Schnelles Smartkamera-System für Feldbusanwendungen

IPC-gestützte Bildverarbeitung in der industriellen Automation

  • IPC-gestützte Bildverarbeitung  in der industriellen Automation  (Bildquelle: mrs veronik/iStock)IPC-gestützte Bildverarbeitung in der industriellen Automation (Bildquelle: mrs veronik/iStock)
  • IPC-gestützte Bildverarbeitung  in der industriellen Automation  (Bildquelle: mrs veronik/iStock)
  • Die Leitidee für das Smartkamera-System war es, aufeinander abgestimmte ­Komponenten vorinstalliert und vorkonfiguriert sowie betriebsfertig und e­inschaltbereit als ein Produkt anzubieten. (Bildquelle: Spectra)

Ein wesentlicher Vorteil des von zwei Partnerfirmen entwickelten Smartkamera-Systems gegenüber Einzelgeräten besteht darin, dass alle Komponenten aufeinander abgestimmt sind und das System vorinstalliert und vorkonfiguriert sowie betriebsfertig und einschaltbereit ausgeliefert wird. Zudem lässt es sich variabel in die bestehende Feldbus­umgebung einbinden. Als Basis dient ein kompakter Mini-PC.

Die industrielle Bildverarbeitung (IBV) dringt in immer mehr Bereiche der Automation vor. Dabei besetzt sie nicht nur klassische Bildverarbeitungs-Themen wie das Erkennen von Schrift, Zeichen oder Barcodes, sondern unterstützt oder ersetzt zunehmend vorhandene Sensortechnik, zum Beispiel bei der Positionsbestimmung im Produktionsprozess oder bei der Qualitätssicherung. Zwei Faktoren bestimmen die heute immer noch andauernde steile Entwicklung in der industriellen Bildverarbeitung: Die Verfügbarkeit leistungsfähiger und universell einsetzbarer Industrie-Kameras zu einem immer günstiger werdenden Preis und Hard- und Software auf Basis kompakter, für die maschinennahe Verwendung ausgelegter Industrie-PCs.

Die Herausforderung: Integration in die Steuerungstechnik

Automatisierer stehen beim Einsatz dieser Technik gleichzeitig mehreren Herausforderungen gegenüber: Der Bilderfassung, der Bildauswertung und – für sie besonders wichtig – die Übergabe der Ergebnisse der Bildauswertung an die Steuerungstechnik, meist eine SPS nebst Feldbus bzw. Industrial-Ethernet-Lösungen. Erst die schnelle, vielleicht sogar synchrone Kopplung der Bildverarbeitung an die SPS sowie an den Controller und die Aktoren des technischen Prozesses bringt den eigentlichen Vorteil gegenüber manueller oder halbautomatischer Verfahren, wie die reine Beobachtung durch den Benutzer oder die Beurteilung eines aufgenommenen Bildes am PC-Bildschirm. Diese Anbindung muss flexibel, intelligent und sehr schnell sein. In modernen Produktionsanlagen ist die typische Taktung in der Größenordnung einiger Millisekunden. Mehr Zeit gibt es zum Beispiel für das Erkennen und Aussortieren fehlerhafter Erzeugnisse im Rahmen der Endkontrolle nicht.

Vereinfachung durch Standards

Bei der Bewältigung dieser Probleme hilft eine Orientierung an in der Industrie gängigen Standards: Eine Standard-Industrie-Kamera mit GigE Vision als Interface- und Genicam als Konfigurationsstandard.

Dazu ein Standard-Industrie-PC mit Windows-Betriebssystem nebst Echtzeiterweiterung und OpenCV als Bildverarbeitungs-Bibliothek sowie Schnittstellen zu weitverbreiteten Ethernet-basierten Feldbussen wie Profinet, Ethercat oder Ethernet/IP. Die Leitidee des von den Partnerfirmen Spectra und Sybera entwickelten Smartkamera-Systems besteht darin, diese aufeinander abgestimmten Komponenten vorinstalliert und vorkonfiguriert sowie betriebsfertig und einschaltbereit dem Automatisierer als ein Produkt anzubieten. Flexibel in der Programmierung, variabel in der Feldbusanbindung und einfach in der Anwendung. Als Basis dient der kompakte Mini-PC Spectra Powerbox 100.

Bilderfassung: von der Linse in den Arbeitsspeicher

Ein gutes Bild ist scharf, kontrastreich, hochauflösend und verzerrungsarm. In allen diesen Eigenschaften Bestwerte zu erreichen, ist aufwendig und teuer. Anwender müssen also Kompromisse eingehen und Zugeständnisse machen. In der schnellen Automatisierung ist dabei insbesondere eine Beschränkung der zu verarbeitenden Datenmenge pro Bild sinnvoll. Es geht also darum, nicht etwa nach dem Motto „viel hilft viel“ zu agieren und so viele Megapixel und Grauwerte wie eben möglich zu erfassen, sondern im Gegenteil nur so viel Auflösung und Graustufen wie für die jeweilige Anwendung notwendig zu verwenden, um ein klares und eindeutiges Auswerteergebnis zu bekommen.

So ist es in der Regel zielführender, eine gute Beleuchtung zu verwenden und mit einem eingeschränktem Bildbereich (Region of Interest) und geringer Farbtiefe zu arbeiten. Denn das verringert die Speichergröße des Bildes und damit auch die Länge des Datenframes von Kamera zu Industrie-PC um den Faktor 5 bis 10, was einerseits eine höhere Bildrate und somit insgesamt einen wesentlich besseren Durchsatz bedeutet und andererseits eine Synchronisierung mit dem Feldbuszyklus ermöglicht.

Ein Rechenbeispiel: Eine 2 Megapixel Kamera mit 16 Bit Farbtiefe erzeugt ein Bild von 4 Mbyte. Das ergibt mit Gigabit-Ethernet theoretisch 25 Bilder pro Sekunde, die sich jedoch in der Praxis wegen Synchronisierung und Daten-Overhead auf 10 bis 15 Bilder reduzieren. Bei 1 Megapixel und 8 Bit Farbtiefe erreicht das System dagegen 50 und mehr Bilder je Sekunde. Auf der Spectra Powerbox 100 lassen sich diese und weitere Kameraparameter bequem mit dem Software Tool Visiongen einstellen. Die Vorgabewerte des Benutzers werden im Genicam-Format an die Kamera übermittelt und nebenbei wird auch gleich das Kamerabild live am Bildschirm anzeigt.

Bildauswertung parallel zur Erfassung

Die im Industrie-PC ankommenden Bilder werden in einem dafür reservierten als Ring-Buffer organisierten Shared-Memory-Bereich abgelegt und lassen sich nun je nach zeitlicher Anforderung innerhalb des Echtzeit­systems (synchron) oder auch unter Windows (asynchron) analysieren und auswerten. Dazu stehen dem Programmierer die Funktionen der freien Bibliothek OpenCV zur Verfügung. Durch das Zuweisen der Tasks auf jeweils eigene Prozessorkerne wird hier eine echte Parallelität von Bilderfassung, Bildverarbeitung und Feldbusanbindung erreicht. So kann beispielsweise auf dem Prozessor Intel Atom J1900 des Industrie-PCs je ein Kern für die Bilderfassung, die Bildverarbeitung und die Feldbusanbindung und der verbleibende vierte Kern für Windows genutzt werden. Die Synchronisierung der einzelnen Tasks erfolgt über Pulsweitenmodulation der einzelnen Prozessoren zueinander. Für einen Einblick in die Mechanismen und für die Diagnostik des Programmablaufs in den Echtzeittasks steht das Tool SYDBG als Source-Code Debugger zur Verfügung.

Kamerasystem als Feldbus-Master oder -Slave

Der große Vorteil des Spectra-Sybera-Kamerasystems und der wesentliche Unterschied gegenüber den meisten der ultrakompakten Smartkameras der traditionellen Kamerahersteller ist die flexible Integration in die Steuerungstechnik. Über die optionalen, je vier isolierten digitalen Ein-/Ausgänge des Geräts lassen sich einfache OK/nicht OK-Ergebnisse der Bildauswertung bereits direkt als physikalisches Signal an übergeordnete SPSen, Controller oder an entsprechende Aktoren weiterleiten. Auch ein Einsatz als untergeordneter Profinet- oder Ethercat-Slave mit Übermittlung der Bildergebnisse an eine Master-SPS ist möglich, inklusive der dazugehörigen GSDML- bzw. ESI-Konfigurationsdatei. Mit dem Aktivieren des Master-Stack für das gewünschte Feldbus- oder Realtime-Ethernet-Protokoll wird das System schließlich zum alles kontrollierenden Feldbus-Master und vereint so Bildverarbeitung und Feldbussteuerungstechnik in einem kompakten Gehäuse. Dabei hat die Größe des Industrie-PCs nichts mehr gemein mit der klassischen Vorstellung von 4HE-Rack-PCs mit Frame-Grabber-Karten. Vielmehr sind die Abmessungen der lüfterlosen Powerbox mit 150 x 53 x 105 mm nahe an den Anforderungen von Embedded Vision angesiedelt, weshalb sie sich für Anwendungen dicht an der Maschine eignet. Mit diesen spezifischen Eigenschaften empfiehlt sich das Kamerasystem für ein breites Spektrum von Anwendungen in der industriellen Bildverarbeitung (IBV).

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