Bei der Formenleerkontrolle setzte Bi-Ber Bilderkennungssysteme von Anfang an auf Smart Cameras und investierte hohen Entwicklungsaufwand in Beleuchtung und Optik. Eine Smart Camera enthält sowohl den Bildsensor als auch ein Prozessorsystem zur Bildauswertung. Sie folgt damit dem Trend, immer mehr Rechenleistung in mobile Geräte zu integrieren.
Dipl.-Ing (FH) Jürgen Fikau, Dipl.-Ing. Ronald Krzywinski
Die Prüfung, ob eine Schokoladenform tatsächlich frei von Rückständen ist, bevor sie neu befüllt wird, erscheint einfach. In Wirklichkeit stellt der Anlagenbetreiber jedoch Ansprüche, die eine immense Herausforderung für ein Prüfsystem darstellen. Neben Funktionssicherheit und maximaler Verfügbarkeit erwartet der Kunde geringen Wartungsaufwand, einfache Bedienung und schnelle Typwechsel – und dies natürlich bei günstigen Gesamtkosten. Ein Bildverarbeitungssystem, das diese Anforderungen erfüllt, setzt mehrjährige Erfahrung voraus. Genauso wichtig ist die Entscheidung für die richtige Hardwareplattform. Bi-Ber verlegte sich hier auf Smart Cameras. Sie enthalten sowohl den Bildsensor als auch ein Prozessorsystem zur Bildauswertung. Der kleine Rechner ist in seiner Leistung nicht nur vergleichbar mit einem PC, in vielen Fällen sind Smart Cameras einem PC mit angeschlossenen Bildsensoren sogar überlegen.
Vorteile gegenüber PC-Systemen
Die Vorteile einer Lösung mit Smart Camera liegen auf der Hand. Sie sind bauklein, kompakt und robust. Anders als bei PC-Systemen gibt es keine bewegten Komponenten wie Lüfter oder Festplatte. Nach dem Einschalten sind die Geräte schnell betriebsbereit. Die Betriebssysteme sind auf die typisierte Hardware zugeschnitten und ausschließlich auf den Einsatz in der industriellen Automatisierung ausgerichtet.
Die aktuelle Generation von Bi-Ber-Systemen zur Formenleerkontrolle basiert auf einer Smart Camera mit Megapixel-Auflösung (1280×1024 Pixel). Die Kamera macht bis zu 16 Vollbilder pro Sekunde. Sie verfügt über einen digitalen Signalprozessor (DSP) mit 150 MHz sowie 16 MByte RAM und 2+16 MB EPROM. Diese Leistung ist mehr als ausreichend und bietet darüber hinaus Freiheit für zusätzliche Anforderungen.
Außer einer digitalen Schnittstelle für die Anbindung an eine Steuerung bietet die Kamera auch eine 100-Mbit-Ethernet-Schnittstelle. Damit kann das System in die übergeordnete Prozesssteuerung integriert werden. Sämtliche Meldungen und Betriebszustände lassen sich somit an der zentralen Leitstelle überwachen. Als Protokoll verwendet Bi-Ber VDMAXML_P Version 1.0 für den strukturierten Datenaustausch von intelligenten Komponenten und Verpackungsmaschinen. Diese standardisierte Kommunikation berücksichtigt die Anforderungen der FDA aus 21 CFR Part 1.
Über die Schnittstelle wird mitgeteilt, welchen Parametersatz die Kamera benutzen soll. Jeder Parametersatz erhält einen wählbaren Namen. Die Liste aller verfügbaren Namen lässt sich vom Prozessleitsystem abrufen. Während der Inbetriebnahme können auch Kamerabilder über TCP/IP an einen PC gesendet werden. Alle Dateien auf der Kamera lassen sich über das FTP-Protokoll verwalten. Damit werden Updates des Prüfprogramms oder des Betriebssystems durchgeführt.
Aus Schwarzweiß wird Farbe
Die optische Formenleerkontrolle nutzt das Prinzip der Farbmesstechnik. Es besteht darin, vor das Objektiv oder den Sensor verschiedene Farbfilter zu setzen und dann die Farbauszüge zu berechnen. Um zum Beispiel den Kontrast einer grünen Form zu einer braunen Masse zu erhöhen, wird ein Grünfilter eingesetzt. Die Form erscheint heller und die Masse dunkler. Standardmäßig enthält das System einen Filterhalter. Maximal vier verschiedene Filter für unterschiedliche Farbkombinationen sind möglich. Der Wechsel erfolgt manuell über einen Schieber mit Rastung. Zusätzlich kommen Polarisationsfilter zum Einsatz, die die Reflexionen ausfiltern, da der Glanz keine nutzbringenden Informationen enthält.
Soweit erscheint alles einfach und klar. Die industrielle Praxis stellt aber weitere Herausforderungen, die mit optischen Filtern allein nicht zu meistern sind. Befindet sich beispielsweise eine crèmefarbene Masse in einer Form gleicher Farbe, so ist der Kontrast zu gering, um eine Unterscheidung prozesssicher zu bewerkstelligen. Als Lösung für diesen Fall wurden zusätzliche Leuchten installiert, die von der Kamera direkt angesteuert werden. Genutzt wird die Eigenschaft von Schokolade, aufgrund von Fluoreszenz zum Sekundärstrahler zu werden. Die Masse erscheint hell auf dunklem Hintergrund.
Standardausrüstung der Systeme sind mehrere weiße Leuchtstofflampen als diffuse Lichtquelle. Es ist bekannt, dass Leuchtstofflampen während der Lebensdauer stetig an Lichtleistung verlieren. Dies führt ohne Maßnahmen vermehrt zu Fehlentscheidungen und zwingt den Bediener zum Eingreifen. Daher werden dimmbare Leuchten eingesetzt, die bis zum Ende der Lebensdauer automatisch auf einen kons-tanten Lichtstrom geregelt werden.
Bildverarbeitungssoftware/ Algorithmik
Die Bildauswertung ist im Wesentlichen durch eine einfache Anweisung beschrieben: „Suche nach Flächen, die sich hinsichtlich der Farbe vom Hintergrund unterscheiden.“ Allerdings soll nur dort auf der Form gesucht werden, wo sich die Kavitäten (Alveolen) befinden. Demnach ist ein Algorithmus zum Erlernen der Formgeometrie notwendig. Dazu stehen alternativ zwei Verfahren zur Auswahl. Entweder wird ein regelmäßiges Muster von rechteckigen Alveolen durch die Angabe von Maßen in mm beschrieben (Anzahl, Abstand, Höhe, Breite der Alveolen) oder eine gefüllte Form wird einmalig durch eine Bildaufnahme automatisch eingelernt. Das zweite Verfahren erlaubt auch Alveolen mit beliebiger Kontur.
Die Bildvorverarbeitung umfasst einen rechnerischen Ausgleich der Lichtverteilung in der Objektebene (Autoshading). Dadurch wird eine ungleiche Beleuchtungsstärke kompensiert, die sich kaum vermeiden lässt, da die Leuchtfläche nicht größer ist als das Sichtfeld der Kamera. Weiterhin wird die Verzeichnung des Objektivs softwareseitig korrigiert. Auch hier spielt es eine Rolle, dass die Bauform nicht größer werden soll als nötig: Eine kleine Brennweite führt zu kleinen Arbeitsabständen, aber auch zu stärkerer Verzeichnung.
Die Bedienung des Programms wird über ein handliches Tastaturfeld mit acht Tasten erreicht. Über ein einfaches Menü lassen sich die Funktionen aufrufen und Parameter ändern. Das Kamerabild mit dem Overlay ist auf einem Standardmonitor sichtbar, der in das Gehäuse integriert werden kann.
Integration in die Produktion
Alle Komponenten sind in einem Edelstahlschrank eingehaust, der typischerweise auf das Transferband aufgesetzt wird und nach unten die Sicht auf die zu kontrollierenden Formen offen lässt. Die Gesamtmaße des Schranks hängen von der Überwachungsbreite der Anlage ab und liegen etwa bei 1400 x 600 x 800 mm (H x B x T) für eine Formlänge von maximal 640 mm. Auch wenn der Aufbau immer ähnlich ist, wird die Konstruktion spezifisch an die Anlage angepasst.
Die Grundvariante des Systems ist für eine Überwachungsbreite von maximal 640 mm ausgelegt, eine Lösung für 910 mm ist ebenfalls verfügbar. Die kleinste auswertbare Fehlerfläche ist kleiner 2 mm² für beide Gehäusevarianten. Optional kann als Systemmonitor ein 15“-TFT-Industriedisplay in der Schranktür auf der Bedienerseite integriert werden. Ebenso optional angeboten wird die zusätzliche UV-Beleuchtung zur Unterscheidung farbgleicher Masse und Form.
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Auf einen Blick
Die wichtigsten Vorteile des Smart-Camera-Bilderkennungssystems sind:
- industriegerechtes Konzept ohne PC
- bis zu 64 verschiedene Formvarianten speicherbar, Typwechsel in wenigen Sekunden
- Auswertung mit zwei Schwellwerten für helle und/oder dunkle Form
- Einlernen von Freiform-Alveolen möglich
- Passwortschutz der Einstellungen
- einfache Statistikfunktion
- Übertragung der Parameterdatei auf weitere Systeme per Up- und Download
- automatische Beleuchtungskorrektur (Autoshading) und Beleuchtungsregelung
- Ethernetschnittstelle, XML-basiertes Nachrichtenprotokoll VDMAXML_P
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