Patrz i steruj – Kamery monitoringu w aplikacjach przemysłowych

Każdy kto widział obraz swojego samochodu, pędzącego trasą na Katowice z prędkością 160 km/godz., zarejestrowany na policyjnym wideorejestratorze, mógł doświadczyć potęgi obrazu wideo. Umożliwia on: śledzenie zdarzeń, rejestrację nagłych wypadków i niespodziewanych sytuacji, a nawet wystawianie mandatów. Jeżeli w naszym mieście czy miejscowości nie ma jeszcze takich urządzeń, można domniemywać, że wkrótce się pojawią.

Ekspansję aplikacji monitoringu wideo obserwuje się również w przemyśle. Czynniki, które o tym decydują, w obu przypadkach są takie same: coraz niższe ceny niezbędnego sprzętu, rozwój technologii rejestracji i obróbki obrazów oraz korzystny stosunek kosztów do możliwości funkcjonalnych. Cechy te nabierają wartości zwłaszcza w odniesieniu do zdolności, dokładności i cierpliwości człowieka, który miałby realizować podobne zadania.
W niniejszym artykule publikujemy podstawowe informacje o tym, kiedy i dlaczego warto stosować systemy monitoringu wideo w obserwacji procesów i zadaniach sterowania. W ten sposób chcemy pomóc we właściwej ocenie możliwości funkcjonalnych oferowanych rozwiązań oraz ich opłacalności.
? Stosując kamery jako czujniki, znacznie zwiększamy precyzję i dokładność prowadzonych procesów produkcyjnych ? twierdzi Steve Rubin, prezes Longwatch, producenta systemów monitoringu wideo z wykorzystaniem istniejących już sieci systemów SCADA. ? Kamery mogą wychwycić zdarzenia lub zmiany, których nie można wykryć konwencjonalnymi metodami, nawet za pomocą najczulszych detektorów. Co więcej, czujniki tradycyjne zwykle sygnalizują zmiany pojedynczych parametrów, zaś obraz wideo dostarcza kompleksowych informacji o danym zdarzeniu czy zmianie.
W środowiskach przemysłowych powszechnie już stosowane są technologie cyfrowe. Sieci sterowania i wymiany danych coraz częściej oparte są na standardzie Ethernet lub na innych standardach sieciowych. Z tego względu inżynierowie automatycy mogą stosunkowo łatwo zaaplikować systemy wideo jako element układów monitorowania i sterowania urządzeń, akwizycji, analizy danych itp.
Coraz szersza jest paleta technologii, rozwiązań systemowych oraz innych czynników, które ułatwiają rozwój aplikacji wideo właśnie w środowiskach przemysłowych.

Należą do nich:
? Sieci sterowania, szczególnie te wspierające obsługę protokołów IP. Są coraz powszechniej stosowane w aplikacjach automatyki przemysłowej. Wykorzystanie istniejących sieci standardu Ethernet do transmisji danych wideo pozwala na uniknięcie dodatkowych kosztów inwestycyjnych przy budowie systemu monitoringu. Jednocześnie gwarantuje łatwy dostęp do wiedzy o strukturze sieci oraz danych transmitowanych w tym standardzie.
? Coraz niższe koszty kamer, przetworników analogowo-cyfrowych oraz sprzętu i oprogramowania sieciowego. Duża popularność cyfrowego sprzętu wideo na rynku konsumenckim sprzyja rozwojowi technologicznemu i tym samym ogólnemu spadkowi cen sprzętu i oprogramowania, nawet dla wymagających aplikacji przemysłowych. Dzięki odpowiednim modułom możliwe jest również wykorzystanie w nowoczesnych systemach monitoringu wideo starszych kamer tzw. telewizji przemysłowej CCTV. W ten sposób możemy jeszcze bardziej obniżyć koszty wdrożenia systemu.
? Współczesne kamery mają coraz większą rozdzielczość obrazu i wbudowane dodatkowe funkcjonalności (tzw. ?inteligencję?). Według Steve?a Rubina współczesne kamery są znacznie bardziej precyzyjne w postrzeganiu obrazów od oka ludzkiego. Mogą pracować szybciej, rejestrując nawet małe detale. Oczywiście nigdy nie odwracają ?wzroku? od obserwowanego obszaru i nie męczą się. Dodatkowo w samej kamerze realizowanych jest coraz więcej nie tylko podstawowych, ale też zaawansowanych procesów obróbki i analizy rejestrowanych obrazów.
? Technologie analizy, kompresji i przechowywania obrazów cyfrowych rozwijają się bardzo gwałtownie. Jak mówi Nomran Fast, prezes Industrial Video & Control (IVCCO): jedna kamera może obserwować dany obiekt, a odpowiednie oprogramowanie pozwala na podział rejestrowanego obrazu na kilka części, powiększenie wybranych fragmentów itp. Przykładem może być kamera z obiektywem szerokokątnym, obserwująca sześć stosów z paczkami, z możliwością pokazania każdego stosu oddzielnie w żądanym zbliżeniu.
? Integratorzy i dostawcy, którzy specjalizują się w oprogramowaniu obsługującym aplikacje wideo dla systemów monitoringu i sterowania, wciąż podnoszą swe umiejętności i kwalifikacje. Obserwują działania konkurencji i analizują najnowsze wdrożenia w tej branży. Dzięki temu kolejne opracowywane przez nich systemy są instalowane zgodnie z najnowocześniejszymi trendami i przy wykorzystaniu najnowszych technologii. Jeden strumień informacji wideo może być wykorzystany zarówno w aplikacji monitoringu i ochrony, jak również w kontroli jakości, szkoleniu operatorów maszyn oraz śledzeniu kolejnych etapów produkcji na linii produkcyjnej.
Nie tylko monitoring
Wiele firm przemysłowych uświadamia sobie, że dzięki systematycznemu spadkowi cen sprzętu i oprogramowania aplikacji wideo może zdecydować się na ich wdrożenie w miejscach dotychczas niedostępnych dla modułów kontrolnych. Dostawcy rozwiązań wideo dla przemysłu podkreślają, że jest to bardzo intratny biznes. Na potwierdzenie swoich tez podają szereg przykładów różnego typu aplikacji monitoringu i sterowania.
IVCCO to firma z ośmioletnim doświadczeniem, której inżynierowie specjalizują się w zastosowaniach protokołu sieciowego IP do obsługi systemów wideo w aplikacjach przemysłowych ? szczególnie zdalnego monitoringu i ochrony.
W jednym z zakładów przetwórstwa drewna firmy Weyerhauser zainstalowano około 100 kamer obserwujących procesy na liniach produkcyjnych o długości od 30 do 100 m. Każda obsługiwana jest przez jednego operatora. Dzięki temu nie ma konieczności, aby operatorzy musieli przemieszczać się w celu wykonania powierzonych sobie zadań. Możliwe jest nawet, aby jeden operator obsługiwał dwie linie produkcyjne. 
System kamer wideo zainstalowano również w aplikacji łączenia karoserii z podwoziem w zakładach montażowych Mercedes-Benz. Dwie kamery rozpoczynają rejestrację i zapis obrazów procesu produkcyjnego w momencie, gdy karoseria wchodzi w obszar stanowiska montażowego. Zapis kończy się wraz z wyjazdem karoserii po połączeniu z podwoziem. Tym samym możliwa staje się precyzyjna kontrola jakości kolejnych faz łączenia tych elementów.
? Pracownicy kontroli jakości mogą odtworzyć nagranie w dowolnym momencie i zaobserwować ewentualne błędy lub niedoróbki ? wyjaśnia Norman Fast, prezes IVCCO. ? Dane wideo przesyłane są siecią IP do serwera, gdzie ulegają archiwizacji lub mogą być przeglądane z poziomu komputerów przyłączonych do sieci.
Rozmówca Control Engineering podkreśla olbrzymie zainteresowanie aplikacjami systemów monitoringu wideo w branżach chemicznych i przetwórstwa gazu. Wcześniej kamery spełniały tam przede wszystkim funkcję elementów systemów bezpieczeństwa i ochrony pracowników w strefach niebezpiecznych. Z czasem dostrzeżono dodatkowe możliwości tych urządzeń w zakresie: śledzenia przebiegu obserwowanych procesów, odczytu poprawnych wymiarów oprzyrządowania, sprawdzania prawidłowości ustawień dźwigni, zaworów, przełączników itp.
Zapobieganie zatorom      
Firma Longwatch rozpoczęła prace nad wykorzystaniem systemów monitoringu wideo w zakładach uzdatniania wody oraz stacjach sprężarek gazu. Celem tych działań było zbudowanie w pełni funkcjonalnego systemu transmisji danych wideo w ramach istniejących już sieci komunikacyjnych dla systemów SCADA.
? Jedyną drogą połączenia z tym systemem okazało się zastosowanie łącza radiowego, opartego na protokole firmy Allen-Bradley ? objaśnia Steve Rubin. ? Problem ten rozwiązaliśmy za pomocą radiowego połączenia o dużym zasięgu pomiędzy siecią sterowników PLC a stacjami operatorskimi i interfejsami HMI. Uzyskaliśmy w ten sposób system zdalnego monitoringu, dzięki któremu operatorzy mogą na bieżąco obserwować określone strefy wokół urządzeń.
Longwatch instaluje układy zdalnego sterowania i monitoringu ? wraz z obsługą transmisji wideo ? opierając się na standardzie sieciowym Ethernet oraz innych standardach komunikacyjnych sieci przemysłowych. Wprowadzona ostatnio na rynek wersja 4. oprogramowania Longwatch w jeszcze większym stopniu wspiera usługi możliwe do realizacji w protokole IP. Zawiera też pakiet narzędziowy dedykowany do obsługi danych w technologii video over IP.
? W naszej codziennej pracy obserwujemy spore zainteresowanie kamerami i transmisją wideo wśród klientów z branży dystrybucji energii elektrycznej, przetwórstwa ropy i gazu oraz uzdatniania wody ? mówi przedstawiciel Longwatch. ? Wykorzystują je przede wszystkim w celach monitoringu procesów i ochrony maszyn oraz pracowników. W branży elektrycznej próbuje się w ten sposób zapobiegać nagminnym kradzieżom przewodów i kabli miedzianych. Z kolei w zakładach uzdatniania wody monitoring ma na celu spełnienie wysokich wymagań w zakresie bezpieczeństwa, narzucanych przez różne organizacje rządowe i pozarządowe. Należy jednak pamiętać, że poza tymi tradycyjnymi funkcjami w zakresie monitoringu i ochrony współczesne kamery mogą spełniać funkcje układów kontroli jakości samych produktów, jak też poprawnej realizacji określonych procesów produkcyjnych.
Jeden z klientów Longwatch obsługiwał w swoim zakładzie piec do wytopu aluminium…
? W trakcie przepływu płynnego metalu przez korytka spustowe do form odlewniczych na ściankach korytka zastygały kawałki metalu ? mówi Steve Rubin. ? Zjawisko to powodowało zatory i przerwy w przepływie. Operatorzy mogli likwidować zatory przy użyciu młotków, jednak wówczas zastygłe fragmenty zanieczyszczały płynący w korytku metal.
Dzięki zainstalowaniu na ciągu korytka kamer wideo, które reagowały na jego wibracje, operatorzy mogą teraz śledzić proces tworzenia się zatorów i odpowiednio wcześnie reagować. Tak, aby uniknąć nadmiernego zanieczyszczenia metalu we wlewkach i formach odlewniczych. Obrazy z kamer mogą być również wykorzystane do szkoleń operatorów procesu spustowego.
Kamery i przetworniki
Systemy transmisji danych wideo, które bazują na standardzie Ethernet, to swoista symbioza trzech elementów: rejestrowanych obrazów, sprzętu i oprogramowania. Kamery analogowe, najczęściej stosowane w systemach ochrony i monitoringu, zwykle łączone są z monitorami kablami koncentrycznymi (w technologii CCTV). Nowoczesne kamery cyfrowe transmitują rejestrowane obrazy w postaci ciągów danych cyfrowych odpowiednich dla sieci z protokołami IP. Przetworniki wideo zamieniają sygnały analogowe (obrazy) z obiektywu kamery na wiadomości sformatowane dla protokołu IP. Dzięki temu mogą być przesyłane, analizowane oraz integrowane w ramach sieciowychsystemów komunikacji cyfrowej. Zmianie podlega również fizyczne medium transmisji. Kabel koncentryczny zamieniany jest na kabel FTP/UTP, odpowiedni dla sieci Ethernet.
Zarówno rozwiązania Longwatch, jak też IVCOO pozwalają na włączenie zainstalowanych już kamer analogowych CCTV do systemów cyfrowych i sieci protokołu IP.
? Jeżeli w systemie stosowane są kamery cyfrowe standardu VOIP (Video Over IP ? Webcam), nie są konieczne żadne układy przetwarzania obrazów, zwane niekiedy serwerami wideo ? wyjaśnia Eddie Lee, menedżer produktów Moxa. ? Problem stanowi fakt, że większość dostępnych na rynku kamer wideo do sieci IP opracowywana jest pod potrzeby odbiorców komercyjnych.
Steve Rubin zauważa, że współczesny rynek kamer dla sieci IP przypomina rynek oprzyrządowania układów automatyki i sieci z lat 80. ubiegłego stulecia. Dostępne są setki różnego typu kamer, z których każda ma określone cechy i funkcjonalności. Niektóre mają wbudowane moduły analizatorów obrazów, które umożliwiają np. wysyłanie obrazu przez sieć tylko wtedy, gdy zostanie na nim zauważona pewna zmiana lub nowy szczegół. Sprzyja to ograniczeniu obciążenia sieci i kontroli przesyłanych pakietów danych. 
? Układy analizy obrazów stosowane w kamerach mają różną rozdzielczość i dokładność ? mówi przedstawiciel LongWatch. ? Wydaje się, że najdokładniejsze i zaawansowane technologicznie są obecnie moduły rozpoznawania tabliczek licencyjnych w kamerach instalowanych w garażach samochodowych.
W praktyce inżynierowie automatycy mogą rozpoczynać działania zmierzające do budowy systemów wideo tylko opierając się na najprostszych serwerach PC. Wymaga to jednak sporego doświadczenia i umiejętności. Niektóre firmy dostarczające tego typu rozwiązania skupiają się nawet bardziej na technologiach systemów transmisji sygnałów wideo przez sieci standardu Ethernet, niż na innych rozwiązaniach sieciowych.
Serwery w systemach transmisji wideo przez sieć Ethernet pełnią zwykle dwojaką rolę. Funkcje kodowania sygnałów analogowych w cyfrowe realizowane są przez procesory sygnałowe DSP wraz z odpowiednim oprogramowaniem. Z kolei funkcja nagrywania i zarządzania rejestrowanymi obrazami realizowana jest w module pamięci na podstawie zapisanych sygnałów cyfrowych z kodera lub bezpośrednio z kamery cyfrowej. 
Kluczowa kwestia: przepustowość
Dostawcy systemów wideo już zintegrowali w swoich rozwiązaniach funkcje zapisu obrazów oraz ich odtwarzania. Oferują systemy z kompleksowym wykorzystaniem możliwości sieci transmisji danych oraz modułów zapisu i analizy sygnałów wideo. Jednak nawet przy dużej kompresji danych sygnałów wideo i funkcji ?inteligentnego? wyboru momentów rejestracji obrazów z większą częstotliwością aplikacje takie wymagają szerokiego pasma transmisyjnego o dużej przepustowości danych.
Z pomocą przychodzą pewne rozwiązania programowe, które mogą przyczynić się do redukcji obciążenia sieci, ograniczenia częstotliwości transmisji oraz zmniejszenia liczby sygnałów zwrotnych do kamer. Mogą one również zarządzać szerokością pasma sieci i jego przepustowością. Proces ten odbywa się zależnie od zastosowanego medium transmisji: światłowodu, kabli miedzianych, fal radiowych czy łączy satelitarnych.
? Panuje ogólne przekonanie, że dołączenie nowej kamery do sieci IP to prosta sprawa, która wymaga jedynie podłączenia kabla i odpowiedniej konfiguracji pakietu programowego ActiveX ? stwierdza Steve Rubin. ? Tymczasem bez użycia dodatkowego oprogramowania dedykowanego dla aplikacji przemysłowych i sterowania jest wysoce prawdopodobne, że dołączaniekolejnych kamer, niekiedy wystarczy tylko cztery czy pięć, doprowadzi do ograniczenia przepustowości łącza, a nawet jego zapchania. Prawdopodobieństwo to rośnie w przypadku stosowania urządzeń z różnymi interfejsami HMI.
Bez tego typu oprogramowania każda kamera wymaga specjalnej konfiguracji, optymalizacji funkcjonalnej oraz zabezpieczenia firewallem. Tak, aby ograniczyć dostęp do transmitowanych przez nią danych z poziomu ogólnodostępnej sieci Internet.
Sieci i serwery  
Systemy video over IP z definicji muszą korzystać z sieci z protokołem IP, a zatem rozwiązania konkurencyjnego w stosunku do popularnych w przemyśle sieci sterowania z magistralami miejscowymi (fieldbus), takich jak: DeviceNet, Foundation Fieldbus, Asi itp.
? Systemy video over IP mogą być uruchamiane w tej samej sieci co systemy automatyki, jednak w praktyce często realizowane są w oparciu o dedykowane łącza WLAN ? wyjaśnia Eddie Lee z firmy Moxa. ? W przypadku takiego scenariusza korzystają z tego samego medium fizycznego (kabla), jednakże sygnały obu systemów (sterowania i wideo) są izolowane programowo. Dodatkowo, przy użyciu odpowiednich narzędzi programowych, sygnały mogą mieć nadawane odpowiednie priorytety co do kolejności obsługi przez sieć. Zależnie od wymogów dotyczących przepustowości, szczególnie dla aplikacji wideo (liczba transmitowanych strumieni danych, długość ramki danych, rozdzielczość rejestrowanych obrazów itp.), konieczne może okazać się zastosowanie sieci o przepustowości nawet kilku Gbit/sek. Podstawową korzyścią wynikającą z połączenia sygnałów sterowania i wideo w jednej sieci jest oczywiście redukcja kosztów instalacji. Wynika ona zarówno z oszczędności w okablowaniu, jak też niższych kosztów zarządzania całym systemem. 
Na koniec warto zauważyć, że monitoring wideo procesów produkcyjnych to nie to samo, co opisywane już niejednokrotnie na naszych łamach systemy wizyjne maszyn. Przede wszystkim systemy wideo są bardziej uniwersalne i nie ma wobec nich tak wysokich wymagań dotyczących dokładności. Dostawcy kamer monitoringu i integratorzy systemów automatyki wciąż podkreślają spadające ceny sprzętu i systemów wideo z towarzyszącym temu zjawisku wzrostem możliwości funkcjonalnych urządzeń, precyzji działania, rozdzielczości itd. Przykładowo, w aplikacji służącej do rozpoznawania wzorów na produkowanych wykładzinach nie jest wymagana wysoce precyzyjna obróbka rejestrowanego obrazu, jak ma to miejsce w systemach wizyjnych. System wideo skupia się jedynie na ogólnym rozpoznaniu położenia wzorów. Przyczynia się tym samym do zautomatyzowania procesu kontroli jakości wykonania przy mniejszych kosztach instalacji.
Renee Robbins  
Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza, adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie