可扩展的基于pc的自动化、健壮的网络解决方案和开放的摄像头标准使机器视觉摆脱黑匣子，提高吞吐量。
Daymon汤普森
美国软件产品经理
Beckhoff自动化有限责任公司
机器视觉已经成为质量检测、跟踪和跟踪等许多工作中不可或缺的一部分。随着成本的降低和性能的提高，几乎任何行业的任何机器都将从中受益。但由于一个关键缺陷，图像处理存在高延迟和不理想的性能问题:它通常与控制环境分离。独立的智能相机、独立的高性能计算机或独立的视觉控制器都需要特定的配置工具和编程语言。这可能使公司依赖外部的视觉专家来完成所有的变化，同时增加系统的复杂性和成本。
从技术角度来看，独立的视觉硬件获取图像，只有在处理之后，才通过现场总线或通信协议将结果传递给控制器。图像处理和控制系统之间的通信通常是特定于应用程序的，容易出错。控制器必须等待下一个PLC周期处理这些结果，然后决定如何处理这些结果。对于运动控制和视觉结合的应用程序，这种延迟会降低吞吐量或导致其他问题。类似地，传统的基于pc的视觉解决方案通常为视觉算法提供更大的CPU和硬件可用性，但外部进程(如操作系统)会影响处理和传输时间。
但时代和科技都在改变。今天的工程师可以在一个机器控制器上运行运动控制、安全技术、测量技术和机器人等许多功能，而不是在多个黑匣子上。当代自动化供应商正在将同样的集成方法应用于视觉。在一个工程环境和运行时中实现所有功能消除了标准障碍，提高了性能。
增强图像处理集成方法
集成方法包括将视觉完全集成到可伸缩的工业PC (IPC)平台中。机器操作有几个方面的好处，包括对结果的确定性反应和不需要额外的结果通信。将视觉算法和摄像头配置集成到与现场总线、运动轴、机器人、安全和HMI配置相同的工具中同样有益。例如，TwinCAT Vision软件将视觉置于实时环境中。通过在一个确定性、多任务和多核CPU实时执行所有算法，视觉、PLC和运动控制一致同步。
通过将图像存储在PLC内存中，可以很容易地在HMI上访问和显示当前图像，而不必存储到中间文件。这可以是原始传入图像，也可以是当前中介视觉算法处理步骤中的任何图像。在HMI中不仅要显示图像，还要显示视觉或相机参数的配置。这允许系统的最终用户访问视觉应用程序参数，以使它们适应各自的条件。
完全集成的图像处理解决方案允许工程师使用已知的功能块或IEC 61131-3语言来编程和设置相机参数。通过不需要专有的图形化语言、c++ / c#和特殊的配置工具，机器构建者节省了大量的工作和成本。PLC功能块可以，例如，改变相机的状态或触发相机的一个新图像。通过这种方法，熟悉结构化文本(ST)、顺序功能图(SFC)、梯形逻辑(LD)或连续功能图(CFC)的控制工程师可以继续控制视觉系统和整个机器。
此外，将机器视觉从黑匣子系统转移到实时环境中，可以让看门狗监视图像处理功能的时间。图像处理算法，由于不同的图像信息，需要不同的时间长度来计算，这可能会在生产线上产生吞吐量问题。例如，在一个连续的流程中，生产线不应该——通常也不能——因为分组的产品比平常多而减速。尽管这种情况需要更多的时间在视觉系统中检查图像，但试图停止产品流可能是灾难性的。有了有效的看门狗，视觉算法可以停止处理图像，并返回任何可用的部分结果。
可扩展的处理能力是IPC的关键
基于pc的自动化为具有机器视觉的应用程序提供了许多可扩展连接和计算能力的选项。例如，现代ipc中的连接选项可以轻松添加10个以上的网络接口卡，以允许每个相机的单独通信通道有效地将图像传输到PC机进行处理。这消除了昂贵的开关，后者可能导致不必要的延迟和复杂的布线。
IPC的性能范围从具有成本效益的平台开始，一直扩展到拥有40个处理器核心的多核机器控制器。拥有这样的范围对于为单个图像处理项目选择合适的计算能力是理想的。现代工业控制系统从头开始构建，以利用从单核到多核的PC处理器的可伸缩性。视觉系统集成到强大的基于pc的控制系统也可以利用多核功能。
为了使程序员能够非常容易地实现多核和核心隔离，在一些IPC平台上的配置只需将“作业任务”分配给内核。这些应该用于视觉算法的任务，然后被分组到一个“任务池”中。由于视觉是在控制系统中执行的，所以能够利用并行处理优势的算法被自动分割到多个核心之间。它们并行处理，将结果返回到一起，并将它们呈现给PLC和图像算法的结果变量。
这样，程序员就不需要担心多核、多线程或多个任务。他们只需要实现机器控制逻辑和视觉代码，这使得系统能够独立处理多核处理。
GigE标准为视觉系统建立网络
在功能强大的IPC上进行综合图像处理首先需要将从视觉传感器捕获的图像传输到控制器。GigE Vision是一种标准化和高效的通信协议，使这成为可能。这个通用的工业相机标准基于千兆以太网，具有可扩展的速度。不需要额外的连接硬件，摄像机电缆可以延伸到100米。
来自机器视觉行业各个部门的广泛的公司团体致力于开发GigE标准，现在由自动化成像协会(AIA)维护。最初的目的是建立一个标准，允许相机和软件公司在千兆以太网现场总线上无缝集成他们的解决方案。GigE是第一个允许图像通过长电缆高速传输的标准。
虽然千兆以太网是一种标准总线技术，但并非所有具有千兆以太网端口的相机都符合千兆视觉。为了符合GigE Vision标准，相机必须遵守由GigE Vision标准建立的协议，并必须通过AIA认证。在为视觉应用程序指定组件时，检查这一点非常重要。
带有GigE Vision接口的相机制造商以GenApi格式提供配置说明。集成机器视觉配置工具读取参数，并以清晰的排列方式提供给用户。通过这种方式，配置更改(如调整曝光时间和设置感兴趣的区域)可以快速而容易地发生。在复杂性方面，用于视觉应用的摄像机的参数化与伺服驱动器的参数化相当。
EtherCAT的优点
基于pc的自动化从核心控制功能(如实时PLC和访问许多现场总线，包括EtherCAT工业以太网系统)中提供了固有的好处。由于EtherCAT协议的高确定性和通过分布式时钟的设备同步，非常精确的触发计时和基于时间戳的输出终端可以向相机发送微秒级精度的硬件触发信号。因为所有事情都是在一个高度精确的时间背景下实时发生的，例如，图像采集和轴位置可以高精度地同步——这是PLC程序员经常处理的任务。许多相机还可以在先前定义的事件(如图像捕获的开始)发送输出信号。这些信号可以通过EtherCAT网络上的数字输入终端获得，然后在PLC中用于进一步过程的精确同步。
特别开发的视觉照明控制器通过EtherCAT触发，以50 μ秒的脉冲实现闪光。每个单独的闪光都可以由控制器通过分布式时钟和时间戳以极高的精度触发。例如，这确保了输送带上的产品在每个触发事件之前到达准确的位置。同步性最终是驱动视觉技术在机器控制器和现场总线内部集成的一个主要因素。这使得EtherCAT照明设备具有高周期同步性，因为它与相机记录或机器人运动在同一周期内被触发。
图像处理将继续变得更加重要，在许多情况下，随着价格点的降低，图像处理将取代传感器。通过对基于pc的自动化进行标准化，采用可伸缩的控制器硬件，结合实时和工程环境，工程师可以实现未来的视觉密集型应用。
Beckhoff自动化有限责任公司
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