Bei der Verbesserung von Prozessen kommt der Prozessdiagnose und -analyse eine maßgebliche Rolle zu. Idealerweise findet sie im laufenden Betrieb statt, um Störquellen in Echtzeit erkennen und Gegenmaßnahmen unmittelbar einleiten zu können. Systeme zur industriellen Bildverarbeitung unterstützen die Prozessüberwachung dann, wenn sich die Produktionsschritte nur schwer mit Sensoren überwachen lassen oder die Sichtprüfung durch den Menschen keine objektive Qualitätssicherung bietet. Solche kritischen Bedingungen sind beispielsweise bei der Materialzuführung von Werkzeugmaschinen oder Extruder-Anlagen gegeben, ebenso auch bei Laserschweiß- oder materialführenden Anlagen, an denen übermäßig Dampf, Staub, Wasser und große Hitze auftreten, wie etwa in Stahl- und Walzwerken.

Mit Hilfe von Bildverarbeitungssystemen werden Kanten und Ebenen detektiert und vermessen sowie maschinenlesbare Symbole und Zeichen oder auch die Platzierung von Komponenten kontrolliert. Auf diese Weise lassen sich die Dimensionen von Formen und Oberflächen feststellen, fehlende Teile ermitteln oder der korrekte Aufbau von Bauteilen überprüfen. Dank kamerabasierter Prozessdiagnose lassen sich höhere Taktraten während des Kontrollvorgangs erreichen, die Messgenauigkeit wird reproduzierbar, die Ergebnisse lassen sich objektiver ermitteln und sind last but not least leichter dokumentierbar.

Um visuelle Signale erweitert

Mit dem Tool 'ibaMachineVision' können die Prozessdaten auch zur Steuerung der Bildverarbeitung herangezogen werden.

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Für die kamerabasierte Prozessdiagnose hat die Firma iba das aus Hardware und Software bestehende Aufzeichnungssystem 'ibaCapture-CAM' um das Bildverarbeitungstool 'ibaMachineVision' erweitert. Dieses Tool setzt visuelle Prozessinformationen in numerische oder logische Werte um und stellt diese der Prozessdatenaufzeichnung 'ibaPDA' online in Echtzeit zur Verfügung. Basierend auf den aufgenommenen Prozesssignalen stehen hier zudem die Informationen über den Prozess zur Verfügung, die nicht auf Videobildern basieren. Da die Prozesssignale synchronisiert zu den Kamera-Aufnahmen aufgezeichnet werden, lässt sich diese Prozessinformation mit dem Bildverarbeitungstool auch für die industrielle Bildverarbeitung nutzen.

Beispielsweise ist anhand der Prozesssignale bestimmbar, welches Werkstück sich gerade in der Produktion befindet und als nächstes zu analysieren ist. So kann die Kamera auf Größe und Lage des Werkstücks fokussiert oder beispielsweise ein Kamerablitz ausgelöst werden, wenn sich das Werkstück im Fokus der Kamera befindet. Gleichfalls lässt sich der Algorithmus der Machine-Vision-Applikation durch diese Information unterstützen, um bessere und zuverlässigere Ergebnisse zu liefern.

Die Kombination der allgemeinen Prozessinformationen mit den visuellen Signalen bietet sich darüber hinaus an, wenn das Bildverarbeitungssystem Bestandteil der Online-Maschinenüberwachung ist und neben einzelnen mechanischen Komponenten komplette Anlagen zu überwachen sind. Das Videoerfassungssystem mit der nachgeschalteten Bildverarbeitung liefert zusätzlich visuelle Prozessinformationen, die sich sowohl in die Online-Maschinenüberwachung als auch in die nachgeschaltete Offline-Prozessanalyse integrieren lassen. In einem Walzwerk können beispielsweise um die 40 Kameras eingesetzt werden, um den Walzprozess zu überwachen. Da der Bediener die verschiedenen Kamerabilder nicht ununterbrochen beobachten kann, ist ein Verfahren wie das des iba-Systems nützlich, da es aus Kamerabildern visuelle Signale extrahiert und diese mit den Prozessdaten in Verbindung bringt. Auf diese Weise lassen sich Produktionstrends erkennen und der Bediener im Störfall alarmieren.

Online- und Offline-Analyse

Der Langzeit-Trend bei der Erfassung der Strangguss-Diagonalen. So lassen sich sogar allmählich aufbauende Fehler sicher detektieren.

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Das Vorgehen im Detail: Zunächst werden mit dem Bildaufzeichnungssystem 'ibaCapture-CAM' Kamerabilder synchron zu den Messsignalen in der Maschine oder Anlage aufgezeichnet. Die Videoaufzeichnung erfolgt somit zeitsynchron zu den Messsignalen in der 'ibaPDA'-Datenaufzeichnung. Durch das Modul 'ibaMachineVision' erhält das Prozessdatenerfassungssystem zusätzlich die Werte aus der Bildverarbeitung. Dazu werden aus den Videosequenzen Messwerte oder Informationen über die Produktion extrahiert. Diese extrahierten Informationen können dimensionsbehaftete numerische Daten wie Abstand, Größe und Lage, erkannte Textinformationen (Barcode, Nummern) oder auch Zustandsinformationen über das Werkstück oder die Prozessbedingungen sein. Als sogenannte visuelle Signale werden die Informationen wieder in das Prozessdatenaufzeichnungssystem eingespeist, um – wie andere Prozesssignale auch – auf der Bedieneroberfläche visualisiert und als Trend dargestellt werden zu können. Anwender erhalten so die Möglichkeit, das Live-Bild von der Maschine oder Anlage zeitgleich mit dem Ergebnis der Bildverarbeitung und den sich ausbildenden Langzeit-Trend der visuellen Signale betrachten zu können.

Der Langzeit-Trend dient als Basis für Prozessanalyse und Diagnose. Verändert sich der Prozess, lässt sich dies in der grafischen Darstellung des Trends leicht erkennen und bei einer Überschreitung vorher definierter Schwellen am HMI-System zum Beispiel durch eine Ampel signalisieren. Auf diese Weise werden Fehler im Produktionsprozess online und somit frühzeitig ­erkannt. Doch auch nachträglich lässt sich eine tiefergehende Offline-Analyse mit dem Analysewerkzeug 'ibaAnalyzer' vollziehen, um bei aufgetretenen Problemen die Störungsursachen zu erkennen und zu beheben. Das ­Analysetool ermöglicht das Erkennen kausaler Zusammenhänge von Mess­daten und visuellen Informationen, die zur Prozessanalyse zeitsynchronisiert wiedergegeben werden können (Offline replay).

Vorteile der Synchronisierung

Durch die synchrone Aufzeichnung von Videobildern und Messsignalen lassen sich letztere auch dazu nutzen, dem Bediener verschiedene ­Kamerabilder prozessgesteuert anzuzeigen (Scenario-Player). Damit kann der Bediener beispielsweise dem Ma­terialfluss folgen, ohne auf mehrere ­Kamerabilder nacheinander schauen zu müssen. Prozessstörungen, beispielsweise detektiert durch ein digitales ­Signal oder das Überschreiten einer Schwelle eines Sensorsignals, gelangen so rasch in den Fokus des Bedieners. Darüber hinaus ist es möglich, kritische Prozessschritte noch einmal in Zeitlupe abzuspielen. Damit kann der Bediener diesen Prozessschritt bewerten, bevor wieder in die Live-Ansicht geschaltet wird.

Ein dritter Vorteil der synchronen Aufzeichnung beider Größen besteht darin, sogenannte Image-Trigger zur späteren Dokumentation der Produktion aus Prozesssignalen abzuleiten und einzelne Bilder aus dem kontinuierlichen Video-Stream der Kameras abzuspeichern. Auf diese Weise lässt sich – gesteuert durch digitale Signale oder Messwert-Überschreitungen – beispielsweise das Einfädeln von Material, der Klebeprozess verschiedener Werkstücke oder die Fertigstellung eines Werkstückes zur Qualitätsdokumentation speichern.

Beispiel Strangguss-Anlage

Den Nutzen industrieller Bildverarbeitung verdeutlicht nachfolgend das Beispiel einer Strangguss-Anlage. In einem kontinuierlichen Gießprozess in einem Stahlwerk soll die Form des gegossenen Produkts bei circa 800 bis 1000 °C online überwacht werden. Durch eine Prozessanalyse mit 'ibaMachineVision' lässt sich erkennen, ob Unregelmäßigkeiten bei der Formung des Strangs entstehen. Dazu wird die Diagonalen-Differenz der stranggegossenen Stahlprofile berechnet und bewertet.

Bei den sogenannten Spießkanten handelt es sich um einen sich all­-mählich aufbauenden Fehler: Wird der Strang schief aus der Anlage ­geführt, lässt sich dieser Fehler über die Frontseite des Strangs erkennen. Dazu nimmt eine installierte Kamera die Frontseiten des Strangs auf und übermittelt die Bilddaten an das 'ibaCapture-CAM'-System. Bei Erkennen eines Werkstücks initiiert das Machine-Vision-Modul die Bewertung des Strangs. Dazu werden zunächst ­seine Eckpunkte ermittelt und an­schließend die Längen der beiden ­Diagonalen berechnet. Die Differenz der Diagonalen wird als neues Mess­signal (visuelles Signal) im Daten­erfassungssystem gespeichert. Am Bildschirm sind das vermessene Werkstück, die aktuellen numerischen Werte, der Live-Video-Stream sowie der ­Produktionstrend aller gegossenen Werkstücke grafisch dargestellt. Zusätzlich signalisiert eine Ampel dem Bediener die Prozessgüte. Basierend hierauf kann der Bediener nun die notwendigen Maßnahmen bei einer Prozessverschlechterung einleiten.

Ohne diese Art der Prozessdiagnose ließen sich die Spießkanten nur stichprobenartig im erkalteten Zustand am Lagerort mechanisch vermessen, die Anlage würde über mehrere Stunden hinweg Ausschuss produzieren.

Autor:
Dr. Andreas Quick leitet das Produktmanagement bei iba in Fürth.