Bildverarbeitung vollständig in die Steuerung integrieren

Hochpräzise Synchronisation

Letztes Jahr hat Beckhoff Automation sein Bildverarbeitungsprogramm für die Steuerungs-integrierte Bildverarbeitung rund um Twincat Vision mit eigenen Hardwarekomponenten erweitert. Das SPS-MAGAZIN sprach mit Bernd Stöber, Senior Produktmanager Vision, über die Besonderheiten dieser Komponenten und den damit verbunden Möglichkeiten für die Automatisierung.

Sie haben letztes Jahr Ihre neuen Hardware-Komponenten wie Kameras, Beleuchtungen und Objektive ergänzend zu Twincat Vision vorgestellt. Wie war das bisherige Feedback?

Bernd Stöber: Die Reaktion war überaus positiv. Die leichte Integration der neuen Vision-Hardwarekomponenten mittels Ethercat in die Steuerung hat scheinbar genau den unausgesprochenen Wunsch unserer Kunden erfüllt, auch Vision vollständig in die Steuerung zu integrieren – und nicht nur die Applikation über Twincat Vision. So werden Kamerasysteme zu flexiblen Sensoren, die genauso einfach in der Steuerung zu handhaben sind, wie das unsere Kunden z.B. aus der Antriebstechnik gewohnt sind.

Warum hat Beckhoff eigentlich eine eigene Kameraserie entwickelt, es gibt doch bereits genügend Kameraanbieter auf dem Markt?

Nur eine eigene Entwicklung bietet uns die volle Flexibilität, in dem Produkt Kamera die erwähnte Einfachheit in der Handhabung oder die Integration über unsere Feldbustechnik Ethercat bereitzustellen. Auch von der mechanischen Seite her bietet uns die Eigenentwicklung die Möglichkeit, ein robustes und industrietaugliches Produkt zu schaffen. Mit dem Objektivschutztubus erreichen wir glatte und vom Bediener leicht zu reinigende Oberflächen und zudem einen eingebauten Berührungsschutz sowie Schutzart IP65/67. Es werden in der Anlage keine weiteren Schutzmaßnahmen benötigt. Trotz der Robustheit und solider Befestigungspunkte haben wir die aus Anwendersicht wichtige Baulänge in Richtung der optischen Achse durch die seitlich platzierten Steckverbinder kurz und damit vorteilhaft gehalten.

Welche Vorteile ergeben sich durch den Einsatz von Ethercat für die Bildverarbeitung bzw. Vision-basierte SPS-Systeme, die es mit klassischer Machine Vision bisher nicht gab?

Ethercat bietet über die erwähnte einfache Integration in die Steuerung hinaus automatisch alle gewohnten komfortablen Diagnosefunktionen der Steuerung. So ist nicht nur der Komponentenzustand, sondern insbesondere auch das zeitliche Zusammenspiel der gesamten Anlage analysier- und optimierbar. Für Twincat Analytics oder Twincat Scope ist ein Bild nur ein weiterer Datentyp, der zusammen mit anderen Maschinenparametern überwacht werden kann. Zudem bietet Ethercat mit der Steuerung über Distributed Clocks eine hochpräzise Synchronisation auch zu sämtlichen anderen Anlagenprozessen. So ergeben sich ein optimierter Prozessablauf im Zusammenspiel der Maschine und der Vision-Anwendung sowie ein kleinerer Maschinen-Footprint durch entfallende Wartestrecken.

Deshalb also auch die eigene Beleuchtungsserie: Welche Vorteile ergeben sich hier mit Ethercat?

Richtig, die Integration in die Anlage ist erst perfekt, wenn sich alle Komponenten in der gleichen Art und Weise integrieren und steuern lassen. Für das perfekte Zusammenspiel mit der Anlage erzeugen wir über die integrierte Elektronik Hochleistungslichtblitze, um das Bild von einem Objekt sicher in der Bewegung einfrieren zu können und Prüfobjekte nicht anhalten zu müssen. Die Synchronisation erfolgt auch hier wieder über Ethercat und die Nutzung der Distributed Clocks. Der Pulsbetrieb ist überdies wesentlich effizienter und spart Energie. Unsere Beleuchtungen sind darüber hinaus mit vier Lichtfarbkanälen ausgestattet, um während der Laufzeit die Lichtfarbe an das Prüfobjekt anpassen zu können und so einen verbesserten Kontrast zu erreichen. Alle zusätzlich benötigten Einstellungen sind leicht und zur Laufzeit durch die Steuerung anpassbar. Der Verkabelungsaufwand ist durch die Nutzung von Ethercat P vereinfacht, weil die Versorgung mit Energie und auch die Parametrierung und Synchronisierung über nur ein Kabel mehreren Bildaufnahmestationen zugeführt wird.

Ihre Vision Unit Illuminated ist eine kompakte Einheit aus Kamera, Beleuchtung und fokussierbarer Optik. Was sind hier die USPs?

Diese Unit VUI ist ein kompaktes Gerät, in dem die Funktionen der Kamera, einer 4-Farb-Blitzbeleuchtung und einer Optik zusammengeführt sind. Alle für die Bildaufnahme erforderlichen Funktionen sind integriert und zusätzlich ist die Möglichkeit der elektronischen Fokussierung über die Ansteuerung einer Flüssiglinse gegeben. Eine Fokussierung zur Laufzeit kann z.B. für Aufgaben in der Logistik oder auch einfach nur für die Ferneinstellung des Geräts nützlich sein. Natürlich ist auch dieses Gerät über Ethercat P anschließbar und kann genauso gut in der Steuerung genutzt werden, wie ein Aufbau aus den getrennten Komponenten. Es stehen dabei einfach mehr beeinflussbare Parameter zur Verfügung, und das bei reduziertem Montage- und Inbetriebnahmeaufwand. Da die Auswertung auch hier weiterhin in der Steuerung erfolgt, ist ein permanenter Zugriff auf die Bilddaten sichergestellt.

Wieso aber eigene Bildverarbeitungsobjektive?

Der Markt an Objektiven ist wirklich unüberschaubar. Allerdings kann man beobachten, dass es den Herstellern von Objektiven schwerfällt, ihre Produkte an neue Anforderungen, z.B. durch neue Bildsensoren, anzupassen. Sie folgen meist mit zeitlichem Abstand den Entwicklungen bei den Kameras. Weiterhin ist eine Industrietauglichkeit mit den überwiegend kleinen Fixierschrauben nur selten gegeben. Wir haben uns die Entwicklung aller notwendigen Komponenten für eine Vision-Anwendung vorgenommen und im Optik-Bereich einen Partner gefunden, mit dem wir gemeinsam ein neues Konzept für ein industrietaugliches Objektiv konzipiert und dabei die optischen Qualitäten zusätzlich zukunftssicher im Blick behalten haben. Unsere Objektive sind nicht nur robust, leicht einstellbar und optimal abgestimmt auf unsere Kameraprodukte, sondern sie weisen auch eine außerordentlich hohe optische Qualität für die Nutzung mit sichtbarem Licht und das nahe Infrarot auf. Bildsensoren bis zu 19,3mm Bildkreisdurchmesser und mit einer Auflösung bis zu 2µm können zusammen mit unseren Objektiven eingesetzt werden. Somit sind die Objektive zukunftssicher über die aktuellen Bildsensorgenerationen hinaus einsetzbar.

Alle Welt beschäftigt sich derzeit mit KI-Vision. Wie sieht es mit diesem Thema bei Beckhoff aus?

Als Steuerungshersteller beschäftigt sich Beckhoff schon länger mit dem Thema KI. Diese Entwicklungen sind nicht nur durch Vision getrieben. Es gibt auch im allgemeinen Steuerungsbereich viele für unsere Kunden interessante Anwendungsfelder. Mit Twincat Machine Learning sind die ersten Produkte bereits seit 2020 im industriellen Einsatz. Die nahtlose Integration von Beckhoff Vision und Machine Learning in unsere Steuerungsplattform kommt hier optimal zum Tragen, das heißt auch die Bildverarbeitungslösung kann durch den allgemeinen KI-Einsatz in der Applikation profitieren. Für den neuen Twincat Machine Learning Server, der die Ausführung von KI-Modellen auf GPUs und somit die Nutzung hochperformanter Inferenzmaschinen ermöglicht, gilt dies in besonderem Maße. Darüber hinaus werden speziell für Vision angepasste KI-Produkte von Beckhoff in Zukunft mehr und mehr zu sehen sein.

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