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Beckhoff erweitert TwinCAT 3

Bildverarbeitung - ein Aspekt der Steuerungs-Software

28. März 2018, 14:56 Uhr   |  Andreas Knoll

Bildverarbeitung - ein Aspekt der Steuerungs-Software
© Bild: Beckhoff Automation

Dr. Josef Papenfort, Beckhoff Automation: »TwinCAT Vision integriert die Bildverarbeitungs-Algorithmen in der gleichen Runtime wie die SPS und Motion-Control.«

Vor gut zwei Jahren ergänzte Beckhoff Automation seine Steuerungstechnik auf Basis der Automatisierungs-Software TwinCAT 3 um eine selbst entwickelte Visualisierungslösung. Jetzt folgt die Integration der Bildverarbeitung als nächster Schritt.

Dr. Josef Papenfort, Produktmanager TwinCAT bei Beckhoff Automation, erläutert die Hintergründe.

Markt&Technik: Welche Möglichkeiten gibt es, die Bildverarbeitungstechnik direkt in die Steuerung zu integrieren?

Dr. Josef Papenfort: Zur Integration der Bildverarbeitung direkt in die Steuerung muss man zwei Dinge unterscheiden. Einmal das Engineering, also die Konfiguration der Kamera im selben Tool wie die SPS-Programmierung und die Bildverarbeitungs-Programmierung mit den gleichen Sprachen wie die SPS-Programmierung. Zum Zweiten ist natürlich die Runtime von Bedeutung. Und TwinCAT Vision integriert die Bildverarbeitungs-Algorithmen in der gleichen Runtime wie die SPS und Motion-Control.

Welche Vor- und Nachteile hat es, die Bildverarbeitungstechnik direkt in die Steuerung zu integrieren?

Durch die Integration der Bildverarbeitungs-Algorithmen in die SPS-Runtime entfällt eine Kommunikation. Bisher waren Steuerung und Bildverarbeitung getrennt. Während die SPS stets in einer Echtzeitumgebung läuft, erfolgte die Ausführung der Bildverarbeitung in einer davon getrennten Runtime, die meist keine Echtzeitverarbeitung garantiert. Dadurch kam es bisher zu Runtime-bedingten Schwankungen in der Bildverarbeitung und zu einer nicht vorhersagbar langen Kommunikationszeit zwischen den beiden Runtimes.

Diese Probleme bestehen nicht mehr, wenn alles in derselben Echtzeitumgebung ausgeführt wird. Die Verarbeitungszeit von Bildverarbeitungs-Algorithmen ist deterministischer, weil sie von äußeren Einflüssen wie etwa dem zugrunde liegenden Betriebssystem unabhängig ist. Außerdem kann die SPS so direkt und ohne Verzögerung auf das Ergebnis der Bildverarbeitung reagieren. Durch die Programmierung in SPS-Sprachen ist es für den Maschinenbauer leichter, die Bildverarbeitung als zunehmend wichtigen Know-how-Aspekt der Maschine ebenfalls ohne die Kenntnis spezieller Werkzeuge oder Programmiersprachen zu beherrschen. So kann der Maschinenbauer seinem Endkunden den gesamten Funktionsumfang seiner Maschine aus einer Hand bieten.

Für welche Anwendungen eignet sich das Konzept, die Bildverarbeitungstechnik direkt in die Steuerung zu integrieren, besonders?

Für die synchrone Bearbeitung von Prozessen. Wenn SPS oder Motion- und Bildverarbeitung in der gleichen Echtzeitumgebung ausgeführt werden, ist Synchronizität automatisch gegeben. Ein weiterer Einsatz ist überall sinnvoll, wo es auf Reaktionszeit ankommt. Entfällt die Kommunikation zwischen Steuerung und Bildverarbeitung, kann man einfach schneller und deterministischer reagieren. So lässt sich der Maschinentakt erhöhen.

Wie leistungsfähig kann direkt in die Steuerung integrierte Bildverarbeitungstechnik überhaupt sein?

Wenn die Steuerung schon auf einem PC läuft, dann müssen für die Bildverarbeitung einfach nur weitere Rechenressourcen zur Verfügung gestellt werden. Das kann mit einem leistungsfähigeren PC und durch die Nutzung weiterer Prozessorkerne erfolgen. Die SPS- und die Bildverarbeitungs-Aufgaben lassen sich auf dieser Plattform gut parallelisieren. So ist hier die Leistungsfähigkeit leicht skalierbar, im Gegensatz zu intelligenten und abgeschlossenen Kamerasystemen. Bei einem Steuerungssystem auf PC-Basis kann die Applikations-Software ohne Aufwand von einer PC-Plattform auf eine andere – leistungsfähigere – übertragen werden.

Sind direkt in die Steuerung integrierte Bildverarbeitungskonzepte nicht etwas unflexibel gegenüber Bildverarbeitungssystemen auf PC-Basis, intelligenten Kameras und Vision-Sensoren?

Im Gegenteil, die Flexibilität steigt. Durch die enge Verzahnung von SPS und Bildverarbeitung kann sehr einfach auf steigende oder geänderte Anforderungen reagiert werden. Man benötigt kein weiteres Tool, um die abgesetzte Bildverarbeitung auf einem dedizierten PC oder in einer „intelligenten“ Kamera zu ändern. Im Gegensatz zu einer abgeschlossenen Smart Camera lässt sich hier mit der gleichen Systembasis leicht die Kameraauflösung anpassen oder sogar eine alternative Bilderfassung einbinden, etwa in einem anderen Spektralbereich oder über 3D-Kameras.

Wie lassen sich Kameras an direkt in die Steuerung integrierte Bildverarbeitungstechnik anschließen?

Die Kamerahersteller unterstützen meist verschiedene Kommunikationsstandards. Beckhoff ist Experte für Ethernet und hat sich daher für GigE Vision als unterstützten Standard entschieden. Alle Industrie- und Embedded-PCs von Beckhoff sind bereits mit Gigabit-Ethernet-Schnittstellen ausgestattet. Eine Kamera mit GigE Vision lässt sich daher sofort anschließen. Es sind keine speziellen Framegrabber-Karten oder nicht echtzeitfähige Kommunikations-Stacks zu implementieren.

Inwieweit entspricht das Konzept, die Bildverarbeitungstechnik in die Steuerung zu integrieren, dem Trend zu Industrie 4.0 und IIoT?

Die Industrie-4.0-Maschinen müssen vernetzt Daten, unter anderem auch Bilder, austauschen können. Bildverarbeitung ist hier wie ein weiterer Sensor zu sehen. Neben Digital- und Analogwerten werden komplexe Bilder übertragen. Vor allem kann Bildverarbeitung genutzt werden, um Codes auf Produkten oder deren Verpackungen zu lesen. Diese Information lässt sich dann zur Produktverfolgung nutzen.

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