1 automatisierungsprojekte software-planung und -definition in der automatisierung prof. dr. norbert...
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1
Automatisierungsprojekte
Software-Planung und -Definition in der Automatisierung
Prof. Dr. Norbert LinkEmail: norbert.link@fh-karlsruhe.de
http://www.fbi.fh-karlsruhe.de/~lino0001/
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/2
Aufgabe und Motivation
Automatisierung:
• Begriff 1946 in Automobilindustrie eingeführt: D.S. Harder (Ford Motor Company)
• Technologie für Durchführung von Prozessen mittels programmierter Befehle und Steuerung auf Grundlage automatischer Rückmeldung zur Sicherstellung der richtigen Ausführung der Befehle.
• Das resultierende System kann seine Aufgabe ohne menschliches Zutun erfüllen.
• Die Entwicklung dieser Technologie wird immer stärker abhängig vom Einsatz von Computern und Computertechnologie.
• Dadurch können automatisierte Systeme immer ausgefeilter und komplexer werden.
• Fortgeschrittene Systeme realisieren Fähigkeiten und Leistungen, welche den Menschen in vielerlei Hinsicht übertreffen.
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/3
Verbindung zu anderen Vorlesungen
Automatisierung 1:• Regler• Automatisierungsrechner• Kommunikation und Bussysteme in der Automatisierung• Prozesssignale und -peripherie• Sensoren und Aktoren• Echtzeitprogrammierverfahren• Programmiersprachen in der Automatisierung
Software-Technik:• Grundlagen: SE-Prozesse und Vorgehensmodelle, Objektorientierung• UML• Prozessmodelle• Objektorientierte Analyse• Objektorientiertes Design
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/4
Aufgabe und Motivation
Automatisierungssysteme basieren auf drei Grundbausteinen:• Energiequellen• Rückkopplungseinrichtungen• Maschinenprogramm
Aktivitäten eines automatisierten SystemsBearbeitung
Durch Einsatz von Energie wird auf ein Objekt eine Operation ausgeführt (Verformung eines Werkstücks, Schalten einer Telekommunikationsverbindung, Veränderung von Daten in einem Informationssystem).
ÜbertragungTransfer von Objekten zwischen Verarbeitungsstationen (Werkstücke zwischen Maschinen, elektrische Signale in Telekommunikation, Datentransfer in Informationssystemen)
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/5
Schema eines Automatisierungssystems
Programm-eingabe
Programm-speicher
Programm-Befehle
Regler ProzessAusgang
Sensoren
Steuerung einer Folge von Sollwertvorgaben für eine Menge von Rückkopplungskreisen
Geschlossener Rückkopplungskreis
Aufgabe und Motivation
WandlerSollgrößen
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/6
Information im Rückkopplungskreis
Regler ProzessAusgang
Sensoren
Sensoren: 1) einfache physikalische Wandler, transformieren Prozessgröße (z.B. Temperatur) in ein elektrisches Signal .2) komplexe Sensor/Rechner-Systeme, welche für eine Prozessbeeinflussung nötige Information extrahieren (z.B. im Automobil die Zustandsgrößen der Objekte in der Umgebung).Regler: 1) einfache elektrische Schaltkreise sein (z.B. Bimetall).2) komplexe Informationsauswertungsverfahren auf Rechnersystemen, welche über die Art und Stärke einer Prozessbeeinflussung entscheiden (z.B. Art von Werbemaßnahmen).
Aufgabe und Motivation
Zustands-größen
StellgrößenSollgrößen
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/7
Einfaches AutomatisierungssystemBeispiel eines sehr einfachen Automatisierungssystems:
Regelung der Heizkesseltemperatur auf eine von der Heizungssteuerung vorgegebene Temperatur
Einfacher Sensor, einfacher Regler
Kessel Temperaturfühler Ui = cT (T-T0)Istwert
SteuerungSollwert Us
-
+ isp UUc
dtUUc isi
isd UUdt
dc
+++
PID - Regler(analog aus Operationsverstärkern
oder digital mit Mikroprozessor)
BrennerBrenn-stoff-pumpe
Aufgabe und Motivation
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/8
Komplexes AutomatisierungssystemBeispiel für ein komplexes Automatisierungssystem: Docking Guidance System (DGS)Systemleistung: Leitung des Flugzeugpiloten mittels Display auf die für den Flugzeugtyp vorgeschriebene Stopposition; Registrierung On-block-time; Dokumentation Andockvorgang.Sensor für Bugradposition und Achsenwinkel eines anrollenden Flugzeugs auf Basis von Video-Bildsequenzen.
Flugha
feng
ebäu
de
Passagierbrücke
Rollfeld
Einroll-leitlinie
StopppositionVideokamera
B 737-300
Display
Aufgabe und Motivation
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/9
Komplexes AutomatisierungssystemDGS als Subsystem im Flughafeninformationssystem
Leitsystem
Tower
Vorfeld-kontrolle
Gate
Touchdownzeit, Flugzeugtyp, Flugnummer
Gate-Nr, Gateankunft (Soll), Flugzeugtyp, Flugnummer
Gateankunftzeit (ist), Stopposition, On-block time
ADSRegler:DisplayVideo-
aus-wertung
Flugzeugmodell
Status, Position, Winkel, Zeit
TypLage
Aufgabe und Motivation
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/10
Komplexes AutomatisierungssystemVernetzte Steuergeräte im Automobil
BMW der 7er-Serie (E65) (Quelle: BMW AG)
Aufgabe und Motivation
Demo
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/11
Komplexes AutomatisierungssystemUnd natürlich die Fertigung
Quelle: VA TECH ELIN EBG
„Rohbaumontageanlgen mit flexiblen Fertigungszellen - eine Herausforderung für die Automatisierung. Firma AUDI errichtet in Ingoldstadt 2 Fertigungslinien für den neuen A4. VA TECH ELIN EBG plante, lieferte und montierte die gesamte elektrotechnische Ausrüstung für die 2 Vorder- und Hinterbodenlinien und automatisierte beide Hinterbodenanlagen.“
Liefer-und Leistungsumfang Automation: SPS-Softwareerstellung (Step 7) und Inbetriebnahme für 45 Fertigungszellen, Prozessvisualisierung mit WinCC auf 45 Bedienpulten, Schnittstellenengineering, Leitsystemanbindung über Ethernet, Profibusanbindung der Bedienpulte und Messstationen,Dezentrale I/O's über INTERBUS-S
Aufgabe und Motivation
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/12
Komplexes AutomatisierungssystemAls kleines Abbild der Wirklichkeit zum Üben: Auto-Labor
Aufgabe und Motivation
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/13
Komplexes AutomatisierungssystemAls kleines Abbild der Wirklichkeit zum Üben: Auto-Labor
Aufgabe und Motivation
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/14
Beherrschung der Komplexität
Anforderungen eines Automatiserungsprojektes
Vollständige Erfassung der AufgabenstellungVollständige Erfassung der Randbedingungen
• Technisch• Wirtschaftlich• Rechtlich • Wettbewerb
Technisches LösungskonzeptProjektplanung und -managementSystemarchitekturHW/SW-DesignImplementierungInbetriebnahmeAbnahme/Tests
Aufgabe und Motivation
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/15
Machbarkeit: Vorstufe zum technischen Lösungskonzept
Möglich? Sinnvoll? Lohnend?
Aussagen zu• Nutzen des angestrebten Automatisierungssystems (Ammortisation)• Vorhandene Lösungsansätze• Zeit- und Kostenbedarf von Lösungskomponenten (Aufwand)• Identifikation von Projektrisiken (Kritikalität für Projekt und Produkt)• Auswirkung relevanter Vorschriften und Richtlinien• Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit• Wartungs- und Schulungsaufwand• Produktlebensdauer
MachbarkeitAufgabe und Motivation
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/16
Komponenten von Automatisierungsprojekten
Produktzyklus und ProzessmodelleProjektvorphasenRequirement EngineeringModellierung (formale Spezifikation) von Automatisierungssystemen
ZustandsautomatenPetri-NetzeSA/RTDynamisches Verhalten in UML
ProjektplanungAngebotserstellungSystemintegrationTest und Abnahme
LernzieleAufgabe und Motivation
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/17
Docking Guidance SystemDocking Guidance System (DGS)Systemleistung: Leitung des Flugzeugpiloten mittels Display auf die für den Flugzeugtyp vorgeschriebene Stopposition; Registrierung On-block-time; Dokumentation Andockvorgang.Besonderheit: Sensor für Bugradposition und Achsenwinkel eines anrollenden Flugzeugs auf Basis von Video-Bildsequenzen.Gründe ? Flughafen Hersteller
Flugha
feng
ebäu
de
Passagierbrücke
Rollfeld
Einroll-leitlinie
StoppositionVideokamera
B 737-300
Display
Beispielprojekt
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/18
Docking Guidance System
Beispielprojekt
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/19
DGS als Subsystem im Flughafeninformationssystem
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
Leitsystem
Tower
Vorfeld-kontrolle
Gate
Touchdownzeit, Flugzeugtyp, Flugnummer
Gate-Nr, Gateankunft (Soll), Flugzeugtyp, Flugnummer
Gateankunftzeit (ist), Stopposition, On-block time
ADSRegler:DisplayVideo-
aus-wertung
Flugzeugmodell
Status, Position, Winkel, Zeit
TypLage
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/20
Innovative Komponente: Aircraft Situation Monitoring and Positioning Segment (ASMPS)
GateGateankunftzeit (ist), Stopposition, On-block time
ADSRegler:Display
ASMPS Flugzeugmodell
Status, Position, Winkel, Zeit
TypLage
Gate-Nr, Gateankunft (Soll), Flugzeugtyp, Flugnummer
Systemanforderungen „Sensor“ ASMPS:Primärsensor: CCD- oder HDRC- Videokamera mit Tageslich/Flutlichtmit 576*768 Pixel (Sensorelementen)Standard-PC-System, Betriebssystem Windows NTInformationsgewinnung mit Mindestmeßfrequenz 12 HzBugradposition +/- 0,2 m, Winkel Flugzeugachse/Leitlinie +/-2°FehltyperkennungPushbackerkennungMulti-Leitlinien-FähigkeitAllwetterfähigkeit bis Cat III Sichtbedingung
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/21
Sensorkomponente ASMPS („Videoauswertung“)
Aufgabe: Extraktion der interessierenden Informationen aus dem Strom der Kamerasignale
1. Bugrad-Position und Winkellage der Flugzeugachse zur Ansteuerung des Reglers (Display für den Piloten)2. Detektion des Stillstandes des Flugzeuges3. Detektion des Beginns des „Push-Back“-Vorganges4. Erkennung „falscher“ andockender Flugzeuge5. Unempfindlichkeit gegen andere Fahrzeuge6. Zuverlässigkeit der Messung7. Echtzeitfähigkeit
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/22
R&D-Komponenten des ASMPS
1. Informationsgewinnung durch ModellanpassungFlugzeugmodell aus Triebwerkseinlass, Windshield, Hauptfahrwerk und deren geometrischen Zusammenhang wird an Bildinhalt (Merkmale) angepaßt.Übereinstimmungsmaß: Kreuzkovarianz
2. Kamerakalibrierung und Zuordnung Bildkoordinaten-Weltkoordinaten
Fangbereich
Templates,starres Gitter
Centerline
Stopposition
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/23
Subkomponente Merkmalsextraktion
Ziel:geringe Beleuch-tungsabhängigkeit
Zeit
Flugzeug-Template
Raumkanten
Original
Raum-Zeit-Kanten
R&D-Komponenten des ASMPS
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/24
3D-Template an Suchpositiontransformieren
Suchposition festlegen
Start
F lu g ze ug p o sitio n ü b er 3 D -F it b ere ch n e n
T ra c k in g
KKV berechnen für Umgebungum Suchposition
Template gefundenKKV>Schwellwert
Nein
Ja
Bild einziehen
1
41
81
121
161
201241
281321
361
ce3ce5
ce24
ce20
ce16
ce12
ce17
ce13
ce10
ce21
ce23
ce26ce9ce2
- 0.100.10.20.30.40.50.6
0.7
0.8
0.9
Korrelationsw
ert
Bild-Nr.Sequenz
Korrelationsverlauf beim Vorgang "Searching" für Sequenzen mit folgenden Merkmalen: Flugzeugtyp: 737; Kamera: color; Mittelwert-Template. ce3
ce4
ce5
ce25
ce24
ce19
ce20
ce8
ce16
ce15
ce12
ce6
ce17
ce18
ce13
ce14
ce10
ce11
ce21
ce22
ce23
ce7
ce26
ce27
ce9
ce1
ce2
R&D-Komponenten des ASMPS
3. Suchen eines Flugzeuges im Videobildstrom
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/25
Template an aktuelle Flugzeugposition transformieren
Aktuelle Flugzeugposition aus "Searching"
Start
Stop-Postion
KKV für Templateberechnen
ja
nein
Stop
Aktuelle Flugzeugposition über 3D-Fit berechnen
Bild einziehen
Template mit aktuellemBildinhalt überblenden
R&D-Komponenten des ASMPS
4. Verfolgung „Tracking“ eines Flugzeugs
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/26
R&D-Komponenten des ASMPS
5. Detektion des Pushback-Vorgangs
6. Detektion eines unangemeldeten Flugzeugs
5. Bestimmung der Sichtbedingungen
6. Selbsttest
7. Kalibrierung
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/27
ASMPS: Software
BESCHREIBUNG DER SOFTWAREKOMPONENTEN.................................................................................8
DOKUMENTATIONSSCHEMA ......................................................................................................................................8MODULE ...................................................................................................................................................................9
ASMPS.................................................................................................................................................................9TOOLS.................................................................................................................................................................9TSAI30B3 ............................................................................................................................................................9
KLASSEN DES MODULS ASMPS .............................................................................................................................10Asmps ................................................................................................................................................................10Asmp..................................................................................................................................................................11PatternGrid3D...................................................................................................................................................13AreaRect ............................................................................................................................................................14CalMark ............................................................................................................................................................15ImageSeqBlock ..................................................................................................................................................15RawData............................................................................................................................................................16
KLASSEN DES MODULS TOOLS .............................................................................................................................16ByteMath ...........................................................................................................................................................17CalibrationPoint................................................................................................................................................17CameraModel....................................................................................................................................................18CameraModelTsai30B3.....................................................................................................................................18ProjectiveTransformation1D.............................................................................................................................20ProjectiveTransformation2D.............................................................................................................................20Image.................................................................................................................................................................21SingleImageIPO ................................................................................................................................................22DualImageIPO ..................................................................................................................................................22MultiImageIPO..................................................................................................................................................23SpatialSobelIPO................................................................................................................................................23ThresholdIPO ....................................................................................................................................................24TimeGradientIPO..............................................................................................................................................24KontronImage....................................................................................................................................................25KontronImageSequence.....................................................................................................................................25Pattern2D..........................................................................................................................................................26Pattern3D..........................................................................................................................................................27Point2D .............................................................................................................................................................27Point3D .............................................................................................................................................................28Pos2D................................................................................................................................................................28Pos3D................................................................................................................................................................28Rect....................................................................................................................................................................29
GLOBALE FUNKTIONEN DES MODULS TOOLS .......................................................................................................30Gauss.................................................................................................................................................................30LeastSquare.......................................................................................................................................................30
FUNKTIONEN DER KLASSE ASMPS ..........................................................................................................................30Konstruktor........................................................................................................................................................30Destruktor..........................................................................................................................................................31Calibrate............................................................................................................................................................31InitDockingProcedure .......................................................................................................................................32Search................................................................................................................................................................32Track..................................................................................................................................................................33PushBackDetect.................................................................................................................................................33CloseDockingProcedure....................................................................................................................................34SystemCheck......................................................................................................................................................34Size ....................................................................................................................................................................34SizeX..................................................................................................................................................................35SizeY ..................................................................................................................................................................35
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/28
ASMPS Test: Robustheitsergebnisse
1
38
75
112
149
186
223
260
297
334
371
t3d_
3
t3d_
4
t3d_
5
t3d_
25
t3d_
24
t3d_
19
t3d_
20
t3d_
8
t3d_
16
t3d_
15t3
d_12
t3d_
6t3
d_17
t3d_
18t3
d_13
t3d_
14t3
d_10
t3d_
11t3
d_21
t3d_
22t3
d_23
t3d_
7t3
d_26
t3d_
27t3
d_9
t3d_
1t3
d_2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Korrelationswert
Bild-Nr.
Sequenz
KKV-Werte für "Tracking" Vorgang; Fluzeugtyp: 737; Kamera: SW; 3D; 5 Pt3d_3
t3d_4
t3d_5
t3d_25
t3d_24
t3d_19
t3d_20
t3d_8
t3d_16
t3d_15
t3d_12
t3d_6
t3d_17
t3d_18
t3d_13
t3d_14
t3d_10
t3d_11
t3d_21
t3d_22
t3d_23
t3d_7
t3d_26
t3d_27
t3d_9
t3d_1
t3d_2
Produkt
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/29
ASMPS Test: Auswerteergebnisse Betrieb
Andockvorgänge Pushbackvorgänge
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
B 747
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/30
ASMPS Test: Auswerteergebnisse Betrieb
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
B 757Nacht
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/31
ASMPS Test: Auswerteergebnisse Betrieb
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
MD 87Tag
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/32
ASMPS Test: Auswerteergebnisse Betrieb
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
A 320Tag
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/33
ASMPS Test: Auswerteergebnisse Betrieb
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
A 321Nacht
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/34
ASMPS Test: Auswerteergebnisse Betrieb
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
B757Tag
Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/35
ASMPS Videosensor
Docking Guidance SystemBeispielprojekt
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