OPC UA ist eine Schlüsseltechnologie, um Daten und Information in der Industrie auszutauschen. Das Industrieprotokoll etabliert sich durch Eigenschaften wie Herstellerunabhängigkeit, Skalierbarkeit und Kommunikationssicherheit immer weiter als offener Standard in der Industrie 4.0. Das liegt auch daran, dass OPC UA über Web-Protokolle in jedem TCP/IP-Netzwerk funktioniert und die Kommunikation dadurch vollständig plattformunabhängig ist. Das alles hat zu einer schnellen Verbreitung des IT-Standards geführt.

OPC UA hat es dadurch geschafft, die gesamte Fabrik zu durchdringen und zu verbinden. Der einheitliche Austausch über alle physikalischen Layer und Ethernet-basierten Feldbusse hinweg bis in die Cloud bringt eine enorme Vereinfachung des Engineering-Aufwands, wenn Daten nicht über verschiedene Protokolle gelesen, konvertiert und synchronisiert werden müssen. OPC UA vereinheitlicht dazu die Sprache der Geräte untereinander und legt fest, wie sich Geräte gegenüber Clients selbst beschreiben und wie sie gesteuert werden. Dies vereinheitlicht den softwarebasierten Zugriff auf Kamera-Features jeglicher Art und Hersteller und vereinfacht heute viele Integrationsprozesse und Inbetriebnahmen in Vision-Anwendungen.

Durch die OPC-UA-Schale können ‚IDS NXT‘-Inferenzkameras ohne Spezialwissen über Bildverarbeitung und Künstliche Intelligenz von den Steuerungsherstellern direkt eingesetzt werden.

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OPC UA verwendet sogenannte Companion-Spezifikationen, die die wichtigsten Informationen festlegen, um Geräte einer bestimmten Branche ausreichend und umfassend zu ‚beschreiben‘, und somit quasi als Wörterbuch dienen. Komplexe Bildverarbeitungsaufgaben der Inferenzkameras werden durch OPC UA in Funktionsbausteinen gekapselt, deren genaue Wirkungsweisen dem Automatisierer beziehungsweise Benutzer nicht bekannt sein müssen. Ebenso werden alle notwendigen Einstellungen in Konfigurationsdatensätzen gespeichert und verwaltet. Indem proprietäre Elemente durch herstellerunabhängige und branchenweit akzeptierte Informationsstrukturen ersetzt werden, entsteht ein einfacher und standardisierter Informationsaustausch, der Integrationsprozesse und Inbetriebnahmen neuer Geräte in den Anwendungsworkflow stark vereinfacht.

Selbstbeschreibende Inferenzkamera

In der Welt der Automatisierung und im industriellen IoT gibt es viele Endpunktgeräte, die Dienste und Informationen bereitstellen. Sie fungieren als Server im OPC-UA-Netzwerk. Je nachdem, welche Informationen ein Client zur Weiterverarbeitung benötigt, muss er sich gegebenenfalls mit mehreren Servern verbinden.
Bildlieferanten wie Industriekameras sind im Wesentlichen keine typischen OPC-UA-Geräte. Anders sieht es bei intelligenten Kameras aus, die eine eigenständige Auswertefunktionalität besitzen. Für Embedded-Vision-Geräte wie die ‚NXT‘-Inferenzkameras von IDS etwa ist OPC UA die perfekte Sprache zur Selbstbeschreibung in der Industrie 4.0. Mit einer OPC-UA-Schale können sie von Steuerungsherstellern direkt eingesetzt werden. Sie arbeiten wie ein Vision-Sensor nicht als Bild-, sondern als Ergebnislieferant und bieten damit Informationen und Services an. Somit fungieren sie im OPC-UA-Umfeld als Server.

Produktwechsel auf Knopfdruck

Geräte- und herstellerspezifische Fähigkeiten bleiben über die Rest-Schnittstelle weiterhin eingestellt. Die Verwendung wird hingegen von der OPC-Machine-Vision-Companion-Spezifikation effektiv gekapselt und als zusätzliche Schnittstelle standardisiert. 

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Die Kameras stellen Bildverarbeitungsaufgaben und deren Ergebnisse über Vision Apps bereit, die ebenso einfach zu verwenden und zu wechseln sind wie Apps auf einem Smartphone. Hardwareseitig wird die Kameraplattform durch einen zur Laufzeit programmierbaren, parallel arbeitenden FPGA unterstützt, der als KI-Beschleuniger viele bereits bekannte Architekturen neuronaler Netze beschleunigt ausführen kann. Durch die schnelle Neukonfiguration des dedizierten Prozessors ergeben sich zusätzlich Vorteile, was Zukunftssicherheit, geringe wiederkehrende Kosten und Time-to-Market betrifft. Zudem ist es möglich, zur Laufzeit in wenigen Millisekunden zwischen mehreren neuronalen Netzen umzuschalten. Durch die OPC-UA-Rezept- und Konfigurationsverwaltung wird die Verwendung der Vision Apps vollständig im Industrienetz abgebildet und ermöglicht damit beispielsweise einen Produktwechsel auf Knopfdruck.

Plug-and-Produce

Heiko Seitz ist technischer Autor bei IDS Imaging Development Systems in Obersulm.

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Geräte-Infos und Ergebnisdaten der unterschiedlichen Vision Apps einer ‚IDS NXT‘-Kamera werden durch die OPC-UA-Device-Informationsmodelle sowie die Companion-Spezifikation für Machine-Vision-Systeme als beliebig erweiterbare Objektstruktur jedem Client offengelegt. Sie können durch dieses Netz navigieren und sich alle erforderlichen Informationen beschaffen – auch für Typen, die ihnen vorher nicht bekannt waren. Damit schafft die einheitliche Kommunikation über OPC UA die Grundlage für ‚Plug-and-Produce‘ neuer Geräte. Somit können die ‚IDS NXT‘-Inferenzkameras aufwandsarm in einem OPC-UA-Netzwerk als Machine-Vision-System eingesetzt werden. 

Schnittstellen-Kombi

Mit einem REST (Representational State Transfer) Webservice bieten die Kameras eine weitere plattformunabhängige Schnittstelle, die eine einfache Vernetzung mit anderen webfähigen Geräteklassen ohne zusätzliche Software oder Gateways basierend auf dem http-Protokoll erlaubt. Zusätzlich bleibt der Webservice die maßgebliche Schnittstelle, wenn es darum geht, die Inferenzaufgaben mit den zugehörigen Einstellungen einzurichten und sie per Rezepte und Konfigurationen in der OPC-Welt bereitzustellen. Denn für diese Geräte- und Hersteller-spezifischen Prozesse stellt die OPC-UA-Spezifikation selbst keine einheitlichen Funktionsaufrufe zur Verfügung, da Bildverarbeitungssysteme kaum vergleichbar sind, was ihre Steuerung, Arbeitsweise und die verwendeten Einstellungen und Daten angeht.

Daraus lässt sich nur schwer ein Standard schaffen, ohne die sehr individuellen Systeme in ihrer Funktionalität zu stark zu beschränken beziehungsweise eine generische Schnittstelle zu stark aufzublasen. So bleiben Alleinstellungsmerkmale für die Gerätehersteller weiterhin möglich und die OPC-UA-Kommunikation schlank und skalierbar. OPC UA wird die Geräte-Schnittstellen also nicht ersetzen, sondern ergänzt die Möglichkeiten im Industrieumfeld. Kamerakonfigurationen und Vision-App-basierte Inferenzaufgaben werden dazu in einem für OPC UA kompatiblen und lesbaren Format abgespeichert.