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제어시스템을 위한 통합 비전의 장점
Beckhoff

머신 비전은 품질 검사 및 트래킹 등 여러 작업에서 필수적으로 적용되고 있다. 비용은 낮아지고 기능은 많아져 사실상 모든 산업에서 사용된다. 하지만 스마트 카메라와 별도의 고성능 컴퓨터에는 각각 특정 구성 툴 및 프로그래밍 언어가 필요하다. 이로 인해 회사는 시스템 복잡성과 비용 증가와 더불어 외부 비전 전문가에게 의존할 수밖에 없다.
  비전 하드웨어는 이미지를 획득하고 처리 후에만 필드 버스 또는 통신 프로토콜을 통해 컨트롤러에 결과를 전달한다. 이미지 처리와 제어 시스템 간의 통신은 애플리케이션에 따라 다르며 오류가 발생하기 쉽다. 컨트롤러는 PLC 사이클에서 이러한 결과를 처리할 때까지 기다린 후에, 수행할 작업을 그 결과에 따라 결정한다.
  이러한 지연은 처리량을 감소시키거나 모션 제어와 비전을 결합한 애플리케이션에서 다른 문제를 일으킬 수 있다. 기존의 PC 기반 비전 솔루션은 일반적으로 비전 알고리즘에 대해 더 높은 CPU 및 하드웨어 가용성을 제공하지만 OS는 처리 및 전송 시간에 영향을 미친다. 그러나 시대와 기술은 발전하고 있다. 오늘날 엔지니어는 여러 블랙박스가 아닌 하나의 기계 컨트롤러에서 모션 제어, 안전 기술, 측정 기술 및 로봇을 실행할 수 있다. 하나의 엔지니어링 환경 및 런타임에서 모든 기능을 구현하게 되면 표준 장벽이 제거되고 성능이 향상된다.



향상된 이미지 처리를 위한 통합형
통합형에는 비전을 산업용 PC(IPC) 플랫폼에 완전히 통합한다. 비전 알고리즘과 카메라 구성을 필드 버스, 모션 축, 로봇, 안전 및 HMI 구성과 동일한 툴에 통합하게 된다. 예를 들어 TwinCAT Vision 소프트웨어는 실시간 컨텍스트에 비전을 배치한다. 하나의 결정성 있는 멀티 태스킹 및 멀티 코어 CPU에서 모든 알고리즘을 실시간으로 실행함으로써 비전, PLC 및 모션 제어가 일관되게 동기화된다.
  PLC 메모리에 이미지를 저장하면, 중간 파일을 저장할 필요없이 HMI에서 현재 이미지에 쉽게 액세스하고 표시할 수 있다. 이것은 원시 이미지 또는 중간 비전 알고리즘 처리 단계의 이미지 일 수 있다. 이미지뿐만 아니라 예를 들어 비전 또는 카메라 매개 변수의 구성도 HMI에 표시된다. 이를 통해 사용자는 비전 애플리케이션 매개 변수에 액세스하여 각 조건에 맞게 조정할 수 있다.

완전히 통합된 이미지 처리 솔루션을 통해 엔지니어는 카메라 매개 변수를 프로그래밍하고 설정하기 위해 기능 블록 또는 IEC 61131-3 언어를 사용할 수 있다. 전용 그래픽 언어, C++/C# 및 특수 구성 툴의 필요성이 없어짐으로써 엔지니어는 상당한 노력과 비용을 절약할 수 있다.
  예를 들어 PLC 기능 블록은 카메라의 상태를 변경하거나 새 이미지를 위해 카메라를 트리거 할 수 있다. 이 방법을 사용하면 ST(Structured Text), SFC(Sequential Function Chart), LD(Ladder Logic) 또는 CCC(Continuous Function Chart)에 익숙한 엔지니어는 비전 시스템과 전체 기계를 제어할 수 있다.
  또한 머신 비전을 블랙박스 시스템에서 실시간 환경으로 이동하면 감시자가 이미지 처리 타이밍을 모니터링 할 수 있다. 이때 이미지 처리 알고리즘은 계산하는 데 많은 시간이 필요하므로 생산 라인에서 처리량 문제가 발생할 수 있다.
  예를 들어, 연속 흐름 프로세스에서 라인은 평소보다 더 많은 제품 그룹이 있기 때문에 속도를 늦추지 않아야 한다. 심지어 이러한 상황에서는 이미지 검토를 위해 보다 많은 시간을 필요하지만, 제품 흐름을 중단한다면 큰 문제가 발생할 수 있다. 반면 비전 알고리즘은 효율적인 감시를 통해 이미지 처리를 중지할 수 있고 사용 가능한 부분의 결과를 반환할 수 있다.



확장이 가능한 IPC 성능
PC 기반 자동화는 머신 비전이 있는 애플리케이션에서 확장 가능한 연결 및 컴퓨팅 성능을 위한 다양한 옵션을 제공한다. 예를 들어, 최신 IPC의 연결 옵션을 사용하면 10개 이상의 네트워크 인터페이스 카드를 쉽게 추가할 수 있으므로 각 카메라의 개별 통신 채널이 이미지 처리를 위해 PC로 전송할 수 있다. 이렇게 되면 불필요한 지연을 유발하고 배선을 복잡하게 만들 수 있는 고가의 스위치가 필요 없다.
  IPC 성능 스펙트럼은 비용 효율적인 플랫폼에서 시작하여 40개의 프로세서 코어가 있는 다중 코어 머신 컨트롤러까지 확장된다. 이러한 규모는 컴퓨팅 성능을 선택하는 데 이상적이다. 최신 제어 시스템은 단일 코어에서 다중 코어까지 PC 프로세서의 확장성을 활용하도록 처음부터 설계되었다. 강력한 PC 기반 제어 시스템에 통합된 비전시스템은 멀티 코어 기능을 활용할 수 있다.

프로그래머가 멀티 코어 및 코어 격리를 매우 쉽게 구현할 수 있도록 하기위해, 일부 IPC 플랫폼의 구성에는 단순히 "작업(job tasks)"을 코어에 할당한다. 비전 알고리즘에 사용되는 이러한 작업은 "작업 풀(job pool)"로 그룹화된다. 제어 시스템에서 비전이 실행됨에 따라 병렬 처리를 활용할 수 있는 알고리즘이 자동으로 여러 코어로 분할된다. 이들은 병렬로 처리하고 결과를 다시 가져와서 PLC와 이미지 알고리즘의 결과 변수에 반영된다.
  이러한 방식으로 프로그래머는 다중 코어, 다중 스레딩(threading) 또는 다중 작업에 대해 걱정할 필요가 없다. 시스템 제어 로직과 비전 코드만 구현하면 시스템은 자체적으로 멀티 코어 처리를 할 수 있다.



비전 시스템을 위한 GigE 표준의 네트워킹 설정
강력한 IPC에 통합된 이미지 처리시스템은 먼저 비전 센서에서 캡처한 이미지를 컨트롤러로 전송해야 한다. 표준화되고 효율적인 통신 프로토콜인 GigE Vision은 이를 가능하게 한다. 산업용 카메라 표준은 확장 가능한 속도의 기가비트 이더넷을 제공한다. 추가 하드웨어에 대한 요구 사항이 없으며 카메라 케이블은 최대 100m까지 연장할 수 있다.
  머신 비전 산업계의 모든 기업은 GigE 표준을 개발하기 위해 노력해왔으며 현재는 AIA(Automated Imaging Association)에서 이를 유지하고 있다. 원래의 목적은 카메라 및 소프트웨어 회사가 기가비트 이더넷 필드 버스에 솔루션을 원활하게 통합 할 수 있는 표준을 수립하는 것이었다. GigE는 긴 케이블 길이에 걸쳐 이미지를 고속으로 전송할 수 있는 최초의 표준이다.

기가비트 이더넷은 표준 버스 기술이지만 기가비트 이더넷 포트가 있는 모든 카메라가 GigE Vision을 준수하는 것은 아니다. GigE Vision과 호환되려면 카메라가 GigE Vision 표준에서 설정 한 프로토콜을 준수해야 하며 AIA의 인증을 받아야 한다. 비전 애플리케이션을 위한 구성 요소를 지정할 때 이를 확인하는 것이 중요하다.
  GigE Vision 인터페이스가 있는 카메라 제조업체는 GenApi 형식으로 구성을 제공한다. 통합된 머신 비전 구성 도구는 매개 변수를 읽고 배열된 방식으로 사용할 수 있다. 이러한 방식으로 노출시간 조정 및 관심 영역 설정과 같은 구성을 빠르고 쉽게 변경할 수 있다. 복잡성 측면에서, 비전 애플리케이션을 위한 카메라의 매개 변수화는 서보 드라이브의 매개 변수화와 비슷하다.

EtherCAT의 장점
PC 기반 자동화는 실시간 PLC와 같은 핵심 제어 기능과 EtherCAT 산업용 이더넷 시스템을 포함한 필드 버스에 대해 액세스할 수 있다. EtherCAT 프로토콜의 높은 결정성 및 분산 클록을 통한 장치 동기화로 인해 매우 정밀한 트리거 타이밍을 알수있고 타임 스탬프 기반의 출력 터미널은 마이크로 초 수준의 정확도로 카메라에 하드웨어 트리거 신호를 보낼 수 있다.
  모든 것이 매우 정확한 시간적 맥락에서 실시간으로 이루어진다. 예를 들어 이미지 획득 및 축 위치는 PLC 프로그래머가 자주 처리하는 고정밀로 동기화 할 수 있다. 카메라는 이미지 캡처 시작과 같이 이전에 정의된 이벤트에서 출력 신호를 보낼 수도 있다. 이러한 신호는 EtherCAT 네트워크의 디지털 입력 단자를 통해 획득한 뒤 PLC에서 추가 프로세스 동기화를 통해 사용할 수 있다.

EtherCAT을 통해 트리거 되는 비전 조명 컨트롤러는 50µsec에서 펄스로 플래시 조명을 활성화한다. 컨트롤러는 분산 클록 및 타임 스탬프를 통해 각 개별 플래시를 매우 정확하게 트리거 할 수 있다. 예를 들어 컨베이어 제품이 각 트리거 전에 정확한 위치에 도달할 수 있다.
  이는 궁극적으로 머신 컨트롤러와 필드 버스의 비전 기술 통합을 이끄는 주요 요인이다. 이것은 EtherCAT 조명 장치에 높은 동기화를 제공한다. 이는 카메라 녹화 또는 로봇 이동과 같은 동일한 주기로 트리거 되기 때문이다.
  이미지 처리는 계속해서 중요해질 것이이며 가격이 낮아지면 센서를 대체할 것이다. 확장 가능한 컨트롤러 하드웨어와 결합된 실시간 및 엔지니어링 환경을 통해 PC 기반 자동화를 표준화함으로써 미래에는 비전 집약적인 애플리케이션을 사용할 수 있다.

자료 제공: Beckhoff(www.beckhoffautomation.com)


  기자 : 편집부 
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  날짜 : 2022-01

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