Konfigurierbare Bildverarbeitungsserver mit Power-over-Ethernet Kleinkraftwerke für die Bildverarbeitung

Power over Ethernet (PoE), die Bündelung von Strom und Datenübertragung in einem Ethernet-Kabel, ist im Sicherheits- und Überwachungsbereich bereits erfolgreich etabliert und findet auch zunehmend in der Gebäude- und Industrieautomatisierung Verbreitung. Die hohe Attraktivität ergibt sich vor allem durch den reduzierten Verkabelungsaufwand für Geräte, die allein über Ethernet angebunden werden. Dazu zählen beispielsweise intelligente Kameras, RFID- und Barcodeleser, oder andere Formen intelligenter Peripherie, wie Access-Points, einfache HMIs oder gar Mini-Server bzw. Knotenpunkte für dezentrale I/Os. Da für die Anbindung all dieser Geräte keine zusätzlichen Netzteile und Stromkabel, sondern lediglich Ethernet-Kabel für Kommunikation und Energieversorgung benötigt werden, fallen die Installationskosten deutlich geringer aus. Mit der reduzierten Anzahl benötigter Komponenten sinkt zugleich die Störanfälligkeit, was auch zu einer verbesserten Verfügbarkeit beiträgt und so die Kosten für Wartung- und Instandhaltung minimiert. Da die PoE-Versorgung kompatibel zu Ethernet-Netzwerken ohne Energieversorgungsfunktion ist, kann sie leicht in vorhandenen Netzwerkinstallationen implementiert werden. Die Spannungsversorgung wird nämlich nur dann zugeschaltet, wenn ein Abnehmer tatsächlich auch PoE-fähig ist. Die Stromversorgung ist also von der \’Zentrale\‘ her intelligent ausgelegt. Aber auch das Abschalten ist bedarfsgerecht möglich. So kann man in mittleren bis großen Anlagen sogar Energiekosten sparen. Die Vorteile sind also vielfältig und entsprechend hoch ist der Reiz, die PoE-Technologie in unterschiedlichen Applikationsfeldern einzusetzen. PoE für die industrielle Bildverarbeitung Ein Hauptanwendungsgebiet liegt in der industriellen Bildverarbeitung. Hier werden zunehmen PoE-fähige Kameras verfügbar, die an einen zentralen Bildverarbeitungsserver anzubinden sind. Lösungsanbieter, die hierfür eine einsatzfertige Serverplattform erhalten wollen, ohne sich mit der Integration entsprechender Serverschnittstellen auseinandersetzen zu müssen, suchen deshalb nach applikationsfertigen Lösungen. Allerdings ist ein passendes Standardsystem von der Stange hierfür selten verfügbar, denn die Einsatzbereiche und Aufgaben industrieller Bildverarbeitungslösungen sind extrem vielfältig. Ein Bildverarbeitungsserver muss deshalb in der Regel passend zur Applikation konfiguriert werden, was Zeit und Geld kostet, da die Aufgabenstellung oft sehr komplex ist. Hoher Individualisierungsbedarf So stehen für die individuelle Konfiguration vielfältige System-, PoE- und Bildverarbeitungskomponenten zur Verfügung, aus denen Applikationsentwickler schöpfen können. Auf Systemebene sind das beispielsweise unterschiedliche Formfaktoren, Prozessorauslegungen und Schnittstellenangebote, die passend zu den Applikationsanforderungen skaliert werden können. In der Peripherie sind das beispielsweise unterschiedliche Monochrom-, Farb- oder Thermalbild-Kamerasysteme, die in skalierbaren Stückzahlen und Auflösungen sowie in Kombinationen mit ebenso vielfältigen Optiken und Beleuchtungsmittel für Auf- und Durchlichtszenarios kombinierbar sind. Softwareseitig steht Applikationsentwickler ein reichhaltiges Angebot an hochspezialisierten Softwarekomponenten zur Verfügung. Solche Bibliotheken bieten vorgefertigte Algorithmen, die beispielsweise die Vor- und Farbverarbeitung sowie Mustererkennung und Oberflächeninspektion von Objekten übernehmen. Die Auswahl möglicher Hard- und Softwarekomponenten ist also breit gefächert. Doch gerade durch diese Vielfalt kann der Weg hin zur optimal konfigurierten Bildverarbeitungsplattform zu einer echten Herausforderung werden. Es müssen nicht nur aus der Vielzahl der Komponenten die für die Applikation besten ausgewählt werden, sondern auch die Interoperabilität der einzelnen Komponenten muss sichergestellt und validiert werden. Zudem steigt mit der Anzahl der System-Komponenten, die zur individuellen Konfiguration eingesetzt werden, auch die Zahl der verantwortlichen Zulieferer und damit auch der potenziellen Konflikte hinsichtlich der Zuständigkeiten. Effizient zur Systemlösung Um diese Herausforderungen möglichst effizient zu meistern, suchen Entwickler nach robusten, einsatzfertig konfigurierten Systemen, auf denen sie ihre individuellen Bildverarbeitungslösungen mit integrierter PoE-Funktionalität bei möglichst kurzer Time-to-Market umsetzen können. Hierfür bietet Kontron Entwicklern von Vision- und anderen Embedded Applikationen mit PoE-Bedarf nun zwei neue applikationsfertige, standardbasierte und kundenspezifisch anpassbare Plattformen. Diese Serverplattformen übernehmen als \’Kleinkraftwerke\‘ auch die Energieversorgung der PoE-Devices. Dabei handelt es sich um Industrieserver im 19\“-Rackformat sowie um kompakte industrielle Box-PCs. Von konventionellen IT-Servern heben sich die beiden Systemplattformen dadurch ab, dass sie sich auch zum Einsatz in rauen Umgebungsbedingungen eignen: Dazu gehören u.a. ein industrietauglicher Temperaturbereich, ein passend hoher Schutz gegen Staub und Spritzwasser sowie eine hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit. Flexibilität durch Modularität Beide Systemplattformen sind im Baukastenprinzip an verschiedene Leistungs- und Applikationsanforderungen anpassbar und fügen sich so einfach in die individuellen Applikationsanforderungen ein. Zudem erleichtert und beschleunigt das modulare Baukastenprinzip auch den Prototypenbau und verkürzt somit die Evaluierungsphase. Nach erfolgreicher Evaluierung werden die Systeme auf Wunsch einsatzfertig vorkonfiguriert und funktionsgetestet ausgeliefert. In diesem Prozess stattet Kontron die Industrieserver- und Box-PC Plattformen nicht nur mit einem integrierten PoE-Switch, Betriebssystemsoftware und allen benötigten Treibern aus, sondern integriert optional auch Bildverarbeitungskomponenten von Drittanbieter, wie PoE-Framegrabber-Karten. Dies alles mit dem Ziel, für OEM den Plattformaufwand auf Seiten der Serverplattformen für PoE-Applikationen zu reduzieren. Alles aus einer Hand Um insbesondere großen OEM-Kunden den Durchgriff auf alle Vorzüge aktueller Industrie-PC-Technologie zu bieten, sind Kontron und Stemmer Imaging, Europas größter Lieferant von Bildverarbeitungs-Technologie, Ende 2010 eine Kooperation eingegangen. Das erklärte Ziel der Zusammenarbeit ist es, individuell konfigurierte Bildverarbeitungsplattformen bereit zu stellen, bei denen Hard- und Software aus einer Hand kommen und die mit neuester Prozessortechnologie sowie hardwarenah optimierten Algorithmen ausgelegt sind. Kundenspezifisch auszulegende Großprojekte sollen so von höherer Verarbeitungsqualität und -geschwindigkeit, signifikant gesenkten Kosten, einer einfacheren Logistik und kürzeren Markteinführungszeiten profitieren. Fazit OEM-Kunden und Systemintegratoren profitieren von Kontrons Systemplattformen und dem ganzheitlichen Unterstützungsansatz mehrfach: Durch kurze Entwicklungs- und Markteinführungszeiten, reduzierte Systemintegrations- und Zertifizierungskosten, hohe Zuverlässigkeit im Dauerbetrieb und einem Ansprechpartner, der die gesamte Systemverantwortung übernimmt. Dieses Entwicklungsprogramm solll aber erst den Anfang von Kontrons Engagement im Themenfeld PoE bilden. Der Hersteller verspricht auch hochintegrierte Auslegungen, bei denen er das PoE-Interface direkt auf Boardlevel implementiert um möglichst kompakte und kosteneffiziente OEM-Kundenlösungen umzusetzen zu können. Der Fokus liegt dabei zuerst in Auslegung der passenden Server-Plattformen als PoE-\’Kraftwerke\‘ für die Bildverarbeitung. Das Know-how soll aber beispielsweise auch für die Entwicklung von schlanken PoE-Clients eingesetzt werden, sodass OEM Kunden alles erhalten können, was man aus der Kombination von Prozessortechnologie und Power-over-Ethernet umsetzen kann. Kasten: Kontron stellt Vision-System Demo aus Große Leistung im kleinen Format Kleine Formfaktoren sind auch bei Visionsystemen im Trend – erst recht wenn die Performance stimmt. Neben der zunehmenden dezentralen Intelligenz in Kameras sind auch die Auflösung sowie die Datenakquisitions- und -Verarbeitungsfrequenz Faktoren, die Visionsysteme der Zukunft prägen. Das Thema ist die Konturenerkennung in 3-D und Echtzeit, um zunehmend menschliches Sehen durch Machine-Vision ersetzen zu können. Auf dieses Ergebnis kommt Frost & Sullivan in einer Ende letzten Jahres veröffentlichten Studie. Möglich ist die Umsetzung solcher zunehmend hoch komplexer Aufgaben nur durch sehr leistungsfähige Rechnersysteme, an die z.B. mehrere GigE-Kameras mit hoher Auflösung und Farbtiefe angeschlossen werden können, um so beispielsweise in 3-D und Echtzeit die \’grüne Raupe auf dem Blattsalat\‘ erkennen zu können. Ideal sind hierfür modulare Systeme wie MicroTCA, die sich over Backplane durchgängig auf Gigabit Ethernet oder 10 Gigabit Ethernet beziehungsweise alternativ SRIO oder PCI Express auslegen lassen. Das ermöglicht massives und skalierbares serielles Datenverarbeitungspotenzial over Backplane auf kleinstem Raum, sodass mehrere Prozessorboards parallel an den zunehmend anspruchsvollen Algorithmen arbeiten können. Teilweise wird für das Framegrabbing & Pre-Processing sogar überlegt, FPGAs oder DSPs durch x86er Technologie zu ersetzen, da diese Performance deutlich schneller wächst, als die von FPGAs oder DSPs: sie verdoppelte sich binnen 18 Monaten. Paart man eine solche Lösung mit über Ethernet ansteuerbaren SPSen oder dezentral angeschlossenen Ethernet-Knoten für IO-Module zur Ausführung der vom Visionsystem errechneten Aktionen wie Ausschleusen oder Pick & Place, ist für die industrielle Bildverarbeitung hohe Bildverarbeitungsperformance umsetzbar. Die Modularität eines konventionellen kleinen MicroTCA-Systems erlaubt es, skalierbar mehrere Prozessorboards einzusetzen und diesen GbE Vision Kameras zuzuordnen. Beispielsweise könnte ein System mit drei Prozessorboards insgesamt bis zu 18 Kameras bedienen. SPS/IPC/Drives 2011: Halle 7, Stand 306 Vision 2011: Halle 6, Stand B85