09.06.2020

Ethernet & Vision

Bildverarbeitung spielt in der Automatisierungstechnik eine immer größere Rolle. Dort sind aber vorwiegend Ethernet-Protokolle im Einsatz, d.h. andere Interfaces als bei Machine Vision. Daher hat inVISION bei verschiedenen Ethernet-Organisationen nachgefragt, inwieweit Bildverarbeitung bereits über ihre Protokolle/Layer möglich ist.


Die PNO ist der Meinung, dass bereits heute mit 100MBit Ethernet die meisten Machine Vision Anwendungen abgedeckt sein sollten.Karsten Schneider, Profibus Nutzerorganisation
Bild: PROFIBUS Nutzerorganisation

Ist heute bereits die Übertragung von Bildverarbeitungsdaten bzw. Bildern über Ethernet realisierbar?

Andreas Waldl (B&R): Das Vision-System von B&R überträgt seine Daten über das Industrial Ethernet Protokoll Powerlink. Damit ist das Vision-System vollständig in das B&R-Automatisierungssystem eingebunden. Über diese tiefe Integration verfügt aktuell kein anderes Vision-System auf dem Markt.

Martin Rostan (ETG): Ethercat eignet sich hervorragend für die Integration von Vision Sensoren und Smart Kameras, bei denen die Bildauswertung im Gerät erfolgt. Hierfür hat die ETG ein eigenes Geräteprofil entwickelt. In vielen Bildverarbeitungsanwendungen muss die Aufnahme exakt getriggert werden, um die Ergebnisse der Bildauswertung (z.B. Position und Orientierung von Bauteilen) mit einer Bewegung zu korrelieren. Hierfür ist die bei Ethercat vorhandene hochgenaue Synchronisation mittels Distributed Clocks ideal.

Matthias Fritsche (SPE Network): Single Pair Ethernet (SPE) ist wie auch WLAN oder die Datenübertragung über optische Kabel ein weiterer Physikal Layer für das Ethernet Protokoll und nutzt nur ein Adernpaar statt der heute dominierenden 2- oder 4-paarigen Verkabelung. Das heißt also alle bekannten Internet Protokoll basierten Services, wie auch Bildverarbeitung oder Industrial Ethernet Versionen können über SPE laufen.

K. Schneider (PNO): Profinet basiert zu 100% auf Standard Ethernet und kann somit jegliche weiteren Protokolle parallel zu Profinet übertragen. Und dies ohne Einschränkungen. In vielen Fällen sind dies Diagnosedaten, vertikale Kommunikation mit OPC UA oder Daten für andere Anwendungen, wie z.B. Condition Monitoring, etc Da Profinet heute 100MBit Ethernet nutzt, steht auch ausreichende Bandbreite für Bildverarbeitungsanwendungen zur Verfügung.

Uwe Nolte (SPE Alliance): Ja, das funktioniert bereits heute. Single Pair Ethernet ist lediglich ein alternativer Physical Layer. Alle überlagerten Schichten bleiben unangetastet. Insofern können auf Ethernet basierte Anwendungsschnittstellen und Dienste auch mit SPE verwendet werden, z.B. Jumbo Frames und GBit Ethernet zur Bilddatenübertragung.

Wann sind schnellere Versionen geplant?

M. Fritsche: Die IEEE802.3 hat bereits folgende SPE Standards verabschiedet, die auch für die Bildverarbeitung verwendet werden können: a) 10BASE-T1L für 10MBit/s über 1.000m geschirmte Kabel, b) 100BASE-T1 für 100MBit/s über 15m ungeschirmte Kabel (Schwerpunkt Einsatz in Fahrzeugen) sowie c) 1000BASE-T1 für 1000MBit/s über 40m geschirmte Kabel

Waldl: Wir erweitern derzeit als einer der ersten Hersteller unser Automatisierungssystem um OPC UA over TSN (Time Sensitive Networking). Dieser neue Standard ist im Durchschnitt 18x schneller als alle bisherigen Industrial-Ethernet-Protokolle. Im Zuge dieser Erweiterung werden wir mittelfristig auch unser Vision-System mit dieser Technologie ausstatten und können damit - als erster Anbieter einer integrierten Gesamtlösung für die Bildverarbeitung - den herstellerübergreifenden Standard OPC UA Vision mit den Möglichkeiten von TSN verknüpfen. Am grundsätzlichen Funktionsumfang wird sich dadurch jedoch nichts ändern: Im B&R-System ist bereits jetzt die vollständige Integration von Machine Vision Realität.

Rostan: Mit der jüngst vorgestellten Erweiterung der Ethercat-Technologie auf GBit-Ethernet und darüber hinaus verbreitern wir das Anwendungsspektrum unserer Technologie auch auf die Übertragung von Bildern zur Auswertung in der zentralen Steuerung. Damit erschließen wir auch die zyklusgenaue Korrelation von Bildsequenzen zum Steuerungsprogramm, um z.B. die Optimierung von Prozessschritten deutlich zu vereinfachen. Damit ergeben sich völlig neue Möglichkeiten der Bildverarbeitung, die über das bisher mit GigE-Systemen verfügbare Spektrum weit hinausgehen.

Schneider: Mit der Einführung der TSN-Technologie werden für Profinet auch weitere Bandbreiten, wie z.B. GBit Ethernet spezifiziert. Mit der aktuellen Version 2.4 der Profinet Spezifikation sind die Weichen hierfür bereits gestellt. Profinet über TSN orientiert sich hier an den IEEE Standards für Ethernet. Damit erhalten Anwender dann noch mehr Bandbreite zur Verfügung. Die Anwendungssicht von Profinet bleibt dabei natürlich gleich, so dass die Integration für Anwender erleichtert wird.

Nolte: Es stehen releaste SPE- Standards mit einer Datenrate von 1GBit/s zur Verfügung (IEEE 802.3p). Darüber hinaus wird in der IEEE an der Standardisierung von SPE bis 10GBit/s gearbeitet.

Wie schnell werden die neuen Versionen sein?

M. Rostan: Die Datenrate bei Ethercat G ist 1Gb/s, und bei Ethercat 10G sogar 10Gb/s. wobei die außerordentliche Prozessdaten-Effizienz von Ethercat durch das spezielle Ethercat-Funktionsprinzip - die Verarbeitung im Durchlauf - vollständig erhalten bleibt. Dank dieser Effizienz erreicht Ethercat ja auch mit 100Mb/s deutlich kürzere Zykluszeiten als alle bekannten Protokolle selbst mit GBit-Ethernet.

K. Schneider: Mit Profinet über TSN wird vor allem 1GBit Ethernet kommen. Sobald TSN-Ethernet-Bausteine höhere Datenraten anbieten, können wir das unverändert auch anbieten. Allerdings sind wir in der PNO der Meinung, dass bereits heute mit 100MBit Ethernet die meisten Machine Vision Anwendungen abgedeckt sein sollten. Dies hängt natürlich auch viel von der Netzwerkplanung ab. Daher haben wir in der PNO auch eine Guideline für Anwender von Profinet entwickelt, wie Profinet-Netzwerke zu planen sind. Auf diese Weise können Anwender aus den Erfahrungen unserer weltweiten Community lernen und ein robustes und performanten Netzwerk auf Basis von Profinet in ihren Anlagen integrieren.

U. Nolte: Heute ist bereits alles auf den verfügbaren SPE Standards bis 1GBit/s möglich. Sollen aus mehreren Bilddatenquellen die Daten gleichzeitig übertragen werden, ist das z.B. mit 10GBit/s klassischem Ethernet auf dem Uplink möglich.

M. Fritsche: In den nächsten Monaten wird der MultiGig SPE Standard IEEE802.3ch mit den Protokollen 2,5GBASE-T1, 5GBASE-T1 und 10GBASE-T1 veröffentlicht. Damit sind bis zu 10GBit/s über einpaarige geschirmte Kabel über 15m übertragbar. So können auch hochauflösende Visionsysteme über SPE realisiert werden. Dies wird in Fahrzeugen der Fall sein. Aber auch in fahrerlosen Transportsystemen (FTS) und Roboteranwendungen in der Industrie, ist diese Technik nutzbar. Das vom SPE Industrial Partner Netzwerkunterstütze Steckgesicht nach IEC63171-6 ist bereits für diese Datenraten ausgelegt und wird in die internationalen Verkabelungsstandards übernommen.

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