Über die Nutzung von Ethernet als Kommunikationsplattform in der Industriellen Bildverarbeitung

Ethernet hat sich im industriellen Umfeld durchgesetzt, so auch in der Industriellen Bildverarbeitung. Die Datendurchsätze bei 2,5 und 5GBASE-T bieten eine hohe Performance bei gleichzeitiger Nutzbarkeit vorhandener und kostengünstiger Infrastruktur. Verschiedene Echtzeitlösungen machen Ethernet für die IBV nutzbar, Software- und Kommunikationsstandards sorgen für Interoperabilität.

In Büroumgebungen ist Ethernet heute mit Millionen von Computern und Peripheriegeräten weltweit die bekannteste, bewährteste und daher am weitesten verbreitete Netzwerktechnologie. Seit der Einführung der Ethernet-Technologie im Jahr 1980 und der Standardisierung im Jahr 1983 durch die IEEE 802.3 Norm können Computer über ein Netzwerk mit anderen Computern, Servern, Druckern, Scannern und sonstigen Peripheriegeräten kommunizieren.
Wie alle anderen Netzwerk- und Schnittstellenstandards hat sich Ethernet besonders in der Übertragungsgeschwindigkeit extrem leistungsstark entwickelt. Anfänglich mit dem inzwischen veralteten 10BASE5 (10 MBit/s) führten über 100BASE-T (100 Mbit/s) zu dem heute gängigen 1000BASE-T1 (1 Gbit/s). Besonders im IT Bereich und auch nun bei den industriellen Kameras hält 10GBASE-T mit einer Geschwindigkeit von 10 Gbit/s immer mehr Einzug.
In Anbetracht der Notwendigkeit für eine kostengünstigere Variante hat das IEEE-Standardboard 2016 den 802.3bz-Standard ratifiziert, der 2,5GBASE-T und 5GBASE-T Versionen umfasst. Während 2,5GBASE-T Geschwindigkeiten von bis zu 2,5 Gbit/s und Entfernungen von bis zu 100 m über ältere Cat 5e-Kupferkabel ermöglicht, funktioniert 5GBASE-T mit einer Geschwindigkeit bis zu 5 Gbit/s bei 100 Metern Entfernung über moderne Cat.6 Kabeln. Obwohl 10GBASE-T mit 10 Gbit/s betrieben wird und für Entfernungen von 55 Metern (mit Cat.6-Kabel) und 100 Metern (mit Cat-6A-Kabel) verwendet werden kann, wird Power-over-Ethernet (PoE) derzeit nicht unterstützt. Das Endgerät benötigt also immer vor Ort eine separate Spannungsversorgung. Die Verwendung vorhandener Kabel in Kombination mit dem geringeren Stromverbrauch der Schnittstelle und der Versorgung über PoE macht 2,5 GBASE-T und insbesondere 5GBASE-T zu einer attraktiven Alternative. Insbesondere für industrielle Kameras mit hoher Bildrate und Auflösung.

Verglichen mit der schnellsten Camera Link Version, die maximal 6,8 Gbit/s bei 5 Meter Distanz erreicht, hat die 5GBASE-T-Schnittstelle den Vorteil, dass kein teurer Framegrabber und keine Spezialkabel erforderlich sind.

Kameras mit schnellem 5GBASE-T Netzwerk Anschluss

Wegen dieser offensichtlichen Vorteile haben einige Unternehmen vor kurzem Kameras eingeführt, die auf dem 5GBASE-T-Standard basieren. Einer der ersten Anbieter ist Lucid Vision Labs mit der neuen Atlas Kameraserie. Diese setzt konsequent auf die 5GBASE-T Schnittstelle, mit Global Shutter Pregius Bildsensoren von Sony mit einer Auflösung zwischen 5Mp und 31.4MP. Das erste Modell liefert die höchste Auflösung von 31,4 Megapixel mit dem Sony IMX342 Bildsensor im optischen APS-C Format. Die maximale Übertragungsrate von 17 Bildern pro Sekunde ist hervorragend für Inspektionsaufgaben mit höheren Anforderungen bei Auflösung und Geschwindigkeit geeignet. Statt auf einen regulären RJ45 Stecker zu setzen hat Lucid die Atlas Serie mit einem industriellen M12 Netzwerkanschluss ausgerüstet. Dieser erlaubt die Übertragung der Bilddaten mit 5 Gbit/s und dank der geringen 2,5 Watt Leistungsaufnahme auch die gleichzeitige Versorgung durch PoE mittels nur einer Kabelverbindung.

Geschwindigkeitsangaben und Systemkosten

Alternative Schnittstellen zu Ethernet bieten ebenso hohe Übertragungsgeschwindigkeiten, jedoch mit wesentlich kürzeren Kabeln. Zum Beispiel können die modernen USB 3.1-Gen2 Schnittstellen Daten mit bis zu 10 Gbit/s übertragen, sind jedoch in der Praxis auf 3 Meter Kabellänge limitiert. Mit USB 3.2 werden dann bis 20 Gbit/s erreicht, die Kabellänge bleibt identisch. In ähnlicher Weise kann CoaXPress (CXP) als schnellste Kamera-zu-Computer-Schnittstelle Daten mit Geschwindigkeiten von bis zu 12,5 Gbit/s pro Link übertragen. Dies wird bei bis zu 35 Meter Kabellänge garantiert. Für CoaxPress ist PC-seitig immer eine Einsteckkarte erforderlich, dadurch sind die Kosten wesentlich höher als bei anderen Schnittstellen.
5GBase-T bietet durch den hohen Datendurchsatz und den niedrigeren Systempreis eine kostengünstigere Alternative. Viele in der IT bewährten 10 GBase-T-Netzwerkkarten, Switches und Router sind abwärtskompatibel für 2,5 GBase-T und 5 GBase-T. Die ersten Angebote von 2,5-Gase-T- und 5-GBase-T-Netzwerkschnittstellenkarten mit mehreren Anschlüssen unterstützen auch PoE.

GigE Vision, GenICam und Deterministik

GigE Vision bietet ein Framework für die Übertragung von High-Speed-Video und zugehörigen Steuerungsdaten über Ethernet-Netzwerke. Damit können Programmierer ihre Software einfacher und schneller entwickeln. Der GenICam-Standard wurde vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbauer (VDMA) entwickelt. Während GenICam die Funktionalität einer Kamera über eine vereinheitlichte API und GUI ansteuert, wird jedes Feature auf abstrakte Weise durch seinen Namen, Schnittstellentyp, Maßeinheit und Verhalten definiert.

  • Das GenApi-Modul des GenICam-Standards beschreibt, wie eine Kamerabeschreibungsdatei aufgebaut wird.
  • Die GenICam-Standardkennzeichnung (SFNC Standard Features Naming Convention) gibt einen allgemeinen Satz von Kamerafunktionen vor. Damit ist eine Austauschbarkeit gewährleistet.
  • Der „GigE Device Discovery Mechanism" von GigE Vision bietet Mechanismen zum Abrufen von IP-Adressen und eine XML-Beschreibungsdatei, die den Zugriff auf Kamerasteuerungen und Bildströme ermöglicht.

In den Grundfunktionen ist das deterministische Zeitverhalten einer Kamera nicht definiert. Dies ist auch in den meisten nicht-industriellen Anwendungen nicht erforderlich. Da es unkritisch ist, ob Datenpakete sofort gesendet und empfangen werden. Das Gegenteil ist aber bei industriellen Anwendungen der Fall, bei denen beispielsweise Teile sofort geprüft und bewertet werden. Ein solcher Determinismus ist daher sehr wichtig und wurde von einer Reihe spezialisierter industrieller Ethernet-Protokolle berücksichtigt.

Effiziente Protokolle

Zu den gängigen industriellen Ethernet-Protokollen gehören heute Profinet, Ethernet/IP, Ethercat, Sercos III und Powerlink. Da die technischen Ansätze der einzelnen Protokolle große Unterschiede aufweisen, wäre die Unterstützung jedes einzelnen Protokolls ein immenser Aufwand für die Softwarehersteller von industrieller Peripherie. Ethercat, z.B., bietet sowohl eine überlegene Leistung als auch eine Marktakzeptanz und liefert deterministische Reaktionen in Echtzeit.
Zur Unterstützung dieses Feldbusses kann die OPC Unified Architecture (OPC UA – IEC 62451) verwendet werden. Dies ist ein offener Standard, der von der „OPC Foundation“ entwickelt wurde. Mit dieser Architektur wird die Art der Kommunikation zwischen den Komponenten festgelegt. Das OPC Vision Interface kann auch in Feldbus-Standards wie Ethercat integriert werden, um ein vollständiges Systemmodell für deterministische Echtzeitsysteme zu bilden. Um dies dann Produktionssteuerungs- und IT-Systeme zu integriert. Mit OPC UA können Entwickler das Datenmodell und die Dienste von OPC nutzen, um es Geräten zu ermöglichen, Daten mit einer vereinbarten und gemeinsamen Formatierung auszutauschen.

Aussichten

Die Ethercat Technology Group und die Technologien der OPC Foundation ergänzen sich. Ethercat wird als Echtzeit-Ethernet-Feldbus für Maschinen- und Anlagensteuerungen eingesetzt – und OPC UA als Plattform für skalierbare Kommunikation. Diese Kooperationen sind zwar nützlich, richten sich jedoch nicht speziell an die Anforderungen von Entwicklern von Bildverarbeitungs-Systemen. Zu diesem Zweck hat der VDMA gemeinsam mit der OPC Foundation eine OPC-Vision-Initiative zur Entwicklung einer OPC-UA Spezifikation für den Bildverarbeitungsmarkt gestartet.
Während der OPC-UA Standard Daten, Funktionen und Dienste von Geräten und Maschinen sowie den Datentransport beschreibt, können durch OPC Vision die Kommunikationseigenschaften von Kameras genau definiert werden, ähnlich wie durch die SFNC des GenICam-Standards. Mit dem Aufkommen der OPC Unified Architecture (OPC UA), der OPC Vision Initiative und den IEEE 802.1-Standards für zeitkritische Netzwerkanwendungen (TSN) können Unternehmen ein einziges Ethernet-Netzwerk für zeitkritische und weniger zeitkritische Anwendungen verwenden. Durch die kommende Etablierung der neuen Protokolle und Standards am Markt wird die Integration von Kameras in Ethernet Netzwerke für zeitkritische Bildverarbeitungsanwendungen wesentlich unkomplizierter, was eine weitere Verbreitung von Machine Vision Anwendungen in der Industrie zur Folge haben wird.

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Lucid Vision Labs, Inc.
130-13200 Delf Place
V6V 2A2 Richmond, BC
Canada

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