Um zu verstehen, welche enormen Fortschritte die industrielle Bildverarbeitung in den letzten Jahren gemacht hat, ist ein kurzer Blick zurück hilfreich. Heute wie damals hängt diese Entwicklung stark mit der Entwicklung der PC-Technik zusammen. Anfangs wurden universelle PCs durch die Verbindung mit einzelnen diskreten Bildverarbeitungskomponenten wie Kameras, digitaler Vorverarbeitung der analogen Bilddaten und speziellen Auswerteschaltungen zu Bildverarbeitungssystemen zusammengebaut. Allerdings hatten diese Systeme wegen der langsamen parallelen Schnittstellen große Leistungseinschränkungen bezüglich der schnellen Bilderfassung beziehungsweise Auswertung, und auch der Abstand zwischen Prüfobjekt und Kamera war eingeschränkt. 

Die Kommunikation erfolgte über die traditionellen Feldbusse, die Einschränkungen bezüglich der zur Verfügung stehenden Bandbreite aufwiesen. Zudem waren diese Systeme in der Anwendung sehr auf die Erfüllung ihrer eigentlichen Aufgabe festgelegt, zusätzliche Aufgaben wie ein umfassendes System-Monitoring waren damit nicht möglich. Dieses wurde von dem klassischen Auswerte-Rechner über das PC- Hardware-Monitoring durchgeführt, zum Beispiel über das Überwachen der Spannungen auf dem Motherboard oder über HDD SMART. Das SMART-Monitoring ist in den Festplatten selbst implementiert, überwacht den Zustand und meldet die Daten und Probleme über das BIOS des Mainboards, sobald die Funktion aktiviert ist. Mit entsprechenden Tools kann man die Daten permanent überwachen, sodass man rechtzeitig bevorstehende Ausfälle erkennen kann (zumindest einen Teil davon). Damit erhält man mehr Sicherheit für die Installation/Daten. Ein ursprüngliches industrielles Bildverarbeitungssystem bestand also prinzipiell aus einem Kamera-Kopf mit separater Stromversorgung, analoger Bildübertragung zum Frame-Grabber, Auswerte-Rechner mit Anbindung an Feldbus/Feldbusse und weiteren nötigen Systemkomponenten.
 

Erhöhte Integrationsdichte

Durch die Entwicklung von immer leistungsfähigen Prozessoren und robusten, schnellen seriellen Schnittstellen wie GigE-Vision, USB-3.0-Vision und Camera-Link sowie der Integration dieser Schnittstellen in Systemkomponenten der Bildverarbeitungssysteme konnte der Systemaufbau wesentlich vereinfacht werden. Mit der Möglichkeit, über die Ethernet-Verbindung auch die Stromversorgung von abgesetzten Systemkomponenten zu übernehmen (PoE = Power over Ethernet), wurde eine weitere Vereinfachung erzielt. Die Stromversorgung wird über das PSE (Power Sourcing Equipment) erreicht, das den nötigen Strom an die Verbraucher (PD = Powered Devices) liefert. Hauptvorteil von PoE ist, dass man ein Stromversorgungskabel einsparen kann und so auch an schwer zugänglichen Stellen oder in Bereichen, in denen viele Kabel stören würden, Ethernetangebundene Geräte installieren kann. Die Stromversorgung zum Gerät muss nicht separat mit einem Stromkabel und Netzgerät zugeführt oder mit einer Batterie gelöst werden. 

Das Gerät bezieht die Energie stattdessen über das Datennetz. Dazu muss – meist an zentraler Stelle im Netzwerk-Verteiler – neben den Datensignalen zusätzlich Strom in die Datenleitung eingespeist werden. Somit lassen sich einerseits zum Teil Installationskosten sparen, andererseits kann der damit einfach zu realisierende Einsatz einer zentralen unterbrechungsfreien Stromversorgung die Ausfallsicherheit der angeschlossenen Geräte erhöhen. PoE wird in der Regel von Netzwerk-Geräten genutzt, die wenig Leistung benötigen. 

Ein gängiger Systemaufbau für Bildverarbeitungssysteme besteht damit aus einem leistungsfähigen Zentralrechner, einem oder mehreren digitalen Kamera-Köpfen mit GigE-Vision- oder USB-3.0-Vision-Schnittstellen und weiteren Komponenten wie etwa Kabeln. Die digitalen Kamera-Köpfe stellen den Datenstrom bereit und können über die schnellen Schnittstellen auch mit Strom versorgt werden. Da hier weniger einzelne Komponenten verwendet werden, vereinfachen sich sowohl der Systemaufbau als auch die Verkabelung. Der Verkabelung kommt dabei eine wichtige Rolle zu, denn die Reichweite der High-Speed-Interfaces ist recht groß, was mit längeren Kabeln einen wesentlich flexibleren Systemaufbau ermöglicht. 

Schwachpunkte beseitigen

Allerdings ist jedes Datenübertragungsnetzwerk immer nur so stark wie sein schwächstes Glied. Das Leistungsvermögen eines PC ist zwar in den letzten Jahren in Bezug auf Prozessorgeschwindigkeit, Speicherzugriffsraten, Busgeschwindigkeiten und -architekturen deutlich verbessert worden, doch müssen der PC sowie das Betriebssystem bei hoher Belastung in einem Bildverarbeitungssystem eine extreme Leistung bieten. Dies führte zur Entwicklung spezialisierter und auf die Aufgabe optimierter Bildverarbeitungsrechner wie dem ‚Eagle Eye‘ von Efco.

Die grundlegenden Systemeigenschaften der Eagle-Eye-Systeme sind speziell auf die Marktanforderungen der industriellen Bildverarbeitung ausgelegt. Dabei fokussieren sie sich noch insbesondere auf die Bereiche Fabrikautomatisierung, Maschine- Vision und Transportwesen/Logistik. Die Eagle-Eye-Systeme besitzen für anspruchsvolle Bildverarbeitungsaufgaben modernste leistungsstarke Intel-Skylake/Kabylake-i3/i5/i7-CPUs und bis zu sechs Gigabit-Ethernet-Schnittstellen, davon sind vier mit PoE-PSE-Funktion zur Versorgung von IP-Kameras ausgestattet. Über die beiden restlichen Gigabit-Ethernet-Schnittstellen kann man etwa einen Echtzeit-Feldbus wie Ethercat und zusätzlich ein klassisches TCP/IP-Netzwerk integrieren. Weitere vier USB-3.0-Schnittstellen dienen dem Anschluss von zusätzlicher Peripherie wie beispielsweise USB-Kamerasystemen. Zur Integration in die Maschinenumgebung stehen acht optisch isolierte Ein- und acht ebenfalls optisch isolierte Ausgänge zur Verfügung. Über die sechs klassischen seriellen Schnittstellen, die zwei RS485-Schnittstellen beinhalten, lassen sich Verbindungen zu immer noch verwendeten älteren Systemkomponenten aufbauen. 
 

Systemüberwachung mit KI

Die Eagle-Eyes-Serie ist bezüglich Schnittstellen, Motherboard sowie Storage- und Powermöglichkeiten für Anwendungen der industriellen Bildverarbeitung ausgelegt.

© Efco Electronics

Ein Novum für Bildverarbeitungssysteme ist der Einsatz der speziell von Efco entwickelten künstlichen Intelligenz-Algorithmen zur Betriebsparameter-Auswertung in den Eagle-Eye-Vision-Systemen. Dazu ermittelt ein eigens im Gerät integrierter, separater ARM-Controller die Systemparameter und wertet die Messwerte aus. Werden dabei gleichmäßige Trends in der Änderung von Messwerten erkannt, können bei Bedarf Aktionen für eine vorausschauende Wartung ausgelöst beziehungsweise durchgeführt werden. Erreichen die Messwerte einen vom Anwender definierten und voreingestellten Grenzwert, gibt der ARM-Controller eine Warnung an die Applikationssoftware oder die Bediensoftware heraus. 

Die dabei angefallenen Daten können anschließend in einem übergeordneten Host-Rechner oder in der Cloud gesammelt und statistisch ausgewertet werden. Über ein kleines OLED-Display an der Gerätefront werden der Anwender über den Gerätestatus informiert und die Messwerte beziehungsweise Fehlermeldungen dargestellt. Mit einer Schnittstelle kann dann mit der Kundensoftware vom Anwender auf den ARM-Controller und das Display zugegriffen werden. 
 

Übermittlung via Sigfox

Neu ist außerdem die Möglichkeit, mit einer speziellen Geräteoption Statusinformationen über Sigfox zu übermitteln. Die Übermittlung ist dabei auch möglich, wenn das Rechner-System nicht mehr anläuft oder ausgeschaltet ist. Sigfox ist ein flächendeckendes drahtloses Netzwerk, mit dem Geräte mit geringem Leistungsbedarf an die Cloud angebunden werden.

Die Geräte bieten eine breite Auswahl an Schnitt­stellen, die je nach Anforderungen variieren können.

© Efco Electronics

Das Netzwerk ist auf die Übertragung von kurzen Statusinformationen mit niedrigem Leistungsbedarf in die Cloud optimiert. Deshalb können auch batteriebetriebene Geräte über lange Zeiträume hinweg Daten in die Cloud liefern. Da der drahtlose Wartungs-Uplink über Sigfox flächendeckend zur Verfügung steht, funktioniert er beispielsweise auch in Fahrzeugen. 

Dank ihrer Ausstattung und den vielfältigen Funktionen sind die Eagle-Eye-Systeme für viele Anwendungen geeignet. So können sie in der Fabrikautomatisierung zur Steuerung und Überwachung von Roboterarmen oder in der industriellen Bildverarbeitung bei der automatischen optischen Inspektion eingesetzt werden. Weiter übernimmt Eagle Eye diese Aufgaben etwa auch in Zügen, Baumaschinen, Polizeiautos, Taxis und Bussen sowie den Street-View-Fahrzeugen von Google Maps. Unbemannte Fahrzeuge, Drohnen, Schiffe und autonom fahrende Autos sind als weitere Applikationen denkbar. Für Überwachungsaufgaben, wie die Gesichtserkennung in intelligenten Gebäuden, auf öffentlichen Plätzen und Straßen sowie für intelligente Schließfächer, können diese Systeme ebenso genutzt werden. 

Um für diese vielfältigen Anwendungen stets ein preislich angepasstes System anbieten zu können, ist die Eagle-Eye-Serie in drei Versionen – Entry-Level, Main-Stream und High-End – aufgeteilt. Diese unterscheiden sich im Wesentlichen in der Leistungsfähigkeit der CPU und der Anzahl der verfügbaren Schnittstellen. So haben die Einstiegssysteme eine Intel-CPU der Braswell-Klasse (Pentium, Celeron, Atom) als Recheneinheit. Daraus resultieren ein geringer Leistungsverbrauch von 6 W und sehr kompakte Ausmaße. Die Unterstützung für PoE sowie die Selbstlernfähigkeit (LCM = learning content management) und eine Zustandswarnanzeige sind in allen Versionen Usus. Im mittleren Preissegment angesiedelt sind die Mainstream-Systeme, die sich durch eine höhere CPU-Leistung der Intel-Sky-Lake-U-Prozessoren i3/i5/i7 und eine reichhaltigere Schnittstellenausstattung auszeichnen. Dadurch steigt der Leistungsbedarf auf 15 W. Die High-End-Systeme sind entsprechend mit den Hochleistungs-CPUs der Intel-Skylake-S-Serie und einer vollständigen Schnittstellenauswahl ausgerüstet. Ist eine noch höhere Leistung oder eine Erweiterung nötig, stehen die Systeme der Eagle-Eye-Pro-Serie zur Verfügung, die sich mit den entsprechenden Einschubkarten modular auf die Anwendung maßschneidern lassen.

Autor: Helmut Artmeier ist Geschäftsführer von Efco Electronics.