystems mit einer hohen Abtastrate auszulesen.
  • In bevorzugter Ausgestaltung des Feldgeräts 1 ist Speichereinheit 5 als Ringspeicher ausgebildet. Jede Speicherzelle der Speichereinheit 5 ist zur Aufnahme eines Telegramms einer Serie chronologisch aufeinanderfolgender Prozessvariablenwerte ausgebildet.
  • In 2 sind auf einem Zeitstrahl die Abtastzeitpunkte chronologisch aufeinanderfolgender Prozessvariablenwerte Pm bis Pn+z aufgezeichnet. Die Prozessvariablenwerte Pm bis Pm+z sowie Pn bis Pn+z werden zu äquidistant beabstandeten Abtastzeitpunkte aufgenommen und in Gruppen zu jeweils z + 1 Prozessvariablenwerten Pm bis Pm+z sowie Pn bis Pn+z jeweils in einem Telegramm zusammengefasst. Dem jeweils ersten – ältesten – Prozessvariablenwert Pm und Pn jeder Gruppe wird ein Zeitstempel Zm und Zn zugeordnet. Damit ist der Abtastzeitpunkt des jeweils ersten Prozessvariablenwerts Pm und Pn jedes Telegramms durch den jeweiligen Zeitstempel Zm und Zn dokumentiert. Infolge der vereinbarungsgemäßen Äquidistanz der Abtastzeitpunkte und der chronologisch aufeinanderfolgenden Aufzeichnung ergeben sich die Abtastzeitpunkte der anderen Prozessvariablenwerte Pm+1 bis Pm+z sowie Pn+1 bis Pn+z jedes Telegramms zwingend aus dem jeweiligen Zeitstempel Zm und Zn und der Position des jeweiligen Prozessvariablenwerts Pm+1 bis Pm+z sowie Pn+1 bis Pn+z innerhalb des jeweiligen Telegramms.
  • In 3 ist ein Ausschnitt aus dem Speicherfeld der Speichereinheit 5 gezeigt. Dabei sind zwei aufeinanderfolgende Telegramme 51 und 52 in benachbarten Speicherzellen abgelegt. Unter Verwendung gleicher Bezugszeichen für gleiche Mittel umfasst das Telegramm 51 einen initialen Zeitstempel Zm und z + 1 äquidistant abgetastete Prozessvariablenwerte Pm bis Pm+z, dessen erstes Element Pm zum Zeitpunkt des Zeitstempel Zm aufgenommen worden ist. In demselben Format weist das nächste Telegramm 52 einen initialen Zeitstempel Zn und z + 1 äquidistant abgetastete Prozessvariablenwerte Pn bis Pn+z auf, dessen erstes Element Pn zum Zeitpunkt des Zeitstempel Zn aufgenommen worden ist.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein neues Telegramm 52 immer dann aufgezeichnet wird, wenn sich einer der aufzunehmenden Prozessvariablenwerte um mehr als eine einstellbare Differenz gegenüber dem letzten aufgenommenen Prozessvariablenwert Pn+z des vorausgegangenen Telegramms 51 geändert hat. Diese Ausführungsform der Erfindung ist besonders vorteilhaft bei sich langsam ändernden Prozessen anwendbar. Vorteilhafterweise wird bei geringer Redundanz eine große Retrospektivität der Aufzeichnung erreicht.
  • In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung folgen die aufeinanderfolgenden Telegramme 51 und 52 unmittelbar aufeinander, wobei die Prozessvariablenwerte Pm+1 und Pn an den Grenzen der Telegramme 51 und 52 denselben zeitlichen Abstand wie die Prozessvariablenwerte Pm bis Pm+z innerhalb jedes Telegramms haben. Diese Ausführungsform der Erfindung ist besonders vorteilhaft bei sich schnell ändernden Prozessen anwendbar. Vorteilhafterweise wird dabei eine kontinuierliche Aufzeichnung erreicht.
  • In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist die Anzahl der Prozessvariablenwerte in einem Telegramm 51 und 52 und damit dessen Länge auf das maximale Fassungsvermögen eines Kommandos des jeweiligen Übertragungsprotokolls auf dem Datenbus 2 abgestimmt. Hierfür kommen insbesondere aber nicht abschließend HART-, PROFIBUS- oder FOUNDATION-Feldbus-Busprotokoll in Frage.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass jeder Prozessvariablenwert Pm+1 bis Pm+z sowie Pn+1 bis Pn+z aus einer Mehrzahl zeitgleich aufgenommener physikalischer und/oder elektrischer Größen besteht.
  • Der Ablauf der Aufzeichnung der Prozessvariablen ist in 4 anhand eines Ablaufplanes dargestellt. Zunächst wird der jeweils erste Prozessvariablenwert eines Telegramms zusammen mit einem Zeitstempel gespeichert. Solange die letzte beschreibbare Speicherposition im Telegramm noch nicht erreicht ist, wird die nächste Speicherposition angesteuert und der nächste Prozessvariablenwert nach seiner Aufnahme abgespeichert. Nach Erreichen der letzten beschreibbaren Speicherposition im Telegramm wird die Speicherung des Telegramms beendet.
  • Gemäß 5 erfolgt das Auslesen von im Feldgerät 1 auf vorstehende Weise dynamisch gespeicherten Telegrammen 51 und 52 von Prozessvariablen, indem von der zentralen Rechnereinheit 3 aus ein Anforderungstelegramm zum Auslesen des Speichers 5 das Feldgerät 1 über den Datenbus 2, der hier nach Art eines HART-Busses ausgebildet ist, gesendet wird. Daraufhin wird im Feldgerät 1 der Speicher 5 ausgelesen und die Ergebnisse in einem Antworttelegramm verpackt über den Datenbus 2 wieder zurück an die zentrale Rechnereinheit 3 gesendet.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Feldgerät
    2
    Datenbus
    3
    zentrale Rechnereinheit
    4
    Kommunikationsschnittstelle
    5
    Speichereinheit
    51, 52
    Telegramm
    Px
    Prozessvariablenwerte
    Zx
    Zeitstempel
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 4315336 B4 [0003]

Claims (7)

  1. Verfahren zum Protokollieren von Prozessvariablen eines busgesteuerten Automatisierungssystems, bei welchem auswertungsrelevante Prozessvariablen in mindestens einem digitalen Feldgerät (1) zwischengespeichert werden, die nachfolgend von einer mit dem Feldgerät (1) über einen Datenbus (2) verbundenen zentralen Rechnereinheit (3) zur Auswertung ausgelesen werden, dadurch gekennzeichnet, dass auswertungsrelevante Prozessvariablenwerte (Pm bis Pm+z und Pn bis Pn+z) im Feldgerät (1) in Form eines Telegramms (51, 52) zwischengespeichert werden, wobei für jedes Telegramm (51, 52) eine Mehrzahl äquidistant aufeinanderfolgender Prozessvariablenwerte (Pm bis Pm+z und Pn bis Pn+z) aufgenommen aufgenommen werden, dessen erstem Prozessvariablenwert (Pm und Pn) ein Zeitstempel (Zm, Zn) zugeordnet wird, und wobei weitere Prozessvariablenwerte (Pm+1 bis Pm+z und Pn+1 bis Pn+z) in weiteren gleichartigen Telegrammen (51, 52) gespeichert werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Telegrammen (51, 52) chronologisch aufeinanderfolgend abrufbereit vorgehalten werden, bis sie nach Maßgabe eines in der zentralen Rechnereinheit (3) implementierten auf die mindestens eine Speichereinheit (5) ausgerichteten Kommunikationsdienstes ausgelesen werden.
  3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinheit (5) dadurch initialisiert wird, dass zwei Speicherplätze mit dem zuerst abgetasteten Prozessvariablenwert (Pm, Pn) mit jeweils zugeordnetem Zeitstempel (Zm, Zn) gespeichert werden.
  4. Elektronische Einrichtung zum Protokollieren von Prozessvariablen eines busgesteuerten Automatisierungssystems, bei welchem auswertungsrelevante Prozessvariablen in mindestens einem digitalen Feldgerät (1) zwischenspeicherbar sind, welche nachfolgend von einer mit dem Feldgerät (1) über einen Datenbus (2) verbundenen zentralen Rechnereinheit (3) zur Auswertung auslesbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Feldgerät (1) zur Zwischenspeicherung eine Speichereinheit (5) aufweist, die zur Aufnahme von Telegrammen (51, 52), die jeweils einen Zeitstempel (Zm, Zn) und ein Folge äquidistant abgetasteter Prozessvariablenwerte (Pm bis Pm+z und Pn bis Pn+z) umfassen, ausgebildet ist.
  5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zentrale Rechnereinheit (3) diese abgespeicherten Telegrammen (51, 52) nach Maßgabe eines hierin implementierten auf die mindestens eine Speichereinheit (5) ausgerichteten Kommunikationsdienstes ausliest.
  6. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinheit (5) als Ringspeicher ausgebildet ist.
  7. Einrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Feldgerät (1) über ein HARD-, PROFIBUS- oder FOUNDATION-Feldbus-Busprotokoll mit einer nach Art eines Personalcomputers ausgebildeten zentralen Rechnereinheit (3) verbunden ist.
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