Reduktion der Komplexität

SPS & Bildverarbeitung: Wie geht es weiter?

Schon länger wachsen die Bereiche Automatisierung und industrielle Bildverarbeitung (IBV) zusammen. Aber wie findet heutzutage der Datenaustausch zwischen SPS und IBV statt (und wie in Zukunft)? Wo sind derzeit noch die Probleme beim Zusammenspiel und welche Standards sind zukünftig für einen besseren Ablauf notwendig? Um diese Fragen zu klären, fand auf der SPS IPC Drives 2014 eine Expertenrunde auf dem VDMA-Forum statt.

B&R hat es sich zum Ziel gesetzt, die Welten der Bildverarbeitung und Steuerungstechnik miteinander zu verheiraten. Wie glücklich ist die Ehe?

S.Schönegger: Symbolisch gesprochen sind wir eher noch im Status der ersten Schritte einer Freundschaft. Die Ehe ist aber das Modell, welches wir anstreben, weil wir überzeugt sind, dass mit einer deutlich besseren Kombination aus Bildverarbeitung und Steuerungstechnik die Taktzahlen der Maschinen beschleunigt werden können.

K.-H.Noffz: Es ist eine Heirat, die kommen muss, weil Produktionen immer flexibler werden, Stichwort Industrie 4.0. Dazu wird Bildverarbeitung gebraucht. Allerdings muss sie näher an die Linie kommen und einfacher integrierbar sein.

O.Munkelt: Wenn man über die Messe geht, sieht man an vielen Ständen bereits kleine Bildverarbeitungsexponate. Wir sind also am Beginn einer Freundschaft, müssen aber prüfen, wo wir den wirklichen Mehrwert für den Kunden mit Bildverarbeitung schaffen können.

J.Finner: Stemmer Imaging ist seit acht Jahren auf der SPS IPC Drives Aussteller, weil das Zusammenspiel von Bildverarbeitung und SPS ein wichtiger Bestandteil in Automatisierungssystemen ist. Wir wollen den Anwender durch Schulungen an die Bildverarbeitung heranführen und ihm die Angst davor nehmen.

C.Fritz: Als Hersteller von Hard- und Softwarelösungen, die seit vielen Jahren die SPS- als auch die IBV-Seite abdecken, sehe ich bereits recht viele glückliche Kunden. Wir sind also optimistisch, hinsichtlich der gemeinsamen Zukunft der beiden Automatisierungsdisziplinen.

Wie weit muss sich der SPS-Anwender zukünftig mit Bildverarbeitung beschäftigen?

J.Finner: Im Prinzip kann er das bereits mit einer Smart-Kamera, die mit einer gewissen Intelligenz ausgestattet ist. Einfache Bildverarbeitungsaufgaben können schon heute von einem SPS-Programmierer übernommen werden.

S.Schönegger: Unsere Erfahrung ist, dass der Automatisierungs-Programmierer heute noch nicht in der Lage wäre, selbst mittel-komplexe Aufgaben der Bildverarbeitung zu lösen. Die Herausforderung liegt darin, die Bedeutung, d.h. die Art und Weise, wie IBV-Aufgaben zu vereinfachen.

O.Munkelt: Die SPS-Welt hat sich über Jahrzehnte so entwickelt, dass die Firmen Komplettlösungen anbieten. Wenn Sie aber was anderes machen wollen, dann müssen Sie große Anstrengungen auf sich nehmen, um dort hinzukommen. In der Bildverarbeitung ist das anders. Dort haben wir bereits vor Jahren angefangen, über gemeinsame Standards nachzudenken. Diese ermöglichen eine Interoperabilität verschiedenster Komponenten entlang der Wertschöpfungskette, was auch dazu geführt hat, dass die Kundenkreise, die die Bildverarbeitung vor zehn Jahren adressiert hat, stark gewachsen sind. Wenn die Automatisierer sich auf Standards einigen könnten, die eine ähnliche Interoperabilität garantieren, dann wäre das ein großer Gewinn.

S.Schönegger: Wir haben Standards entwickelt, die bereits seit vielen Jahren für den Maschinenbau umgesetzt sind und die dazu geführt haben, dass wir verschiedenste Komponenten aus der Automatisierungs-, Steuerungs- und der Antriebstechnik sowie der Sensorik und Aktorik beliebig miteinander kombinieren können. Aus diesem Blickwinkel sollte ein Vision-System – ähnlich wie ein Sensor – von sich aus nahtlos in die Automatisierungswelt integrierbar sein.

C.Fritz: Auch ich sehe, dass wir in der Automatisierungswelt noch nicht ganz so weit sind, wie das in der Bildverarbeitung der Fall ist, und dass weitere Standardisierungen nötigt sind.

K.-H.Noffz: Die Bildverarbeitung hat über ihre Software-Standards etwas anzubieten, womit die Möglichkeit entsteht, das Software-Know-how verschiedener Anbieter zu integrieren. Das ist die Zukunft, weil dann nicht jeder Hersteller alles selber entwickeln muss.

Wie findet heute der Datenaustausch zwischen SPS und Bildverarbeitung statt?

S.Schönegger: Wir haben vor knapp vier Jahren eine Kooperation mit Cognex gestartet, die mittlerweile seit zwei Jahren in vielen Serien-Maschinen im Einsatz ist. Der entscheidende Schritt war es, eine Standard-Schnittstelle – in diesem Fall eine Powerlink-Lösung – in eine intelligente Kamera zu integrieren. Damit haben wir sowohl den Bereich der Bildübertragung als auch die Triggersignale integriert und können synchron zwischen Antrieben und IBV-Systemen die Daten austauschen.

C.Fritz: Industrielle Kommunikation ist eine Möglichkeit, ein Bildverarbeitungs- mit einem Automatisierungssystem anzubinden. Eine integrierte Lösung, d.h. Bildverarbeitung und Automatisierung in einem System unterzubringen, ist eine andere Variante. Dann gibt es auch Kamera-Standards, über die man den Bildverarbeitungssensor an das System anbindet. Wir sehen einen großen Trend in Richtung Ethernet-basierte Lösungen. Entweder mit Hilfe von industriellen Protokollen und Determinismus, der oben drauf gesetzt wird, aber auch Bestrebungen über Standard-Ethernet mit höheren Bandbreiten.

O.Munkelt: Das Schöne ist, dass die Automatisierungswelt bereits Standards hat, wie z.B. OPC UA, das nahezu von allen SPS-Herstellern unterstützt wird. Dies ist eine Schnittstelle, bei der sich auch die Bildverarbeiter relativ einfach mit draufsetzen können.

S.Schönegger: OPC UA ist einer der ganz wenigen Standards, der durchgängig von allen Steuerungsherstellern unterstützt wird. Er hat nur einen gravierenden Nachteil: Es fehlt ein deterministisches Verhalten.

O.Munkelt: Auch die ganze Seite der Aktorik ist typischerweise unterbelichtet in der Bildverarbeitung. Ich glaube trotzdem, dass ein Standard wie OPC UA eine Zukunft hat. Einfach weil die Geschwindigkeiten, die darüber laufen, immer weiter steigen. Wir haben heute Gigabit-Ethernet in der Bildverarbeitung, 10GigE wird kommen usw. Deterministisch braucht es noch ein bisschen Zeit, d.h. aber nichts anderes für den Anwender, als dass er überpüfen muss, was die Anforderungen sind, die der Prozess stellt und ob er diese mit den bereits bestehenden Standards geregelt bekommt.

S.Schönegger: Aus einer Ehe wird nichts, wenn man nicht konstant daran arbeitet. Wenn wir einfach warten und schauen was passiert, sind wir noch sehr weit von einem für die Anwender optimalen Zusammenspiel zwischen SPS- und Bildverarbeitungswelt entfernt. Wir müssen aktiv an diesen Themen arbeiten und Lösungen finden. Der Zeithorizont dafür sollte nicht bei fünf bis zehn Jahren, sondern bei einem oder zwei Jahren liegen.

Wer muss sich hier wem nähern?

C.Fritz: Es sind Bestrebungen im Gange, diese Dinge aktiv auf Seiten der Automatisierer voran zu treiben. Ich sehe dort Interaktionen mit Bildverarbeitern und Organisationen wie OPC und bin optimistisch, dass wir das nicht im Zeitraum von zehn Jahren hinbekommen, sondern von zwei bis fünf Jahren.

K.-H.Noffz: Für uns sind die Themen Determinismus und Echtzeit besonders wichtig, weil wir uns auf FPGA-Bildverarbeitung spezialisiert haben. Dort haben wir eine Verbindung von deterministischem Zeitverhalten und anspruchsvoller Bildverarbeitung.

O.Munkelt: Natürlich ist es so, dass die Bildverarbeitung eine Bringschuld hat. Wir sehen, dass der Bedarf da ist, nur wissen wir nicht genau, wie wir ihn befriedigen sollen. Wie bekommt man das Bild in die SPS, sodass es auch den Anforderungen einer SPS genügt? Wie kann ich die Bildverarbeitung einfacher machen? Wenn Sie einen Produktionsprozess haben, bei dem sie gelegentlich einen Dichtring überprüfen möchten, dann wollen Sie kein Engineering-Projekt mit drei Monaten, sondern das Ganze in drei Stunden erledigt haben.

S.Schönegger: In der Automatisierungstechnik ist in den letzten 20 Jahren sehr viel passiert. Im Umfeld der Programmiersprachen (IEC61131) ist man den Anwendern entgegen gekommen, die einen starken Background in der Elektrotechnik hatten, also der reinen Verdrahtungstechnik. Dinge wie PLCopen haben das Leben der Automatisierungstechnik und die Standardisierung der SPS-Programmierung deutlich einfacher gemacht. Es gibt weitere Bestrebungen, komplexe Maschinen nochmal einen Faktor schneller zu machen. Die Automatisierungstechnik geht auf die Anwender zu und hilft damit auch dabei, dem Thema Fachkräftemangel zu begegnen. Hier ist die Bildverarbeitung gefordert, ähnliche Schritte zu gehen und Lösungswege aufzuzeigen, um es dem Maschinenbau mit wenig Aufwand und sehr knappem Personal zu ermöglichen, selbst die Bildverarbeitung zu integrieren.

C.Fritz: Die große Herausforderung ist, wie integriere ich beide Disziplinen. Wie simuliere ich in der Entwicklung z.B. ein System, das Automatisierungs- und Bildverarbeitungskomponenten hat. Welche Tools kam man hierfür entwickeln und wo können beide Seiten Lösungsansätze bieten? Ein großes Problem ist die Integration auf der Software-Seite beider Welten.

Werden wir zukünftig immer noch mehrere Engineering-Tools haben? Eins für die IBV und eins für die SPS?

K.-H.Noffz: Unsere Kunden arbeiten schon heute mit Kamera-Echtzeitverarbeitung und Framegrabbern. Im Grunde sind wir schon so weit, dass diese einfachen Hardware-Komponenten direkt die Ansteuerung in Echtzeit vornehmen. In naher Zukunft werden Sensoren, die heute einen Barcode lesen, auch komplexe Sortieraufgaben vornehmen und dann eine Düsenansteuerung direkt von der Kamera aus machen.

O.Munkelt: Eine Handykamera hat heute 16 bis 21MP. In der IBV haben Kameras meist weniger, trotzdem müssen die Daten verarbeitet werden. Es gibt eine Menge einfacher Anwendungen, wo z.B. das Objekt da ist und ich möchte zählen, wie viele davon im Bild sind. Wie groß ist der Durchmesser bei einem Dichtungsring, innen und außen? Dies sind ‚einfache‘ Anwendungen in dem Sinne, dass man sie herunterbrechen und einfach parametrisieren kann. Ob das dann später ‚Schraubenfinder‘ in der SPS-Oberfläche oder ‚Dichtungsring-Inspektion‘ heißt, ist eine andere Frage. Bildverarbeiter neigen dazu zu sagen: „Wir machen keine Dichtungsinspektion, sondern eine Kreisring-Inspektion.“, d.h. alles was aussieht, wie ein Kreisring, kann man damit inspizieren. Das ist richtig, aber häufig nicht die Sprache, die in der SPS-Welt gesprochen wird. Dort möchte man es ein bisschen konkreter haben.

C.Fritz: Unsere Kunden können beide Welten in einer integrierten Software-Lösung haben und damit in einem einzigen Software-Tool komplexe, integrierte Lösungen realisieren. Natürlich ist Spezialwissen auf Entwickler-Seite von Nöten. Optische Phänomene, Linsen- und Sensorgrößen sind Dinge, mit denen sich der Automatisierer zukünftig auch auseinander setzen muss.

J.Finner: Es ist wichtig, dass die Anwender frühzeitig über Schulungen und andere Bereiche rechtzeitig an das Thema heran- geführt werden. Dann wird auch das Zusammenspiel beider Seiten schneller zustande kommen.

Wenn eines Tages Bildverarbeitung in eine SPS integriert werden soll, wer wird das machen?

S.Schönegger: Es gibt Bereiche, wo es für uns Automatisierer mehr Sinn ergibt, Know-how zuzukaufen, z.B. was die Algorithmik betrifft. Hinsichtlich Oberfläche und Bedienbarkeit sind wir selber gefragt, da es um die Usability der Lösung geht.

J.Finner: Grundelemente der Bildverarbeitung können durchaus in einer SPS vereinigt werden für einfache Applikationen, wie z.B. eine Vermessung von Bauteilen. Um die Integration von Bildverarbeitung in die SPS voranzutreiben wäre eine übergeordnete Organisation hilfreich, die versucht, Vertreter beider Technologien zusammenzu- bringen. Gemeinsam würden sich so sicher sinnvolle Integrationsmöglichkeiten definieren lassen.

K.-H.Noffz: Ein Hersteller wie B&R bietet ein generelles Bedientool an, in dem z.B. eine Bildverarbeitungssoftware integriert werden kann. Wenn wir ein System haben, das offen ist für Spezialisten, die eine entsprechende Applikationskompetenz z.B. für Schraubenanalysen haben, und für dieses System eine Reihe von Anwendungen machen, die ich als SPS-Programmierer laden kann, dann habe ich natürlich einen wesentlich höheren Grad an Flexibilität und Fachwissen integriert. Das Problem ist, wenn alles in der Verantwortung von einem einzigen Hersteller ist, führt das dazu, dass unsere Bildverarbeitungssysteme einen sehr schmalen und idealisierten Bereich von Applikationen fokussieren werden. Wenn wir den Fachleuten, nicht den wirklichen Endanwendern, sondern kompetenten Bildverarbeitern einen Business-Zugang ermöglichen, dann kann ich dieses System aufweiten und viel spezilialisiertere Schrauben-Anwendungen anbieten, die dann vom Endanwender per Knopfdruck nur noch kurz konfiguriert und dazu geladen werden.

Ist es nötig, dass solch eine Annäherung auf einer ganz anderen (Verbands-)Ebene stattfinden muss, um das Thema zu beschleunigen?

K.-H.Noffz: Je mehr man über Kooperationen von verschiedenen Partnern nachdenkt, desto mehr brauchen wir Standards, eine Ebene, auf der irgendeine Festlegung erfolgt, auf die man sich verlassen kann und die auch entsprechend gewartet wird. Das ist ein Thema, welches über die einzelnen Firmen hinausgeht und sicherlich auf Verbandsebene gelöst werden sollte.

S.Schönegger: Verbandsarbeit ist sicher wichtig und zielführend und ich kann hier auch ganz offen sagen, dass B&R sich beteiligen würde. Auf der anderen Seite wollen wir Dinge schneller lösen und vorantreiben, also wären wir bei Bedarf im Sinne der Umsetzungsgeschwindigkeit auch für direketere Wege offen.

C.Fritz: Lösungen, bei der IBV und Automatisierung in einer Plattform integriert sind, bieten Vorteile, vor allem wenn Anwender komplette Neu-Entwicklungen durchführen. Standards helfen aber sowohl Anwendern als auch Herstellern, wenn bestehende Lösungen integriert werden sollen oder wenn Sub-Systeme unterschiedlicher Hersteller kombiniert werden müssen. Hier braucht es Standtards.

Was ist nötig, damit Automatisierer zukünftig noch stärker Bildverarbeitung einsetzen?

S.Schönegger: Da gibt es zwei Punkte, die wir lösen müssen: Das eine ist die Frage der physikalischen Verbindung, also welche Art von Feldbus oder Protokoll man verwendet, um das Problem zu lösen. Es gibt verschiedene existierende Feldbusse mit Echtzeit-Unterstützung. Auch OPC UA könnte sich mit höheren Bandbreiten beziehungsweise Entwicklungen rund um den Ethernet-Standard zu einer weiteren Verbindungsmöglichkeit entwickeln. Das viel dringendere Problem ist jedoch die Beherrschung der Komplexität. Mein Appell an die Hersteller von Vision-Systemen ist, auch anspruchsvolle Aufgaben in der Bildverarbeitung einfach konfigurierbar und nutzbar zu machen. Es ist mittlerweile möglich, an einem Tag mit jemandem, der aus der Elektrotechnik kommt und der bisher nur in der Verdrahtung von Baugruppen geübt war, Roboter in Betrieb zu nehmen. Das war vor wenigen Jahren undenkbar. Die Anwender, speziell aus dem Bereich Maschinenbau, hatten uns in der Vergangenheit immer wieder vorgehalten, dass es einfacher sein muss, komplexe Maschinen und Anlagen zu beherrschen und zu realisieren. Der Maschinenbau, speziell in Mitteleuropa, will und muss sich differenzieren. Er muss leistungsfähigere, dynamischere, modularere Maschinen bauen. Das kann er nur, wenn die Ingenieure, die das tun müssen, dies schnell und einfach leisten können.

C.Fritz: Natürlich sind beide Seiten bestrebt, ihre jeweiligen Automatisierungstasks zu vereinfachen, während sie immer komplexer werden. Mein Plädoyer ist für eine nahtlosere Integration von beiden Seiten. Wie kann man die Kalibrierung eines Bildverarbeitungssystems mit einem Motionsystem verheiraten? Dort brauchen wir noch ein großes Investment hinsichtlich Software-Integration.

J.Finner: Die Anforderungen in den Produktionsanlagen werden immer anspruchsvoller, d.h. hier ist der Automatisierer einfach gefordert, sich mit dem Thema Bildverarbeitung auseinanderzu- setzen. Wir sehen es als unsere Aufgabe, die Leute an die Bildverarbeitung heran- zuführen und auch entsprechend auszubilden und haben dafür die European Imaging Academy geschaffen. Der Wissensgrad von SPS-Spezialisten zum Thema Bildverarbeitung kann durchaus noch wachsen, sodass sie schon mittel-komplexe Bildverarbeitungsaufgaben in den nächsten Jahren selber lösen können.

K.-H.Noffz: Wichtig ist es, Foren zu bieten, um beide Welten weiter miteinander in Kommunikation zu bringen, um so der Automatisierungsseite die Möglichkeit zu geben, zu verstehen was Bildverarbeitung heute kann und wie weit das alles integrierbar ist. Auf der anderen Seite bedeutet dies für die Bildverarbeitung immer stärker zu verstehen, wohin die Reise geht.

O.Munkelt: Die Bildverarbeitung muss über smartere Lösungen nachdenken, die nicht nur aus der Bildverarbeitung kommen, sondern vielleicht auch Geräte nutzen, die schon vorhanden sind. Zudem soll das Ganze automatisch gehen und z.B. der Kalibrierungsprozess nicht ein paar Stunden dauern. Die Reduktion der Komplexität ist ein wichtiger Teil. Aufgaben, die jetzt komplex erscheinen, wird man vereinfachen können. Wenn Ihnen Mitte der 80er Jahre jemand ein Handy gezeigt und gesagt hätte, dass man in zehn bis 15 Jahren damit telefonieren würde, dann hätten Sie das nicht geglaubt. Wir müssen uns vergegenwärtigen, dass wir einen Innovationsfortschritt erzielen, Schritt für Schritt, und was wir uns heute noch nicht vorstellen können, ist übermorgen schon denkbar und über-übermorgen bereits umgesetzt. Das gilt auch für die komplexe Technologie der Bildverarbeitung. n Teilnehmer

• • Stefan Schönegger,

• • Christian Fritz,

Principal Product Manager,

National Instruments

• • Dr. Olaf Munkelt,

Geschäftsführer, MVTec Software

• • Dr. Klaus-Henning Noffz,

Geschäftsführer, Silicon Software

• • Jürgen Finner,

Vertriebsleiter, Stemmer Imaging