Das kompakte Kamerasystem eines deutschen Bildverarbeitungs- und Steuerungsanbieters besteht aus Kamera, Beleuchtung und fokussier­barer Optik mit Liquid-Lens-Technologie. Es reduziert den Montage- und Inbetriebnahmeaufwand signifikant und eignet sich durch die Fokusanpassung zur Laufzeit insbesondere bei Anwendungen mit veränderlichen Bauteil­höhen, zum Beispiel in der Logistik. Zudem bietet diese Ethercat-fähige Einheit alle Vorteile der direkten und exakt synchronisierten Steuerungs­integration.

Alle Funktionskomponenten der Vision Unit Illuminated (VUI) von Beckhoff sind als All-in-one-Ansatz in einem optisch ansprechenden Gehäuse aus eloxiertem Aluminium in Schutzklasse IP65/67 gekapselt. Für die Bildaufnahme steuert die SPS über Ethercat deren Einstellungen zur Laufzeit hochpräzise und exakt synchronisiert zu allen Prozessen in der Applikation. Die Fokussierung in Echtzeit wird durch eine robuste und lageinvariant nutzbare Flüssiglinse ermöglicht, die über eine hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit sowie durch die hohe Zyklenzahl auch über eine lange Lebensdauer verfügt. Die Lichtfarbe sowie Intensität und Länge des Lichtpulses beziehungsweise die Parameter der Kamera für die Bildaufnahme sind ebenfalls über Ethercat ansteuerbar. Zur Verfügung steht die VUI mit einer Standardkamera mit zunächst 2,3 bis 5 MPixel, sowohl in Monochrom- als auch in Farbausführung. Das IP65/67-Gehäuse ermöglicht durch die seitlich orientierten Stecker eine geringe Montagehöhe. Eine Multifarbbeleuchtung mit vier Lichtfarben sorgt für die flexible Kontrastanpassung zur Laufzeit. Die sichtbaren Lichtfarben werden für eine optimale Temperaturstabilität und für die lückenlose Abdeckung des sichtbaren Spektrums über blaue LED-Halbleiter erzeugt. Der grüne und rot-orangene Spektralbereich wird über Leuchtstoffe konvertiert. Durch die Mischung der einzelnen Farbkanäle lässt sich spektral lückenloses, weißes Licht (RA >80) erzeugen.

Flexibler Arbeitsabstand durch Flüssiglinse

Mit einer Mindestarbeitsdistanz von 40 mm eignet sich die VUI auch für kurze Arbeitsabstände und beengte Bauräume. Dabei ist das Abstrahlverhalten der Beleuchtung so optimiert, dass immer eine homogene Ausleuchtung des Objekts sichergestellt wird. Somit lässt sich das System durch die elektronische Fokussierung einfach und flexibel im gesamten Kontext der jeweiligen Anlage beziehungsweise Applikation nutzen.

Die Flüssiglinse kommt ohne mechanisch bewegte Teile aus. Durch eine werksseitige Kalibration lässt sich der Fokus über reale Maßeingaben sehr genau einstellen. Die optimale Auswahl und Kombination von Linsenlage, Blende (Apertur) und sich ergebender Schärfentiefe sorgt für eine sichere Einstellung der Schärfe im Abstandsbereich von 10 bis 2.000 mm, also sogar über den optimalen Abstandsbereich der Beleuchtung hinaus. Dabei werden temperaturbedingte Brechkraftänderungen durch eine kontinuierliche Temperaturmessung und über ein entsprechendes mathematische Modell kompensiert.

Durch die zentrale Datenauswertung in der Steuerung und den gleichzeitigen Zugriff auf Maschinenparameter ist ein automatisches Anpassen des Fokus durch die Steuerung jederzeit möglich. Dies erleichtert beispielsweise die Einrichtung der Anlage durch fachfremdes Personal – oftmals eine große Hilfe mit Blick auf den zunehmenden Fachkräftemangel. Hinzu kommt, dass unter anderem bei Logistikanwendungen eine vorherige Höhenmessung und die entsprechende Voreinstellung der Fokuslage zum Objekt eine übliche Nutzungsvariante darstellt, was allerdings nicht immer möglich ist. Mit der automatischen Fokuseinstellung kann der Anwender hingegen auch bei unklarer Objektlage über eine Bilderserie mit unterschiedlichen Fokuseinstellungen ein auswertbares Bild zu erzeugen.

Performancefaktor Ethercat

Die Kommunikationstechnologie Ethercat sichert die hochgenaue Synchronisation der Bildaufnahme zu allen weiteren Maschinenprozessen und bildet zudem die Grundlage für eine schnelle und deterministische Umschaltung der Kameraparameter durch die Parametrierung per Ethercat. Dabei profitiert der Anwender auch von der Einkabellösung Ethercat P, die Kommunikation und Power auf einem vieradrigen Standard-Ethernet-Kabel vereint. Dementsprechend ist nur ein Kabel erforderlich, um die VUI mit der erforderlichen Spannung und den notwendigen Daten zu versorgen.

Alle Parameter der Kamera, der Beleuchtung und sogar der Fokus der Flüssiglinse lassen sich durch die ultraschnelle Ethercat-Kommunikation zur Laufzeit einfach an sich verändernde Produkte anpassen – zum Beispiel rezeptbasiert. Über einen hochpräzisen Zeitstempel kann die Bildaufnahme auch über die Taktgenauigkeit des Feldbusses hinaus hochgenau synchronisiert werden. Bei Bedarf lässt sich die Beleuchtung allerdings auch unabhängig ansteuern, um darüber beispielsweise nach der erfolgten Auswertung das jeweilige Ergebnis zu signalisieren – also eine weitere Funktion mit der Bildaufnahmeeinrichtung abzudecken.

Die Bilddaten werden über den 2,5-GBit/s-Port übertragen, um die Reaktionsgeschwindigkeit kostengünstig anzuheben. Dabei ist die Vision Unit mit zahlreichen Bildverarbeitungsanwendungen kompatibel, da die Übertragung über Ethernet beziehungsweise das UDP-Protokoll erfolgt. Alternativ lassen sich über diesen Port auch die Kameraparameter, Beleuchtungseinstellungen und der Fokus einstellen. Unabhängig von der Synchronisation per Ethercat ist dabei die exakte Synchronisation der Beleuchtung zur Bildaufnahme bereits innerhalb des Geräts sichergestellt. Bei der Triggerung über ­Ethercat wird der Steuerungszeitstempel in den Bild-Header geschrieben, damit die Auswertungsergebnisse ohne weitere Aufwände im Nachhinein zuverlässig den korrekten Ereignissen oder Produkten im Produktionsfluss zugeordnet werden können.

Über Ethercat P ist die VUI nahtlos eingebettet in das gesamte Beckhoff-Steuerungssystem. Anbinden lässt sie sich beispielsweise über die dezentral montierbare Ethercat-Box EP9224-0037 in Schutzart IP67, welche die Verteilung von einem B17-ENP-Eingang auf vier Ethercat-P-Ports mit B17-ENP-Weiterleitung ermöglicht. In jedem Ethercat-P-Zweig wird der Stromverbrauch für die Steuerspannung US und die Peripheriespannung UP überwacht, begrenzt und gegebenenfalls abgeschaltet. Die Eingangsspannungs- und Stromwerte aller Ausgänge können über die Prozessdaten ausgewertet werden. Zum flexiblen Topologieaufbau steht der Ethercat-P-Sternverteiler EPP1322-0001 zur Verfügung, mit einer Stromtragfähigkeit von 3 A je US und UP je Ethercat-P-Segment. Bei größeren oder weit verzweigten Maschinen beziehungsweise Anlagen ist gegebenenfalls eine Neueinspeisung der Spannungen erforderlich. Mit dem Ethercat-P-Sternverteiler EPP1332-0001 mit Auffrischung können US und UP an jeder Stelle beliebig neu eingespeist werden. Für topologische Verzweigungen ohne die Notwendigkeit der Spannungsauffrischung ist die Ethercat-Box EPP1342-0001 geeignet.

Kompakte Einheit mit PC-basierter Auswertung

So kompakt und funktionsintegriert die VUI auch ist, dem Anwender steht dennoch die volle Flexibilität eines Bildverarbeitungssystems mit PC-basierter Auswertung zur Verfügung. Sei es mit dem vollen Bildzugriff zur Laufzeit, für die Anzeige im HMI oder auch mit dem Abspeichern aller Daten zur Nachverfolgung eines Prozesses. Weiterhin können parallel ausgegebene Bilddaten durch die Synchronisation einfach in der Steuerung zur Optimierung der Gesamtapplikation in den Zusammenhang mit anderen Maschinendaten gebracht werden. Geeignetes Tool hierfür ist zum Beispiel das Software-Oszilloskop Twincat Scope. Mit diesem durchgängigen Charting-Tool für die grafische Darstellung von Signalverläufen werden messtechnische Anwendungen auch für Big Data vereinfacht. Denn der Multicore-Support ermöglicht die Aufzeichnung und Darstellung auch sehr großer Datenmengen.