Řídicí systémy s počítači

Přednášky:
1. Základní pojmy z průmyslové automatizace a počítačového řízení
Hierarchie podnikového a technologického řízení. Využití počítačů v měření, monitorování a řízení technologických procesů.
2. Základní prostředky pro počítačové řídicí systémy
Řídicí počítače, PLC, embedded systémy, vstupně-výstupní rozhraní, operační systémy a programovací prostředky pro řídicí aplikace.
3. Softwarové inženýrství v řídicích systémech
Analýza požadavků, systémová specifikace, význam modelování softwaru, životní cyklus softwaru.
4. Strukturované metody návrhu softwaru
Diagramy datových toků, entitně-relační diagramy, Yourdonova strukturovaná analýza, diagramy stavů a přechodů, rozšíření strukturovaných metod pro systémy reálného času.
5. Objektově orientované metody návrhu softwaru
Principy objektově orientovaného návrhu, třídy, objekty, zapouzdření, dědičnost, polymorfismus a jejich využití při návrhu softwarových systémů.
6. UML a modelování struktury softwaru
Unified Modeling Language. Diagram tříd, diagram objektů, diagram komponent, diagram nasazení a jejich využití při návrhu architektury softwaru.
7. UML a modelování chování softwaru
Diagram aktivit, stavový diagram, popis stavů, přechodů, událostí a podmínek. Využití UML při popisu logiky řídicích aplikací.
8. UML a modelování interakcí softwaru
Sekvenční diagram, komunikační diagram, diagram případů užití, popis interakcí mezi uživatelem, softwarem a technickým systémem. Rozšíření objektově orientovaných metod pro systémy reálného času.
9. Architektura softwarových systémů a návrhové vzory
Architektonické styly, vrstvená architektura, komponentové systémy, návrhové vzory a jejich využití v řídicích aplikacích.
10. Verzování softwaru a správa konfigurací
Principy verzování, správa konfigurací, Git, historický kontext systémů Concurrent Versions System a Subversion.
11. Testování, trasování a ladění softwaru
Typy testů, standardy pro testování, software pro chybové řízení, trasování a ladění aplikací, ověřování správnosti řídicího softwaru.
12. Konkurenční, paralelní a distribuované výpočty v řídicích systémech
Souběžné zpracování, paralelní výpočty, distribuované systémy, vzdálené volání procedur, architektura klient/server.
13. Databáze, Internet věcí, cloud a Průmysl 4.0
Využití databází pro měření a řízení v průmyslu. Ukládání a historizace provozních dat. Internet věcí, cloudové služby, edge computing a jejich využití v průmyslových řídicích systémech.

Semestrální projekt:
Semestrální projekt je zaměřen na analýzu a návrh softwaru pro zadanou úlohu z oblasti počítačových řídicích systémů. Projekt je řešen týmově a jeho cílem je zpracovat ucelenou softwarovou specifikaci, která bude zahrnovat požadavky na systém, návrh jeho struktury, popis chování, interakcí, datových vazeb a základních principů implementace.
V rámci projektu studenti využijí poznatky z přednášek, zejména z oblasti softwarového inženýrství, strukturovaného a objektově orientovaného návrhu, UML modelování, architektury softwarových systémů, verzování, testování a návrhu aplikací pro měření, monitorování a řízení technologických procesů.
Příklady vhodných témat zahrnují například návrh systému chytrého domu, řízení skupiny dronů, parkovací automat, systém nabíjecí infrastruktury pro elektromobilitu, řízení laboratorního nebo průmyslového zařízení, monitorovací systém technologického procesu nebo aplikaci pro sběr, zpracování a vizualizaci provozních dat.

Počítačové laboratoře / cvičení
1. Úvod do cvičení a zadání semestrálního projektu
Seznámení s organizací cvičení, požadavky na semestrální projekt, používanými nástroji a způsobem odevzdávání výstupů.
2. Analýza zadání a specifikace požadavků na řídicí systém
Vymezení řešeného problému, identifikace funkcí systému, uživatelských požadavků, technických omezení a vazeb na řízený proces.
3. Analýza projektu pomocí diagramu datových toků
Modelování toků dat mezi částmi systému, uživateli, technickým zařízením a datovými úložišti.
4. Analýza chování systému pomocí diagramu stavů a přechodů
Popis stavů systému, událostí, přechodových podmínek a reakcí řídicí aplikace na změny vstupů.
5. Modelování projektu pomocí UML – diagram případů užití
Identifikace aktérů, případů užití a základních interakcí mezi uživatelem, softwarem a technickým systémem.
6. Modelování projektu pomocí UML – diagram tříd
Návrh objektové struktury systému, tříd, atributů, metod a vazeb mezi třídami.
7. Modelování projektu pomocí UML – diagram komponent
Rozdělení systému na softwarové komponenty, rozhraní, vazby mezi částmi aplikace a návaznost na technické prostředky.
8. Modelování projektu pomocí UML – stavový diagram
Detailní popis stavového chování vybraných částí řídicího systému, včetně stavů, událostí, přechodů a akcí.
9. Modelování projektu pomocí UML – diagram aktivit
Popis pracovních toků, algoritmů řízení, rozhodovacích větví, paralelních činností a návaznosti jednotlivých operací.
10. Modelování projektu pomocí UML – diagram časování a interakční diagramy
Popis časových vztahů, posloupností událostí a interakcí mezi částmi systému, zejména s ohledem na chování řídicích aplikací.
11. Operační systémy a vývojové prostředky pro řídicí systémy s počítači
Základní seznámení s operačními systémy, vývojovými nástroji, verzováním a prostředky pro implementaci, ladění a testování řídicích aplikací.
12. Zpracování a prezentace semestrálního projektu
Dokončení softwarové specifikace, kontrola úplnosti modelů, příprava projektové dokumentace a prezentace dosažených výsledků.
13. Zápočet
Kontrola splnění požadavků cvičení, odevzdání semestrálního projektu, jeho obhajoba a vyhodnocení výsledků práce.