Embedded-Technologie in intelligenten Montageplätzen

Smarte Module für smarte Montage

Mit Unterstützung integrierter optischer Inspektions- und Coaching-Systeme können intelligente Montageplätze Fehlerquoten reduzieren und die Durchlaufzeiten in der Fertigung verkürzen. Gleichzeitig erfordern sie aber auch eine leistungsstarke Elektronik für die Steuerung und Analyse. Der folgende Beitrag erläutert, wie sich intelligente Montageplätze mit Hilfe leistungsstarker Embedded-Module realisieren lassen.
Bild: TQ-Group

Egal, ob beim Erlernen der notwendigen Arbeitsschritte oder bei der optischen Inspektion und Dokumentation in Echtzeit – intelligente Montageplätze können die Mitarbeiter im gesamten Prozess unterstützen. Sie verkürzen beispielsweise die Einarbeitungszeit, bis Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter produktiv tätig sind oder erkennen mögliche Fehler bereits während sie geschehen. Letzteres reduziert den Aufwand in der Beseitigung, da sich der Fehler sofort korrigieren lässt – es entstehen damit praktisch keine (Folge-)Kosten. Die Technik dazu setzt auf ein Array aus Kameras, das meist über dem Arbeitsplatz angebracht ist und damit den Bewegungsspielraum der Mitarbeiter nicht einschränkt. Gleichzeitig gewährt die Vogelperspektive auch einen Einblick in die Geräte oder Baugruppen. Zudem lassen sich damit auch die sich ständig ändernden Lichtverhältnisse der Arbeitsfläche ausgleichen.

Bild: TQ-Group

Starke Rechen- und Grafikleistung in der Elektronik als Voraussetzung

Bei gut ausgebauten Montageplätzen kommen bis zu zwölf Kameras, ein oder zwei Beamer oder auch Laserpointer sowie mehrere Touch-Displays zum Einsatz. Über Kopf angebrachte Videoprojektoren helfen beispielsweise dabei, am Montageplatz die korrekte Position für den nächsten Arbeitsschritt anzuzeigen oder Probleme und Fehler zu beleuchten. Ein solcher Aufbau stellt jedoch hohe Anforderungen an die Elektronik, sowohl bei der Anzahl der Schnittstellen als auch im Datendurchsatz.

Seit kurzem stehen neue Prozessorgenerationen wie die elfte Generation Intel-Core und Intel-Xeon-Prozessoren (Codename Tiger Lake H) auch für Embedded-Anwendungen zur Verfügung und entsprechen genau dem genannten Anforderungsprofil: Sie bieten eine Vielzahl an High-Speed-Schnittstellen sowie starke CPU- und Grafik-Leistung inklusive effizienter KI-Unterstützung. Besonders im Bereich der High-End-Bildverarbeitung sollte das Augenmerk auf der H-Serie der Tiger-Lake-Familie liegen, wie sie etwa auf dem TQ-Embedded-Modul TQMx110EB zum Einsatz kommt. Diese liefert gegenüber der kleineren U-Serie mehr Systemperformance und den vollen Schnittstellenumfang.

Darüber hinaus bietet der Hersteller mit diesem Modell ein COM-Express-Modul (Basic-Formfaktor) an, das alle Embedded-H-Serie-Prozessorvarianten (Core i3, Core i5, Core i7 und Xeon) dieser neuen CPU-Generation unterstützt. Somit lässt sich je nach Ausbaustufe des intelligenten Montageplatzes genau die richtige Verarbeitungsleistung gewährleisten. Insgesamt stehen bis zu acht leistungsfähige CPU-Cores, ein hoch performanter Grafik-Controller, bis zu 24MB Cache und bis zu 64GB DDR4-3200 zur Verfügung. Letzterer sichert durch seine hohe Bandbreite eine durchgängig hohe Performance des Systems.

Viel Spielraum bei der Skalierung der Rechenleistung

Das Systemdesign profitiert dank der Kombination aus Prozessor-Modul und individuellem Carrier Board von einer hohen Flexibilität: Die COM-Express-Module bieten einen großen Spielraum bei der Skalierung der Rechenleistung. Dank des Carrier Boards kann sich die Systementwicklung voll auf ihre Kernkompetenzen fokussieren und hat zudem die Möglichkeit mittels unterschiedlicher Boards die Produktpalette zu optimieren, ohne dafür Rechentechnik und Software grundlegend verändern zu müssen.

Schnelles 2.5GBit-Ethernet, vier USB-3.2-Gen2-Schnittstellen (mit je 10Gb/s), acht USB-2.0-Interfaces sowie vier super-schnelle Sata-III-Ports werden über die COM-Express-Steckverbinder bereitgestellt. Zusätzlich bietet das COM-Express-Modul TQMx110EB 24 PCIe Lanes, wobei diese in zwei Gruppen aufgeteilt sind: Acht PCIe Lanes der dritten Generation mit je 8Gb/s werden über den PCH (Peripheral Controller Hub/Chipsatz) bereitgestellt und teilen sich die Bandbreite zur CPU mit den bereits erwähnten IO-Schnittstellen. Die weiteren 16 PCIe Lanes sind mit der PCIe-Geschwindigkeit der vierten Generation direkt an die CPU angebunden, sodass ein ungebremster, direkter Datentransfer zwischen Peripherie und Prozessor möglich ist.

Höchste Flexibilität bei der Anbindung von Kamera-Modulen

Besonders von Vorteil ist auch die vom Modul unterstützte PCIe Bifurcation, die eine Aufteilung dieser Schnittstelle für bis zu drei PCIe Root Ports (Modi: x16, x8/x8 oder x8/x4/x4) ohne kostspielige, zusätzliche Elektronik zulässt. Für anspruchsvolle Bildverarbeitung ist somit beispielsweise die Anbindung von mehreren schnellen PCIe-basierten Kamera-Modulen möglich. Auch lassen sich mehrere Framegrabber oder 10-GBit-Ethernet-Controller für hochauflösende High-Speed-Multi-Kamera-Systeme direkt an die CPU anbinden. Alternativ dazu sind weitere Optionen wie Zusatzsteckplätze für mehrere Beschleunigerkarten (beispielsweise für Tensor Processing Units) realisierbar, was gute Voraussetzungen für besonders anspruchsvolle KI-Auswertungen schafft.

Ebenfalls gewährleistet das Prozessor-Modul von TQ eine hohe Flexibilität beim Aufbau des Kamera-Arrays: So können beispielsweise zwei ultra-hochauflösende High-Speed-Kameras, die mit hoher Bandbreite über PCIe x4 direkt an die CPU angebunden sind, als stereoskopische Hauptkameras zum Einsatz kommen. Diese lassen sich mit weiteren Kameras einfach ergänzen – dabei kann es sich auch um eine Mischung aus verschiedenen Standards wie USB3-Vision, GigE-Vision und 10-GigE-Vision handeln. Die ohnehin schon sehr gute KI-Leistung, die durch die hoch performante CPU und den integrierten Grafikprozessor (GPU) bereitgestellt wird, lässt sich bei Bedarf über einen zusätzlichen AI-Accelerator noch weiter erhöhen. Eine Konfiguration mit PCIe x8 (vierte Generation) mit einer Geschwindigkeit von bis zu 128 Gb/s stellt dabei ausreichend Bandbreite zur Verfügung, sodass auch besonders leistungsfähige VPUs (Vision Processing Units) oder TPUs (Tensor Processing Units) zum Einsatz kommen können.

Potenzial für KI am Montageplatz

Speziell im Bereich der Künstlichen Intelligenz kann die x86-Architektur des Modules aktuell die wohl größte Software-Unterstützung für sich in Anspruch nehmen – und das sowohl bei den Betriebssystemen als auch bei den Entwicklungs- und KI-Tools. Damit kann sofort mit der Entwicklung der Anwendungssoftware für den intelligenten Montageplatz begonnen werden. Die Verwendung der auf dem TQMx110EB als Option verfügbaren NVMe x4 SSD stellt ein besonders schnelles Speichermedium für das Betriebssystem und die Daten zur Verfügung. Alternativ lassen sich beispielsweise auch M.2-Speichermodule (NVMe oder SATA) auf dem Carrier Board einsetzen und zu einem RAID-Verbund konfigurieren.

Hersteller von intelligenten Montageplätzen können mittels modularem Systemaufbau flexibel von der neuesten Prozessortechnologie profitieren. TQ stellt dafür mit den unterschiedlichen CPU-Derivaten des TQMx110EB verschiedene Leistungsklassen der neuen, elften Generation Intel-Core und Intel-Xeon-Prozessoren zur Verfügung und bietet dabei durchgängig hohe Systemperformance, sodass sich das jeweilige System stets zukunftssicher auf die jeweiligen Gegebenheiten anpassen lässt.

www.tq-embedded.de

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