Christoph Zierl, Technical Director, MVTec Software GmbH
1. Zwischen der industriellen Bildverarbeitung und der Automatisierungswelt fehlten die Schnittstellen 2. Durchgängige Wertschöpfungsprozesse 3. Nahtlose Integration von Automatisierungsanwendungen 4. Gemeinsames Interface für alle gängigen PC-Karten 5. Fazit
Die industrielle Bildverarbeitung (Machine Vision) hat sich als Schlüsseltechnologie bei der Umsetzung von neuen Produktionstrends wie Industrie 4.0 und Smart Factory etabliert. Die Technologie ist in der Lage, mittels Bildeinzugsgeräten wie Kameras oder Sensoren und einer integrierten Bildverarbeitungssoftware, Objekte rein anhand optischer Merkmale verlässlich zu erkennen. Dies macht Machine Vision interessant für verschiedene Identifikationsaufgaben innerhalb industrieller Wertschöpfungsketten. Beispielsweise lassen sich Bildverarbeitungsalgorithmen für die exakte Positionierung von Werkstücken oder für präzise Handling-Prozesse in der Robotik nutzen. Auch wird Machine Vision zur Kontrolle und Fehlerinspektion im Rahmen der betrieblichen Qualitätssicherung eingesetzt.
Zwischen der industriellen Bildverarbeitung und der Automatisierungswelt fehlten die Schnittstellen
Die industrielle Bildverarbeitung ist ein vergleichsweise junges Technologiefeld, das sich mit hoher Dynamik kontinuierlich weiterentwickelt. Sie führte jedoch innerhalb industrieller Produktionsszenarien weitgehend ein Eigenleben. Schnittstellen zur Automatisierungswelt wie beispielsweise zur speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS) existierten bisher kaum. Der Einsatz von Automatisierungstechnologien hingegen reicht schon länger in die Geschichte zurück. Bereits seit den frühen 1960er Jahren werden entsprechende Steuerungs- und Sensorsysteme in der industriellen Fertigung verwendet und stetig weiterentwickelt.
Seit langem sind in der Automatisierungswelt proprietäre, schwer zu integrierende Applikationen vorherrschend. Diese müssen in der Regel für verschiedene Einsatzszenarien jeweils neu programmiert und mit angepassten Schnittstellen ausgestattet werden. Für die SPS beispielsweise wurden über viele Jahre hinweg proprietäre Protokolle wie etwa Ethercat, Profinet/Profibus oder EtherNet/IP entwickelt. Aufgrund vieler unterschiedlicher Standards war bisher eine durchgängige Kommunikation und Interoperabilität zwischen den einzelnen Komponenten kaum möglich. Eine Folge war, dass auch die industrielle Bildverarbeitung und die Automatisierung weitgehend voneinander getrennt operierten. Dies ist jedoch nicht mehr zeitgemäß.
Durchgängige Wertschöpfungsprozesse
Fertigungstrends wie Industrie 4.0 und Smart Factory erfordern durchgängige und perfekt integrierte Wertschöpfungsprozesse. Automatisierte, digital vernetzte Produktionsmittel wie Maschinen, Collaborative Robots (Cobots) oder Handling- und Transfersysteme müssen kompatibel miteinander interagieren, kollaborieren, kommunizieren und Daten austauschen. Gemeinsame Normen und Standards sind hierfür unerlässlich. Die industrielle Bildverarbeitung spielt dabei eine Vorreiterrolle, denn die Standardisierung ist hier bereits weit fortgeschritten. Ein Meilenstein hierbei war die Entwicklung und Einführung des GenICam-Standards (Generic Interface for Cameras) im Jahr 2006. Darin wird der software-basierte Zugriff auf alle erdenklichen, in Machine Vision verwendeten Kamera-Features vereinheitlicht. So bildet GenICam die Basis für alle gängigen Kamerastandards wie etwa GigE Vision und USB3 Vision sowie für Highspeed-Standards wie Camera Link HS und CoaXPress. Für eine nahtlose Integration der Bildverarbeitung in die Prozessautomatisierung sind jedoch weitere Standards erforderlich. Zu nennen ist hier in erster Linie die Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA). Diese weitverbreitete Norm ermöglicht die durchgängige Datenkommunikation zwischen unterschiedlichen Elektronikkomponenten über verschiedene Hersteller, Plattformen und Betriebssysteme hinweg. Verantwortlich für die Entwicklung des Standards ist die OPC Foundation, ein internationales Konsortium aus führenden Anbietern von Software- und Steuerungssystemen.
Nahtlose Integration von Automatisierungsanwendungen
OPC UA legt als übergeordnetes Framework eine gemeinsame Sprache für den Datenaustausch zwischen verschiedenen Systemwelten fest. Verschiedene Anwendungen innerhalb der Automatisierung wie beispielsweise die Robotik lassen sich damit nahtlos integrieren. Dabei beruht OPC UA auf einer branchenübergreifenden Basis-Spezifikation, die allgemeine Richtlinien für die Systemkommunikation definiert. Die Besonderheiten verschiedener Branchen werden hingegen von den sogenannten Companion-Spezifikationen geregelt. Für die industrielle Bildverarbeitung ist die OPC UA Companion Specification for Machine Vision (kurz: OPC Machine Vision) maßgeblich. Zuständig für deren Entwicklung ist die OPC Vision Initiative des VDMA. Die MVTec Software GmbH wirkt als einer der führenden Anbieter von Machine-Vision-Standardsoftware aktiv in der OPC Machine Vision Core Working Group mit und trägt damit zur Entwicklung und weitreichenden Verbreitung der Spezifikation bei.
OPC UA unterscheidet sich von anderen Machine-to-Machine-Kommunikationsprotokollen (M2M) dahingehend, dass Informationen nicht nur transportiert, sondern auch Maschinendaten wie Regelgrößen, Messwerte oder Parameter semantisch beschrieben werden. Dadurch können Maschinen die Daten eigenständig lesen und kontextuell verstehen. Diese semantische Interoperabilität sorgt nun dafür, dass sich die industrielle Bildverarbeitung innerhalb von OPC Machine Vision nahtlos mit SPS-Funktionen integrieren lässt. Dadurch lassen sich beispielsweise verschiedene Bildeinzugsgeräte und die SPS gleichzeitig über den gemeinsamen Standard ansteuern. So wird eine einheitliche Semantik über alle physikalischen Layer und Feldbusse hinweg möglich.
Gemeinsames Interface für alle gängigen PC-Karten
Auch MVTec trägt mit seiner Technologie zur Integration von Machine Vision in die Prozessautomatisierung bei: So stellt das Unternehmen durch die Zusammenarbeit mit dem Automatisierungsspezialisten Hilscher beispielsweise eine durchgängige Schnittstelle zu verschiedenen Feldbus-Protokollen wie Profinet oder Ethercat zur Verfügung. Auf Basis der API der PC-Karten-Familie cifX von Hilscher ist nun ein universelles Interface für alle Hilscher-PC-Karten erhältlich. Dadurch ist auch die Machine-Vision-Standardsoftware MVTec Merlic in der Lage, Daten mit allen gängigen SPS auszutauschen.
Darüber hinaus treibt MVTec die Integration von Bildverarbeitungs-Technologien in Embedded-Systeme voran (Embedded Vision). So hat das Unternehmen technologisch gezeigt, dass seine Machine-Vision-Standardsoftware Halcon Bilder von Kameramodulen einziehen und verarbeiten kann, die mit MIPI (Mobile Industry Processor Interface) kompatibel sind. Dazu lassen sich vorhandene Halcon-Schnittstellen wie etwa Video4Linux, GenICam GenTL oder auch der direkte Speicherzugriff (Shared Memory) verwenden. Diverse Tests belegen die volle Kompatibilität der Bildverarbeitungssoftware mit den speziell für den Embedded-Bereich entwickelten Kameramodulen. Diese entsprechen hohen industriellen Ansprüchen und setzen ihren Fokus auf hochvolumige Applikationen. Der MIPI-Übertragungsstandard erlaubt die nahtlose Integration verschiedener Bildsensoren. Auf diese Weise lassen sich digitale Bilddaten zum Teil ohne zusätzliche CPU-Last von Embedded-Geräten einziehen. Dadurch wird die gesamte Performance der Prozessoren für Vision-Applikationen nutzbar.
Fazit
Die Automatisierungswelt und die industrielle Bildverarbeitung müssen zunehmend zusammenwachsen, um in Zeiten von Industrie 4.0 durchgängig vernetzte, industrielle Wertschöpfungsketten zu gewährleisten. Gemeinsame Normen und Standards wie etwa OPC UA ebnen nun den Weg für eine nahtlose Integration und bessere Interoperabilität zwischen beiden Systemwelten. ik
Weitere Informationen dazu wie MVTec den Weg für Industrie 4.0bereitet: hier.pro/K0z8x
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