Brücke zwischen Kompakt- und PC-Systemen

Carsten Wieber ist Mitarbeiter im Bereich Applikation Bildverarbeitung bei Panasonic Electric Works Deutschland GmbH in Holzkirchen

Intelligente Kameras, teilweise auch Intelligente Sensoren genannt, basieren auf einer eigenen unveränderlichen Hardware, an die eine oder mehrere Kameras angeschlossen werden können. Ein Beispiel für diese Klasse ist z.B. der PV500 von Panasonic (Bild 1 links). Eingerichtet werden die Systeme über eine externe Konfigurationssoftware auf einem Laptop oder direkt am Gerät (Keypad oder Touch-Panel). Die Konfigurationsoberfläche stellt dem Anwender eine feste Auswahl unterschiedlichster Prüfverfahren zur Verfügung. Der große Vorteil dieser Geräteklasse ist ihre schnelle und einfache Einrichtung: kleinere Anpassungen können auch von unerfahrenen Mitarbeitern schnell vorgenommen werden. Hinzu kommen der günstige Preis und die hohe Zuverlässigkeit der dedizierten Hardwareplattform.

Bei einer Produktionsanlage müssen immer wieder Änderungen und neue Anforderungen berücksichtigt werden. Sei es, dass neue Merkmale abgefragt werden müssen, sei es dass zusätzliche Kameras benötigt werden, sei es dass Schnittstellen sich ändern oder eine umfassendere Dokumentation gewünscht wird. Die Wünsche und Forderungen sind vielfältig. Leider können Intelligente Kameras durch ihre feste Hard- und Software nur eingeschränkt auf Änderungen reagieren. Das ist wiederum eine Stärke der PC-basierten Systeme.

Sie basieren auf einer PC-Plattform, oft in 19“-Industriegehäusen (Bild 1 rechts), und können durch ihre höhere Rechenleistung umfangreiche Prüf- und Auswertemöglichkeiten bereit stellen. Bei der Hardwareausstattung gibt es gewöhnlich nur wenig Grenzen, denn sie kann flexibel erweitert werden. So lassen sich z.B. eine Vielzahl von Kameras anschließen, Spezialhardware ergänzen oder Schnittstellen integrieren, die für die jeweilige Umgebung benötigt wird.

Mit den Fortschritten im Bereich der Embedded PC, stehen nun leistungsfähige Kompaktsysteme, die in Hinblick auf Rechenleistung und Ausstattung den großen 19“ Systemen kaum nachstehen. Ein typischer Vertreter dieser Klasse ist der P400MA (Bild 1 Mitte). Er basiert auf erprobten Standardkomponenten und erreicht eine Zuverlässigkeit die mit SPS-Steuerungen vergleichbar ist.

Bewusst wurde Windows als Betriebssystem gewählt. Es bietet dem Anwender das vertraute Look-and-Feel aus der PC-Welt, zusätzliche Anwendungen lassen sich leicht ergänzen und die Integration in bestehende Netzwerke ist schnell erledigt.

Standard-Installationen von Windows bieten aber nicht die erforderliche Zuverlässigkeit für den Einsatz in der Produktion. Daher kommen beim P400MA eine Reihe von Zusatzmaßnahmen zum Tragen, die das Betriebsystem praktisch „unkaputtbar“ machen. Zum einen wird mit Windows XP Embedded ein speziell auf die Hardware zugeschnittenes Windows verwendet. Zusätzlich ist das Betriebssystem geschützt auf einer CF-Karte gespeichert. Von diesem Speicher bootet das Bildverarbeitungssystem wie eine SPS stets zuverlässig. Vor versehentlichen Änderungen durch den Anwender schützt ein in das Betriebssystem integriertes Filtersystem (File-Based Write Filter). Dieses schirmt das Betriebsystem und frei wählbare Dateien und Verzeichnisse auf der Festplatte ab, in dem es alle Schreibzugriffe in einen temporären Speicher umleitet. So verhält sich Windows genau wie ein normaler PC. Ist aber mal etwas schief gegangen, reicht es den Rechner neu zu booten und wie bei einer SPS den Originalzustand wieder zu haben.

Ein großer Hersteller von Autotürmodulen muss deren Vollständigkeit und korrekte Montage prüfen. Da er für viele verschiedene Kunden mit unterschiedlichen Modellen liefert, kommt eine sehr große Typenvielfalt zustande. Der Wunsch des Kunden war, die Bedienung der Bildverarbeitung so einfach wie möglich zu halten, damit keine Experten zur Einrichtung nötig sind. Neue Typen oder Prüfmerkmale sollten sich leicht ergänzen lassen.

Um alle Merkmale an den Türmodulen zu erkennen, sind mindestens acht Kameras nötig. Nur so ist die erforderliche Auflösung zu erreichen, um auch kleine Anbauteile (wie z.B. Dichtringe) sicher zu prüfen.

Zur Auswahl standen zwei Konzepte: Ein 19“-PC-System mit 8 Kameras und zwei Kompaktsysteme mit je 4 Kameras. Nachteilig bei beiden Konzepten war, dass für zukünftige Kontrollen unter Umständen weitere Kameras nötig werden, um Bereiche zu kontrollieren, die von den aktuell acht Kameras nicht vollständig abgedeckt werden. Zwar lassen sich bei beiden Lösungsansätzen weitere Kameras ergänzen, doch führt dies zu Kosten für Umbau und Integration.

Aus diesem Grund wurde ein anderer Weg gegangen: Nur eine einzige Kamera blickt über eine Spiegelscanner-Einheit auf das Türmodul. In dieser Spiegelscanner-Einheit sitzt ein Spiegel, der sehr schnell gedreht und geschwenkt werden kann. So lassen sich die einzelnen Prüfstellen in Sekundenbruchteilen gezielt anfahren (Bild 2). Sollen neue Merkmale geprüft werden, müssen diese nur noch eingeteacht werden. So stark vereinfacht, schien der Weg frei für die kostengünstigere Intelligente Kamera zu sein. Dennoch fiel die Wahl auf das PC-basierte Kompaktsystem P400MA von Panasonic. Der wichtigste Grund dafür war die gewünschte Flexibilität und Benutzerfreundlichkeit. Auf dem P400MA ließ sich neben der Bildverarbeitung auch noch die komplette Benutzeroberfläche des Spiegelscanners und eine umfangreiche statische Auswertung nach den Vorgaben des Kunden realisieren. Die Übertragung der Ergebnisse in eine zentrale Datenbank war dank des Windows-Betriebsystems dann nur noch eine einfache Ergänzung.

Die gesamte Anlage wurde durch Firma L&_P Elektroautomations GmbH, Willich (www.lp-gmbh.de) realisiert. Zum Lieferumfang gehörten alle erforderlichen elektrischen und mechanischen Arbeiten einschließlich Steuerschrank und Einbindung in die bestehende Gesamtanlage.

Entscheidend für den gewünschten hohen Bedienkomfort war die individuelle Benutzeroberfläche, die ebenfalls von L&_P programmiert wurde. Auf ihr sieht der Anlagenbediener übersichtlich alle Messwerte (Bild 3) und aussagekräftige Fehlerstatistiken. Zusätzlich übergibt diese Software alle Ergebnisse an einen zentralen Archivserver im Werk und steuert den Spiegelscanner an. Zum Teachen muss der Anlagenbediener nicht in eine externe Software wechseln, sondern lernt neue Positionen direkt aus der ihm vertrauten Oberfläche an (Bild 4).

Für alle diese Zusatzfunktionen war keine zusätzliche Hardware erforderlich. Sie konnten mit dem Bildverarbeitungssystem realisiert werden. Zur SPS-Ansteuerung wurde in den freien Slot eine Profibuskarte gesteckt, die Dank der umfangreichen Softwareschnittstelle direkt mit der Bildverarbeitungssoftware kommuniziert. Der Spiegelscanner wird über eine Ethernet-Schnittstelle angesprochen. Über eine zweite Ethernet-Verbindung ist das Bildverarbeitungssystem in das Produktionsnetzwerk eingebunden. Darüber erfolgt auch die Fernwartung. Diese ist besonders bei Bilderarbeitungssystemen sehr hilfreich. Da man die Anwendung über die Kamera sieht, sind Anpassungen aus der Ferne einfach zu realisieren.

Kompakte PC-Bildverarbeitungssysteme sind eine interessante Alternative zu Intelligenten Kameras und großen 19“-Bildverarbeitungssystemen. Dank neuer Hardwarekonzepte bieten sie eine sehr hohe Rechenleistung, die auch für anspruchsvolle Bildverarbeitung ausreicht. Durch die Verwendung von standardisierter Hardware, Halbleiter-Speicher und dem Einsatz spezieller Software ist ihre Betriebssicherheit in der Praxis mit der von SPS-Steuerungen vergleichbar. Gegenüber den etwas kostengünstigeren Intelligenten Kameras sind Kompakt-PC-Systeme deutlich vielseitiger. Die einfache Integration zusätzlicher Hard- und Software erspart oft einen zusätzlichen PC und die Kosten für dessen programmtechnische Einbindung an SPS, BV, usw.

Panasonic Electric Works Deutschland GmbH, Holzkirchen

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Die L&_P Elektroautomatisations GmbH in Willich beschäftigt sich mit der Entwicklung, der Planung und dem Bau von Prüf- und Fertigungsanlagen und arbeitet seit Jahren mit namhaften Firmen aus dem Sondermaschinenbau sowie Herstellern von SPS Steuerungen und Bildverarbeitungssystemen eng zusammen. Sie setzt in den Prüfsystemen unter anderem Bildverarbeitungssysteme für Anwesenheitskontrollen, Vermessungen, Oberflächenanalysen, Codeerkennungen und Farberkennungen ein und verfügen über fundierte Bildverarbeitungskenntnisse.