Produttività e qualità grazie all’integrazione tra visione e automazione

Alla prossima SPS IPC Drives di Norimberga, dal 27 al 29 novembre, B&R presenterà al mercato un nuovo, innovativo sistema di Machine Vision: una soluzione completamente “made in B&R” che promette la massima integrazione tra visione e automazione, performance elevate, tante funzionalità e che presta la massima attenzione alla qualità di tutti i componenti, a partire dal sistema di illuminazione.

Le potenziali applicazioni del sistema di visione artificiale di B&R vanno da compiti relativamente semplici – come la lettura di codici a barre, OCV e OCR – alle attività più impegnative che si trovano nei settori dei prodotti farmaceutici, della stampa e dei tessuti. Vediamone insieme tutti i dettagli.

Unire il mondo della visione e quello del controllo

Dotare le macchine di capacità di visione sta diventando sempre più importante nei moderni processi industriali. Tuttavia, integrare adeguatamente il sistema di visione, per quanto avanzato, con il sistema di controllo è ancora oggi un compito complesso e proprio per questo spesso si finisce per ottenere prestazioni inferiori alle attese.


Per ottenere la migliore integrazione possibile fra il sistema di visione e il resto dell’infrastruttura di produzione, B&R ha scelto la soluzione più radicale: progettare in-house un sistema di Machine Vision che abbia nel suo DNA la totale integrazione con l’ecosistema hardware e software dell’azienda.

Annunciato il prototipo a Norimberga nel 2017, e mostrato in anteprima nazionale a Parma all’Innovations Day 2018 (sul nostro canale YouTube ce l’aveva presentato Dario Rovelli), il sistema B&R di Integrated Machine Vision verrà, come preannunciato, rilasciato ufficialmente alla Fiera di Norimberga quest’anno.

Il sistema è costruito attorno a una Smart Camera, disponibile con vari obiettivi e sensori, dotata di un sistema di illuminazione integrato, anch’esso configurabile, e di un potente processore multicore che consente di far girare sulla camera tutta una serie di “Smart Function“.

L’altro componente fondamentale del sistema è costituito da una serie di moduli software che consentono una facile programmabilità tramite Automation Studio e moduli mapp, al pari di qualsiasi altro componente della catena di produzione firmata B&R.

Perché progettare un sistema tutto nuovo

Per saperne di più sulle caratteristiche e l’utilizzo del sistema abbiamo posto qualche domanda a Andreas Waldl, Innovation Manager di B&R. La prima domanda non poteva che essere questa: perché progettare un sistema ex novo? Quali problemi vi proponevate di risolvere con il vostro sistema di Machine Vision?

“La vista è il senso sul quale noi umani facciamo più affidamento, quello che usiamo maggiormente per interagire con il mondo”, spiega Waldl. A tutt’oggi non è concesso a ogni macchinario il dono della vista, anche se la tendenza degli OEM è quella di sfruttare sempre più spesso i sistemi di Machine Vision. Questi ultimi potrebbero essere strumenti insostituibili nell’implementazione dell’Industry 4.0. Al momento, però, Machine Vision e Machine Control sono ancora due pianeti distinti. Incorporare un sistema di Machine Vision in un’applicazione rimane dunque un compito complicato. Quello che ci siamo posti come obiettivo – raggiunto con questo nuovo sistema – è di congiungere questi due mondi, con una flessibilità e un livello di integrazione tali da eliminare le difficoltà di integrazione, i ritardi di comunicazione e l’ignoranza reciproca fino a oggi associati a questi sistemi”.

B&R, spiega Waldl, sta presentando “il primo sistema di Machine Vision al mondo totalmente integrato nel sistema di automazione”. Le camere, gli algoritmi per il trattamento intelligente delle immagini e i sistemi di illuminazione sono una parte integrante del sistema di controllo B&R. Funzioni di Machine Vision facilmente configurabili sono a disposizione dell’integratore per creare applicazioni con un minimo di programmazione.

Ma qual è in concreto la differenza fra la Smart Camera di B&R e quelle sviluppate da aziende specializzate in sensori ottici?

“La differenza tra la soluzione di B&R e quelle di altre aziende è che nella nostra soluzione sia l’hardware, sia il software sono completamente integrati nel sistema di controllo. Questo è l’unico modo per ottenere la precisione assoluta e la sincronizzazione al microsecondo tra tutti i componenti di automazione, inclusa la visione artificiale. Inoltre, con un solo strumento di programmazione, un sistema operativo in tempo reale e una sola applicazione da gestire, i tecnici del controllo saranno ora in grado di implementare molti compiti di visione artificiale da soli, senza dover ricorrere a uno specialista”.

Per la manifattura, un dispositivo integrato comporta una minore complessità del sistema (non servono sistemi per interfacciare controllo e visione), il che riduce i tempi di latenza nelle comunicazioni dei segnali e porta migliori prestazioni e quindi più produttività.

Anche in fase di manutenzione il sistema integrato rivela i suoi vantaggi: in caso di sostituzione di un dispositivo, non appena collegato al controllo centrale, questo viene configurato automaticamente, acquisendo aggiornamenti e applicazione, senza l’intervento di un tecnico specializzato. In men che non si dica il nuovo dispositivo è operativo, con ridottissimi tempi di fermo macchina.

Smart sensor o smart camera

B&R offre due varianti di telecamere per il mercato della Machine Vision: Smart Sensor e Smart Camera. Con numerose opzioni, tra cui una varietà di sensori di immagini, obiettivi e funzioni software.

Andreas Waldl

“Con queste fotocamere, B&R copre una gran parte delle applicazioni di visione artificiale. A differenza di molti altri dispositivi della sua classe, non è necessario installare sulla Smart Camera hardware dedicato per ciascuna funzione. Gli OEM possono tenere a magazzino un singolo tipo di telecamera ed essere comunque in grado di supportare una vasta gamma di applicazioni”, spiega Waldl.

L’idea di poter integrare la visione artificiale con poca o nessuna programmazione è a dir poco allettante, soprattutto se il software da usare è già noto al progettista per essere il suo abituale strumento di lavoro per la progettazione e messa in opera dei flussi di lavorazione dei macchinari. Ma anche il fatto che la fotocamera sia disponibile in versioni personalizzabili è interessante, perché dovrebbe ampliare le capacità operative in modo significativo.

“Abbiamo due tipi di fotocamere: Smart Sensor e Smart Camera”, specifica Waldl. “Lo Smart Sensor è progettato per implementare una singola funzionalità di visione della macchina, come la lettura del codice QR o il rilevamento della posizione. L’utente configura semplicemente la funzione Smart Sensor desiderata nell’ambiente di sviluppo di Automation Studio ed è subito in grado di supportare un’ampia gamma di applicazioni. Nei casi in cui è richiesta più di una funzionalità, è facile passare alla Smart Camera più potente. È possibile continuare a utilizzare il software applicativo esistente, i parametri e i modelli. Qualunque sia il tipo di fotocamera selezionato, l’installazione non potrebbe essere più semplice: basta agganciare la videocamera alla rete della macchina ed essa otterrà automaticamente tutte le impostazioni necessarie dal controller”.

Un sistema ad alte prestazioni e ricco di funzionalità

Se lo si desidera, e viene abilitato nel sistema di gestione utenti, tutte le variabili e i parametri possono anche essere regolati in tempo reale durante il funzionamento. È anche possibile aggiungere nuovi modelli per il riconoscimento degli oggetti o tipi di codice e altri criteri di ricerca in fase di runtime. La Smart Camera, in pratica, non si limita ad acquisire immagini, ma può già svolgere in autonomia svariate funzioni di elaborazione. Come ci riesce, e quali sono le sue caratteristiche?

“La soluzione di visione artificiale di B&R è completamente integrata nel Technology framework mapp”, spiega Waldl. “mapp Vision rende le applicazioni di visione artificiale molto più facili da creare e mantenere. Inoltre, comunica automaticamente con altri componenti mapp, per esempio il sistema di controllo o la gestione delle formule. Proprio in combinazione con questi blocchi software intelligenti di mapp Vision, le telecamere di B&R sono in grado di gestire tutte le funzioni più comuni, dall’analisi di blob all’identificazione. Inoltre, entrambi i tipi di telecamera sono dotati di processori multi-core e FPGA per la preelaborazione dell’immagine. Ciò consente funzioni sofisticate come il riconoscimento del testo basato su algoritmi di deep learning”.

Grande attenzione alle ottiche

Ogni variante hardware può essere equipaggiata con uno dei tre sensori di immagine, da 1,3 o 5 megapixel. Tutti e tre i sensori sono caratterizzati da fotodiodi di grandi dimensioni, che consentono di ottenere alta sensibilità alla luce e basso rumore. Ciò garantisce una qualità dell’immagine ottimale, anche nelle applicazioni ad alta velocità.

Sono disponibili versioni con lente integrata o attacco C standard. Il supporto C supporta obiettivi di B&R o di terze parti, per esempio quando sono richiesti obiettivi telecentrici.

Una copertura speciale è disponibile per obiettivi con attacco C di B&R per mantenere la protezione IP 67.

“Gli obiettivi integrati – spiega Waldl – sono dotati di regolazione elettronica della messa a fuoco e sono disponibili con lunghezze focali da 4,6 a 25 mm. Tutti gli obiettivi B&R sono appositamente ottimizzati per i sensori di immagine utilizzati per ottenere la massima nitidezza e prestazioni di imaging ottimali. La fotocamera richiede solo un singolo cavo. È integrato nella rete della macchina tramite un connettore ibrido M12, che fornisce anche l’alimentazione a 24 VCC. Una seconda connessione ibrida consente il cablaggio a margherita con elementi supplementari di illuminazione”.

L’elevato livello di protezione e, aggiungiamo noi, la capacità di inviare dati di tracciabilità a mappAudit, faranno sicuramente felici quelle aziende che devono essere in regola con la normativa 21 CFR Parte 11 dell’FDA che viene richiesta nel settore farmaceutico, ma anche nel food.

Tutto parte dal controllo della luce

Un’altra componente della Smart Camera che avevamo notato mesi fa, alla presentazione del prototipo, era il sistema di illuminazione: 16 LED sul dispositivo e la possibilità di pilotarne altri. Ma perché è così importante avere un sistema di illuminazione personalizzato su un sistema Machine Vision?

“È importante perché il cliente deve garantire risultati ottimali anche in situazioni di illuminazione difficili”, puntualizza Waldl. “Il sofisticato sistema di illuminazione di B&R lo consente grazie a barre luminose modulari, retroilluminazione e un controllo dell’illuminazione che è sincronizzato con il sistema di automazione a livello di microsecondi. Come parti integranti del sistema di automazione, sia le telecamere che l’illuminazione sono facili da sincronizzare con altri sensori, posizioni dei motori ed eventi nell’applicazione dell’impianto. Il controllo dell’illuminazione con precisione al microsecondo è garantito anche durante la sincronizzazione di più videocamere e sorgenti luminose”.

Ogni luce ha un controller flash integrato, quindi non è richiesto alcun hardware esterno. Il controller assicura una precisa alimentazione a impulsi ai potenti LED. Ciò consente impulsi luminosi con una durata di almeno un microsecondo alla massima intensità. Il sistema di visione B&R può quindi essere utilizzato anche per applicazioni ad alta velocità senza problemi.

Le barre luminose flessibili sono disponibili singolarmente oppure organizzate come anelli luminosi in gruppi di 4, 6 o 8. Esistono anche due diverse dimensioni di retroilluminazione. Ogni luce può contenere fino a quattro diversi colori LED. Lo spettro spazia dal bianco e vari colori visibili, all’infrarosso e all’ultravioletto. Ciò consente di ottenere il giusto contrasto, colore, illuminazione e intensità per qualsiasi applicazione.

Molte applicazioni di visione artificiale richiedono un allineamento molto preciso della sorgente luminosa per ottenere buoni risultati. Le barre luminose B&R sono quindi disponibili in una versione con regolazione elettronica dell’angolo da 0° a 130°.

“Quando si realizzano più prodotti sulla stessa macchina, l’angolo di illuminazione può essere ottimizzato tra i lotti: è sufficiente impostarlo una volta e salvarlo come parte della formula batch. Gli anelli luminosi con regolazione elettronica dell’angolo consentono di ottimizzare il cono di illuminazione per evitare la diffusione anomala della luce”, spiega Waldl.

Proprio come l’angolo della barra luminosa, tutti gli altri parametri di illuminazione possono essere configurati in fase di runtime per ottimizzare l’illuminazione o adattarsi ai nuovi prodotti.

“La combinazione di LED di diversi colori consente di regolare la lunghezza d’onda in fase di runtime per ottimizzare il contrasto. I dati diagnostici possono essere letti dalle luci in qualsiasi momento, grazie alla loro connessione di rete”. A questo punto è chiaro che ogni singolo elemento hardware del sistema può essere programmato e configurato via software.

Il lato software dell’integrazione

Ma come è composto il corredo software del sistema di visione? E soprattutto, come si integra con i sistemi di sviluppo software di altri prodotti B&R?

“Come accennavo prima, la soluzione di visione artificiale di B&R è completamente integrata nel suo framework mapp. L’intera gamma di funzionalità di mapp Vision è disponibile con l’aggiornamento a Automation Studio 4.6. Quando viene installato il Technology Packet, il firmware corretto viene automaticamente installato su tutti i componenti necessari. Ciò semplifica notevolmente la configurazione e previene gli errori. B&R ha integrato in mapp Vision la nota libreria di visione artificiale HALCON di Machine VisionTec. I suoi algoritmi si sono dimostrati negli anni capaci di offrire solide soluzioni ad alte prestazioni per il rilevamento della posizione, il controllo della completezza e la valutazione della qualità, nonché la misurazione e l’identificazione”.

L’approccio di programmazione strutturata per i moduli mapp presenta evidentemente diversi vantaggi. “Innanzitutto, la completa integrazione del nuovo sistema di visione artificiale di B&R nell’ambiente software mapp rende estremamente semplice l’implementazione e il collegamento con altre funzioni di mapp. Per esempio, lo sviluppo del progetto, il controllo e la diagnostica sono tutti gestiti in mapp. Inoltre, funzioni come l’acquisizione dell’immagine e il triggering fanno parte dell’applicazione della macchina, e possono essere sincronizzati con la stessa facilità e precisione dei segnali I/O e dei movimenti degli assi. Grazie ai componenti software ready-made di mapp Vision, si tratta semplicemente di configurare i collegamenti tra le singole funzioni. Non è necessario il lavoro di programmazione che sarebbe tradizionalmente necessario, né tantomeno essere esperti di ottica. Dati come posizione e orientamento sono disponibili come variabili in tempo reale nell’applicazione della macchina, senza una mappatura dispendiosa in termini di tempo. Con pochi clic, le immagini del sistema di visione artificiale possono essere integrate nell’applicazione mapp View HMI. Quindi anche l’utilizzatore può gestire tutto dal suo HMI, riprogrammare la produzione da lì come farebbe per qualsiasi altra parte della linea”.

L’integrazione del controllo dell’illuminazione nell’applicazione della macchina è altrettanto semplice. “Tutto ciò che lo sviluppatore deve fare – aggiunge Waldl – è assegnare l’illuminazione esterna a una telecamera. Il controllo della luce viene automaticamente sincronizzato con la registrazione dell’immagine. Le funzioni di visione possono essere preconfigurate durante lo sviluppo in Automation Studio. Una gran parte del lavoro di ingegnerizzazione può essere fatta in ufficio usando le immagini salvate. La messa a punto fine viene quindi eseguita direttamente sulla macchina usando mapp Cockpit, strumento intuitivo di diagnostica e messa in servizio di mapp. Non è necessario usare uno strumento di sviluppo dedicato”.

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