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Den Einstieg in High-Speed-Vision schaffen
Inhaltsverzeichnis
Ethernet hat sich von 10BASE5 über 1000BASE-T bis zu 10GBASE-T weiterentwickelt. Neu hinzugekommen sind 25GBASE-T und 40GBASE-T als Teil von IEEE 802.3bq. 2016 ratifizierte IEEE den Standard 802.3bz für energiesparende Alternativen zu 10GBASE-T: 2.5GBASE-T und 5GBASE-T.
Oben: 10GBASE-T hat eine Nyquist-Frequenz von 400 MHz, 5GBASE-T reduziert auf 200 MHz und liegt damit im CAT-6-Band. 2.5GBASE-T halbiert erneut auf 100 MHz und passt ins CAT-5e-Band.
Hinweis
Was bedeutet die Nyquist-Frequenz? Sie ist die minimale Abtastrate, um ein Signal zuverlässig zu rekonstruieren. Höhere Datenbandbreite erfordert eine höhere Nyquist-Frequenz des Kabels.</p]
Ein Balanceakt
2.5GBASE-T bietet bis zu 2,5 Gbit/s über 100 m mit CAT-5e. 5GBASE-T erreicht 5 Gbit/s über 100 m mit CAT-6. 10GBASE-T liefert 10 Gbit/s, unterstützt PoE derzeit aber nicht. 2.5GBASE-T und 5GBASE-T nutzen bestehende Verkabelung und senken Energiebedarf und Kosten. Für Machine-Vision-Kameras entsteht so ein gutes Verhältnis aus Geschwindigkeit, Reichweite und Budget.
Gegenüber Camera Link Extended Full mit 6,8 Gbit/s über bis zu 5 m punktet 5GBASE-T ohne teure Framegrabber und ohne Spezialkabel.
Hinweis
Wussten Sie schon?
Seit 1999 wurden über
Seit 1999 wurden über
70
Milliarden Meter CAT-5e- und CAT-6-Kabel verlegt.(1)
Schnelle 5GBASE-T-Kameras
Mehrere Hersteller bieten Zeilen- und Flächenscan-Kameras auf Basis von 5GBASE-T an. Beispiel Flächenkamera: LUCID Atlas ATL314S 5GBASE-T mit Sonys großformatigem 31,4-MP-IMX342-CMOS. Mit M12-Ethernet für bis zu 25,50 W (PoE+, Typ 2) und 5 Gbit/s Datendurchsatz liefert sie 6464 × 4852 Pixel bei 17 fps über 100 m CAT-6.
Nicht nur Geschwindigkeit
Warum 5GBASE-T? USB 3.1 und 3.2 schaffen 5 bis 20 Gbit/s, sind aber auf kurze Distanzen begrenzt. CoaXPress erreicht bis zu 12,5 Gbit/s pro Link, vier Links kommen auf 50 Gbit/s. Bei hohen Datenraten sind die Kabellängen kurz. Camera Link und CXP benötigen zudem teure PCIe-Framegrabber.
Für sehr schnelle Zeilenscan-Anwendungen mit niedriger Latenz und geringem Jitter bleibt CXP oft erste Wahl. In vielen anderen Machine-Vision-Aufgaben ist 5GBASE-T die wirtschaftlichere Lösung (siehe Tabelle 1). Viele Zeilen- und Flächenscan-Kameras unterstützen GigE Vision, den seit 2006 etablierten Schnittstellenstandard der AIA.
Oben: CXP und Camera Link bieten sehr geringe Latenz, erfordern aber Framegrabber. Das begrenzt die Anzahl der Kameras pro Karte und erhöht Kosten. GigE Vision erlaubt flexible Topologien und Kabellängen bis 100 m.</blockquote]
Hinweis
Was ist ein Framegrabber? Eine spezielle Schnittstellenkarte für Camera Link, CoaXPress oder analoge Kameras. Anders als USB- oder Ethernet-Kameras übernimmt der Framegrabber die Bilddatenübertragung der Kamera.</p]
Tabelle 1: Schnittstellenvergleich
| Schnittstelle | Max. Datentransferrate | Max. Kabellänge | Power über Kabel | Framegrabber erforderlich | Relative Systemkosten | Merkmale | Benötigtes Kabel |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Camera Link | 850 MB/s | 10 m max., 7 m (Deca) | Ja (PoCL) | Ja | Hoch | Deterministisch, Latenz 4 µs |
Geschirmte Twisted-Pairs, MD-26-Steckverbinder |
| CoaXPress | 12,5 Gbit/s je Link | 100 m bei 3,125 Gbit/s, 35 m bei 12,5 Gbit/s |
Ja (PoCXP) | Ja | Hoch | Deterministische Latenz ca. 4 µs |
RG59/ RG6-75-Ohm-Koax BNC oder DIN-1.2/2.3 (Kamera) Micro-BNC (Framegrabber) |
| USB 3.1 Gen 1 | Bis 5 Gbit/s (netto ca. 360 MB/s) | 5 m | Ja (5 V, 2,5 W) | Nein | Niedrig | Ø-Latenz 30 µs | USB-A/-C, USB-Kabel |
| USB 3.2 | Bis 20 Gbit/s | 3 m | Ja (5 V, 4,5 W) | Nein | Niedrig | Ø-Latenz 30 µs | USB-A/-C, USB-Kabel |
| 10GBASE-T | 10 Gbit/s | 55 m (CAT-6), 100 m (CAT-6A) |
PoE+ (IEEE 802.3at) | Nein | Mittel | Ø-Latenz 3 µs | CAT-7, 6A oder 6, optische Verkabelung |
| 5GBASE-T | 5 Gbit/s | 100 m (CAT-6) | PoE (802.3bt) | Nein | Niedrig | Ø-Latenz 3 µs | CAT-6, 5e |
| 2.5GBASE-T | 2,5 Gbit/s | 100 m (CAT-5e) | PoE (802.3bt), 4-Pair-PoE (51 W) |
Nein | Niedrig | Ø-Latenz 3 µs | CAT-5e |
| 1GBASE-T | 1 Gbit/s | 100 m (CAT-5 oder besser) | Bis 13 W nach Verlusten | Nein | Niedrig | 1 bis 12 µs | CAT-5 |
GigE Vision und GenICam nutzen
GigE Vision definiert die Übertragung von Hochgeschwindigkeits-Video und Steuerdaten über Ethernet und vereinfacht die Softwareentwicklung. Der GigE Device Discovery Mechanism vergibt IP-Adressen und stellt eine XML-Datei bereit, die auf GenICam basiert und Zugriff auf Kamerasteuerung und Datenströme ermöglicht.
GenICam macht Kamerafunktionen wie Bildrate über eine einheitliche API verfügbar. Das GenApi-Modul beschreibt Gerätefunktionen interoperabel. Die SFNC legt gemeinsame Funktionsnamen und Verhalten fest.
Pünktlichkeit ist wichtig
Trotz GigE Vision und GenICam bleibt die Frage nach deterministischem Verhalten. In Büronetzen ist präzises Timing selten kritisch. In der Industrie ist es entscheidend. Werden Daten nicht zum richtigen Zeitpunkt übertragen, empfangen oder verarbeitet, drohen Verluste und Verzögerungen. Spezialisierte industrielle Ethernet-Protokolle adressieren diese Anforderung.
Deterministische Ethernet-Protokolle
Zu den etablierten Protokollen zählen PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, SERCOS III und POWERLINK. Alle bieten Echtzeit und Determinismus, unterscheiden sich aber technisch deutlich. Eine umfassende Unterstützung wäre für Hersteller aufwendig. EtherCAT ist weit verbreitet, leistungsfähig und am Markt akzeptiert. Es liefert die schnellen, deterministischen Reaktionen, die Maschinensteuerungen benötigen, und nutzt kostengünstige NICs und Ethernet-Kabel.(2)
Zur Ergänzung dieser Feldbus-Protokolle eignet sich die OPC Unified Architecture (OPC UA, IEC 62451). Der offene Standard der OPC Foundation definiert den Informationsaustausch zwischen rechnerbasierten Maschinen, zwischen Maschinen sowie zwischen Maschinen und IT-Systemen.
OPC UA stellt Datenmodelle und Dienste bereit. Geräte tauschen damit semantisch eindeutige Informationen aus statt reiner Byteströme. EtherCAT und OPC UA ergänzen sich: EtherCAT für die Echtzeit-Feldbus-Ebene, OPC UA als skalierbare Kommunikationsplattform.
Hinweis
Verbandsmitgliedschaften
VDMA mit über 3.200 Mitgliedern
OPC Foundation mit über 700 Mitgliedern</p]
Machine-Vision-Systeme aufbauen
Die genannten Kooperationen helfen, adressieren aber nicht alle Anforderungen von Entwicklern auf dem Shopfloor. Daher haben VDMA und OPC Foundation die OPC-Vision-Initiative gestartet. Ziel ist eine OPC-UA-Companion-Specification für Machine Vision (OPC UA Vision).
OPC UA beschreibt Daten, Funktionen und Dienste eingebetteter Geräte sowie den Datentransport. OPC Vision ergänzt dies durch branchenspezifische Modelle für Produkte wie Kameras, ähnlich der GenICam-SFNC. Die OPC-Vision-Schnittstelle lässt sich mit Feldbussen wie EtherCAT kombinieren. So entsteht ein vollständiges, echtzeit-deterministisches Systemmodell, das OT-Steuerung und IT verbindet.
Mit OPC UA, der OPC-Vision-Initiative und IEEE-802.1-TSN können Unternehmen ein gemeinsames Ethernet für deterministische Aufgaben wie Bildaufnahme und für weniger zeitkritische IT nutzen. Da sich OPC UA mit TSN auf Kameras, PCs, SPSen und Server anwenden lässt, eignet es sich für Edge- und Cloud-basierte Anwendungen.
5GBASE-T: der Sweet Spot
5GBASE-T-Kameras und CAT-6-Kabel ermöglichen flexible Topologien und bis zu 100 m Distanz zum Host. Ohne Framegrabber sinken die Gesamtkosten. 5 Gbit/s sind für viele Vision-Aufgaben ausreichend. Mit OPC UA und OPC Vision wird die Einbindung von 5GBASE-T-Kameras in industrielle Ethernet-Netze einfacher. Das Ergebnis ist eine ausgewogene Schnittstelle mit Flexibilität, Bandbreite, geringen Kosten und hoher Zuverlässigkeit für High-Speed-Vision-Systeme.
(1) „NBASE-T Technology Overview“, NBASE-T Alliance https://youtu.be/cLfuhrBaza8
(2) „Five Real-Time, Ethernet-Based Fieldbuses Compared“, Whitepaper von Kingstar
