Automatisierungsprojekte Software-Planung und -Definition in der Automatisierung

1. AutomatisierungsprojekteSoftware-Planung und -Definition in der Automatisierung Prof. Dr. Norbert LinkEmail: norbert.link@fh-karlsruhe.dehttp://www.fbi.fh-karlsruhe.de/~lino0001/

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 1/2

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 1/3

4. 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

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

6. Aufgabe und Motivation Information im Rückkopplungskreis Sollgrößen Stellgrößen Regler Prozess S Ausgang Sensoren Zustands-größen 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

7. Brenn- stoff- pumpe 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 + + S S + Brenner PID - Regler (analog aus Operationsverstärkern oder digital mit Mikroprozessor) Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/7

8. 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 B 737-300 Einroll- leitlinie Flughafengebäude Rollfeld Display Videokamera Stoppposition Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/8

9. 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

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

11. 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

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

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

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

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

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

17. 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 B 737-300 Einroll- leitlinie Flughafengebäude Rollfeld Display Videokamera Stopposition Vorlesung Automatisierungsprojekte Seite 1/17

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

19. 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

20. Docking Guidance System Beispielprojekt Innovative Komponente: Aircraft Situation Monitoring and Positioning Segment (ASMPS) Gate-Nr, Gateankunft (Soll), Flugzeugtyp, Flugnummer Gate 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

21. Docking Guidance System Beispielprojekt 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

22. Docking Guidance System Beispielprojekt 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

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

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

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

26. Docking Guidance System Beispielprojekt 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

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

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

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

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

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

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

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

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

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