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Welche Rolle spielt Computer Vision für die Industrie 4.0?

Industrie 4.0 ist aktuell in aller Munde. Schlagworte wie Internet der Dinge (IoT), Intelligente Fabrik (Smart Factory), Big Data, Digital Twin und Künstliche Intelligenz beschreiben nicht nur die zunehmende Automatisierung von Produktionsanlagen, sondern eine umfassende Vernetzung verschiedenster Systeme mit dem Ziel, Informationstechnologie so umfassend wie möglich in die Industrie zu integrieren.

Unter dem Dach der Informationstechnologie spielt Computer Vision eine wesentliche Rolle. Das maschinelle Sehen ist ein unverzichtbarer Bestandteil jeder automatisierten Umgebung, sowohl in der Hardware - wie z.B. in der Robotik - als auch in der Software für Zwecke der Bildanalyse oder für das Trainieren künstlicher neuronaler Netze – Stichwort Deep Learning.

Welchen Beitrag leistet Computer Vision dazu? Wir sehen uns das gleich näher am Beispiel einer Smart Factory an.

Industrie 4.0 ist das vorläufige Ergebnis einer Entwicklung, die vor knapp 200 Jahren begann. Ein kurzer Rückblick auf die vier Phasen der industriellen Revolution:

Industrie 1.0 1830-1871: Dampfmaschine.

In mechanischen Produktionsanlagen können viel mehr Waren und Produkte gefertigt werden.

Industrie 2.0 1871-1969: Elektrizität Fließband- und Reihenfertigung.

Die Produktion wird in einzelne, in sich abgeschlossene Arbeitsschritte unterteilt. Die Globalisierung beginnt.

Industrie 3.0 1970-Ende des 20. Jahrhunderts Rationalisierung und Automatisierung.

Erste programmierbare Steuerungen. Menschliche Arbeitskraft wird zunehmend durch Maschinen ersetzt.

Industrie 4.0 Digitalisierung.

Roboter fertigen Hand in Hand mit Menschen. Weitreichende Vernetzung von Robotern und Maschinen untereinander, zu Werkstücken, sowie zu Kunden und Firmen.

Was ist so smart an der Smart Factory?

Der Begriff Smart Factory umschreibt die intelligente Vernetzung im Bereich der Fabrikautomation. Für eine intelligente Fabrik ist Wissen, bestehend aus Daten und Prozessen, eine grundlegende Voraussetzung. Woher kommt dieses Wissen?

Daten werden in der Regel mithilfe von Sensoren erhoben. Ohne geeignete Aufbereitung sind die Daten aus den Sensoren jedoch wertlos; sie müssen für mehrere Systeme und Komponenten nutzbar gemacht werden, damit sie als Grundlage für Entscheidungen in Prozessen dienen können. Genau hier wird die Fabrik smart.

Das Geheimnis liegt in der Vernetzung aller beteiligten Einzel- oder Untersysteme. Die Basis ihrer Vernetzung bildet meist ein sogenanntes Bus-System, das alle Sensoren und Aktoren über die gleichen Datenleitungen sowohl untereinander, als auch mit einem Automatisierungsgerät, zum Beispiel einem Steuerungssystem (SPS), verbindet.

Da in einer Fabrik die Teilsysteme und Geräte teilweise weit voneinander entfernt platziert sind, basieren die Bus-Systeme meist auf Echtzeit-Ethernet. Der Ethernet-Standard ist weit verbreitet, Hardware-Zubehör wie Kabel oder Switches sind kostengünstig verfügbar und große Kabellängen zwischen den einzelnen Systemen sind problemlos realisierbar.

Vision Systeme als Datenlieferanten

Zu den wichtigsten und mächtigsten Sensoren in einer automatisierten Fabrikumgebung zählen Vision Systeme mit Kameras. Sie spielen schon heute eine überaus wichtige Rolle in der modernen Automatisierung und bestehen meist aus den folgenden Komponenten:

Kamera mit GigE-Schnittstelle und Precision Time Protocol (PTP) für exakte Synchronisierung mehrerer Einheiten
Objektiv
Objektiv
Verkabelung und Beleuchtung
Verkabelung und Beleuchtung
Host-Controller (IPC) für Steuerung und Auswertung
Host-Controller (IPC) für Steuerung und Auswertung

Wie alle anderen Teilsysteme muss auch das Vision System sowohl hardware- als auch softwareseitig mit allen anderen Systemen und mit der zentralen Steuerung verbunden werden. Dies geschieht mithilfe spezieller Datenaustausch-Standards für die industrielle Kommunikation. Sie verleihen den einzelnen Teilsystemen sozusagen eine gemeinsame Maschinensprache, um die einfache Interoperabilität untereinander zu gewährleisten. Einer dieser Standards ist umati (universal machine technology interface). Er nutzt OPC UA als offenen, universellen Schnittstellen-Standard.

Vernetzung im Fabrik-Setup mit OPC UA

OPC UA macht Maschinendaten maschinenlesbar und semantisch beschreibbar. Der Standard sorgt für die Aufbereitung von z.B. Sensordaten und Steuerungsbefehlen, er legt deren Transport fest und bestimmt die Schnittstellen zwischen Systemen und Sicherheitsmechanismen.

Der Standard ist in allen Ebenen eines Fabrik-Setups nutzbar: von der untersten Feldebene, in der die Sensoren und Aktoren liegen, bis hin zu den abstrakten Informationsschichten wie SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), ERP (Enterprise-Resource-Planning) bzw. in die Cloud.

Mithilfe von OPC UA lassen sich sowohl die unterschiedlichen Komponenten auf einer Ebene horizontal miteinander vernetzen, als auch vertikal über die verschiedenen Ebenen hinweg.

Unverzichtbar für eine effiziente Nutzung in allen Bereichen einer intelligenten Fabrik ist Echtzeitfähigkeit. Der Standard bietet zu diesem Zweck Erweiterungsmöglichkeiten in Form des Time Sensitive Networking TSN. OPC UA TSN ist auch Voraussetzung für die Übertragung der Bilder direkt aus dem Vision System an die anderen Teilsysteme bzw. an die Steuerungseinheit – eine Funktionalität, die bislang noch nicht umgesetzt ist.

Smart Factory leicht gemacht

Als zentrale Schnittstelle der Systeme fungiert eine SPS, auf der nun sämtliche Teilsysteme bzw. deren Software enthalten sind. Dieser zentrale Knoten ist gleichzeitig die Schnittstelle zu den höher gelegenen Systemen wie z.B. dem ERP. Weiter reduzieren ließe sich die Struktur, indem übergeordnete Systeme in die Cloud ausgelagert werden.

In einem solchen Setup wäre es also möglich, sowohl das Förderband und den Roboter als auch die einzelnen Komponenten des Bildverarbeitungssystems einfach zu verbinden. Die Kameras bieten mit ihrem PTP bereits die Grundlage für Echtzeitfähigkeit, wenn OPC UA als Standard genutzt und mögliche Erweiterungen wie TSN vorhanden sind.

Ein Blick in die Zukunft eines intelligenten Fabrik-Setups offenbart eine deutlich vereinfachte Struktur im Vergleich zum herkömmlichen Aufbau: