Automatisierungsprojekte Software-Planung und -Definition in der Automatisierung Prof. Dr. Norbert Link Email: norbert.link@fh-karlsruhe.de http://www.fbi.fh-karlsruhe.de/~lino0001/

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 1/2

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 1/3

Aufgabe und Motivation Automatisierungssysteme basieren auf drei Grundbausteinen: Energiequellen Rückkopplungseinrichtungen Maschinenprogramm Aktivitäten eines automatisierten Systems Bearbeitung Durch Einsatz von Energie wird auf ein Objekt eine Operation ausgeführt (Verformung eines Werkstücks, Schalten einer Telekommunikationsverbindung, Veränderung von Daten in einem Informationssystem). Übertragung Transfer von Objekten zwischen Verarbeitungsstationen (Werkstücke zwischen Maschinen, elektrische Signale in Telekommunikation, Datentransfer in Informationssystemen) Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/4

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/5 Aufgabe und Motivation Schema eines Automatisierungssystems Steuerung einer Folge von Sollwertvorgaben für eine Menge von Rückkopplungskreisen Programm- eingabe Programm- speicher Programm- Befehle Wandler Sollgrößen Regler Prozess S Ausgang Sensoren Geschlossener Rückkopplungskreis Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/5

Information im Rückkopplungskreis Aufgabe und Motivation Information im Rückkopplungskreis Sollgrößen Stellgrößen Regler Prozess S Ausgang Zustands- größen 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). Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/6

Einfaches Automatisierungssystem Aufgabe und Motivation Einfaches Automatisierungssystem Beispiel 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 - + + Steuerung Sollwert Us + Brenn- stoff- pumpe S S + Brenner PID - Regler (analog aus Operationsverstärkern oder digital mit Mikroprozessor) Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/7

Komplexes Automatisierungssystem Aufgabe und Motivation Komplexes Automatisierungssystem Beispiel 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. Passagierbrücke Einroll- leitlinie B 737-300 Flughafengebäude Rollfeld Display Videokamera Stoppposition Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/8

Komplexes Automatisierungssystem Aufgabe und Motivation Komplexes Automatisierungssystem DGS als Subsystem im Flughafeninformationssystem Tower Touchdownzeit, Flugzeugtyp, Flugnummer Leitsystem Vorfeld- kontrolle Gate-Nr, Gateankunft (Soll), Flugzeugtyp, Flugnummer Gate Gateankunftzeit (ist), Stopposition, On-block time Regler: Display ADS Typ Lage Video- aus- wertung Flugzeugmodell Status, Position, Winkel, Zeit Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/9

Komplexes Automatisierungssystem Aufgabe und Motivation Komplexes Automatisierungssystem Vernetzte Steuergeräte im Automobil Demo BMW der 7er-Serie (E65) (Quelle: BMW AG) Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/10

Komplexes Automatisierungssystem Aufgabe und Motivation Komplexes Automatisierungssystem Und natürlich die Fertigung „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.“ Quelle: VA TECH ELIN EBG 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 Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/11

Komplexes Automatisierungssystem Aufgabe und Motivation Komplexes Automatisierungssystem Als kleines Abbild der Wirklichkeit zum Üben: Auto-Labor Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/12

Komplexes Automatisierungssystem Aufgabe und Motivation Komplexes Automatisierungssystem Als kleines Abbild der Wirklichkeit zum Üben: Auto-Labor Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/13

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/14 Aufgabe und Motivation Beherrschung der Komplexität Anforderungen eines Automatiserungsprojektes Vollständige Erfassung der Aufgabenstellung Vollständige Erfassung der Randbedingungen Technisch Wirtschaftlich Rechtlich Wettbewerb Technisches Lösungskonzept Projektplanung und -management Systemarchitektur HW/SW-Design Implementierung Inbetriebnahme Abnahme/Tests Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/14

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/15 Aufgabe und Motivation Machbarkeit 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 Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/15

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/16 Aufgabe und Motivation Lernziele Komponenten von Automatisierungsprojekten Produktzyklus und Prozessmodelle Projektvorphasen Requirement Engineering Modellierung (formale Spezifikation) von Automatisierungssystemen Zustandsautomaten Petri-Netze SA/RT Dynamisches Verhalten in UML Projektplanung Angebotserstellung Systemintegration Test und Abnahme Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/16

Docking Guidance System Beispielprojekt Docking Guidance System Docking 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 Passagierbrücke Einroll- leitlinie B 737-300 Flughafengebäude Rollfeld Display Videokamera Stopposition Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/17

Docking Guidance System Beispielprojekt Docking Guidance System Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/18

Docking Guidance System Beispielprojekt Docking Guidance System DGS als Subsystem im Flughafeninformationssystem Tower Touchdownzeit, Flugzeugtyp, Flugnummer Leitsystem Vorfeld- kontrolle Gate-Nr, Gateankunft (Soll), Flugzeugtyp, Flugnummer Gate Gateankunftzeit (ist), Stopposition, On-block time Regler: Display ADS Typ Lage Video- aus- wertung Flugzeugmodell Status, Position, Winkel, Zeit Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/19

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/20 Beispielprojekt Docking Guidance System Innovative Komponente: Aircraft Situation Monitoring and Positioning Segment (ASMPS) Gate Gate-Nr, Gateankunft (Soll), Flugzeugtyp, Flugnummer Gateankunftzeit (ist), Stopposition, On-block time Regler: Display ADS Typ Lage ASMPS Flugzeugmodell Status, Position, Winkel, Zeit Systemanforderungen „Sensor“ ASMPS: Primärsensor: CCD- oder HDRC- Videokamera mit Tageslich/Flutlicht mit 576*768 Pixel (Sensorelementen) Standard-PC-System, Betriebssystem Windows NT Informationsgewinnung mit Mindestmeßfrequenz 12 Hz Bugradposition +/- 0,2 m, Winkel Flugzeugachse/Leitlinie +/-2° Fehltyperkennung Pushbackerkennung Multi-Leitlinien-Fähigkeit Allwetterfähigkeit bis Cat III Sichtbedingung Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/20

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/21 Beispielprojekt Docking Guidance System 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 Flugzeuges 3. Detektion des Beginns des „Push-Back“-Vorganges 4. Erkennung „falscher“ andockender Flugzeuge 5. Unempfindlichkeit gegen andere Fahrzeuge 6. Zuverlässigkeit der Messung 7. Echtzeitfähigkeit Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/21

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/22 Beispielprojekt Docking Guidance System R&D-Komponenten des ASMPS 1. Informationsgewinnung durch Modellanpassung Flugzeugmodell aus Triebwerkseinlass, Windshield, Hauptfahrwerk und deren geometrischen Zusammenhang wird an Bildinhalt (Merkmale) angepaßt. Übereinstimmungsmaß: Kreuzkovarianz 2. Kamerakalibrierung und Zuordnung Bildkoordinaten-Weltkoordinaten Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/22

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/23 Beispielprojekt Docking Guidance System R&D-Komponenten des ASMPS Subkomponente Merkmalsextraktion Ziel: geringe Beleuch- tungsabhängigkeit Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/23

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/24 Beispielprojekt Docking Guidance System R&D-Komponenten des ASMPS 3. Suchen eines Flugzeuges im Videobildstrom Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/24

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/25 Beispielprojekt Docking Guidance System R&D-Komponenten des ASMPS 4. Verfolgung „Tracking“ eines Flugzeugs Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/25

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/26 Beispielprojekt Docking Guidance System R&D-Komponenten des ASMPS 5. Detektion des Pushback-Vorgangs 6. Detektion eines unangemeldeten Flugzeugs 5. Bestimmung der Sichtbedingungen 6. Selbsttest 7. Kalibrierung Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/26

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/27 Beispielprojekt Docking Guidance System ASMPS: Software Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/27

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/28 Beispielprojekt Docking Guidance System ASMPS Test: Robustheitsergebnisse Produkt Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/28

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/29 Beispielprojekt Docking Guidance System ASMPS Test: Auswerteergebnisse Betrieb Andockvorgänge Pushbackvorgänge B 747 Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/29

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/30 Beispielprojekt Docking Guidance System ASMPS Test: Auswerteergebnisse Betrieb B 757 Nacht Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/30

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/31 Beispielprojekt Docking Guidance System ASMPS Test: Auswerteergebnisse Betrieb MD 87 Tag Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/31

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/32 Beispielprojekt Docking Guidance System ASMPS Test: Auswerteergebnisse Betrieb A 320 Tag Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/32

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/33 Beispielprojekt Docking Guidance System ASMPS Test: Auswerteergebnisse Betrieb A 321 Nacht Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/33

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/34 Beispielprojekt Docking Guidance System ASMPS Test: Auswerteergebnisse Betrieb B757 Tag Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/34

Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/35 Beispielprojekt Docking Guidance System ASMPS Videosensor Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/35