Aussichtsreich: Wie Bild- und Maschineninformationen in Automatisierungssystemen des Maschinen- und Anlagenbaus verschmelzen

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1 Aussichtsreich: Wie Bild- und Maschineninformationen in Automatisierungssystemen des Maschinen- und Anlagenbaus verschmelzen init Institut Industrial IT, Lemgo Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold Bildverarbeitung für intelligente Systeme in der Automation Bildverarbeitung Quo vadis? 11. Oktober 2010 Universität Paderborn Inhalte Einführung Komplexe Systeme Informations- und Sensorfusion Beispiele aus dem industriellen Umfeld Zusammenfassung Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold

2 Einführung Industrielle Bildverarbeitung und Mustererkennung (IBV) gehört heute zu den Standardtechnologien in der Fertigungstechnik, Qualitätssicherung, Maschinenüberwachung, nicht-industrielle Anwendungen, usw. Der aktuelle Stand der Technik stellt hochleistungsfähige Komponenten und Systeme zur Verfügung. Die Komplexität heutiger Produktionsanlagen fordert zunehmend eine Kopplung verschiedener Sensoren und die Fusion von Information in z. B. einer Fertigungsanlage (Multisensorik). Interdisziplinäre Ansätze aus Technik, Biologie und Psychologie ermöglichen neue zukunftsweisende Lösungen Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold Einführung Warum sind Multisensorsysteme notwendig? Verschiedene Fertigungstechniken müssen erfasst werden, Maschinenfehler erzeugen Produktionsfehler (Zuverlässigkeit / Anomalien), Nicht immer sind Kamerasysteme ausreichend, Qualitätssicherung muss konzeptionell mit eingeschlossen werden. Wartung (Machine Conditioning) muss mit eingeschlossen werden. Hieraus folgt: Optische Bildverarbeitung muss konzeptionell erweitert werden. Ziel: Verbesserung von Inspektionsstabilität Verbesserung von Falschklassifikationen Benutzerakzeptanz Komplexe Systeme Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold

3 Komplexe Systeme 38. Jahrestagung der Gesellschaft für Informatik INFORMATIK 2008 Beherrschbare Systeme dank Informatik Phoenix Contact, Blomberg Die zunehmende Komplexität von Systemen stellt große Herausforderungen an deren Beherrschbarkeit dar. Ein hoher Wartungs- und Bedienungsaufwand, unzuverlässiges Verhalten und Fehler können erhebliche finanzielle Belastungen für Hersteller und ihre Kunden nach sich ziehen. Die Entwicklung und Anwendung von Methoden und Werkzeugen für die Beherrschbarkeit ist daher von zentraler Bedeutung für die deutsche Wettbewerbsfähigkeit. Die Herausforderungen für die Informatik sind nach wie vor groß Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold Komplexe Systeme Die o.g. Herausforderungen definieren: Phoenix Contact, Blomberg Forschungsbedarf im Arbeitsfeld intelligenter autonomer Systeme und deren konzeptioneller Anwendung in der Prozessautomation. Durch die Notwendigkeit einer Informationsverheiratung folgt ein weiterer anwendungsgetriebener Forschungsbedarf im Bereich der Zusammenführung von sensorischen Daten mit entsprechendem Expertenwissen Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold

4 Komplexe Systeme Intelligente Automation berücksichtigt u.a. die folgenden Themenkreise: Vernetzung Kognition Bildverarbeitung und Mustererkennung Expertenwissen Informationsplausibilität Informationsüberflutungsmechanismen und deren Vermeidung Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold Informations- und Sensorfusion Definitionen Informationsfusion: Kombinierte Information zur Schätzung oder Vorhersage realer Verhältnisse in einer Umgebung. Sensorfusion: Datenfusion von vielen Sensoren gleicher oder unterschiedlicher Art. at least fifty, maybe a hundred horses D.L. Hall Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold

5 init - das Institut für Industrial IT Informations- und Sensorfusion... vom Experten zum Sensor Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold Informations- und Sensorfusion Sensorik Applikation Informationskondensation und -fusion Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold

6 Beispiele aus dem industriellen Umfeld / Hubertus Struchholz, JST Jungmann Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold Beispiel 1: Objekt-Inspektion und Registrierung Tendenz: einfache intelligente Kameras Standard-Interface: verschiedene Ethernet- Varianten (Klassisch, EtherCAT, GigE, ), USB 2.0 und Schalt-Ein- und Ausgänge 24V Konfiguration: graphisches PC-Werkzeug (kein Programmieren notwendig) Integration in SPS Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold

7 init - das Institut für Industrial IT Beispiel 1: Objekt Inspektion und Registrierung Füllstand und Deckel Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold Beispiel 1: Objekt Inspektion und Registrierung Ergebnis-Registrierung über RFID-Tags 2D-Barcode auf Flasche Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold

8 Beispiel 1: Objekt Inspektion und Registrierung Objekt-Überwachung auf Förderband Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold Beispiel 2: Condition Monitoring Maschinenüberwachung und Banknoteninspektion an Stahlstichmaschine Einige Daten Maschinengeschwindigkeit Bogen/h Überwachte Signale: 14 7kHz Abtastrate, KBA-GIORI SA., Lausanne NotaSave III (optische Bildverarbeitung) (1 Farbkamera 2048 x 1536 Pixel), SPS-Signale Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold

9 Beispiel 2: Condition Monitoring Ausschnitt Stahlstichdruckmaschine Kamerasystem KBA-GIORI SA, Lausanne Kraft, Durchfluss, Stromaufnahme Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold Beispiel 2: Condition Monitoring Informationsfusion Ergebnisse Optical Error Detection Drying Blade Pressure Cleanness of the Wiping Cylinder Printing Pressure Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold

10 Beispiel 2: Condition Monitoring Sensor-Signale und Zugehörigkeit zu trainierten Referenzen Sensor-Zuverlässigkeit (Reliability) Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold Beispiel 2: Condition Monitoring Mess- und Simulationseinrichtung Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold

11 Beispiel 3: nicht-industrielle Anwendung ATM Anomalieanalyse Gefahr durch direkte Manipulation an Angriffszielen Skimmingaufsatz Tastatur(EPP)-Aufsatz, etc. und indirekt durch Überwachung von Angriffszielen Minikameras Shoulder Surfing BKA Mehrere Angriffsziele gleichzeitig (beim Skimming) aber auch Zuverlässigkeitsprobleme der Komponenten Verheiratung durch Informationsfusion Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold Beispiel 3: nicht-industrielle Anwendung ATM Anomalieanalyse Wincor Nixdorf, Paderborn Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold

12 Beispiel 3: nicht-industrielle Anwendung ATM Anomalieanalyse Kamera-überwachte Zonen Gesamter GAA Umgebung des GAA Klassifikation EPP Informationsfusion Shutter Karteneinzugsschlitz globale Gefahrenstufe Sonstige Datenquellen Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold Beispiel 3: nicht-industrielle Anwendung Tastatur: Fingerprint Überwachung der Gesundheit von Komponenten Ungewöhnliches Verhalten/Ausfall einer Komponente plausibel? Alterung? Manipulation? Vergleich der Sensordaten mit Zuverlässigkeitsabschätzungen Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold

13 Zusammenfassung und Ausblick Industrielle Bildverarbeitung und Mustererkennung ist weder methodisch noch funktionell im Maschinen- und Anlagenbau aus heutiger Sicht wegzudenken. Prüf- und Kontrollsysteme, die auf Sensor- und Informationsfusion basieren, werden zukünftig die Lösungen für Applikationen bestimmen. Expertenwissen sollte für Inspektionsaufgaben immer herangezogen werden......dabei spielen Ansätze aus der Biologie und Psychologie eine herausragende Rolle Prof. Dr. Volker Lohweg Industrielle Bildverarbeitung OWL, IHK Ostwestfalen zu Bielefeld, IHK Lippe zu Detmold