Bildverarbeitung - intuitiv und kommunikativ, dank webTechnologie

Maschinenbauer und Endanwender wollen zunehmend einzigartige Visualisierungslösungen mit hohen Ansprüchen bei Bedienfreundlichkeit, Sprachanpassungsmöglichkeiten und Servicefunktionen.

Quelle: Vision & Control GmbH

WebTechnologie macht Bildverarbeitung kommunikativer

Seit einigen Jahren setzt Vision & Control auf Webtechnologie zwischen Bildverarbeitung und Steuerung. Heute zeigt sich, dass damit ein Meilenstein im Bereich Industrie 4.0 gelegt wurde. Mächtige Funktionen sind für den Endkunden entstanden um Bildverarbeitung leichter zu machen. Der Endkunde kann nun vorbereitete Bildverarbeitungsaufgaben selbständig anlegen und muss sich nur noch auf seine wesentlichen Parameter konzentrieren. Bildverarbeitung komplexer Anwendungen wird damit für den Endkunden einfach.

Moderne НМI-Lösungen für das Bedienen und Beobachten von Bildverarbeitung müssen eine Vielzahl an Anforderungen erfüllen. Für die Visualisierung komplexer Bedienoberflächen setzen wir in unseren Geräten auf konfigurierbare Webseiten. Diese werden durch Systemintegratoren oder Maschinenbauer vorab auf die spezielle Aufgabe zugeschnitten. Damit lassen sich die Webseiten an der richtigen Stelle im HMI-Panel, auf dem Bedienrechner der Anlage und auch vom Büro oder Tablet bedienen. Dies ist nicht nur bei dem High-End-Mehrkamerabildverarbeitungssystem vicosys®, sondern auch bereits bei den Smart-Kameras der pictor®-Serie möglich.

Maschinenbauer und Endanwender wollen zunehmend einzigartige Visualisierungslösungen mit hohen Ansprüchen bei Bedienfreundlichkeit, Sprachanpassungsmöglichkeiten und Servicefunktionen. Dieser webHMI-Baukasten wird mit unseren Produkten kostenlos ausgeliefert. Je nach Aufgabe kann er individuell präsentiert und damit optimal auf die Aufgabe zugeschnitten werden. Die Funktionalität ermöglicht z.B. das Anlegen vorgefertigter Prüfabläufe mit einstellbaren Prüfzonen und Kriterien. Als Visualisierungsfunktionen können leicht mehrere Systeme gleichzeitig, die letzten Fehlerbilder oder auch Detailbilder dargestellt werden.

Auch verschiedene Ansichten auf das gleiche System sind möglich, um die Anforderungen an der Maschine, beim Service und in der Qualitätssicherung perfekt zu erfüllen.

Visualisierung mittels Webtechnologie ist Industrie 4.0?!

Industrie 4.0 wird oft mit Standardisierung der Vernetzung in der Automatisierungstechnik gleichgesetzt. Für die Visualisierung der Bildverarbeitung sehen wir die Webtechnologie als den zukünftigen Standard. Ähnlich wie es OPC UA für Prozessdaten ist.

Außerhalb der industriellen Bildverarbeitung ist Webtechnologie dem Markt schon lange bekannt. HTML und HTTP ist ein plattformunabhängiger und herstellerunabhängiger Standard, den Windows, Android, HMI-Panels, Linux, Apple und die meisten anderen Geräte unterstützen. Es gibt fertige Thin-Clients als Massenware, die einen Mini-Computer mit einem Browser hochfahren und die Anwendung darin darstellen. So "neu" ist die Idee also nicht.

Jedoch ist Webtechnologie für die Visualisierung und Steuerung von Bildverarbeitung recht neu. Vision & Control sieht sich in diesem Feld als Pionier.

Warum ist es so wichtig, dass Endkunden selbst Produkte einpflegen können?

Viele Hersteller wollen zuverlässige Bildverarbeitung zu niedrigen Kosten. Zudem müssen bei oft wechselnden Produkten in kurzer Reaktionszeit die Prüfaufgaben angepasst werden können. Dies heißt automatisch, die Kontrolle über das System zu gewinnen, um einer langen Lieferzeit durch den Systemintegrator zu entgehen.

Diese spezialisierten Dienstleister der Bildverarbeitungsbranche sind oft Firmen mit wenigen Mitarbeitern. Demgegenüber stehen als Anwender große Konzerne, deren Produktion und damit deren Erfolg davon abhängt, dass eine kleine Firma genau dann Zeit hat, wenn der Konzern das Produkt umstellt. Durch das neue webHMI ist es aber erstmals möglich, dass der Endkunde in seinem vorbereiteten Webinterface ein neues Produkt mit neuen Prüfbereichen, Schwellwerten und Kriterien definieren kann.

Der Mehraufwand bei der Integration ist zwar vorhanden, diese Flexibilität zahlt sich aber für häufige Produktwechsel schnell aus.

Intuitiv heißt auch: Anpassbares Design!

Damit sich das webHMI optimal in andere Anwendungen und HMI-Designs einpasst, wurde während der Entwicklung darauf Wert gelegt, alle Logos, Schriftgrößen und Farben flexibel einstellbar zu machen. Durch die farbliche Anpassung an andere Bedienoberflächen verwischt die Grenze der Bedienoberfläche zum System. Durch die Anpassbarkeit aller Bezeichnungen (auch auf die Fremdsprache) ist dem Nutzer das System vertrauter als ein neutrales Bildverarbeitungssystem mit universellen Begriffen.

Ein weiterer Aspekt ist, dass verschiedene Nutzer verschiedene Ansichten benötigen. So braucht z.B. der Maschinenbediener vor allem die aktuellen Auswertungen, statistische Produktionsdaten oder Regelkarten. Der Service benötigt die letzten Fehlerbilder, aber auch Möglichkeiten Ausgänge einzeln zu schalten und ein Livebild zu visualisieren. Die Qualitätssicherung braucht zusätzlich statistische Informationen über längere Zeiträume. Damit jeder Bediener nur das sehen kann was er braucht, gibt es im webHMI die Möglichkeit verschiedene Ansichten zu generieren.

Leichte Verständlichkeit durch den Endkunden ist uns wichtig.

Bildverarbeitung im HMI-Panel der Anlage

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die direkte Integrierbarkeit in das Anlagen-HMI. Damit kann Bildverarbeitung dort parametriert werden, wo auch die restliche Maschine auf ein neues Produkt eingestellt wird. Die verschiedenen Panel-Typen mit ihren teilweise älteren Browsern zu unterstützen, war technisch nicht immer ganz einfach.

Doch nun kann man z.B. bei SIEMENS in den Comfort & Basic Panels mit dem Browser-Plugin einfach unsere URL eingeben. Nach ähnlichem Schema funktioniert dies auch bei IndraWorks von Bosch Rexroth und bei Opcon. Für Beckhoff - Steuerungen lässt sich über C# das Windows-Browser-Plugin einblenden und dann aufrufen. Mit allen Panelherstellern pflegen wir engen Kontakt und testen unsere Oberfläche mit den jeweiligen Komponenten. Wir sind stolz darauf, solch eine umfassende Unterstützung für diese marktführenden Hersteller geschaffen zu haben.

Vertrauen in die Bildverarbeitung will sich verdient werden

Auch wenn ein Teil ausgeschleust wurde und der Fehler nicht ganz offensichtlich ist, ist es notwendig zu erfahren, warum eben dieses Teil ausgeschleust wurde. Durch die Fehlerbild-Ringpuffer im webHMI kann kurzfristig sichergestellt werden, dass noch alles läuft.

Zudem müssen Maschinenbediener oft selbständig die Maschinen und d.h. auch die Bildverarbeitung umrüsten. Idealerweise erfolgt dies zentral über ein Maschinendisplay (HMI). Bei nachgerüsteter Bildverarbeitung sind aber Mehrfach-Umstellungen durchaus üblich.

Anforderungen des Maschinenbedieners

Bei häufig wechselnden Produkten ist es notwendig, dass das Servicepersonal des Endkunden selbst neue Produkte definieren kann, indem sie zum Beispiel eine alte Prüfung kopieren und nur die relevanten Parameter anpassen.

Ein besonders wichtiger Aspekt ist die Filterung auf die wenigen wirklich wichtigen Parameter. Denn das Servicepersonal hat oft mit einer Vielzahl an Systemen zu tun. Es ist effizient, wenn man genau weiß, welche Aspekte wichtig sind und welche nicht.

Anforderungen des Servicepersonals

Die konfigurierbare Webseite zum Beispiel für den Sondermaschinenbau

Eine effiziente Variante ist die Zusammenstellung verschiedener Bausteine durch den Systemintegrator/Maschinenbauer für den Endkunden. Damit ist der Aufwand für eine kundenspezifische Bedienoberfläche sehr überschaubar. Mit dieser können typische Ansichten, wie Fehlerbildringpuffer, Messwertanzeigen, Übersichtsbilder aber auch Editoren für Kriterien und Schwellwerte passend zusammengestellt werden.

Bild: Auch eigenständige und auf die konkreten Anwendungen zugeschnittenen Bedieninterfaces lassen sich durch einfache Konfiguration sehr effizient vom Systemintegrator gestalten

Nahtlose Integration in das HMI der Serienmaschine

Besonders intuitiv wird die Lösung, sobald der Maschinenbauer die Bildverarbeitung in die Steuerungsoberfläche der Gesamtanlage integriert. Damit kann der Maschinenbediener zur passenden Station die passende Prüfung einrichten. Dank der Webtechnologie ist dies besonders einfach und läuft z.B. mit SIEMENS, Beckhoff und Indraworks - HMI.

Bild: Visualisierung der Prüfergebnisse im SteuerungsHMI der Maschine

Fokus auf Effizienz

Auf Basis von vcwin und Konfigurationsdateien ermöglicht das intelligente BV-System ein standardisiertes und effizientes Arbeiten. Das Konfigurationskonzept hält den Programmieraufwand gering, ist strukturiert, kompakt und damit auch auf einfache Inbetriebnahme und Wartung ausgelegt. Selbst bestehende Prüfprogramme lassen sich ohne großen Aufwand um das neue webHMI erweitern. HTML - Programmieren muss der Systemintegrator dafür nicht.

Die eigentliche Vernetzung durch die HMI-Panels erfolgt dann über das Einfügen eines Browser-Controls und den Aufruf einer URL. Damit ist dies mit wenigen Mausklicks durchführbar.

Die Architektur des webHMI erlaubt die Visualisierung gleich mehrerer Bildverarbeitungssysteme bzw. Prüfstationen in einer einzelnen Oberfläche.

Lösungsbeispiele

        

Visualisierung vier unterschiedlicher        Ringpuffer ermöglichen das Speichern
Prüfstationen auf einem Monitor/            und Visualisieren der letzten Fehlerbilder
Panel

            

Integration der webHMI im                    Integration der webHMI im Bosch
SIEMENS Panel                                  IndraWorks

 

Neues Konzept mit Prüfungen, Messungen, Einstellwerten, Messwerten und Prüfkriterien

Um die Bildverarbeitungsaufgabe zu strukturieren, wurde für die Bedienung ein neues Konzept eingefügt. Jede Bildverarbeitungsaufgabe wird in eine oder mehrere Prüfungen zerlegt. Jede Prüfung besteht aus einer Bildaufnahme, auf der mehrere Messungen ausgeführt werden können. Die jeweiligen Messungen liefern jeweils einen Messwert. Dieser wird wiederum mit Prüfkriterien verglichen. Die Messungen können durch Einstellwerte parametriert werden (z.B. Schwellwerte, Belichtungszeit, etc.)

Im webHMI werden die Informationen gemäß in einzelnen Prüfungen aufbereitet dargestellt. Die Einstellwerte und Prüfkriterien können verändert und als neuer Produktdatensatz abgelegt werden.

Einfaches Zusammenspiel von Bildverarbeitungsablauf und webHMI

Um eine effiziente Datenkommunikation zu gestalten, müssen die Daten, genau einmal gesendet werden. Dies ist fast immer synchron zum Maschinentakt. Zusätzlich sollen aber beim Start der Bedienoberfläche bereits alle Informationen verfügbar sein.

Um diesen Spagat zu schaffen hat Vision & Control parallel zum Prüfablauf einen Zwischenspeicher eingefügt, in dem die zu visualisierenden Daten vom Prüfprogramm geschrieben und vom Webserver gelesen werden können. Durch eine namentliche Zuordnung sind somit flexible Kombinationen möglich. Im Prüfablauf müssen dann nur noch die jeweiligen Befehle zum Füllen dieses Zwischenspeichers an der richtigen Stelle eingefügt werden. Mit diesem Vorgehen sind auch bestehende Prüfprogramme leicht um ein webHMI erweiterbar.

Der Befehl "Bild in Puffer hinzufügen" ermöglicht damit nicht nur das Hinzufügen eines Bildes in diesen Zwischenpuffer, sondern auch das Anhängen von relevanten Messwerten für diese Prüfung.

Bitte nicht stören - Multikern-Prozessoren sind wichtig

Die Visualisierung ist ein gutes Beispiel dafür, wie stark der Stellenwert der Software in der modernen Automatisierungstechnik zugenommen hat. Dies ist eine zusätzliche Aufgabe, die neben dem eigentlichen Prüfablauf vom System geleistet werden muss. Daher setzt Vision & Control bei Bildverarbeitungssystemen konsequent auf Multikernsysteme: Es ist immer ein Kern für den Bildverarbeitungsprozess zugeordnet, um Laufzeitschwankungen durch Bedieneingriffe auszuschließen.

Typisches Missverständnis: Webtechnologie ist im Produktionsbetrieb gefährlich

Unter Webtechnologie verstehen wir im Kern den Austausch von HTML-Dokumenten mittels http-Protokoll von einem Webserver zu einem Webclient.

Da im Begriff Webtechnologie das Wort "Web" steckt, wird es oft mit der Zugänglichkeit aus dem Internet, Virengefahr und ungewünschtem Fremdzugriff assoziiert. Dabei ist die Webtechnologie nicht gefährlicher als jedes andere standardisierte Protokoll über Ethernet (z.B. Profinet). Große Teile der Bedienung in der SPS-Automatisierungswelt basieren bereits heute auf einer Webschnittstelle (z.B. OPCON, Codesys WebVisu). Auch eine SIEMENS S7-1200 kann als Webserver betrieben werden.

Es ist nicht Teil dieser Webtechnologie, dass dieser Webserver automatisch ins Internet verlagert wird. D.h. wie fast alle anderen Industrieprodukte auch, benötigen die Teilnehmer keine Verbindung mit dem Internet und ermöglichen auch keine.

Der Vorteil liegt darin, dass HTML und damit die Visualisierungssoftware standardisiert ist. D.h. jeder aktuelle Browser bzw. Browserplugin kann HTML-Seiten abrufen und darstellen.

Die Gefahr, dass Schadsoftware ein System befällt, besteht natürlich immer. Es ist dabei unerheblich, ob die Geräte über http oder ein anderes standardisiertes Protokoll kommunizieren. Vision & Control ist sich dieses Umstandes durchaus bewusst und schützt seine Bildverarbeitungssysteme mit einem schreibgeschützten Betriebssystem, verschlüsseltem Systemzugriff und einer harten Sicherheitsrichtlinie. Diese erlaubt nur sehr begrenzten Zugriff über wenige Schnittstellen. Da eine denkbare Schadsoftware den speziellen Schreibschutz, sowie die speziellen Sicherheitsvorkehrungen des angepassten Linux-Systems überwinden müsste, wäre dieser Angriff ein zielgerichtet auf Vision & Control -Produkte abgerichteter Virus. Ein allgemeiner Virenscanner wäre somit zwecklos. Der Markt liefert jedoch bereits übliche Komponenten in Form von Routern und intelligenten Switchen, mit der die Kommunikation zwischen zwei Netzwerkteilnehmern reglementiert wird. Dies ist nicht anders, als bei jedem anderen Gerät mit Netzwerkanschluss.

Sind alle Browser gleich gut? - Ein klares "Jein".

Durch die Standardisierung der Webtechnologie ist es eigentlich egal welchen Browser man verwendet. Nun kann man wissen, dass das webHMI von Vision & Control auf einem von Google - produzierten Framework "Polymer" basiert. Dies ist eine Bibliothek, um Funktionen auf allen Browsern möglichst gleich darzustellen. D.h. das Framework identifiziert den Browser und verwendet, sofern vorhanden, spezielle schnelle Funktionen. Bei Browsern, die diese nicht können, wird auf universellere langsamere Funktionen mit gleichem Gesamtergebnis umgeschaltet. Dies erfolgt jedoch im Hintergrund.

Der Browser mit der größten Unterstützung von Polymer-Funktionen ist derzeit der von Google selbst produzierte Browser: Chrome und der Open-Source-Browser Opera. Danach folgt Safari. Zum Schluss des Unterstützungsumfangs folgen Internet Explorer 11/Edge und Firefox. Die in HMI-Panels verbauten Browser-Plugins verwenden im Hintergrund in aller Regel einen dieser Browser.

Da "Polymer" aber auf allen Browsern unter dem Strich das gleiche darstellen lässt, ist das Ergebnis identisch, bei hohen Taktraten ist Chrome und Opera in der Visualisierung jedoch schneller.

Und der Wettbewerb?

Es gibt einen Hersteller, der gegen Aufpreis die Monitorausgabe bzw. aktuelle Kriterien modifizieren kann. Bisher ist uns kein Wettbewerber bekannt, der über seine Weboberfläche komplette Produkte anlegen kann und dabei noch auf breitbandige Kompatibilität mit aktuellen SIEMENS HMI, Beckhoff, IndraWorks und anderen Panelherstellern achtet. Vision & Control ist damit der führende Pionier in dieser Technologie.

Hat auch die Qualitätssicherung etwas davon?

Gängige Darstellungen für Messaufgaben sind Trendgrafiken (auch Qualitätsregelkarten genannt). D.h. Messwert werden im zeitlichen Verlauf horizontal dargestellt. Zusätzlich werden Toleranzen und ggf. Eingriffsgrenzen oder auch Warnschwellen als horizontale Linien markiert. Damit kann man leicht sehen ob ein Maß in der Produktion außer Toleranz läuft oder ungewöhnlich stark streut.

Die zweite übliche Ansicht ist die Fehlersammelkarte. Hier wird in einer Tabelle gezählt, wie oft ein gewisser Fehler in einem definierten Zeitraum aufgetaucht ist. Die Reihen stellen die Fehler dar, die Spalten die Zeiträume (z.B. Tage).

Beide Ansichten sind im webHMI als vorgefertigter Menübaustein vorhanden und können beliebig mit den Messwerten verknüpft werden.

Da das webHMI mehrere Webdarstellungen gleichzeitig unterstützt, kann eine Visualisierung speziell für das Personal der Qualitätssicherung gestaltet werden.

Und die Zukunft?

Wir glauben die Zukunft liegt in der Vereinfachung der Bedienschnittstellen. So gesehen, verändern sich komplexe Bildverarbeitungsaufgaben für den Endkunden zu einfachen "Sensoren" auch für komplexe Aufgaben.

Vision & Control plant bereits Produkte, die mit vorinstalliertem Prüfablauf und fertiger Webschnittstelle ausgeliefert werden. Mit webHMI lässt sich dies wunderbar realisieren. Unsere Kunden können diese direkt nutzen oder auf Wunsch auch selbständig modifizieren und ggfs. auch erweitern. So betrachtet, ist unser Produkt der Zukunft der fast grenzenlos erweiterbare Bildverarbeitungssensor.

Damit wird die Technologieführerschaft im Bereich webbasierte Visualisierung für Bildverarbeitung weiter ausgebaut. In der besseren Vernetzung durch Industrie 4.0 sehen wir die Chance bisher nicht erschlossene Aufgabenbereiche zu erobern und liefern somit eine Basis für flexible und intuitive Bildverarbeitungssensoren höchsten Anspruches.

gekürzt erschienen in: inVISION ePaper VISION Nachlese 26.11.2018

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