Innovatives GigE Trigger Device mit Track & Trace

Hersteller von sensiblen Produkten, wie z.B. in der Pharmaindustrie, müssen bei der Produktion volle Kontrolle über jedes einzelne Produkt sicherstellen. Dabei geht es nicht nur um die richtige Zuordnung zwischen Produkt und Verpackung, sondern auch um die richtige Beschriftung und Codierung. Zu diesem Zweck wird der komplette Prozess mit Hilfe von Bildverarbeitungssystemen überwacht.

Ein grundlegendes Problem jedes Bildverarbeitungssystems ist jedoch die Zuordnung von Objekten und deren zugehörigen Bildern, damit nach deren Auswertung auch die richtige Aktion auf das zugehörige Objekt angewendet werden kann. In der Regel werden Lichtschranken eingesetzt, um die Objekte während der Inline-Inspektion auf dem Förderband im Produktionsprozess zu erfassen. Drehgeber am Förderband geben dabei Auskunft über dessen Geschwindigkeit und somit über die Position des Objektes. Entsprechend des Szenarios erfolgt die Initiierung der Bildaufnahme, an der richtigen Position, per Hardware Trigger. Nach der Bildauswertung können fehlerhafte Objekte z.B. an dafür vorgesehenen Schleusen ausgeführt werden.

Bei heute realisierten Installationen treten jedoch oft Einschränkungen auf, die die Zuverlässigkeit des Systems limitieren können. So erfolgt keine eindeutige Zuordnung von Objekten und zugehörigen Bildern, da eine Markierung durch die Kamera nicht unterstützt wird. Der Applikationsentwickler muss sich daher auf die Annahme „First in – First Out“ (FIFO) stützen. Liegt jedoch zu einem Trigger Impuls kein Bild vor oder Resends im GigE Netzwerk bringen die Reihenfolge der Übertragung durcheinander, kann es zu Störungen kommen. Ursache dafür können z.B. zu schnell aufeinander folgende Trigger Impulse sein. Im Ergebnis kann nicht immer sichergestellt werden, dass ein als fehlerhaft erkanntes Objekt auch korrekt ausgesondert wird. Zudem treten hohe Anforderungen an die Echtzeitfähigkeit auf, da sowohl das Triggern als auch das Ausschleusen sehr präzise und deterministisch erfolgen muss. Dieses ist mit PC-basierten Systemen mit Standardbetriebssystemen oder mit gängigen SPS Lösungen nicht immer realisierbar. Aufgrund der hohen Komplexität ist zudem ein erheblicher Aufwand für Realisierung und Test erforderlich bis akzeptable Resultate erreicht werden.

Das innovative Trigger Device von Baumer verfolgt mit seinem „Track & Trace“ einen übergreifenden Ansatz, um diese Probleme zu adressieren. Es sitzt als Kommunikationsschnittstelle mitten im Prozess und kann die komplette Steuerung eines Bildverarbeitungssystems übernehmen. Kernstück des Trigger Devices ist ein 3-Port Gigabit Ethernet Switch. Zwei Ports stehen dabei für die Kommunikation zur Verfügung während der dritte interne Port mit einem FPGA verbunden ist. Dieser wird dabei für die Triggerung aller im Prozess befindlichen Kameras genutzt. Um prozessrelevante Sensoren und Aktoren einzubinden, stehen dem Anwender 4 SPS konforme allgemeine Eingänge, 4 Takteingänge für Drehgeber sowie 8 digitale Ausgänge zur Verfügung. Eine Betriebsspannung von 48 V sowie die einfache Hutschienenmontage ermöglichen eine schnelle Integration in jeden industriellen Aufbau. Das Trigger Device ist eine GigE Vision konforme Netzwerkkomponente und basiert auf dem GigE Vision Standard 1.2. Erstmalig können damit neben Kameras auch so genannte Non-Streaming Devices, wie das Trigger Device, in Kameranetzwerke herstellerübergreifend integriert und verwaltet werden. Ein einfacher Aufbau mit lediglich einer Kamera und einem PC kann direkt über die zwei Ethernet Ports erfolgen. Das Trigger Device unterstützt sowohl Standard GigE Kameras wie auch Power over Ethernet Kameras. Somit lässt sich eine Einkabellösung realisieren, welche die Gesamtkosten des Systems deutlich reduziert. Für Mehrkamerasysteme lässt sich das Device mit einem Standard GigE Switch erweitern.

Die Funktionsweise von Track & Trace soll anhand eines Applikationsbeispiels verdeutlicht werden. Dabei sollen Blister, die nicht vollständig befüllt sind, zuverlässig ausgeschleust werden. Der Prozess startet mit dem Objekt auf dem Förderband, welches durch eine Lichtschranke erfasst wird. Um Fehltriggerungen, die durch Störungen in industriellen Umgebungen vorkommen können, zu verhindern, kann das Eingangssignal am Trigger Device per Debouncer und Flankensteuerung gefiltert werden. Danach erfolgt die Vergabe eines eindeutigen Labels zu diesem Objekt. Dieses Vorgehen ist in der Bildverarbeitung einmalig und erlaubt eine eindeutige Zuordnung des Objektes während des gesamten Prozesses. Um auch schnelle Prozesse erfassen zu können, kann das Trigger Device bis zu 512 Objekte gleichzeitig verwalten. Nach einstellbarer Zeit bzw. einem im Vorfeld definierten zurückzulegenden Weg erfolgt der Versand eines Action Commands, welches die Labelinformation enthält, über des GigE Netzwerk an die Kamera. Die Kamera wertet das empfangende Kommando aus und initiiert die Bildaufnahme. Im Anschluss wird das Bild zusammen mit dem Label im Image Header an den PC gesendet. Nach Auswertung des Bildes sendet der PC wiederum ein Action Command an das Trigger Device. Das Kommando enthält die notwendigen Informationen der durchzuführenden Aktion für das geprüfte Objekt. Die Übermittlung des Labels mit dem Kommando stellt dabei sicher, dass die gewünschte Aktion mit dem Objekt übereinstimmt. Das Trigger Device wertet anschließend dieses Kommando aus. Dabei wird das zum Label gehörende Objekt, sowie dessen Position, auf dem Band ermittelt. Im Beispiel werden fehlerhafte Objekte durch eine Schleuse entfernt. Die Ansteuerung erfolgt durch Setzen eines der 8 digitalen Ausgänge. Dabei kann wiederum Zeit- bzw. Weg-basiert eine Verzögerung erfolgen bis sich das Objekt an der richtigen Position befindet. Liefert die Bildverarbeitung nicht rechtzeitig eine durchzuführende Aktion, kann eine Default Einstellung ausgeführt werden. Dadurch kann sichergestellt werden, dass nur als korrekt erkannte Objekte weitergeleitet werden.

Die Auswertung des Eingangssignals, die Generierung des Action Commands sowie die Auswertung in der Kamera erfolgen komplett in der Hardware. Messungen haben ergeben, dass die Bildaufnahme dabei deterministisch mit einem Delay von lediglich 8 µs und einem Jitter von 2 µs angesteuert werden kann. Dies ist vergleichbar mit einem direkten Hardware Trigger. Da GigE Netzwerke voll duplex sind, behindern sich Senden und Empfangen nicht. Jedoch sollte die Netzwerktopologie so ausgelegt werden, dass die Verbindung zur Kamera nur für die Kamerasteuerung genutzt wird.

Für eine optimale Objektverfolgung können hochauflösende Drehgeber mit bis zu 100 kHz ausgewertet werden. Dadurch wird eine hohe Präzision möglich. Um der benötigten Flexibilität für unterschiedliche Anwendungen gerecht zu werden, ist es nicht notwendig, die Bandgeschwindigkeit der Anlage vorab festzulegen, sondern kann nach Aufbau des Systems optimiert werden. Selbst eine variable Geschwindigkeit oder ein Stillstand des Bandes werden vom Trigger Device sicher erfasst.

Während bisherige Lösungen aufwendig programmiert werden müssen und demzufolge bei Änderungen sehr wartungsintensiv sind, wird das Trigger Device mit einer einfach bedienbaren Oberfläche zur Parametrierung ausgeliefert. Dabei werden im Netzwerk vorhandene Geräte automatisch lokalisiert. Nach Auswahl des zu konfigurierenden Geräts können sämtliche Einstellungen für Taktquellen, Eingänge, Generierung des Action Commands usw. intuitiv vorgenommen werden. Die Einstellungen können im Anschluss lokal gesichert und auf das Gerät übertragen werden. Eine Darstellung der gesammelten Statistik erleichtert die Inbetriebnahme. Selbstverständlich kann das Trigger Device auch mit der eigenen Software konfiguriert werden. Alle benötigten Parameter werden vom generischen SDK Baumer-GAPI zur Verfügung gestellt.

Zur Vereinfachung der Systemintegration seiner innovativen GigE Kameras bietet Baumer mit der GigE Power Serie einen PoE Injektor sowie mehrere PoE fähige Switche für industrielle Vision Applikationen an. Das vielseitige Trigger Device rundet dieses Portfolio weiter ab. Durch Triggern über das Netzwerk können bisher eingesetzte separate Kabel eingespart werden. In Kombination mit Power over Ethernet (PoE) ist eine wirkliche Ein-Kabel-Lösung zur Kamera nunmehr realisierbar. Auf Grundlage der integrierten Zeit- und weg-basierten Verzögerung des Triggerns können komplexe Anforderungen abgebildet werden. Durch Track & Trace wird eine zuverlässige Zuordnung zwischen Bild und Objekt auf dem Förderband während der gesamten Verarbeitung gewährleistet und der PC von zeitkritischen Aufgaben entlastet. Insgesamt kann somit die Komplexität der Installation wesentlich reduziert und die Zuverlässigkeit des Systems gesteigert werden.

Baumer Optronic, Radeberg www.baumer.com/cameras