Jste zde

Průmyslový mikrokamerový systém Panasonic PV500 - vítěz Zlatý Amper 2008

Antonín Vojáček, 27. Duben 2008 - 17:20

Kamerové kontrolní (inspekční) systémy mohou být buď jednoduché jednoúčelové často v podobě jedné "krabičky", nebo univerzální a výkonné s několika oddělenými kamerami a s různými implementovanými vyhodnocovacími algoritmy. Právě do druhé skupiny patří v současnosti jeden z nejvýkonějších kamerových systémů Panasonic PV500, který na letošní výstavě AMPER dostal prestižní ocenění "Zlatý Amper". A to je jeden z důvodů si systém PV500 blíže představit a podívat se, co vlastně umí a dokáže ...

PV 500 je v současné době nejvýkonější samostatně pracující kamerový visualizační inspekční systém (Machine Vision system) společnosti Panasonic, který je postavený na novém hardwaru i softwaru, který pomáhá zvýšit efektivitu automatizačních průmyslových systémů a aplikací kontroly a řízení kvality. Toho je dosaženo plně digitálními kamerami s vysokým rozlišením, rychlým zpracováním signálů s vysokou přesností, algoritmy ve víceprocesorové řídící a vyhodnocovací jednotce poskytující velké možnosti připojení k dalším PLC či PC systémům při zachování flexibility a univerzálního provedení. Systém PV500 lze tak snadno přizpůsobit požadavkům uživatele bez potřeby jakéhokoliv programování. Vše se nastavuje pomocí displeje a grafického menu.

  

Přehled hlavních vlastností a schopností kamerového systému PV500

Mikrokamerový systém PV500 byl navržen pro rychlé zpracování komplexních inspekčních úloh, což je dosaženo primárně následujícími prostředky:

  • 5 procesory, které současně (paralelně) vyhodnocují obraz
  • Čtyřrychlostními CCD kamerami, které vysílají nasnímaný obraz ke zpracování 4x rychleji
  • Asynchronní prahování snímku a procesem předzpracování (pipelining process)
  • Parciální zpracování s až 30 000 obrazy/min

Stejně tak splňuje i v současné době stále se zvyšují požadavky na přesnost a kvalitu výrobků, což znamená i potřebu zvýšit přenost inspekčních nástrojů a zařízení zajišťující kvalitu produktů. Systém PV500 toto splňuje v několika směrech:

  • Kamery s rozlišením až 2 Mpixely
  • Digitální připojení kamery CameraLink pro nasnímání obrazu vysokým kontrastem a nízkým šumem
  • Přesné vyhodnocovací algoritmy s interním výpočetním rozlišením 1/1000 pixelu
  • Chytré předzpracovávající algoritmy pro efektivní optimalizaci obrazu
  • Převod rozměru v obraze z pixelů na mm

Obecně však platí, že požadavky moderních výrobních linek jsou takové, aby zařízení či přístroj pro řízení a kontrolu kvality bylo velmi flexibilní. To systém PV500 splňuje v následujících směrech:

  • Široký rozsah již integrovaných inspekčních nástrojů
  • Možnost online parametrizace a nastavení během probíhající inspekce
  • Možnost současného připojení až 3 různých typů kamer a také jejich kombinací
  • Několik možností přímého zdokumentování výsledků inspekce

Použití

Mikrokamerový systém PV500 byl navržen jako víceúčelový inspekční nástroj, který nabízí algoritmy pro široké rozpětí průmyslových vizualizačních úloh (industrial Machine Vision tasks). Typické pole aplikací jsou:


 
  • detekce pozice produktů
  • detekce rozdílnosti produktů
  • hlídání přítomnosti produktu např. na dopravním páse
  • třídění podle různých znaků či rozměrů
  • úloha vzít a umístit (pick & place)
  • kontrola tisku (např. etikety, označení výrobku, údajů apod.)
  • kontrola povrchu předmětů či obalů (praskliny, viditělné netěsnosti apod.)

 

Podrobnější popis kamerového systému Panasonic PV500

Celý kamerový vizualizační inspekční systém Panasonic PV500 lze rozdělit do následujících 3 komponent:

  • Centrální řídící a vyhodnocovací jednotka
  • 1 až 4 kamery s digitálním výstupem
  • Ovládací prvky a rozhraní

Digitální kamery pro PV500

Nepochybně základním prvkem kamerového inspekčního a vizualizačního systému jsou kamery. Výpočetní výkon a rychlost řídící a vyhodnocovací jednotky není k ničemu, pokud k němu nejsou připojeny kvalitní kamery s vysokým rozlišením a rychlým předzpracováním a přenosem pořízených snímků. Proto Panasonic pro tento účel vyvinul 3 druhy speciálních digitálních kamer, kde každá je zaměřena na jiné potřeby:

  • Čtyřrychlostní kamera ANPVC1040 - přenáší digitalizovaný obraz s rozlišením 300 000 pixelů do systému 4x rychleji v porovnání se standardní CCD kamerou, protože pracují se čtyřnásobně větší přenosovou rychlostí než klasické CCD kamery. To v praxi znamená, že přenos obrazu trvá pouze 8 ms místo 33 ms standardní kamery.

  • 2megapixelová kamera ANPVC1210 - poskytuje rozlišení obrazu 1600 x 1200 pixelů, což je téměř 8x větší rozlišení než mají běžné CCD kamery.

  • Ultrakompaktní kamera ANPVC1021 - obsahuje hlavu kamery (včetně objektivu) velikosti jen 12 x 12.5 x 47.5 mm a proto je ideální pro úzké nebo jinak prostorově omezené prostředí.

4 typy digitálních kamer s připojovacím rozhraním CameraLink™, které lze připojit k řídící a vyhodnocovací jednoce systému PV500 - zleva: čtyřrychlostní kamera ANPVC1040, 2megapixelová kamera ANPVC1210 a Ultrakompaktní kamera ANPVC1021 (pro zvětšení klikněte na obrázek)

Všechny uvedené kamery pak v sobě obsahují nejen obvody protřebné pro snímání obrazu, ale i obvody pro jeho digitální předzpracování pro potřeby co největšího urychlení přenosu snímků a jejich dalšího zpracování. Ne vždy je například potřeba přenášet do řídící vyhodnocovací jednotky celý obraz, protože ten jako takový není celý zajímavý. Často se stává, že pouze určitá část obrazu je pouze relevantní z pohledu rozhodnutí kvality obrazu. I v takovýchto případech, jsou digitální kamery systému PV500 ideální, protože umožňují přenášet do řídící jednotky pro vyhodnocení pouze zvolené části celého obrazu (partial-imaging mode). Toto omezení velikosti obrazu umožňuje snižit dobu přenosu snímku z 8 ms až na 2 ms (u čtyřrychlostní kamery), což odpovídá max. 30 000 částečným snímkům za minutu. Definovány mohou být i dvě odlišné části každého snímku každé kamery.

K řídící jednotce systému se kamery připojují prostřednictvím digitálního rozhraní CameraLink™, což znamená, že obrazový výstup z kamer i jejich komunikace s jednotkou PV500 probíhá již přímo v digitální podobě. Odpadá tak převod mezi analogovou a digitální podobou signálu. Výsledkem je maximální kvalita obrazu (nízký šum a vysoký kontrast). Díky tomu lze zachytit a odhalit i velmi malé detaily, což poskytuje vývody například v aplikacích měření nebo kontroly povrchu, kde lze rozlišit odchylku již v řádu několika mikrometrů. Obyčejně je nutné pro zjištění takových detailů použít 6 až 8 běžných kamer. Všechny 3 typy kamer pak mohou být připojeny k vyhodnocovací jednotce v jakékoliv kombinaci a pořadí. Díky technologii PoCL (power over CameraLink) nejsou potřeba žádné další kabely pro napájení kamery. Instalace a zprovoznění jsou tak velmi jednoduché.

 

Kamerový systém PV500 umožňuje provádět zvětšení určité oblasti od 2% do 400% (funkce Zoom)

Řídící a vyhodnocovací jednotka

Srdcem celého kamerového systému PV500 je centrální výkonná a rychlá řídící a vyhodnocovací multiprocesorová jednotka, do které jsou přímo připojeny všechny kamery a která "na opačné straně" poskytuje širokou škálu připojovacích možností pro řízení akčních členů, přenos dat do nadřazeného systému (PLC či PC) nebo přímou archivaci dat bez přítomnosti dalšího systému (PLC nebo PC).

Z pohledu vnitřní konstrukce řídící jednotky je její velký výkon výsledkem nasazení 5 procesorů, které se společně a současně podílejí na zpracování a vyhodnocení úlohy a výpočtu dat. Zatímco dva pro PV500 speciálně vytvořené ASIC obvody přijímají data z kamer a předzpracovávají obraz, dva digitální signálové procesory (DSP) se synchronně starají o výpočetní zpracování úlohy. Oddělený grafický akcelerátor umožňuje synchroně obraz zobrazovat a vysílat na výstup a dále například prostřednictvím Ethernetu. Přidaný 32bitový RISC CPU pak tvoří takový mozek systému, který všechny uvedené procesy obsluhuje a koordinuje.

Rozprostřená hardwarová architektura systému pak umožňuje pipeline zpracování, tedy postupné předzpracovávání obrazu či některých operací, zatímco se provádí nebo dokončuje zpracování předchozí operace či snímku. To výrazně zkracuje celkový inspekční čas.

 

S rozprostřenou hardwarovou architekturou s 5 procesory lze nasadit tzv. pipeline procesing (současné paralelní zpracování více snímků), čímž se výrazně zrychluje funkce celého systému a tím i řízení dalších procesů výrobní linky.

Z pohledu praktického použití kamerový mikrosystém PV500 obsahuje všechna dnes hlavní standardní komunikační rozhraní, jakými jsou sériový přenos dat prostřednictvím RS-232 nebo USB, síťová komunikace pomocí Gigabitového Ethernetu a paralelního přenos dat portem s 64 digitálními vstupy/výstupy. To umožňuje snadné připojení k programovatelným automatům (PLC), průmyslovým i běžným PC, či inteligentním ovládacím a zobrazovacím panelům vytvářející HMI (Human-Machine Interface). Připojení k průmyslovým sběrnicím, jako je například Profibus, může být snadno realizováno například s PLC Panasonic. Navíc data mohou být uložena na SD karty o velikosti až 16 GB.

S využitím rozhraní Gigabitového Ethernetu mohou být data i obraz ve vysokém rozlišení rychle přenášeny do nadřazeného systému. Separátní grafický procesor umožňuje zobrazovat snímky v rozlišení 1024 x 768 pixelů (XGA) v reálném čase na monitoru či displeji připojeného na čelním panelu vyvedený VGA konektor. Typ připojeného kabelu a maximální přenosová rychlost jsou pak detekovány plně automaticky, což dále zjednodušuje instalaci i obsluhu. Pro komunikaci s PLC různých výrobců má již jednotka v sobě intergovány příslušné komunikační protokoly firem Panasonic, Omron, Mitsubishi, Siemens a dalších. PLC těchto výrobců tak mohou být přímo připojeny bez potřeby cokoliv programovat.

Jednotlivé snímky, například výrobků vyhodnocených jako špatné pro potřeby dokumentace řízení kvality, pak lze v elektronické podobě uložit na SD kartu prostřednictvím integrového slotu. Až 600 obrazů lze v reálném čase uložit do vnitřní paměti, odkud mohou být přeneseny právě na SD kartu. Například lze na jednu 16GB SD kartu uložit až 8 800 kompletních snímků ve vysokém rozlišení nebo až 25 00 inspekčních programů. PV500 také podporuje SDHC protokol, který urychluje uložení obrazů na velkokapacitní SD karty.

Kompletní přehled připojovacích míst, konektorů a rozhraní řídící jednotky kamerového inspekčního systému Panasonic PV500 (pro zvětšení klikněte na obrázek)

Software systému PV500

Nejen kvalitní kamery a rychlá vyhodnocovací jednotka však stojí za vysokou detekcí. Software vizualizačního zařízení (Machine Vision device) je vždy důležitou složkou v efektivní funkci celého inspekčního systému. Více výkonný, univerzální a intuitivní software je jednodušší na uživatelské ovládání a rychlejší zpracování požadovaných informací. ale i implementované algoritmy, s jejichž pomocí mohou být výsledky optické kontroly získány s přesností až na 1/1000 pixelu. Reálný obraz je docela často porušen nebo zastřený vlivem prachu nebo větších nečistot ulpěných na objektivu. 13 filtrů realizovaných v chytrých pre-processing algoritmech umožňují z obrazu odstranit takové poruchy a optimalizovat obraz před samotným číslicovým programovým vyhodnocením. Naměřená data mohou být převedena pro interpretaci v mm místo pixelů. Také nulový bod může být nastaven dle reálných podmínek. To umožňuje uživatelům provozovat a pracovat systém s požadovanými jednotkami a souřadnicemi.

Software kamerového systému PV500 nabízí inspekční alogritmy pro všechny hlavní aplikace kontroly kvality a procesní automatizace v průmyslu:

  • Kontrola povrchu, vad a poškození (Surface and flaw inspection)
  • Chytré srovnávání a porovnávání (Smart matching)
  • Kontrola konektorů (Connector inspection)
  • Automatické nastavení oblasti (Auto area adjustment)
  • Efektivní vyhodnocení (Effective evaluation)
  • Nástroje pro podporu nastavení (Setup support tools)
  

Nastavení potřebných algoritmů a funkcí se provádí pomocí grafických softwarových menu, které nevyžadují žádné programování a umožňují rychlé nastavení či změnu údajů. K dispozici jsou i nápovědy a speciální funkce poskytující automatické navádění uživatele v menu při nastavení určitých vlastností, tak aby bylo dosaženo optimální konfigurace.

Mezi nejtěžší úlohy patří kontrola povrchu, pozice a rozměrů. Panasonic po tento účel vyvinul některé speciální algoritmy "Surface and flaw inspection", které na základě v řídící jednotce uložených referenčních snímků umožňuje odhalit a následně nahlásit i malé nepřesnosti a odchylky. Další důležitou a častou úlohou nejen v oblasti balení a farmaceutického průmyslu je kontrola kvality a porovnávání produktů. Velmi často zákazníci zvláště z automobilového průmyslu potřebují detekovat i jen malinké odchylky oo ideálního nástisku značek, písmen a čísel například na přístrojové desce. To Panasonic řeší algortimem "Smart matching", který porovnává referenční předlohy uložené v paměti PV500 modulu s reálným obrazem z kamery a detekuje rozdíly i na úrovni jednotlivých pixelů. Interní paměť umožňuje uložit a porovnat až 2 000 předloh. Funkce automatické nastavení sledované oblasti "Auto area adjustment" je užitečná v případě, kdy nejsou objekty umisťovány například na dopravním páse vždy na stejné místo nebo se mění jejich velikost a je potřeba změnit velikost sledované oblasti (přeostřit) nebo se detailně zaměřit na jiné místo na obraze.

 

Příklad využití algoritmu "Auto area adjustment"

Další možnou aplikací algoritmu "Auto area adjustment" je detekce umístění výrobků na dopravním páse a jejich "vyříznutí" ze snímku, aby se dále zpracovávala jen potřebná oblast o menší velikosti.

Porovnávání a detekci rozdílů tvarů výrobků, natištěných znaků nebo třeba etiket provádí algortimus "Smart matching"

Kontrola konektorů je jednou z dalších aplikací vyžadovaných výrobci součástek a komponent. PV500 nabízí 6 různých metod pro rychlé optické hlídání a zjišťování, zda vývody (například konektoru nebo integrovaných obvodů) jsou přítomny na požadovaných pozicích, nakontaktovány, nezkratovány apod. Algoritmy (např. "Connector inspection") vyžadují ke své funkci jen definici počátečního a koncového bodu a jen pár dalších nastavených informací.

Nakonec je nutné informační výstupy všech algoritmů provázat, zkombinovat a efektivně vyhodnotit s použitím numerických výpočetních menu s využitím aritmetických, trigonometrických a geometrických funkcí a logických funkcí k získání jednoho výsledku. Samozřejmě je možné vykonávat i základní statistické výpočty a analýzy. Pro zajištění rychlé a jednoduché instalace celého inspekčního systému jsou k dispozici tzv. podpůrné pomocné nástroje. Například bar graf indikující optimální nastavení pro zaostření a apertůry. Jiné průběhy ukazují histogram obrazu nebo rozložení jasu. Sledovač vstupů/výstupů (I/O monitor) umožňuje kontrolovat, zda propojení s externími zařízeními je v pořádku a emulovat propojení s PLC. Dalšími zajímavými vlastnostmi softwaru je kontrola přístupu do nastavení heslem, převod dat z pixelů na mm, vícejazyčný ovládací dialog, online parametrizace během sledování, interní výpočet rozlišení na 1/1000 pixelu, přibližovací zoom funkce a další.

Závěr

Mikrokamerový vizualizační systém Panasonic PV500 patří v současné době mezi to nejlepší, co lze na trhu v této oblasti zařízení nalézt. To deklaruje i ohodnocení titulem "Zlatý Amper 2008", které zástupci společnosti Panasonic obdrželi před zahájením výstavy AMPER 2008. Samozřejmě konkurence nespí, a tak zanedlouho lze očekávat podobné či i lepší výrobky a řešení ostatních konkurečních výrobců. Protože systém je velmi univerzální a obsahuje velké množství funkcí, zvláště z pohledu implementovaých softwarových funkcí a vyhodnocovacích algoritmů, nebylo v silách tohoto článku vše alespoň zmínit. Pro bližší a podrobnější informace proto odkazuji přímo na stránky výrobce www.panasonic-electric-works.co.uk a katalogové listy, které jsou volně k dispozici na www.panasonic-electric-works.co.uk/pewuk/en/html/24813.php.

Antonín Vojáček

DOWNLOAD & Odkazy

Hodnocení článku: