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TwinCAT Vision:在 PLC 環境中編寫機器視覺實時解決方案

---圖像處理功能完全集成在控制系統中

德國倍福自動化有限公司
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到目前為止,工業圖像處理通常與傳統控制技術還是分開的。它主要由專業工程師使用專用的工具和編程語言在專用的 PC 或智能相機上實現。但是以這種方式生成的圖像處理解決方案不僅在工程和技術支持方面需要投入相當大的人力物力,而且它們幾乎不可能與傳統的工業控制系統同步。這一切促使倍福決定走一條完全不同的路,將機器視覺完全集成在其開發環境和運行時系統中。

集成有圖像處理功能的倍福方案再次將系統智能整合在性能強大的工業 PC 中。這表示價格便宜的非智能相機也可用于捕獲本地圖像。此外,將視覺功能整合到控制 PC 上運行的軟件中可以帶來極大的靈活性,唯一的限制因素是工業 PC 的計算能力。與依賴于智能相機的解決方案不同,這一設置不僅允許通過 HMI 直接、完整地顯示圖像數據和中間結果,還可以存儲圖像,進行更全面的分析。

高效開發圖像處理項目

將 PLC、C++、運動控制、安全以及現在的機器視覺等各種機器功能整合到同一個控制平臺中的 TwinCAT 3 自動化軟件是在微軟的 Visual Studio®中開發而成。這意味著自動化工程師可以在編程標準軟件應用程序時常用的相同集成開發環境(IDE)中工作。

這樣做的好處之一是,這一開發環境已在全世界范圍內被廣泛接受;另一個好處是,它允許直接訪問源代碼控制、數據庫和測試工具接口。此外,可以直接在 IDE 中配置 TwinCAT 所支持的各種現場總線:通過 TwinSAFE,還可以配置和編寫與安全相關的應用程序。它也支持使用 NC PTP 實現運動控制,以及配置和編寫 CNC 應用程序。因此,整合圖像處理功能是合乎邏輯的下一個步驟。市面上的其它解決方案通常都需要使用自己的用戶界面進行配置和編程,但有了 TwinCAT Vision 后,配置、校準和編程都可以在 Visual Studio® 中完成,無需學習其它工具或專用的編程語言。此外,TwinCAT Vision 還可以順利將開發環境與基于 HTML5 的 TwinCAT HMI 集成在一起,實現拍攝畫面及結果的實時顯示。

用戶可以在 Visual Studio® 中輕松將相機配置為 I/O 節點,它支持所有使用 GigE Vision 協議并符合 GenIcam 配置標準的相機;該標準還使得系統能夠輕松地集成專業相機。用戶只需要簡單掃描一下,即可實現所有相機連接至工業 PC,并且可以從分配給相機的相關 GenIcam 描述文件中檢索每臺相機的配置參數。因此無需手動分配 IP 地址或創建大量參數列表。片刻之后,相機運行準備就緒,可以在 Visual Studio®中顯示捕獲到的實時圖像。無論是在開發階段,還是之后的現場操作期間,所有參數都可以使用 PLC 功能塊實現參數配置修改。

如果要在圖像處理期間進行測量,則校準相機時需要將像素大小轉換為公制尺寸。可以使用常用的棋盤校準板或點陣校準板對相機進行校準;它也支持 3D 校準模式。只需簡單幾個圖像就足以滿足校準要求,這是很重要的優點:這樣可以簡化維護時更換相機和/或鏡頭的操作,從而降低成本。

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針對視覺應用中高精度照明控制的 LED 驅動端子模塊 EL2596 是倍福開發的第一款專用硬件產品,旨在支持將圖像處理功能集成到控制系統中

具備視覺專業知識的 PLC 編程人員

設置并校準好相機后,用戶就可以開始視覺項目編程。由于視覺解決方案與標準控制技術集成在一起,因此可以使用大家所熟悉的 PLC 編程語言來執行。實際上,也可以使用 C/C++ 和 MATLAB®/Simulink®。展望未來,這樣將讓 PLC 編程人員能夠編寫圖像處理代碼以及其它編程任務,因為機器視覺專家和專業編程語言不再是必不可少的。同時,圖像處理將與近年來已經整合到控制軟件中的運動控制、安全技術、測量技術等功能一樣,逐漸成為標準自動化系統功能。

在 PLC 中編寫視覺程序時,只需要添加一個包含捕獲圖像、渲染和過濾圖像數據、檢測和識別對象以及測量圖像中的對象所需的功能和功能塊的功能庫。特別是包裝行業所要求的條形碼、二維碼識別能力,而現有的視覺功能庫中也已經包括處理這些任務的功能。

在將圖像傳輸到工業 PC 前,首先必須通過觸發相機來捕獲圖像。在大多數情況下,相機以數字方式觸發 — 例如,通過支持分布式時鐘功能且同步精度達到微秒級的 EtherCAT 輸出端子模塊。一旦捕獲到的圖像被存儲在工業 PC 上后,就開始啟用濾波算法。在檢查濾鏡是否正常工作時,可以將每個中間步驟都視為 Visual Studio® 或 HMI 中的圖像。

主要的查找和分析算法可以在渲染完原始圖像后運行。目前,TwinCAT Vision 有 500 多種此類算法可用,用戶可以根據需要通過在線更改參數和/或代碼將這些算法集成到 PLC 中,而無需在調試 C++ 視覺項目前,事先停止使用 PLC。與基于 C ++ 的傳統解決方案相比,這是一個主要優點。

最大同步精度

圖像處理算法在 TwinCAT 實時系統中執行,其主要優點是視覺算法可以在與 PLC、運動控制和測量應用相同的周期時間內運行,或與其他任務同步運行。因此,不需要協調非實時應用和實時 PLC、運動控制或測量過程之間的通信,這樣可以避免出現通信延遲和抖動之類的常見相關問題。

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精確測量鉆孔的能力只是眾多用例中的一個,其中集成的、精確同步的視覺解決方案可以提高制造過程中的質量和生產效率

將圖像處理集成在 PLC 中還有一個重要優點:PLC 編程人員可以使用與處理普通傳感器數據的相同的方式,直接處理視覺算法返回的結果。例如,他們可以按照此方法編寫指令:“如果檢測到的圖像中的對象為圓形,將此數字量輸出設置為 TRUE。”編程人員還可以使用各種熟悉的 PLC 調試功能。這意味著他們可以在處理任務期間隨時顯示圖像,就像在監視變量一樣。如果圖像是分多個階段進行處理,則可以在每個階段直接在 Visual Studio® 中查看。從而可以實現快速且簡單的測試算法。編程人員可以在線切換參數,然后直接觀察效果,例如,可以切換圖像中的 ROI 感興趣區域。用戶能夠在線修改參數(PLC 編程中的常見做法)意味著也可以在正在運行的 PLC 上修改整個算法。這個功能讓圖像處理解決方案能夠快速投入運行并可進行優化。

與其它外圍設備一樣,也可以使用 EtherCAT 和分布式時鐘同步機器視覺應用所使用的外部設備。比如,大多數相機都有數字觸發輸入。如果這是由 EtherCAT 端子模塊上的數字量輸出驅動的,則捕獲到的圖像可以精確匹配傳送帶位置。同樣用戶也可以基于倍福 XFC 模塊出色的輸入輸出精度,非常精確地給照明設備進行曝光計時并進行控制。新推出的用于控制 LED 燈的 EtherCAT 端子模塊 EL2596 便是專為此類應用而開發設計的。

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實時同步運動控制、機器人技術和視覺應用(在本用例中,圖像處理與 XTS 磁懸浮輸送系統相結合)可以大大提升設備設計和工藝順序設定效率

結論

TwinCAT Vision 作為第一個完全集成圖像處理技術的自動化解決方案,它無論是在配置和編程層面,還是在實時操作中,都開辟了一片新天地。它讓 PLC 編程人員能夠在熟悉的環境中使用通用的 PLC 編程語言,通過內置圖像處理功能配置、編程和調試控制應用程序。通過實時集成視覺功能,TwinCAT Vision 可以實現 PLC、運動控制和圖像處理應用的最高精度同步;如果與 EtherCAT 結合使用,可以實現相同的相機和照明計時精度。可以將捕獲到的圖像數據合并到 HMI 中或隨時進行保存。該解決方案也簡化了開發設計和技術支持工作。


 

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