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Jetzt ist es Zeit für Standards

Bildverarbeitung und SPS

Jetzt ist es Zeit für Standards

Die durchgängige Automatisierung von Produktionsprozessen soll in der Smart-Factory der Normalfall sein. Dazu müssen auch Automatisierung, industrielle Bildverarbeitung und SPS die gleiche Sprache sprechen. Normen und Standards wie OPC UA helfen bei der Übersetzung.

Hochautomatisierte Prozesse sind typisch für Industrie 4.0. [1]

Bild: © phonlamaiphoto/Fotolia.com

Zahlreiche Branchen streben danach, ihre automatisierten Prozesse zu standardisieren. Um das etwa bei der Machine-to-Machine-Kommunikation (M2M) umzusetzen, wird eine interoperable Infrastruktur benötigt, die Standards durchgängig unterstützt. Solche M2M-Architekturen bilden gleichzeitig die Basis für viele Internet-der-Dinge-Anwendungen. Doch meist haben es Systemintegratoren noch mit verschiedenen Systemwelten zu tun, die zueinander inkompatibel sind. Informationen und Daten müssen auf ihrem Weg vom Endgerät zum Server verschiedene Typen von Netzwerken mit unterschiedlichen Protokollen, Technologien und Schnittstellen durchlaufen. Für die Sicherheit und den Schutz von Daten gibt es noch keinen übergreifenden Standard. Es gibt also noch viel tun.

Machine Vision wird wichtiger

Eine der Schlüsseltechnologien zur Automatisierung von Produktionsprozessen ist die industrielle Bildverarbeitung (Machine Vision). Sie überwacht als Auge der Produktion mit Kameras und Bildverarbeitungs-Software das Fertigungsgeschehen. Eine weitere Kernkomponente der Automation ist die speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) zur Regelung von Maschinen, Anlagen und Robotern. Machine Vision und SPS operieren jedoch noch immer in weitgehend getrennten Systemwelten. Ein Grund dafür ist die Hardware, an die beide Anwendungen unterschiedliche Anforderungen stellen: Vor einigen Jahren noch erforderte die SPS wesentlich weniger Rechenleistung als die industrielle Bildverarbeitung. Hardware-Komponenten waren damals noch teurer und entsprechend den SPS-Anforderungen gering dimensioniert. Machine Vision-Systeme konnten darauf nicht mit voller Leistung laufen. Dies hat sich mittlerweile geändert. Hardware ist kostengünstiger und kann auch für geringe Systemanforderungen aufwendiger dimensioniert werden. Dadurch bietet sie genügend Ressourcen für beides. Doch da bestehende Infrastrukturen nicht ad- hoc umgerüstet werden, existieren in der Praxis noch immer meist getrennte Hardware-Welten für die Anwendungen.

M2M-Informationsmodell

Vor diesem Hintergrund haben Anwender einheitliche Standards und Normen in der Vergangenheit nicht vehement gefordert. Doch in Zeiten von Industrie 4.0 und Smart Factory nehmen Anwender verstärkt auch diese Prozessketten in den Fokus. Um die Lücke zwischen industrieller Bildverarbeitung und SPS zu schließen, braucht es diese gemeinsamen Normen und Standards. Große Hoffnungen werden hierbei in die Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) gesetzt. Die Spezifikation besteht neben einem M2M-Kommunikationsprotokoll aus einem Informationsmodell zur Beschreibung von Maschinendaten und wurde – wie die Vorgänger-Versionen – von der OPC Foundation entwickelt, einem globalen Zusammenschluss von Steuerungsherstellern und Software-Produzenten. OPC UA gilt als gängiger Datenaustausch-Standard für eine sichere und zuverlässige industrielle Kommunikation. Das Besondere ist die Unabhängigkeit von Hersteller, Plattform und Betriebssystem. So ermöglicht der Standard einen übergreifenden Informationsaustausch zwischen Komponenten verschiedener Anbieter und ist damit prädestiniert für den Einsatz in heterogenen Systemen. OPC UA besteht zunächst einmal aus einer Basis-Spezifikation, in der Grundlagen wie die Kommunikation und die Sicherheit geregelt sind. In enger Zusammenarbeit zwischen Herstellern, Anwendern, Forschungsinstituten und Konsortien entstehen darüber hinaus die sogenannten Companion-Spezifikationen für bestimmte Branchen. Der Anbieter von Standard-Software für die industrielle Bildverarbeitung MVTec unterstützt mit seinen Software-Produkten den OPC-UA-Standard, und er gestaltet in der OPC Vision Initiative des VDMA die Entwicklung der ‘OPC UA Companion Specification for Machine Vision’ mit.

Semantische Interoperabilität

Im Gegensatz zu den früheren Versionen kann OPC UA sämtliche Maschinendaten wie Regelgrößen, Messwerte oder Parameter nicht nur transportieren, sondern auch maschinenlesbar semantisch beschreiben. Dadurch ebnet der Standard den Weg für die vertikale sowie horizontale Kommunikation und bringt damit semantische Interoperabilität in Internet-basierte physische Systeme. So hat sich OPC UA bereits als internationaler Standard für Industrie 4.0 durchgesetzt und gilt als Wegbereiter für die vierte industrielle Revolution. Wie unterstützt nun OPC UA dabei, die beiden Systemwelten Machine Vision und SPS nahtlos miteinander zu verbinden? Entscheidend ist dabei die semantische Funktionalität. Die industrielle Bildverarbeitung verfügt bereits über eine gut entwickelte semantische Definition. Es gibt durchdachte Software-Standards für die Beschreibung von Bildaufbau, Parametrierung, Erkennung von Kameras oder die Einbindung in andere Systeme. Über OPC UA lässt sich nun auf der semantischen Ebene die Verbindung zwischen der Bildverarbeitung und der SPS-Welt herstellen. Dies ist das Ziel der oben schon benannten VDMA-Initiative, welche die OPC UA Companion Spezifikation 2018 herausbringen wird. Dadurch sind etwa Kameras und die SPS gleichzeitig über OPC UA programmierbar. Anwender können diese einheitliche Semantik über alle physikalischen Layer und Feldbusse hinweg nutzen. In der Bildverarbeitung ist diese Semantik bisher aber lediglich für einfache 2D-Bilder gegeben. Eine Herausforderung besteht nun darin, die semantischen Funktionen in Zukunft auch in einer komplexen 3D-Welt nutzen zu können. OPC UA kann hier als Klammer fungieren, in der sich diese Funktionalität nicht nur in der industriellen Bildverarbeitung, sondern auch in der gesamten Fabrikautomation einschließlich SPS umsetzen lässt.

Um Fertigungsprozesse über eine gewisse Grenze hinaus zu automatisieren, kommen Anwender um die industrielle Bildverarbeitung kaum herum. Damit einher geht die Forderung nach Standards und Normen, um Lösungen möglichst einfach durchgängig gestalten zu können. [2]

Bild: MVTec Software GmbH