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OPC UA 機器視覺配套規范


時間:2020-01-09

應用領域:機器視覺


OPC機器視覺第一部分得以正式采用

   自2019年第三季度起,OPC UA機器視覺配套規范(簡稱OPC機器視覺)的第一部分正式得以采用。該標準基于VDMA機器視覺集團的支持以及 OPC Foundation的開放平臺通信統一架構(OPC UA)的制定,其目標是將從圖像處理組件到整個圖像處理系統的所有內容,集成到工業自動化應用中,并使機器視覺技術能夠與整個工廠以及其他場所進行通信。利用此標準,制造商正為用戶級的圖像處理系統開發通用接口,包括圖像數據的語義描述。


圖1 在 OPC 機器視覺規范中,圖像處理系統在語義層面定性為信息模型;就其與周圍機器的關聯情況而言,則充當狀態機。


   在語義層面(見圖1),OPC 機器視覺將圖像處理系統描述為信息模型;就其與周圍機器的關聯情況而言,則充當狀態機。其中包括生產控制和信息技術 (IT)系統:可編程邏輯控制器(PLC)、機器人控制、人機接口(HMI)、軟件系統(制造執行系統、監視控制與數據采集、企業資源規劃、云)以及數據分析系統。由于基于以太網的網絡構成了新的OPC機器視覺標準,專用接口遭到摒棄,取而代之的是通用接口。

   OPC UA描述和制定圖像處理系統的抽象結構。該規范的一個重要組成部分為通用信息模型,該模型使圖像處理系統(從簡單的視覺傳感器到相機和多相機系統,再到更為復雜的檢測系統)抽象化。輸入端為圖像處理任務,例如對某個產品類型進行生產,這個生產過程將通過一個腳本和配置進行說明(腳本和配置信息)。在輸出端,圖像處理系統將結果及其總體狀態傳遞給周邊環境(結果和條件信息)。在圖像處理結束時,系統將結果傳輸給可以隨時從其所在端檢索圖像處理系統數據的周圍系統,從而實現各種不同的功能,例如確定系統是否正常工作。

   與圖像處理系統的每一次交互、以及對信息模型的每一次訪問,都依賴于模型當時所處的條件以及與圖像處理系統相關的功能。因此,狀態機概念為規范的第二個基礎組成部分,此概念使可能的圖像處理系統狀態抽象化。圖像處理系統根據其所處環境呈現出不同的狀態,在每種情況的給定時間點上呈現一種狀態,例如初始狀態、運行準備狀態、圖像處理、錯誤、警告、停止以及結果信號。系統可能的運行狀態和狀態轉換,以固定數量的狀態表示。狀態機根據外部和內部輸入(方法調用或事件)相應地更改狀態。借助各種一般功能(如溝通所處狀態),該功能得以成為系統控制的基礎。


圖2 即將發布的規范的第二部分,側重于特殊功能和應用,用標準化的信息結構和語義(如配置、腳本和結果信息)取代各制造商自定的黑盒。


第二部分主要針對特定服務和功能

   因為輸入和輸出的內容為特定于制造商的內容,所以它們在規范的第一部分中被視作黑盒。第一部分中描述的定義針對的是基本的系統功能,而不是圖像處理功能,因此也不是細分于不同領域的應用軟件(如一個表面系統中的代碼讀取系統部分,或者視覺導向的機器人解決方案)。

   以術語的形式描述這個級別以便在功能型信息模型中進行表示,是后續計劃步驟的構成元素。然后,特定于制造商的黑盒將由標準化的信息結構和語義(如配置、腳本和應用的結果信息,如狀態檢測、完整性檢查和位置感測)所取代(見圖2)。這樣做可以確保不同的圖像處理系統在使用相同的腳本(如傳感器校正或鏡頭調校)時,也能提供相同的結果。

   此外,對于應用相關的結構化消息通訊規則,也有相關的定義在規劃中,這關系到圖像處理系統之間關于其狀態的通訊,以及這些消息與狀態機交互的方式。其目的在于讓那些對應用沒有深入了解的普通客戶端,也能對圖像處理系統的當前狀態有基本的了解,例如顯示系統處于生產、缺陷或維護狀態的時長。

   到目前為止,狀態機只能提供有關圖像處理系統當前控制器狀態的信息。如果發生錯誤,系統會切換到“錯誤”狀態,但不提供有關發生錯誤原因的信息。在這種情況下,則會應用由SEMI E10規范 (bit.ly/VSD-SEMI) 定義的六種基本系統狀態,然后每條錯誤信息都會包含相關信息。這樣一來,即使對應用沒有深入了解的普通客戶端,也能理解出現錯誤的可能原因。


圖3 通過OPC UA和已建立的接口(如數字I/O、現場總線和工業以太網系統),可以將機器視覺系統連接到工廠自動化系統。

OPC UA還可以用作單個接口,具體視實際應用的要求而定。

集成圖像處理和工廠自動化

   OPC機器視覺專為滿足更快且不斷變化的生產流程需求而設計,是工業4.0概念的里程碑。未來,工業制造領域中圖像處理的集成將大大簡化,而高度實時處理的需求也令處理速度大為提高,這意味著以更低的成本加速生產。以前,這兩個領域之間沒有軟件層——既不能識別和控制可用組件,也不能進行設備通信或測量結果交換。

   通過將圖像處理功能集成到機器控制中(PLC),自優化生產流程、個性化產品以及圖像處理數據與傳統傳感器數據(如溫度和壓力傳感器)的直接連接,都帶來了新的可能性。運營與信息技術將緊密結合。這樣,如果生產線轉為生產另一種產品類型,流程控制將檢查圖像處理設備并作出修改?;蛘咴詬徽彰魃璞敢約爸匭碌髡枷翊硐低呈?,系統會向PLC報告,這些步驟都可自行控制,無需人工監控。利用OPC機器視覺,相機和PLC可通過OPC UA同時編程。

   在制造一個工件時的常見場景通常是,PLC通過發送一條有關新部件到達的啟動信號,來通知圖像處理系統?;饜枰卻枷翊硐低掣黿峁粗柿啃畔ⅲㄍü?未通過)、測量值(大?。┗蛭恢瞇畔ⅲ▁坐標和y坐標、旋轉、可能存在的z坐標、3D系統中的完整位置),然后才能繼續工作。

   OPC機器視覺規范中描述的接口,能與現有接口共存,如數字I/O、現場總線和工業以太網系統,并提供額外的圖像處理系統界面(見圖3),或者用作系統的單個接口,具體視實際應用的要求而定。

   如果需要進行某種程度的實時傳輸,則可以選擇使用TSN(時間敏感性網絡),通過TSN傳輸OPC UA。在圖像處理應用中,通常通過在千兆以太網 (GigE) 上實現TSN。通過這樣的實時傳輸,可以實現例如通過圖像對機器人精準定位的應用,從而使機器人的運動控制更加直接簡便。

小結

   利用通用信息模型和定義明確且語義一致的狀態機,使得圖像處理系統與現有自動化系統的集成,得以顯著簡化。得益于通用的適用性和可擴展性,OPC機器視覺可大大加速機器視覺系統的開發和應用。該規范簡化了系統與設備、控件、人機接口和軟件環境的集成,這意味著更快投入市場、更快實施新的應用。

   實施或使用該系統不再需要專業知識,而通過使用集成圖像傳感器、光學元件、照明、處理器和電源的智能相機,可以很好地節省硬件成本。系統集成商仍然需要在整個系統的設置和與各種不同傳感器的集成中發揮作用。結合了 OPC機器視覺和嵌入式GenICam標準的嵌入式圖像處理系統,將強有力地融入工業4.0領域,在未來發揮關鍵作用。