Das Einrichten der einzelnen Komponenten eines Bildverarbeitungssystems für das beste Ergebnis in ­einer Anwendung kann zeitauf­wändig und schwierig sein. Daher spricht vieles für die Integration von Komponenten, wie Beleuchtung und Objektive, in eine einheitliche Steuerungsumgebung. Denn eine intelligente Plug-&-Play-Beleuchtung ­beschleunigt und vereinfacht das Entwickeln von Bildverarbei­tungs­­lösungen, bietet erweiterte Steuerungsfunktionen und stellt dem gesamten System Beleuchtungsdaten und -informationen zur Verfügung. Diese bilden die Grundlage für die Industrie 4.0, insbesondere im Zusammenhang mit der Diagnose und der vorausschauenden Wartung.

Die Beleuchtungsintensität und Parameter Kameraverstärkung und Belichtungszeit sind entscheidende Faktoren für die Qualität eines Bildes und damit dessen Nutzen für eine Inspektions- oder Messaufgabe. Diese Parameter müssen auch eingestellt werden, wenn das Licht als Blitz und/oder in übersteuerter Form verwendet werden soll. Wenn die Beleuchtung und die Kamera beispielsweise über eine Schnittstelle wie GenICam miteinander verbunden sind, ist sofort ersichtlich, welche Auswirkungen die Einstellung jeder Komponente auf das resultierende Bild in Bezug auf das Signal-Rausch-Verhältnis, den Kontrast usw. hat. Dies vereinfacht das Einrichten sowie die Entwicklung und stellt auch sicher, dass erweiterte Beleuchtungsparameter für präzises Blitzen und Übersteuern eingestellt werden können. Dies kann besonders dann wichtig sein, wenn für den Einsatz mehrerer Leuchten und Kameras komplexe Sequenzierungskonfigurationen eingerichtet werden müssen. Das Einbeziehen intelligenter Funktionen in das Beleuchtungssystem bringt dann zusätzliche Ebenen der Beleuchtungssteuerung mit sich, die das Überwachen, Erfassen und die Rückmeldung der Lichtintensität umfassen können, um die Beleuchtungsleistung zu automatisieren und für eine gleichmäßigere Beleuchtung zu ­sorgen.

Vereinfachtes Einrichten und Steuern der Beleuchtung

Für genaue und zuverlässige optische Messungen ist es unerlässlich, eine bildgebende Szene gleichbleibend und reproduzierbar auszuleuchten. Eine präzise Beleuchtungssteuerung ist dabei entscheidend, da eine Reihe von Faktoren die LED-Leistung beeinflussen kann. Dazu gehören die maximale Nennleistung der Leuchte, die Spannung, mit der sie betrieben wird, die Temperatur der Beleuchtung (da die LED-Leistung mit der Temperatur abnimmt) und die Anzahl der Betriebsstunden (da die LED-Leistung mit der Zeit abnimmt). Darüber hinaus wird die Beleuchtung bei vielen Anwendungen im Puls- statt im Dauerbetrieb verwendet, um die Bewegung einzufrieren, eine erhöhte Lichtleistung zu erzielen oder beides. Das Ansteuern der LEDs mit mehr als ihrem Standardnennstrom (Übersteuerung) in kurzen Impulsen erhöht die kontinuierliche Leuchtkraft deutlich. Bei einer intelligenten Beleuchtung lassen sich Pulsfrequenz, Auslösung, Dauer und Intensität einfach und automatisch überwachen und steuern, um Schäden an der Leuchte zu vermeiden. Diese Nutzungsinformationen sind auch für Betriebs- oder Diagnosezwecke sowie als Bezugspunkt für die vorbeugende Instandhaltung des Systems wichtig.
Diese einfache Steuerung ermöglicht es zudem, erweiterte Funktionen zu implementieren, etwa die komplexe Sequenzierung, für die andernfalls eine spezielle Einrichtung erforderlich wäre. Ein dedizierter Beleuchtungsregler kann so konfiguriert werden, dass die LEDs in der erforderlichen Weise angesteuert werden.
Bei integrierten Systemen ist jedoch die Konnektivität entscheidend: Die Ethernet-Schnittstelle ist das Herzstück der Integration einzelner Umgebungen für Beleuchtungssysteme in industriellen Bildverarbeitungsanwendungen, von SPS-gesteuerten Automatisierungssystemen bis hin zu PC-gesteuerten Systemen mit GenICam-kompatiblem offenem Protokoll.

Einheitliche Steuerungsumgebungen über die SPS

In vielen Branchen, insbesondere in der Automobil- und Lebensmittelindustrie, werden SPSen in industriellen Netzwerken eingesetzt. Intelligente Beleuchtungssteuerungen für diese Arten von Netzwerken bieten einfache Anschlussmöglichkeiten für die Einrichtung, Steuerung und Instandhaltung der Beleuchtung. Für das Einrichten der Beleuchtung, wie Blitzbetrieb, Übersteuerung, Impuls- oder Dauerbetrieb, kann ein SPS-Programmeditor verwendet werden. Die Werte für die akkumulierte Auslöseranzahl, die akkumulierte Beleuchtungsdauer ­basierend auf Lichtintensität und Belichtungszeit, die Beleuchtungsverzögerung und den Fehlerstatus können alle über das Ethernet/IP-Netzwerk zur Verfügung gestellt werden. Für PC-gesteuerte Bildverarbeitungssysteme stellt die ideale Konfiguration ein integriertes System dar, bei dem die Steuerung der Kamera- und Beleuchtungsparameter über eine einzige Softwareschnittstelle in einer Plug-&-Play-Umgebung erfolgt. Dadurch lassen sich Systeme viel einfacher erstellen, konfigurieren und in Betrieb nehmen. Es stehen sowohl offene als auch geschlossene Umgebungen zur Verfügung.
Wichtig ist dabei, dass für beide Umgebungen viele Beleuchtungen verfügbar sind, darunter Ringleuchten, rechteckige Ringleuchten, Balkenbeleuchtungen, Flächenbeleuchtungen, Dom-Beleuchtungen und Koaxialbeleuchtungen. Offene Umgebungen, wie die Beleuchtungssysteme Triniti von CCS, nutzen Standard-Schnittstellen wie GigE Vision und GenICam. Dieser Ansatz ermöglicht die Verwendung jeder beliebigen GigE-Vision-Kamera zusammen mit einer Beleuchtungssteuerung und intelligenten Leuchten verschiedener Hersteller, die Beleuchtungsdaten in der Leuchte selbst speichern können. Das Steuersystem kann automatisch auf die Informationen einer einzelnen LED zugreifen, zum Beispiel die maximalen Blitz- und Übersteuerungsfähigkeiten, um zur Systemkonfiguration beizutragen. Der Zugriff auf dynamische Betriebsdaten wie Zeittreue und Betriebsstunden ermöglicht die Ferndiagnose und Datenprotokollierung. Für eine Reihe von Bildverarbeitungs- und Anwendungsverarbeitungs-Softwarepaketen stehen APIs zur Verfügung, um eine einzige Steuerungsschnittstelle innerhalb der bevorzugten Bildverarbeitungsumgebung des Benutzers bereitzustellen.
Innerhalb des Compact Vision System (CVS) sind die Systeme üblicherweise herstellerspezifisch, und ihre Integration von Bildverarbeitungskomponenten verwendet normalerweise dedizierte geschlossene Protokolle. Nichtsdestotrotz kann ein ähnlicher Ansatz für die Beleuchtungsintegration in diesen eher geschlossenen Umgebungen angewendet werden, wobei jedoch die Einrichtung und Steuerung der Beleuchtung mittels herstellerspezifischer Kamera-Software erfolgt. Geschlossene Konfigurationen können eine integrierte Beleuchtungssteuerung im System enthalten, die mit externen LED-Leuchten verwendet werden kann, oder speziell entwickelte LEDs, die über eine eigene integrierte Steuerung verfügen.

Die Reichweite intelligenter Beleuchtung ausdehnen

Bei den in der Bildverarbeitung verwendeten LED-Leuchten handelt es sich typischerweise um Baugruppen mit mehreren Einzel-LEDs. Wie bereits erwähnt, beeinflusst eine Reihe von Faktoren die Ausgangsintensität einer LED, darunter die Temperatur, die Betriebszeit und eventuelle Schwankungen der Eingangsspannung. Einige Spezialanwendungen, insbesondere in den Bereichen Glas, Halbleiter, Pharmazie und Mikroskopie, erfordern eine sehr genaue Steuerung der Beleuchtungsintensität im Zeitablauf. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, wurde eine intelligente Beleuchtungstechnologie entwickelt, die eine Lichtsteuerung und eine Rückkopplungsfunktion für die Beleuchtung ermöglicht. Diese Leuchten sind in einer Vielzahl von Formfaktoren erhältlich und beinhalten mehrere eingebaute Fotodioden, um eine genaue Messung der individuellen LED-Helligkeit im Dauer- und im Pulsbetrieb zu ermöglichen, sowie einen Temperatursensor. Mittels Konstantstromschaltungen, die von der Eingangsspannung abhängig sind, werden Schwankungen im Durchlassstrom der einzelnen LEDs korrigiert, um eine gleichmäßige Helligkeit zu erzielen. Darüber hinaus korrigiert eine Temperaturkompensationsschaltung Helligkeitsschwankungen aufgrund von Änderungen der Betriebs- oder Umgebungstemperatur. Da alle Betriebsinformationen nahtlos über GenICam verfügbar sind, können diese intelligenten Beleuchtungssysteme auch mit Kameras, Bildgebungs-Software und Diagnosesystemen zur Steuerung in einer einzigen Umgebung integriert werden.

Bereit für Industrie 4.0

Intelligente Beleuchtungslösungen sind über viele Plattformen verfügbar, sodass Bildverarbeitungssysteme jetzt und in Zukunft einfacher eingerichtet und konfiguriert werden können. Da jedoch Beleuchtungsinformationen und Daten für die Diagnose und vorausschauende Wartung über diese Netzwerke leicht verfügbar sind, sind auch die Grundlagen für eine zukünftige Integration in Industrie-4.0-fähige Umgebungen geschaffen, in denen der Datenaustausch zwischen Komponenten und Subsystemen eine wesentliche Voraussetzung ist. Ein Ansatz für die Korrelation von Automatisierung und Bildverarbeitungsintelligenz ist der plattformunabhängige offene Standard OPC UA für die Maschine-Maschine-Kommunikation. Unter der Leitung der VDMA Machine Vision Group wird derzeit am OPC UA Vision Standard gearbeitet, der die Schnittstelle zwischen Automatisierung und Bildverarbeitung in einheitlicher Form festlegt. Teil 1 dieses Standards ist fertiggestellt und die Arbeit an Teil 2 hat begonnen, in dem die mögliche Interaktion von GenICam und OPC UA Vision untersucht werden soll, was der GenICam-Kompatibilität für intelligente Beleuchtungssysteme noch größere Bedeutung verleiht.