1 Automatisierungsprojekte Software-Planung und -Definition in der Automatisierung Prof. Dr. Norbert Link Email: [email protected] lino0001

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Automatisierungsprojekte

Software-Planung und -Definition in der Automatisierung

Prof. Dr. Norbert LinkEmail: [email protected]

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.


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



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)


Schema eines Automatisierungssystems

Programm-eingabe

Programm-speicher

Programm-Befehle

Regler ProzessAusgang

Sensoren

Steuerung einer Folge von Sollwertvorgaben für eine Menge von Rückkopplungskreisen

Geschlossener Rückkopplungskreis


WandlerSollgrößen


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).


Zustands-größen

StellgrößenSollgrößen


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



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



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



Komplexes AutomatisierungssystemVernetzte Steuergeräte im Automobil

BMW der 7er-Serie (E65) (Quelle: BMW AG)


Demo


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



Komplexes AutomatisierungssystemAls kleines Abbild der Wirklichkeit zum Üben: Auto-Labor



Komplexes AutomatisierungssystemAls kleines Abbild der Wirklichkeit zum Üben: Auto-Labor



Beherrschung der Komplexität

Anforderungen eines Automatiserungsprojektes

Vollständige Erfassung der AufgabenstellungVollständige Erfassung der Randbedingungen

• Technisch• Wirtschaftlich• Rechtlich • Wettbewerb

Technisches LösungskonzeptProjektplanung und -managementSystemarchitekturHW/SW-DesignImplementierungInbetriebnahmeAbnahme/Tests



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


Komponenten von Automatisierungsprojekten

Produktzyklus und ProzessmodelleProjektvorphasenRequirement EngineeringModellierung (formale Spezifikation) von Automatisierungssystemen

ZustandsautomatenPetri-NetzeSA/RTDynamisches Verhalten in UML

ProjektplanungAngebotserstellungSystemintegrationTest und Abnahme

LernzieleAufgabe und Motivation


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


Docking Guidance System

Beispielprojekt


DGS als Subsystem im Flughafeninformationssystem

Docking Guidance SystemBeispielprojekt

Leitsystem

Tower

Vorfeld-kontrolle

Gate

Touchdownzeit, Flugzeugtyp, Flugnummer


Gateankunftzeit (ist), Stopposition, On-block time

ADSRegler:DisplayVideo-

aus-wertung

Flugzeugmodell


TypLage


Innovative Komponente: Aircraft Situation Monitoring and Positioning Segment (ASMPS)

GateGateankunftzeit (ist), Stopposition, On-block time

ADSRegler:Display

ASMPS Flugzeugmodell


TypLage


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



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



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



Subkomponente Merkmalsextraktion

Ziel:geringe Beleuch-tungsabhängigkeit

Zeit

Flugzeug-Template

Raumkanten

Original

Raum-Zeit-Kanten




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

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81

121

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201241

281321

361

ce3ce5

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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

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ce8

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ce15

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ce14

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ce21

ce22

ce23

ce7

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ce27

ce9

ce1

ce2


3. Suchen eines Flugzeuges im Videobildstrom



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


4. Verfolgung „Tracking“ eines Flugzeugs




5. Detektion des Pushback-Vorgangs

6. Detektion eines unangemeldeten Flugzeugs

5. Bestimmung der Sichtbedingungen

6. Selbsttest

7. Kalibrierung



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



ASMPS Test: Robustheitsergebnisse

1

38

75

112

149

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260

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334

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t3d_

3

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4

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5

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15t3

d_12

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6t3

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18t3

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14t3

d_10

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d_21

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27t3

d_9

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d_2

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0.4

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0.8

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Korrelationswert

Bild-Nr.

Sequenz

KKV-Werte für "Tracking" Vorgang; Fluzeugtyp: 737; Kamera: SW; 3D; 5 Pt3d_3

t3d_4

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t3d_2

Produkt



ASMPS Test: Auswerteergebnisse Betrieb

Andockvorgänge Pushbackvorgänge


B 747




B 757Nacht




MD 87Tag




A 320Tag




A 321Nacht




B757Tag


ASMPS Videosensor


Documents

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