Képfeldolgozás közvetlenül PLC-ben
TwinCAT Vision – a gépi látás tökéletes integrációja az automatizálásba
2018. május 31., csütörtök, 06:00
Címkék: automatizálás Beckhoff képfeldolgozó szoftver PLC TwinCAT TwinCAT 3 vezérlés vezérléstechnika
A termékek automatizált észlelése, követhetősége és minőség-ellenőrzése egyre fontosabbá válik a termelés minden fázisában. Ezt megkönnyítik az olcsó kamerák és a nagy teljesítményű számítógépek, amelyek segítségével minden eddiginél szélesebb körben lehet alkalmazni a képfeldolgozást. A képfeldolgozásnak számos előnye van az emberi szemrevételezéshez képest, különösen a minőség-ellenőrzés terén. A képfeldolgozáson alapuló optikai ellenőrzés kiemelkedően determinisztikus, és igen jó a megismételhetősége. Könnyen mérhetők akár a néhány mikrométeres alkatrészek is, ami az emberi szem számára szinte lehetetlen feladat lenne.
Az automatizálásban a képfeldolgozást mindeddig külön területként kezelték, és gyakran külső rendszerintegrátorokra bízták. A PLC-programozás ugyanakkor számos új területen megjelent, többek között a mozgásvezérlésben, a biztonság- és méréstechnikában, valamint a robotikában.
Ma már mindezen területek egyetlen gépről, közös vezérlőrendszerből kezelhetők. A képfeldolgozás azonban jellemzően továbbra is „fekete doboz” maradt, ami nagy teljesítményű, különálló számítógépen fut, speciális konfiguráló eszközöket és programnyelveket igényel, vagy esetleg különleges összeállítású, intelligens kamerákba van közvetlenül beépítve. A különálló számítógép alkalmazásának hátránya, hogy a legkisebb változtatást is csak megfelelően felkészített szakember képes elvégezni, PLC-programozó nem, ez pedig egyébként elkerülhető költségekkel jár. Külső rendszerintegrátor bevonása esetén is a szakértelem mindig a megrendelő cégén kívüli marad. Ezenfelül szabályozni kell a képfeldolgozó és a vezérlőrendszer közötti kommunikációt, ennek során pedig fennáll a hibák lehetősége.
A fentiek eredményeként nem lehetett pontosan időzíteni a képfeldolgozást. A feldolgozási és az átviteli időt befolyásolhatják külső folyamatok, például az operációs rendszer, ezért az eredmények esetleg nem jutnak el a vezérlőbe az elvárt időtartam alatt.
Az új TwinCAT Vision szoftver mindkét világot egyetlen rendszeren belül egyesíti. A konfigurálást, különösen a kamerák beállítását ugyanaz az eszköz végzi, amely a terepi buszokat és a mozgástengelyeket is konfigurálja, és a szokásos PLC-nyelveken programozható. Ezáltal jelentős mérnökórákat lehet megtakarítani, mivel nem kell megtanulni különleges programozási nyelveket, és speciális konfiguráló eszközre sincs szükség. Megszűnik a képfeldolgozás és a vezérlés közötti kommunikáció problémája, sőt, a képfeldolgozó és a vezérlési funkciók közvetlenül tudnak egymással kommunikálni, ami teljesen új alkalmazási területeket nyit meg. Minden egyetlen eszközbe és egyetlen futtatókörnyezetbe van integrálva – ez az innovatív TwinCAT Vision lényege.
A PC-alapú automatizálás az összes vezérlési funkciót egyetlen PC-platformon valósítja meg, ennek segítségével eleve kiaknázhatók a Gigabit Ethernet kapcsolat előnyei. A Gigabit Ethernet alapú GigE Vision adatátviteli szabvány lehetővé teszi a kamerák képadatainak megbízható és gyors továbbítását. A TwinCAT Vision valós idejű alkalmazásokat is kezelő illesztőprogrammal támogatja az Ethernet-felületet, így a képadatokhoz közvetlenül a vezérlő memóriájában férhetünk hozzá. A GigE Vision szabványt támogató TwinCAT Vision nyílt rendszer, amelyben számos különféle gyártó kamerái használhatók.
A csatlakozás felépítése után az első lépés általában a kamera konfigurálása. A GigE Vision interfésszel ellátott kamerák gyártói GenApi formátumban adják meg a beállítások leírását. A TwinCAT Vision konfiguráló eszköze kiolvassa a beállítandó paramétereket, és áttekinthető formában a felhasználó rendelkezésére bocsátja. A paraméterek – például az exponálási idő vagy a figyelendő terület – könnyen és gyorsan megváltoztathatók, ennek eredménye pedig azonnal látható a kamera élő képén.
A kamerabeállító eszközön kívül a TwinCAT Vision a kamera geometriai kalibrálására szolgáló eszközt is tartalmaz. Ez határozza meg, hogy milyen módon képződjenek le a kép koordinátái a való világ koordinátáira, és viszont. Segítségével összerendelhetők a kép egyes pontjai a tényleges fizikai koordinátákkal, és a képpontokon mért eredmények metrikus értékekké konvertálhatók. Az eszköz figyelembe veszi a lencse perspektivikus és nemlineáris torzításait is, amelyek látható képtorzulásokként jelentkeznek.
A kamera kalibrálásához kezdetben egy vagy több megfelelő kalibrációs képminta szükséges. Ezek a képek elkészíthetők közvetlenül az eszközben, vagy lehet importálni már meglévőket. A kalibrációs minta megadása után az eszköz automatikusan kiszámítja a paramétereket. A szokásos síkbeli minták – például a sakktáblaminta vagy a szimmetrikus, illetve aszimmetrikus körminták (lásd a mellékelt képeket) – mellett a felhasználó saját mintákat is beolvashat, melyek akár háromdimenziós képek is lehetnek. A kamera a kalibrációs eszköz helyett a PLC-ben is kalibrálható.
Képfeldolgozás a PLC-ben
A nyers képek a GigE Vision interfészen keresztül a kamerából közvetlenül a PLC útválasztójának memóriájába kerülnek. Ehhez a kamerát képbeviteli üzemmódba kell állítani, és a beállításainak megfelelően egyenként kell beolvasni a képeket. E műveleteket az FB_VN_GevCameraControl szoftveres funkcióblokk támogatja. Az indítójel rendkívül pontosan időzíthető a Beckhoff be/ki meneti rendszere által biztosított, időbélyeg-alapú, EL2262 típusú kimeneti terminál segítségével, amely hardveresen mikroszekundum-pontossággal képes a kamerát indítani. Mivel minden valós időben, rendkívül pontos időzítések mellett történik, a kép bevitele és például egy tengely pozicionálása igen pontosan szinkronizálható – ez a PLC-programozók gyakori feladatai közé tartozik.
Sok kamera előre megadott események bekövetkeztekor – például egy képbevitel kezdetekor – is képes jeleket küldeni; ezeket a Beckhoff digitális bemeneti termináljával lehet fogadni, segítségükkel a PLC-ben pontosan lehet szinkronizálni további folyamatokat. A TwinCAT Vision a PLC-ben új, számos képfeldolgozási algoritmust tartalmazó képfeldolgozó könyvtárat is tárol. Például előfeldolgozás közben a képeket át lehet méretezni, vagy konvertálni lehet a kívánt színtérre, és szűrőfunkciókkal ki lehet emelni vagy el lehet nyomni bizonyos jellemzőket.
Ezután a kép küszöbszint(ek) alkalmazásával binárissá tehető, majd a bináris képen éldetektálás végezhető. Az így felismert élek jellemzőik alapján szűrhetők, aminek eredményeképpen előáll egy halmaz, amely az adott alkalmazás szempontjából lényeges képvonalakat vagy képterületeket tartalmazza. Ez felhasználható objektumok azonosítására, illetve mérésére. Kalibrált kamera esetén a lényeges pontok visszatranszformálhatók valós világbeli koordinátákká, azaz a mérési és a helyzetadatok tényleges fizikai pontok koordinátáiként értelmezhetők.
A TwinCAT valós idejű környezetébe integrált TwinCAT Vision szoftverben a képfeldolgozó funkciók időzítése figyelhető „watchdog”-funkciókkal, amelyek adott idő leteltekor vagy a feldolgozási ciklus kezdete után egy adott időpontban megszakítják a folyamatokat. Ezzel egy időben a felhasználó megkapja az ekkor rendelkezésre álló esetleges részeredményeket. Ezenfelül a megfelelő képfeldolgozó funkciók automatikusan szétoszthatók több processzormag között úgynevezett munkafeladatok formájában, így a TwinCAT Vision optimálisan kihasználja a TwinCAT 3 többmagos képességeit.
Az eredmények elemzése és megjelenítése közben a képek bináris adatokként vagy tényleges képekként jeleníthetők meg. Ezt megelőzően a képekbe beírhatók és berajzolhatók az eredmények, például a pozícióadatok. Jó példa erre a szűrt képélek vagy a jó és hibás alkatrészek színskálás megjelölése. Az egyetlen korlátot a képhatárok jelentik. A képek megjeleníthetők közvetlenül a TwinCAT Engineering környezetben, az úgynevezett ADS Image Watch eszközzel, vagy a végfelhasználó esetében TwinCAT HMI felületen.
PLC és képfeldolgozás egyetlen univerzális eszközzel
A TwinCAT Vision rendkívül felhasználóbarát módon ötvözi a klasszikus automatizálási technikát a képfeldolgozással. A műszaki oldalt tekintve a kamera konfigurálása és geometriai hitelesítése közvetlenül a TwinCAT Engineering környezetben történik, nem igényel semmilyen más eszközt. A képfeldolgozás a PLC-programozók által használt nyelveken, például az IEC 61131-3 szabvány szerinti nyelveken programozható, azaz nem kell hozzá megtanulni speciális programnyelvet. Mindezeken túlmenően, már a következő programsorban reagálni lehet a PLC-ben végzett képfeldolgozás eredményeire. A kamera valós idejű környezetből vett indítójelével teljeskörűen szinkronizálható a képrögzítés és a PLC vagy a mozgás vezérlése.
A képfeldolgozó algoritmusok eredményeit valós időben a TwinCAT számítja ki, biztosítva ily módon, hogy a végrehajtás a feladatokhoz szinkronizált legyen, lehetővé téve emellett a „watchdog”-funkciókkal végzett valós idejű megfigyelést is. A TwinCAT Vision a TwinCAT 3 többmagos képességeit felhasználva automatikusan szétosztja az algoritmusok futtatását a szabad magok között, és ehhez a párhuzamosításhoz nincs szükség külön felhasználói programozásra.
A TwinCAT Vision azokat a felhasználókat célozza meg, akiknek a vezérlőrendszeren belül kell megoldaniuk a gépi látás feladatait. A fennakadásmentesen integrált TwinCAT Vision könnyen kezelhető és programozható. Természetesen a célközönségbe tartoznak azok a felhasználók is, akik rendkívül pontos szinkronizáltságot igényelnek a képfeldolgozás, a PLC és a mozgásvezérlés között. A rendszer segítségével áthidalhatók a feldolgozási késleltetések, figyelhető az algoritmusok időbeli viselkedése, ezért közvetlenül és determinisztikus módon képes beavatkozni.
A TwinCAT Vision rendszerrel könnyen elvégezhetők a klasszikus képfeldolgozási feladatok, például alkatrészek megtalálása, felismerése vagy mérése. A PLC, a mozgásvezérlés, a robotika és a méréstechnika mellett a TwinCAT-felhasználóknak most már képfeldolgozási műveletek is rendelkezésre állnak a TwinCAT-rendszeren belül.
