OPC UA ist eine Schlüsseltechnologie, um Daten und Information in der Industrie auszutauschen. Das Industrieprotokoll etabliert sich durch Eigenschaften wie Plattformunabhängigkeit, Skalierbarkeit und Kommunikationssicherheit immer weiter als offener Standard in der Industrie 4.0. OPC UA ist aber keine alleingültige Schnittstelle, die alle anderen Interfaces ablösen soll. Es ist ein IT-Standard, der es geschafft hat, die gesamte Fabrik zu durchdringen und zu verbinden. Der einheitliche Austausch über alle physikalischen Layer und Ethernet-basierten Feldbusse hinweg bis in die Cloud bringt eine enorme Vereinfachung des Engineering-Aufwands, wenn Daten nicht über verschiedene Protokolle gelesen, konvertiert und synchronisiert werden müssen. OPC UA vereinheitlicht dazu die Sprache der Geräte untereinander und legt fest, wie sich Geräte gegenüber Clients selbst beschreiben und wie sie gesteuert werden. Eine ähnliche ´Bekanntmachung´ der Geräte-Fähigkeiten ermöglicht bereits der generische Schnittstellenstandard GenICam. Dieser vereinheitlicht den softwarebasierten Zugriff auf Kamera-Features jeglicher Art und Hersteller. OPC UA verwendet sogenannte Companion Spezifikationen, welche die wichtigsten Informationen festlegen, um Geräte einer bestimmten Branche umfassend zu beschreiben und somit quasi als Wörterbuch dienen. Komplexe Bildverarbeitungsaufgaben der Geräte werden durch OPC UA in Funktionsbausteinen (Rezepten) gekapselt, deren genaue Wirkungsweise dem Automatisierer bzw. Anwender nicht bekannt sein müssen. Ebenso werden alle notwendigen Einstellungen in Konfigurationsdatensätzen gespeichert und verwaltet. Indem proprietäre Elemente durch herstellerunabhängige Informationsstrukturen ersetzt werden, entsteht ein standardisierter Informationsaustausch zwischen Bildverarbeitungssystemen, Machinen-/ Anlagensteuerung oder einem Softwaresystem wie MES, Scada oder ERP.
Inferenzkamera als OPC-UA-Server
In der Welt der Automatisierung und im IIoT gibt es viele Endpunktgeräte, welche Dienste und Informationen bereitstellen. Sie fungieren als Server im OPC-UA-Netzwerk. Je nachdem, welche Informationen ein Client zur Weiterverarbeitung benötigt, muss er sich mit mehreren Servern verbinden. Reine Bildlieferanten wie Industriekameras sind im Wesentlichen keine typischen OPC UA Geräte. Anders sieht es bei intelligenten Kameras aus, die eine eigenständige Auswertefunktionalität besitzen. Gerade für Embedded Vision Geräte wie die NXT Inferenzkameras von IDS ist OPC UA die perfekte Sprache zur Selbstbeschreibung. Mit einer UA-Schale können sie von den Steuerungsherstellern direkt eingesetzt werden. Nicht als Bild-, sondern als Ergebnislieferant, denn sie arbeiten bereits wie ein Vision Sensor und fungieren im OPC-UA-Umfeld demnach als Server.
Produktwechsel auf Knopfdruck
Bildverarbeitungsaufgaben und deren Ergebnisse stellen die Kameras über Vision Apps bereit, die so einfach verwendet und gewechselt werden können, wie Apps auf einem Smartphone. Hardwareseitig wird die Kameraplattform durch einen programmierbaren FPGA unterstützt, der als KI-Beschleuniger viele Architekturen neuronaler Netze (CNN) beschleunigt ausführen kann. Durch die schnelle Neukonfiguration des dedizierten Prozessors kann in wenigen Millisekunden zwischen mehreren geladenen CNNs umgeschaltet werden. Die Verwendung der Vision Apps wird durch die OPC-UA-Rezept- und Konfigurationsverwaltung vollständig im Industrienetz abgebildet und ermöglicht somit auch einen Produktwechsel auf Knopfdruck. Die Geräteinfos und Ergebnisdaten der unterschiedlichen Vision Apps einer NXT Kamera werden durch die OP-UA-Device-Informationsmodelle und die Companion Spezifikation für Machine Vision Systeme als beliebig erweiterbare Objektstruktur jedem Client offen gelegt. Sie können durch dieses Netz navigieren und sich alle erforderlichen Informationen beschaffen, selbst für Typen, die ihnen vorher unbekannt waren. Die einheitliche Kommunikation über OPC UA schafft damit die Grundlage für Plug&Produce neuer Geräte. Die Inferenzkameras können dadurch schnell und ohne viel Aufwand in einem OPC UA Netzwerk als Machine Vision System eingesetzt werden. Die Inbetriebnahme verkürzt und vereinfacht sich damit auf ein Minimum.
Schnittstellenkombi
Mit einem REST (Representational State Transfer) Webservice bieten die Kameras eine standardisierte, plattformunabhängige Schnittstelle, die eine einfache Vernetzung mit anderen webfähigen Geräteklassen ohne zusätzliche Software oder Gateways basierend auf dem HTTP Protokoll erlaubt. Zusätzlich bleibt er die maßgebliche Schnittstelle, wenn es darum geht, die Inferenzaufgaben mit den zugehörigen Einstellungen einzurichten und sie per Rezepte und Konfigurationen in der OPC Welt bereit zu stellen. Denn für diese Geräte- und Hersteller-spezifischen Prozesse stellt die OPC UA Spezifikation selbst keine einheitlichen Funktionsaufrufe zur Verfügung. Bildverarbeitungssysteme sind kaum vergleichbar was ihre Steuerung, Arbeitsweise und die verwendeten Einstellungen und Daten angeht. Daraus lässt sich nur schwierig ein Standard schaffen, ohne die sehr individuellen Systeme in ihrer Funktionalität zu stark zu beschränken bzw. eine generische Schnittstelle zu stark aufzublähen. Damit bleiben Alleinstellungsmerkmale für die Gerätehersteller weiterhin möglich und die OPC UA Kommunikation schlank und skalierbar. OPC UA wird die Geräte-Schnittstellen also nicht ersetzen, sondern ergänzt die Möglichkeiten im Industrieumfeld. Kamerakonfigurationen und Vision App-basierte Inferenzaufgaben werden dazu in einem für OPC-UA-kompatiblen und lesbaren Format abgespeichert.
Vision Usability wichtig
Es reicht nicht, die neuen Fähigkeiten, für die man mitunter Spezialwissen benötigt, einfach nur im Netzwerk bekannt zu machen. Die Automatisierer brauchen auch Bildverarbeitungslösungen mit einfacher Bedienbarkeit. Sie sollten selbst in der Lage sein, zu beschreiben, wie ein Bild zu verarbeiten ist. NXT ocean ist eine All-in-One Inferenzkamera-Lösung, deren Usability einfach genug ist, um auch ohne Bildverarbeitungs- und KI-Kenntnisse komplexe Analysen intuitiv zu realisieren. Mit der cloud-basierten Softwarelösung NXT lighthouse von IDS können Trainingsbilder einer Anwendung für KI-basierte Bildverarbeitungsaufgaben verwaltet und damit innerhalb weniger Minuten individuelle neuronale Netze erzeugt werden. Dazu sind lediglich drei Schritte notwendig: Trainingsbilder hochladen, Trainingsbilder labeln und anschließend das gewünschte Netz trainieren, das sofort auf den Kameras lauffähig ist. Anwender benötigen somit nur das Wissen über ihre Bilder und deren Bewertung um beispielsweise Bildverarbeitungsaufgaben mit stark variierenden Objekten zu lösen, wie etwa unterschiedliche Obstsorten zu klassifizieren oder schadhafte Teile (z.B. Äpfel mit Druckstellen oder Farbabweichungen) zu identifizieren. Mit OPC UA gelingt nun zusätzlich die geforderte Kapselung der Funktionsblöcke, um damit näher an die SPS zu rücken.
Fazit
Das hersteller- und branchenübergreifende Industrieprotokoll OPC UA ist für IDS NXT Embedded-Vision-Systeme die ideale Co-Schnittstelle zur schnellen Integration in neue bzw. bereits bestehende Industrieanlagen und Prozesssteuerungen. Ohne Vorwissen über Bildverarbeitung und Machine Learning steht Automatisierern damit ein weiterer Machine Vision Baustein nach der OPC Machine Vision Companion Spezifikation zum sofortigen Gebrauch zur Verfügung. Mit einfacher Usability und flexiblen Einsatzmöglichkeiten liefern die NXT Inferenzkameras KI-basierte Prozess-Entscheidungen ins OPC-UA-Netzwerk.
