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Nachgefragt: 3 Experten zu Bildverarbeitungs-Trends – Teil 1 Symphonieorchester IBV und Automation

Autor: Dipl. -Ing. Ines Stotz

Die Bildverarbeitungssysteme entwickeln sich rasant weiter. Bisher meist nur als leistungsfähige Sensoren betrachtet, übernehmen sie – mit stetig steigendem Funktionsumfang – in einer zunehmend vernetzten Fertigungswelt das „Sehen“. Damit sichern sie in immer mehr Anwenderbranchen die Qualität und optimieren Prozesse. Die elektrotechnik-Redaktion hat sich umgehört, wohin das „Auge“ der Industrie 4.0 blickt.

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(Bild: Balluff)

Die industrielle Bildverarbeitung gilt schon viele Jahre als Schlüsseltechnologie in der Automatisierung. Welche Rolle wird sie in der zukünftig stark vernetzten Industrie 4.0-Welt bzw. im „Internet of Things“ einnehmen?

Rainer Schönhaar:Product Manager bei Balluff
Rainer Schönhaar:Product Manager bei Balluff
(Bild: Balluff)

Rainer Schönhaar: Industrie 4.0 wird an der Grundaufgabe der industriellen Bildverarbeitung nichts ändern – die Grundaufgabe heißt, hochmoderne Automatisierungsanlagen bezüglich der Qualitätssicherung der Fertigungsprozesse oder deren Ablaufoptimierung, zum Beispiel über den Robotereinsatz, zu unterstützen. Die Evolution findet in diesem Bereich bei den Ergebnis- und Steuerdaten statt: Kameras, Sensoren und Aktoren müssen sich miteinander „unterhalten“ – und hierbei natürlich auch zwingend verstehen. Kommunikationsschnittstellen, wie beispielsweise OPC UA, werden eingesetzt, um über ihre einfach erweiterbaren Datenmodelle die Ergebnisdaten genau auf die Bedürfnisse des Adressaten anzupassen. Bildverarbeitungssysteme – also PC-Systeme und Smart-Kameras – besitzen vom Grundsatz her neben der Bildaufnahme leistungsfähige Rechnerkerne, die bisher vorwiegend dazu verwendet wurden, ein aufgenommenes Bild aufgabenspezifisch zu analysieren. Diese Rechnerleistung lässt sich im Rahmen von Industrie 4.0 dazu verwenden, Steueraufgaben für die Kamera, aber auch für andere Sensoren im Netzwerk zu erledigen – also Aufgaben, die bisher zentral von einer Steuerung, wie zum Beispiel einer SPS oder einem PC, erledigt wurden.

Horst A. Mattfeldt:Director Standard Products bei Matrix Vision
Horst A. Mattfeldt:Director Standard Products bei Matrix Vision
(Bild: Matrix Vision)

Horst A. Mattfeldt: Die Automatisierungstechnik ist die notwendige Basis der vernetzen Industrie 4.0 und darf nicht das schwache Glied in der Kette sein. Das heißt: Zum einen muss ein Bildverarbeitungssystem die passende Größe sowie die passenden Schnittstellen zur einfachen Integration und Vernetzung haben, zum anderen muss die Bedienung soweit abstrahiert werden, damit jeder mit der Technologie umgehen kann. Hierbei ist es wichtig, dass die Automatisierungstechnik intelligenter wird und sich beispielsweise selbst optimiert oder konfiguriert und Selbstdiagnose erstellt. Intuitiv bedienbare Smart Kameras sind Produkte, die zeigen, wo der Weg hingeht. Sie ermöglichen es, eine Produktion zu überwachen, egal wo sich der QM, der Produktionsmanager, etc. auf der Welt befinden. Der weltweite Zugriff setzt aber Dinge voraus, die nicht vergessen werden dürfen. Nicht überall auf der Welt herrschen gleiche Infrastrukturbedingungen vor. Dementsprechend muss die Automatisierungstechnik sowohl leistungsstark als auch ressourcensparend sein, beispielsweise um Daten durch Vorverarbeitung zu filtern und damit Bandbreite zu sparen. Ressourcensparend umfasst auch den Stromverbrauch. Auch hier sind die Bedingungen unterschiedlich.

Dr. Olaf Munkelt:Geschäftsführer bei MVTec Software
Dr. Olaf Munkelt:Geschäftsführer bei MVTec Software
(Bild: MVTec Software)

Dr. Olaf Munkelt: Gerade auch in der Industrie 4.0 wird die industrielle Bildverarbeitung eine Schlüsselfunktion einnehmen. Ein wichtiger Bestandteil von Industrie-4.0-Anwendungen ist die sichere Interaktion von Mensch und Maschine. Dies funktioniert jedoch nicht ohne „sehende Maschinen“, die 3D-Formen zuverlässig erkennen. Und mehr noch: Produktionsanlagen müssen auch vorausschauend sehen können, also den Ablauf und die Richtung der Bewegungen von Menschen, Werkstücken und anderen Maschinen richtig einschätzen. Das erhöht nicht nur die Arbeitssicherheit, sondern auch die Effizienz, da sich kostspielige Produktionsstopps von Fertigungszentren vermeiden lassen. Ein weiterer wichtiger Industrie-4.0-Aspekt: Flexible Fertigungsprozesse müssen auch bei häufig wechselnden Werkteilen und kleinen Losgrößen wirtschaftlich bleiben. Mittels IBV-Technologien lassen sich Werkstücke zuverlässig erkennen und die Produktion flexibel auf sie abstimmen. Hier steuert das Werkstück die Produktionsschritte. Dabei profitieren nicht nur Industrieapplikationen vom zuverlässigen Sehen, Erkennen und Vorausschauen mittels IBV, sondern zunehmend auch nicht-industrielle Anwendungen des „Internet of Things“.

Wenn die IBV ihre traditionelle Rolle des Prüfens verlässt und immer mehr fertigungssteuernde Aufgaben übernehmen soll – welche Herausforderungen gilt es hier zu meistern?

Rainer Schönhaar:Product Manager bei Balluff
Rainer Schönhaar:Product Manager bei Balluff
(Bild: Balluff)

Rainer Schönhaar: Bildverarbeitungssysteme werden sich auf der Schnittstellenseite im Rahmen von Industrie 4.0 stark zu den in der Automatisierung gängigen Normen entwickeln. Dies sind auf der einen Seite die standardisierten LAN-Protokolle, die von vielen Automatisierungsumgebungen vorgegebenen Ethernet-basierenden Feldbusprotokolle, auf der anderen Seite aber auch einfache Verbindungsprotokolle wie IO-Link. Weil die Wahl der eingesetzten Schnittstelle von der Kundenumgebung abhängt, muss diese Flexibilität in den Bildverarbeitungssystemen integriert sein. Die Auswahl der Protokolle, aber auch die Definition der Ausgabe erfordert eine einfache Softwareimplementierung in der Bildverarbeitungs-Oberfläche. Hier besteht die Herausforderung an die Kamerasystem- und Smart-Kamera-Anbieter, bekannte SPS-Steuerfunktionalität vereinfacht mit handhabbarer Bedienphilosophie zu realisieren. Eine verantwortungsvolle Rolle fällt hierbei den Kameraherstellern zu, dieses Mehr an Funktionalität nicht zu Lasten der Bildverarbeitungsleistung, aber auch nicht automatisch mit extremer Verlustleistung zu realisieren. Dies würde automatisch zu einem limitierten Umgebungseinsatz oder einem zusätzlichen Kühlungsaufwand führen, um nicht die Bildqualität zu beeinflussen. Auch sollten Kamerasysteme ihren Anteil an einer optimierten Gesamtenergiebilanz tragen.

Horst A. Mattfeldt:Director Standard Products bei Matrix Vision
Horst A. Mattfeldt:Director Standard Products bei Matrix Vision
(Bild: Matrix Vision)

Horst A. Mattfeldt: In vielen Branchen, beispielsweise hinsichtlich „Traceability“, ist die industrielle Bildverarbeitung schon jetzt nicht nur Prüfer sondern auch Informationsgeber. Die IBV-Standards GigE Vision und USB3 Vision gewährleisten heute schon, dass die Schnittstellen durch Resend-Mechanismen zuverlässiger und durch verschraubbare Industrieanschlüsse robuster sind. Dadurch können kostengünstige Standard-Consumer-Schnittstellen zum Einsatz kommen – vorausgesetzt, die IBV-Komponenten, wie beispielsweise eine Kamera, ist hardwaremäßig, mit Pufferspeicher, als auch mechanisch, mit Schraubanschlüssen, darauf vorbereitet. Ferner sind zur Integration weitere Schnittstellen wie Feldbus, SPS, etc. nötig, die eine nachgeschaltete Aktion ermöglichen. Wie bereits in der vorherigen Antwort erwähnt, sind nicht überall die Infrastrukturen gleich, daher ist auch der Einsatz von stromsparenden Komponenten zwingend notwendig. Embedded Systeme wie Smart Kameras sind daher auch für komplexere Aufgaben die richtige Wahl, weil sie Leistung und Stromsparen in Einklang bringen.

Dr. Olaf Munkelt:Geschäftsführer bei MVTec Software
Dr. Olaf Munkelt:Geschäftsführer bei MVTec Software
(Bild: MVTec Software)

Dr. Olaf Munkelt: Eine zukunftsfähige IBV-Software muss auf verschiedensten Plattformen laufen. Immer wichtiger werden dabei Embedded-Lösungen, wie sie beispielsweise MVTec für die mobile Bildverarbeitung auf Android-Geräten anbietet. Von großer Bedeutung ist zudem eine engere und für den Anwender leichter handzuhabende Verbindung von Automatisierungstechnik und IBV-Komponenten. Zudem sollten diese stärker mit Warenwirtschaftssystemen und Logistiksteuerungen verzahnt werden, um entsprechende Synergieeffekte zu erzielen. Für die Optimierung fertigungssteuernder Prozesse bedarf es vermehrt Standards und standardisierter Schnittstellen zwischen den einzelnen IBV-Komponenten. Dabei sollten auch Standards aus Automatisierung und Steuerungssoftware unterstützt werden. Unabdingbar für flexible, hochautomatisierte und sichere Fertigungsprozesse sind auch 3D-Vision-Technologien, die Bewegungsabläufe von Objekten im dreidimensionalen Raum erkennen und steuern können. Hierbei zählt insbesondere auch die Geschwindigkeit, mit der Bildverarbeitungs-Algorithmen arbeiten. Alles in allem sollte eine praktikable IBV-Software eine Vielzahl an unterschiedlichen Verfahren und Technologien bieten, um flexibel unterschiedliche Aufgaben bewältigen zu können. Wichtiger beim Erstellen von Machine-Vision-Anwendungen wird zunehmend auch eine intuitive Herangehensweise, die weniger Programmierkenntnisse voraussetzt.

Ist denn das Potenzial, was Bildverarbeitungssysteme in Zukunft leisten können, den industriellen Anwendern ausreichend bekannt? Oder wird es eher die aktuellen Entwicklungen antreiben? Was muss angepackt werden, auch im Hinblick auf Ausbildung und Studiengänge?

Rainer Schönhaar:Product Manager bei Balluff
Rainer Schönhaar:Product Manager bei Balluff
(Bild: Balluff)

Rainer Schönhaar: Industrie 4.0 erzwingt ein Umdenken oder eine Evolution in der Automatisierungstechnik. In gleicher Weise werden die Anforderungen an die Kamerasysteme und Smart-Kameras steigen. Lange Zeit war die Bildverarbeitung eine abgeschlossene Einheit mit eigenen Regeln und Standards. Dies wird sich verändern. Wir sehen hier neue Herausforderungen im Bereich Softwareentwicklung. Zum einen werden modulare Systeme, Tools, Funktionsbausteine gefordert, zum anderen aber auch eine Standardisierung in der Datenübergabe. Des Weiteren verschmilzt Bildverarbeitungskompetenz mit Automatisierungs-Know-how. Die Technologie wird derzeit noch in separaten Disziplinen vorangetrieben. Nun ist es an der Zeit, diese Einzelinstrumente zu einem „Symphonie- orchester“ zusammenzuführen. Hinzukommt, dass die Experten von morgen über ein besonders breites Wissen verfügen müssen und auch für einen regen Austausch zwischen den einzelnen Disziplinen sorgen sollten. Durch die Verbindung von fundierter Bildverarbeitungskompetenz mit der Steuerungsexpertise der Automatisierungsindustrie lässt sich die Wettbewerbsfähigkeit unseres Industriestandorts nicht nur sichern, sondern auch weiter ausbauen.

Horst A. Mattfeldt:Director Standard Products bei Matrix Vision
Horst A. Mattfeldt:Director Standard Products bei Matrix Vision
(Bild: Matrix Vision)

Horst A. Mattfeldt: Hier gilt es einen Weg zu finden, welcher sowohl Bildverarbeitungsprofis als auch Einsteigern oder Anfängern gerecht wird. Während die Einsteiger nicht abgeschreckt werden dürfen, was durch Abstrahieren der Bedienung und durch Wizards verwirklicht werden kann, muss gleichzeitig für die IBV-Profis die API verfügbar gemacht werden, sodass diese eine Bildverarbeitungssoftware mit eigener Funktionalität erweitern können. Diese Doppelstrategie stellt die Profis zufrieden und erweitert gleichzeitig den Anwenderkreis, was die aktuelle Entwicklung natürlich antreibt. Die Hochschulen vermitteln die notwendigen Grundlagen hierzu. Dennoch ist es wünschenswert, wenn die Vernetzung mit der Industrie bei gleichzeitiger Unabhängigkeit der Hochschulen vorangetrieben wird. Damit die Unabhängigkeit gewährleistet ist, sind zusätzlich staatliche Fördermittel notwendig. In beruflichen Schulen beispielsweise will das Land Baden-Württemberg dies mit einem Betrag von vier Millionen Euro tun, um damit acht Lernfabriken einzurichten. Somit befassen sich nicht nur Studenten mit dem Thema sondern auch Azubis. Für einen ganzheitlichen Nachwuchs ist damit der erste Schritt getan.

Dr. Olaf Munkelt:Geschäftsführer bei MVTec Software
Dr. Olaf Munkelt:Geschäftsführer bei MVTec Software
(Bild: MVTec Software)

Dr. Olaf Munkelt: Das Potenzial ist bei weitem noch nicht ausreichend bekannt – auch deshalb, weil die IBV in immer neue Industrien und Anwendungsfelder hineinwächst. Beispiele hierfür sind die Automatisierung in der Landwirtschaft sowie in der Logistik und im Einzelhandel. Wichtig ist es nun, den Mehrwert der IBV für neue Anwendergruppen verfügbar zu machen. Und natürlich wächst mit dem zunehmenden Einsatz von Bildverarbeitungstechnologie auch der Bedarf an Personen, die diese Verfahren beherrschen. Hierbei bedarf es zweierlei: Zum einen müssen Produkte bereitgestellt werden, die den Einstieg in die Bildverarbeitung erleichtern. Zum anderen sollte beispielsweise in geeigneten Studiengängen das Wissen zur Bildverarbeitung breiter vermittelt werden. MVTec bietet hierfür ein Standardbuch zur industriellen Bildverarbeitungs-Technologie, das Kollegen im Unternehmen verfasst haben. Das Werk wurde in vier Sprachen übersetzt und hat sich bereits vieltausendfach verkauft. Zudem hält unser Unternehmen Fachvorträge und ist an Hochschulen mit Vorlesungen zu verschiedensten Machine-Vision-Themen aktiv.

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Über den Autor

Dipl. -Ing. Ines Stotz

Dipl. -Ing. Ines Stotz

Fachredakteurin Automatisierung, Maschinenbau-Ingenieurin, Fachjournalistin seit 2001; Vogel Communications Group