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OPC UA 机器视觉配套规范


时间:2020-01-09

应用领域:机器视觉


OPC机器视觉第一部分得以正式采用

   自2019年第三季度起,OPC UA机器视觉配套规范(简称OPC机器视觉)的第一部分正式得以采用。该标准基于VDMA机器视觉集团的支持以及 OPC Foundation的开放平台通信统一架构(OPC UA)的制定,其目标是将从图像处理组件到整个图像处理系统的所有内容,集成到工业自动化应用中,并使机器视觉技术能够与整个工厂以及其他场所进行通信。利用此标准,制造商正为用户级的图像处理系统开发通用接口,包括图像数据的语义描述。


图1 在 OPC 机器视觉规范中,图像处理系统在语义层面定性为信息模型;就其与周围机器的关联情况而言,则充当状态机。


   在语义层面(见图1),OPC 机器视觉将图像处理系统描述为信息模型;就其与周围机器的关联情况而言,则充当状态机。其中包括生产控制和信息技术 (IT)系统:可编程逻辑控制器(PLC)、机器人控制、人机接口(HMI)、软件系统(制造执行系统、监视控制与数据采集、企业资源规划、云)以及数据分析系统。由于基于以太网的网络构成了新的OPC机器视觉标准,专用接口遭到摒弃,取而代之的是通用接口。

   OPC UA描述和制定图像处理系统的抽象结构。该规范的一个重要组成部分为通用信息模型,该模型使图像处理系统(从简单的视觉传感器到相机和多相机系统,再到更为复杂的检测系统)抽象化。输入端为图像处理任务,例如对某个产品类型进行生产,这个生产过程将通过一个脚本和配置进行说明(脚本和配置信息)。在输出端,图像处理系统将结果及其总体状态传递给周边环境(结果和条件信息)。在图像处理结束时,系统将结果传输给可以随时从其所在端检索图像处理系统数据的周围系统,从而实现各种不同的功能,例如确定系统是否正常工作。

   与图像处理系统的每一次交互、以及对信息模型的每一次访问,都依赖于模型当时所处的条件以及与图像处理系统相关的功能。因此,状态机概念为规范的第二个基础组成部分,此概念使可能的图像处理系统状态抽象化。图像处理系统根据其所处环境呈现出不同的状态,在每种情况的给定时间点上呈现一种状态,例如初始状态、运行准备状态、图像处理、错误、警告、停止以及结果信号。系统可能的运行状态和状态转换,以固定数量的状态表示。状态机根据外部和内部输入(方法调用或事件)相应地更改状态。借助各种一般功能(如沟通所处状态),该功能得以成为系统控制的基础。


图2 即将发布的规范的第二部分,侧重于特殊功能和应用,用标准化的信息结构和语义(如配置、脚本和结果信息)取代各制造商自定的黑盒。


第二部分主要针对特定服务和功能

   因为输入和输出的内容为特定于制造商的内容,所以它们在规范的第一部分中被视作黑盒。第一部分中描述的定义针对的是基本的系统功能,而不是图像处理功能,因此也不是细分于不同领域的应用软件(如一个表面系统中的代码读取系统部分,或者视觉导向的机器人解决方案)。

   以术语的形式描述这个级别以便在功能型信息模型中进行表示,是后续计划步骤的构成元素。然后,特定于制造商的黑盒将由标准化的信息结构和语义(如配置、脚本和应用的结果信息,如状态检测、完整性检查和位置感测)所取代(见图2)。这样做可以确保不同的图像处理系统在使用相同的脚本(如传感器校正或镜头调校)时,也能提供相同的结果。

   此外,对于应用相关的结构化消息通讯规则,也有相关的定义在规划中,这关系到图像处理系统之间关于其状态的通讯,以及这些消息与状态机交互的方式。其目的在于让那些对应用没有深入了解的普通客户端,也能对图像处理系统的当前状态有基本的了解,例如显示系统处于生产、缺陷或维护状态的时长。

   到目前为止,状态机只能提供有关图像处理系统当前控制器状态的信息。如果发生错误,系统会切换到“错误”状态,但不提供有关发生错误原因的信息。在这种情况下,则会应用由SEMI E10规范 (bit.ly/VSD-SEMI) 定义的六种基本系统状态,然后每条错误信息都会包含相关信息。这样一来,即使对应用没有深入了解的普通客户端,也能理解出现错误的可能原因。


图3 通过OPC UA和已建立的接口(如数字I/O、现场总线和工业以太网系统),可以将机器视觉系统连接到工厂自动化系统。

OPC UA还可以用作单个接口,具体视实际应用的要求而定。

集成图像处理和工厂自动化

   OPC机器视觉专为满足更快且不断变化的生产流程需求而设计,是工业4.0概念的里程碑。未来,工业制造领域中图像处理的集成将大大简化,而高度实时处理的需求也令处理速度大为提高,这意味着以更低的成本加速生产。以前,这两个领域之间没有软件层——既不能识别和控制可用组件,也不能进行设备通信或测量结果交换。

   通过将图像处理功能集成到机器控制中(PLC),自优化生产流程、个性化产品以及图像处理数据与传统传感器数据(如温度和压力传感器)的直接连接,都带来了新的可能性。运营与信息技术将紧密结合。这样,如果生产线转为生产另一种产品类型,流程控制将检查图像处理设备并作出修改。或者在更换照明设备以及重新调整图像处理系统时,系统会向PLC报告,这些步骤都可自行控制,无需人工监控。利用OPC机器视觉,相机和PLC可通过OPC UA同时编程。

   在制造一个工件时的常见场景通常是,PLC通过发送一条有关新部件到达的启动信号,来通知图像处理系统。机器需要等待图像处理系统给出结果——即质量信息(通过/未通过)、测量值(大小)或位置信息(x坐标和y坐标、旋转、可能存在的z坐标、3D系统中的完整位置),然后才能继续工作。

   OPC机器视觉规范中描述的接口,能与现有接口共存,如数字I/O、现场总线和工业以太网系统,并提供额外的图像处理系统界面(见图3),或者用作系统的单个接口,具体视实际应用的要求而定。

   如果需要进行某种程度的实时传输,则可以选择使用TSN(时间敏感性网络),通过TSN传输OPC UA。在图像处理应用中,通常通过在千兆以太网 (GigE) 上实现TSN。通过这样的实时传输,可以实现例如通过图像对机器人精准定位的应用,从而使机器人的运动控制更加直接简便。

小结

   利用通用信息模型和定义明确且语义一致的状态机,使得图像处理系统与现有自动化系统的集成,得以显著简化。得益于通用的适用性和可扩展性,OPC机器视觉可大大加速机器视觉系统的开发和应用。该规范简化了系统与设备、控件、人机接口和软件环境的集成,这意味着更快投入市场、更快实施新的应用。

   实施或使用该系统不再需要专业知识,而通过使用集成图像传感器、光学元件、照明、处理器和电源的智能相机,可以很好地节省硬件成本。系统集成商仍然需要在整个系统的设置和与各种不同传感器的集成中发挥作用。结合了 OPC机器视觉和嵌入式GenICam标准的嵌入式图像处理系统,将强有力地融入工业4.0领域,在未来发挥关键作用。