Bierkastenkontrolle binnen 800 Millisekunden

Dipl.-Ing. Kamillo Weiß

Bei der Entwicklung der Bierkasten-Kontrollstation arbeiteten Cognex Germany, Hersteller von Hard- und Software für die Bildverarbeitung, Siemens Industrial Solutions und Services als Systemlieferant sowie die Fürstlich Fürstenbergischen Brauerei (FFB) eng zusammen. Ergebnis dieser Kooperation ist eine schlüsselfertige Anlage, die sicherstellt, dass nur einwandfreie Bierkästen in den Vertrieb gelangen. Neben dem Markenimage hat der Zustand der Bier-kästen einen wesentlichen Einfluss auf die Kaufentscheidung. Kein Kunde greift zu einem beschädigten oder verschmutzten Bierkasten. Im Gegenteil: Im günstigsten Fall sucht er sich einen anderen Bierkasten aus. Ist der negative Eindruck zu nachhaltig, wird er sich für eine andere Biermarke entscheiden.

In der Vergangenheit wurden die Bierkästen manuell kontrolliert. Bei dieser langwierigen und personalintensiven Kontrolle kam es immer wieder zu Fehlern. Sehr häufig führten diese „Durchrutscher” auch zu Reklamationen. Dazu Helmut Bartels, Leiter Produktion und Technik bei der Brauerei Fürstenberg: „Wir suchten deshalb nach einer wirtschaftlichen Lösung, um dieses Problem zu beseitigen. Außerdem wollten wir uns einen jederzeit aktuellen statistischen Überblick über den gesamten Bierkastenbestand mit einwandfreier Beschaffenheit ermöglichen.”

Im Gegensatz zu den bestehenden Erfahrungen mit Bildverarbeitungssystemen in den Flaschenreinigungs- und Abfüllanlagen, gab es für diese neue Aufgabe noch keine fertige Systemlösung.

Die Suche nach einer geeigneten und vor allem leistungsstarken Systemlösung war schwierig. Die selektive Kontrolle sollte eine ganze Reihe von Merkmalen für den Ausmusterungsgrad mit hoher Zuverlässigkeit für unterschiedliche Bierkastentypen erfüllen. Ferner sollte sich die Kontrollstation ohne umfangreiche Umbauarbeiten in die bestehende Förderanlage integrieren lassen. Das heißt: Gesucht wurde eine platzsparende Systemlösung, die resistent gegenüber Spritzwasser und Wasserdampf ist und auch bei wechselnder Raumbeleuchtung sicher funktioniert. Außerdem sollte die Anlage so ausgelegt sein, dass sie etwa einen Bierkasten pro Sekunde am laufenden Band kontrolliert. Der Einsatz mehrerer hochauflösender Kameras zur Bestimmung einer Reihe von unterschiedlichen Merkmalen erfordert zudem eine sehr hohe Rechnerleistung vom Bildverarbeitungssystem. Auch das Personal sollte mit der selektiven Anpassung selbstständig zurechtkommen.

Von den hauptsächlich vier gebräuchlichen Kastentypen sollten in der ersten Ausbaustufe die beiden neueren Typen sowohl in ihrer optischen Erscheinung als auch auf mechanische Defekte hinsichtlich der Wiederverwendbarkeit kontrolliert und automatisch aussortiert werden. Dabei muss das System folgende Merkmale erkennen:

• Verschmutzungen von minimal 100 mm² (Dreck, Kleber, Etikettenreste)

• Beschädigung des Aufdrucks (Schriftzug, Wappen, Kistengrößenangaben)

• mechanische Defekte

„Auf der Suche nach einem Visionanbieter”, erläutert Martin Sluzewski von Siemens I&S IS, Freiburg, „gab es für diese Anforderung keine fertige Lösung. Cognex mit dem System Checkpoint II konnte an Hand einer Technikumanlage nicht nur die schnelle Realisierbarkeit demonstrieren, sondern auch beweisen, dass alle geforderten Kontrollkriterien erfüllt werden.”

Das Bildverarbeitungssystem Checkpoint II zeichnet sich durch leistungsstarke Hard- und Softwarekomponenten aus. Es bewältigt mit gleichzeitig vier Kameras zeitkritische und komplexe Bildverarbeitungsaufgaben problemlos. Die Leistungsfähigkeit dieses Visionsystems beruht auf einem Hochleistungsboard mit vier Kameraeingängen, einem integrierten 400-MHz-Visionprozessor, eigenem Arbeitsspeicher, optimaler Unterstützung des Intel MMX-Befehlssatzes sowie der Softwaretechnologie von PatMax.

Aus Platzgründen war es nicht möglich, die Kameras so anzuordnen, dass sie die vier Seiten der Bierkästen jeweils frontal ohne Verzeichnung aufnehmen. Dennoch durfte dies keine Auswirkung auf die Merkmalsfindung haben. Alle vier Kameras befinden sich in Schutzgehäusen (IP 67) und sind weitgehend vibrationsfrei befestigt. Die Ausleuchtung erfolgt über zwei diagonal angeordnete Scheinwerfer mit einer kleinen Abdeckung, um Fremdlichteinflüsse zu mindern. Integriert in einen klimatisierten Steuerschrank sind ein Industrie-PC RI45 mit Intel Pentium III (600-MHz-Prozessor) und Checkpoint-II-Karte, Monitor und Keyboard, die mit Checkpoint II kommunizierende Steuerung Simatic S7-300 SPS sowie die unterbrechungsfrei Stromversorgung. Eine in der Transportachse verschiebbare Sende-Empfangs-Lichtschranke übernimmt die gleichzeitige Bildtriggerung der vier Kameras.

Auf dem schnell laufenden Band wird jeder einzelne Bierkasten gleichzeitig auf viele Merkmale kontrolliert. Die sichere Kontrolle dieser Applikation basiert auf den Fähigkeiten der Visionsoftware PatMax und den Visiontools mit sehr präzise arbeitenden Algorithmen, sowie daraus folgender sensibler Detektionsfähigkeit. PatMax, ein Tool zur Lageerkennung von Objekten, beschreibt die zu suchenden Objekte nicht mehr über Grauwerte, sondern durch Nachbildung ihrer geometrischen Grundstruktur, ähnlich einem CAD-Modell. Dadurch wird eine wesentlich höhere Genauigkeit und Zuverlässigkeit bei der Objekterkennung erzielt. Hinzu kommt der große Vorteil, dass der Einfluss wechselnder Beleuchtungs- und Kontrastverhältnisse eliminiert werden kann.

PatMax analysiert die komplexen Muster des Fürstenberg-Schriftzuges, des Wappens und des Bierkasten-Inhalts-Labels. Über einen Schwellenwert mit einem Empfindlichkeitsbereich von 0 bis 1000 kann der Anwender festlegen, ab wann das Muster als schlecht erkannt wird. Das Blob-Tool ermöglicht das Auffinden von Fremdkörpern auf dem Kasten. Über die Einstellung der minimalen Blob-Größe (in Pixeln) und einer parametrierbaren Grauwertschwelle wird festgelegt, ab wann ein Fremdkörper in die Auswertung einfließt. Mit Hilfe des Parameters minimaler Kantenabstand kann man definieren, wie viele Pixel zwischen einem Kantenpaar liegen müssen, um als Fehler erkannt zu werden. Das parametierbare Visiontool LightMeter dient zur Erkennung von Fremdkörpern und Defekten durch die mittlere Helligkeit eines Bereiches. Dieses Tool prüft die Wappenfahnen mittels Referenzbild auf Korrektheit.

Eine wesentliche Forderung der Brauerei war, dass die Mitarbeiter Systemanpassungen jederzeit alleine durchführen können. Die mit Microsoft Visual Basic erstellte einfache Benutzeroberfläche hilft diese Forderung zu erfüllen. In einer Bibliothek sind die Kastentypen mit ihren Daten und Referenzbildern hinterlegt und können per Mausklick aktiviert werden. Die Mitarbeiter müssen keine Programmierarbeiten durchführen, da sie alle Anpassungen durch einfaches Ändern der Parameter vornehmen können, wobei auch Plausibilitätsüberprüfungen automatisch erfolgen. Die integrierten statistischen Funktionen bilden die Basis für betriebswirtschaftliche Auswertungen und ermöglichen beispielsweise eine frühzeitige Planung zur Bestellung neuer Bierkästen.

Die einfache Bedienungsoberfläche mit Parametrierung bewährte sich bereits in der Erprobungsphase unter realitätsnahen Bedingungen. Die Funktionssicherheit dieser Systemlösung aus Bildverarbeitung, Transport und Selektion zeigte sich auch in der endgültigen Installationsphase, für die man nur drei Tage benötigte. Anschließend ging es verzögerungsfrei in den normalen Dreischichtbetrieb.