Brückenschlag
Was bringt TSN und OPC UA Vision für die Bildverarbeitung?
Dank dem Erscheinen von OPC UA TSN und OPC Vision können Anwender nun ein und dasselbe Ethernet-Netzwerk, sowohl für zeitkritische Anwendungen, wie etwa die Bilderfassung, als auch für weniger zeitkritische IT-Systeme verwenden. Aufgrund des OPC UA TSN Standards in Netzwerkknoten, inklusive Kameras, PCs, SPS, sowie serverbasierte Systeme, wird TSN zukünftig insbesondere bei der Entwicklung von Edge- wie auch Cloudbasierten Netzwerkanwendungen hilfreich sein.
Bild 1 | Dank neuer Basistechnologien wie z.B. TSN (Time-Sensitive Network) oder OPC UA ist mittlerweile eine sichere und deterministische Kommunikation zwischen der OT- und IT-Ebenen auch für Bildverarbeitungssysteme möglich. (Bild: Lucid Vision Labs Inc)
Der Kerngedanke bei der Industrie 4.0 ist, dass PCs, Kameras, Sensoren, Bildverarbeitungssysteme und andere PC-gesteuerte Geräte in der Produktion miteinander kommunizieren und dem Maschinenbediener intelligente, sowie fertigungsrelevante Daten über seinen Produktionsprozess bereitstellen. In letzter Zeit wird Industrie 4.0 aber auch als Überbegriff für weitere Automatisierungstrends verwendet, z.B. Cyber-physische Systeme, Internet der Dinge (IoT), sowie alles, was mit dem Internet in Verbindung mit Cloud- oder kognitiven Computersystemen zu tun hat. Eine Industrie 4.0 Wirklichkeit werden zu lassen ist allerdings keine einfache Aufgabe. Unternehmen, die sich ernsthaft damit befassen, müssen dafür ihre IT Systemfunktionen wie Email, ERP und CRM, mit ihren Systemen in der Produktionsumgebung (Operational Technology, OT) integrieren, z.B. in Maschinen, Transportsystemen, Steuerung oder der Bildverarbeitung. Allerdings herrschen in beiden Ebenen unterschiedliche Anforderungen an die Reaktionszeit. Während die IT in der Verwaltung in der Regel keine Echtzeitanforderungen hat und Ethernet-basierte Standardprotokolle nutzen kann, werden in der Fertigung generell Echtzeitsysteme benötigt, die Industrial Ethernet-Technologie erfordern. Um eine Echtzeitreaktion über beide Netzwerke zu ermöglichen und gleichzeitig vorhandene industrielle Kommunikationsprotokolle zu verwenden, muss allerdings das bisherige Standard-Ethernet angepasst werden.
Time-Sensitive Network (TSN)
Generell war der Datentransfer zwischen OT und IT in der Verwaltung schon immer schwierig, da die in der Regel offenen OT-Systeme auf passwort- und Firewall geschützte Systeme der IT-Abteilungen treffen. Angesichts der Verfügbarkeit neuer Basistechnologien können nun jedoch auch neue Netzwerkumgebungen gestaltet werden, die sichere Kommunikationsmethoden verwenden und so den Datenaustausch zwischen den beiden Ebenen erleichtern. Eine der Basistechnologien ist aus der IEEE Time-Sensitive Network (TSN) Gruppe hervorgegangen. Sie wird primär genutzt, um Takte in Computernetzwerken mit einer Genauigkeit im unteren Mikrosekunden-Bereich zu synchronisieren. Mit der Anwendung dieses Standards können nun auch zeitkritische Systeme wie Kameras, Sensoren und Bildverarbeitungssysteme, sowie die zeitlich nicht kritischen IEEE-Standard-Ethernet-Netzwerke zur gemeinsamen Kommunikation verwenden. Parallel dazu kann mit der Einführung der OPC UA (IEC62451), ein von der OPC Foundation entwickelter offener Standard genutzt werden, der den Informationsaustausch für die industrielle Kommunikation auf computergestützten Maschinen festlegt, um ein Zusammenwachsen der IT und OT -Ebene zu ermöglichen. Mit OPC UA können Anwender das Datenmodell und die Dienste von OPC nutzen, die eine semantische Interoperabilität bieten.
Bild 2 | TSN wird genutzt, um Takte in PC-Netzwerken – aber auch Visionsystemen – mit einer Genauigkeit im unteren μs-Bereich zu synchronisieren. (Bild: Lucid Vision Labs Inc)
Echtzeit-Software-Trigger-+
Um zu gewährleisten, dass alle OPC UA TSN-Geräte kompatibel sind, muss jeder computerbasierte Gerätetyp im Netzwerk über ein standardisiertes Geräteprofil verfügen. OPC UA kann zudem mit jedem gängigen Betriebssystem wie Windows, Linux und Mac OS verwendet werden. Sie ist zudem skalierbar und kann von kleinen 8Bit-Embedded-Controllern bis hin zu großen Cloud-Server-basierten Systemen verwendet werden. Daher ist nun auch ein deterministisches Verhalten und Echtzeit für industrielle Anwendungen möglich. Funktionen wie Frame-Pre-Emption ermöglichen es, kritische Daten, wie einen Software-Trigger für eine Kamera, dem anderen Datenverkehr im Netzwerk vorzuziehen. Dies ermöglicht einen deterministischen Software-Trigger mit geringer Latenz. Dies war bisher nur mit einem Hardware-Trigger möglich. Der Vorteil ist eine nicht unerhebliche Einsparung an Verkabelung für die Hardware Triggerung. Eine weitere Funktion ist die Priorisierung von Datenströmen (traffic scheduling). Sie stellt sicher, dass im Netzwerk genügend Bandbreite für Kameradaten reserviert ist. Damit können Benutzer jetzt eine Bildverarbeitungskamera zusammen mit anderen Geräten in ein Netzwerk einbinden und müssen keinen Datenstau oder -verlust fürchten. Um OPC UA für die Bildverarbeitung voll auszunutzen, kooperiert der VDMA mit der OPC Foundation, im Rahmen der OPC Vision Initiative. Ziel ist eine OPC UA-Companion-Spezifikation für die Bildverarbeitung, die erstmals auf der automatica 2018 vorgestellt wurde. Die Integration von Bildverarbeitungssystemen in OT- und IT-Systeme wurde dort gezeigt. Die erste Version der ´OPC UA Companion Specification for Machine Vision´ (OPC UA Vision) beschreibt ein generisches Modell für alle Bildverarbeitungssysteme – von einfachen Vision-Sensoren bis hin zu komplexen Inspektionssystemen. Die Spezifikation definiert die Infrastrukturschichten als eine Abstraktion von Visionsystemen, was die Verwaltung von Rezepten, Konfigurationen und Datenergebnisse in einem Standardformat ermöglicht.
2,5 bzw. 5GBase-T Standard
Während der vergangenen zehn bis 15 Jahre haben Kamerahersteller neue Produkte auf der Basis unterschiedlicher Schnittstellen wie USB, FireWire, CameraLink, CameraLink HS und CoaXPress sowie Ethernet-basierte Standards wie GigE oder 10GigE Ethernet vorgestellt. Die kürzlich erfolgte Einführung der 2,5GBase-T und 5GBase-T Standards durch die nBase-T Alliance ermöglicht nun die Datenübertragung über Twisted Pair Kabel mit Geschwindigkeiten von 2,5GBit/s bzw. 5GBit/s und bietet damit gleich zwei Standards zwischen GigE und 10GigE. Damit sind unter Verwendung kostengünstiger Cat 5e und Cat 6 Twisted-Pair-Kabeln Längen bis zu 100m erreichbar. Auch die Verfügbarkeit entsprechender Peripherie ist mittlerweile ausreichend gewährleistet. Durch den Einsatz von Ethernet-basierten Kameras können Systementwickler GigE Vision nutzen. Mit dem Internet Protokol Standard bietet GigE Vision ein High-Speed-Framework zur Übertragung von Videodaten und den zugehörigen Steuerungsdaten. Diese Frameworks erleichtern die Entwicklung von Software. Dagegen basiert der GigE Device Discovery Mechanismus, auf dem GenICam Standard. Dieser Mechanismus dient zum Erhalten von IP-Adressen und der XML-Gerätebeschreibungsdatei. Die XML-Datei wird dabei für den Zugriff und zur Steuerung von Kamerafunktionen und Bildströmen verwendet.
