Масштабируемая автоматизация на базе ПК, надежные сетевые решения и открытые стандарты камер позволяют машинному зрению отказаться от черных ящиков и увеличить пропускную способность.

Деймон Томпсон
Менеджер по программному продукту в США
Бекхофф Автоматизация ООО

Машинное зрение стало незаменимым для многих задач контроля качества, отслеживания и многое другое. По мере снижения затрат и увеличения возможностей выигрывает практически любая машина в любой отрасли. Но обработка изображений страдает от высокой задержки и неидеальной производительности из-за одного критического недостатка: она обычно остается отделенной от среды управления. Автономные интеллектуальные камеры и либо отдельный высокопроизводительный компьютер, либо автономный контроллер видения требуют специальных инструментов настройки и языков программирования. Это может сделать компании зависимыми от внешних специалистов по визуальному сопровождению всех изменений, наряду с увеличением сложности системы и затрат.

С технической точки зрения автономное оборудование vision получает изображение и только после обработки передает результаты контроллеру по полевой шине или протоколу связи. Связь между обработкой изображений и системой управления часто зависит от конкретного приложения и подвержена ошибкам. Контроллер должен дождаться обработки этих результатов в следующем цикле ПЛК, а затем решить, что делать с результатами. Эта задержка может снизить пропускную способность или вызвать другие проблемы для приложений, сочетающих управление движением и зрение. Аналогичным образом, традиционные решения для машинного зрения на базе ПК обеспечивают большую доступность процессора и аппаратного обеспечения для алгоритмов машинного зрения в целом, но внешние процессы, такие как операционная система, влияют на время обработки и передачи.

Но времена и технологии меняются. Инженеры сегодня могут управлять управлением движением, технологиями безопасности, измерительными технологиями и робототехникой, среди многих других функций, на одном контроллере машины по сравнению с несколькими черными ящиками. Современные поставщики средств автоматизации применяют тот же комплексный подход к видению. Реализация всех функциональных возможностей в одной инженерной среде и среде выполнения устраняет стандартные барьеры и повышает производительность.

Интегрированный метод для улучшенной обработки изображений
Интегрированный метод включает в себя полную интеграцию vision в масштабируемую платформу промышленного ПК (IPC). Машинные операции выигрывают несколькими способами, включая детерминированную реакцию на результаты и отсутствие дополнительной передачи результатов. Интеграция алгоритмов видения и конфигурации камеры в тот же инструмент, что и конфигурация полевых шин, осей движения, робототехники, безопасности и HMI, одинаково выгодна. Программное обеспечение TwinCAT Vision, например, помещает видение в контекст реального времени. Благодаря выполнению всех алгоритмов на одном детерминированном, многозадачном и многоядерном процессоре в режиме реального времени, зрение, ПЛК и управление движением последовательно синхронизированы.

Сохраняя изображения в памяти ПЛК, можно легко получить доступ к текущему изображению и отобразить его на HMI без необходимости сохранения в промежуточном файле. Это может быть необработанное входящее изображение или любое изображение на текущем этапе обработки алгоритма промежуточного видения. В HMI должны отображаться не только изображения, но и, например, конфигурация зрения или параметры камеры. Это позволяет конечным пользователям системы получать доступ к параметрам приложения vision, чтобы адаптировать их к соответствующим условиям.

Полностью интегрированные решения для обработки изображений позволяют инженерам использовать известные функциональные блоки или языки IEC 61131-3 для программирования и настройки параметров камеры. Устраняя необходимость в проприетарных графических языках, C++/C# и специальных инструментах настройки, разработчики машин существенно экономят усилия и затраты. Функциональные блоки ПЛК могут, например, изменять состояние камеры или запускать камеру для получения нового изображения. С помощью этого метода инженеры по управлению, знакомые со структурированным текстом (ST), последовательной функциональной диаграммой (SFC), лестничной логикой (LD) или непрерывной функциональной диаграммой (CFC), сохраняют контроль над системой визуального контроля и всей машиной.

Кроме того, перенос машинного зрения из систем «черного ящика» в среду реального времени позволяет наблюдателям отслеживать время выполнения функций обработки изображений. Алгоритмам обработки изображений из-за различной информации об изображении требуется разное время для вычисления, что может создать проблемы с пропускной способностью на производственных линиях. Например, в процессе непрерывного потока линия не должна – и, как правило, не может – замедляться из-за того, что сгруппировано больше продуктов, чем обычно. Несмотря на то, что в этой ситуации требуется больше времени для просмотра изображений в системе визуального контроля, попытка остановить поток продукции может привести к катастрофическим последствиям. С помощью эффективных сторожевых псов алгоритмы vision могут прекратить обработку изображения и вернуть любые доступные частичные результаты.

Масштабируемая вычислительная мощность ключ к IPC
Автоматизация на базе ПК предлагает множество вариантов масштабируемого подключения и вычислительной мощности в приложениях с машинным зрением. Возможности подключения в современных IPCS позволяют, например, легко добавлять более 10 сетевых интерфейсных карт, чтобы обеспечить индивидуальные каналы связи для каждой камеры для эффективной передачи изображения на ПК для обработки. Это устраняет дорогостоящие переключатели, которые могут вызвать ненужную задержку и усложнить проводку.

Спектр производительности IPC начинается с экономичных платформ и масштабируется вплоть до многоядерных контроллеров машин с 40 процессорными ядрами. Наличие такого диапазона идеально подходит для выбора правильной вычислительной мощности для отдельных проектов обработки изображений. Современные промышленные системы управления спроектированы с нуля, чтобы использовать масштабируемость процессоров ПК от одного до многих ядер. Системы видения, интегрированные в мощные системы управления на базе ПК, также могут использовать многоядерные возможности.

Чтобы сделать реализацию многоядерности и изоляции ядер чрезвычайно простой для программиста, настройка на некоторых платформах IPC просто включает распределение “рабочих задач” между ядрами. Эти задачи, которые должны использоваться для алгоритмов видения, затем группируются в “пул заданий”. Поскольку vision выполняется в системе управления, алгоритмы, которые могут использовать преимущества параллельной обработки, автоматически распределяются между несколькими ядрами. Они обрабатывают параллельно, сводят результаты воедино и представляют их ПЛК и переменной(ам) результатов алгоритма изображения.

Таким образом, программистам не нужно беспокоиться о нескольких ядрах, многопоточности или нескольких задачах. Им нужно только реализовать логику управления машиной и визуальный код, который позволяет системе самостоятельно обрабатывать многоядерную обработку.

Стандарт GigE устанавливает сетевое взаимодействие для систем визуального контроля
Интегрированная обработка изображений на мощном IPC сначала требует передачи изображения, полученного с датчика зрения, на контроллер. GigE Vision, стандартизированный и эффективный протокол связи, делает это возможным. Этот общепринятый стандарт промышленных камер основан на гигабитной сети Ethernet с масштабируемой скоростью. Нет никаких требований к дополнительному оборудованию для подключения, а длина кабелей камеры может достигать 100 м.

Широкая группа компаний из всех секторов индустрии машинного зрения работала над разработкой стандарта GigE, и теперь Ассоциация автоматизированной обработки изображений (AIA) поддерживает его. Первоначальная цель состояла в том, чтобы установить стандарт, который позволил бы компаниям, производящим камеры и программное обеспечение, беспрепятственно интегрировать свои решения на полевых шинах Gigabit Ethernet. GigE — это первый стандарт, который позволяет передавать изображения с высокой скоростью по кабелю большой длины.

Хотя Gigabit Ethernet является стандартной технологией шины, не все камеры с портами Gigabit Ethernet совместимы с GigE Vision. Чтобы соответствовать требованиям GigE Vision, камера должна соответствовать протоколам, установленным стандартом GigE Vision, и должна быть сертифицирована AIA. Крайне важно проверить это при указании компонентов для приложения vision.

Производители камер с интерфейсом GigE Vision предоставляют описание конфигурации в формате GenApi. Встроенные средства настройки машинного зрения считывают параметры и делают их доступными пользователю в четко упорядоченном виде. Таким образом, изменения конфигурации, такие как настройка времени экспозиции и настройка интересующей области, могут происходить быстро и легко. С точки зрения сложности параметризация камеры для приложения vision сравнима с параметризацией сервопривода.

Преимущества EtherCAT
Автоматизация на базе ПК обеспечивает неотъемлемые преимущества основных функций управления, таких как ПЛК реального времени и доступ ко многим полевым шинам, включая промышленную систему Ethernet EtherCAT. Благодаря высокой детерминированности протокола EtherCAT и синхронизации устройств с помощью распределенных часов, чрезвычайно точное время срабатывания и выходные терминалы на основе временных меток могут отправлять аппаратный сигнал запуска с точностью до микросекунды на камеру. Поскольку все происходит в режиме реального времени в высокоточном временном контексте, например, получение изображения и положения осей могут синхронизироваться с высокой точностью – задача, с которой часто справляются программисты ПЛК. Многие камеры также могут посылать выходные сигналы при ранее определенных событиях, таких как начало захвата изображения. Эти сигналы могут быть получены с помощью терминала цифрового ввода в сети EtherCAT, а затем использованы в ПЛК для точной синхронизации дальнейших процессов.

Специально разработанные контроллеры освещения vision, запускаемые через EtherCAT, обеспечивают освещение вспышкой с частотой импульсов 50 мкс. Каждая отдельная вспышка может быть запущена контроллером с большой точностью с помощью распределенных часов и временных меток. Это гарантирует, что продукты на конвейере, например, достигают точного положения перед каждым событием запуска. Синхронность, в конечном счете, является основным фактором, определяющим интеграцию технологии vision в контроллер машины и полевую шину. Это обеспечивает устройству освещения EtherCAT высокую синхронность циклов, поскольку оно срабатывает в том же цикле, что и запись с камеры или движение робота.

Обработка изображений будет продолжать приобретать все большее значение и во многих ситуациях заменять датчики по мере снижения цен. Стандартизировав автоматизацию на базе ПК с помощью масштабируемого аппаратного обеспечения контроллера и комбинированной среды реального времени и проектирования, инженеры могут создавать перспективные приложения с интенсивным видением.

Бекхофф Автоматизация ООО
www.beckhoffautomation.com/vision