مزایای ترکیب بینایی در کنترل ماشین

بینایی ماشین برای بسیاری از کارها از قبیل بازرسی کیفیت، ردیابی و موارد دیگر ضروری است. با کاهش هزینه و افزایش قابلیت ها، تقریباً هر ماشینی در هر صنعتی می تواند از آن بهره مند شود. اما پردازش تصویر به دلیل یک نقص حیاتی ، از تأخیر زیاد و عملکرد غیر ایده آلی رنج می برد. بینایی ماشین به طور معمول جدا از محیط کنترلی است. دوربین های هوشمند مستقل و کامپیوتر قدرتمند جداگانه یا کنترلر بینایی، هر کدام به ابزارهای پیکربندی و زبان های برنامه نویسی خاصی نیاز دارند. این امر می تواند شرکت ها را برای هرتغییری نیازمند متخصصان بینایی ماشین کند و باعث پیچیدگی و هزینه بیشتر سیستم شود.

از دیدگاه فنی، سخت‌افزار بینایی مستقل، تصویر را دریافت می‌کند و تنها پس از پردازش، نتایج را از طریق فیلدباس یا پروتکل ارتباطی به کنترلر ارسال می‌کند. ارتباط بین پردازش تصویر و سیستم کنترل اغلب مستعد خطا است. کنترلر باید تا چرخه بعدی PLCصبر کند تا نتایج را پردازش کند و سپس تصمیم بگیرد با نتایج چه کند. این تأخیر می‌تواند باعث کاهش توان عملیاتی یا ایجاد مشکلات دیگر در کاربردهایی شود که کنترل حرکت و بینایی ماشین را با هم ترکیب می‌کنند. علاوه بر آن، راه حل‌های بینایی ماشین مبتنی بر PC به طور کلی CPU و سخت افزار بیشتری را برای الگوریتم‌های بینایی ارائه می‌دهند، اما فرآیندهای خارجی مانند سیستم عامل بر زمان پردازش و انتقال تأثیر می‌گذارند.
اما زمان‌ها و تکنولوژی‌ها در حال تغییر هستند. مهندسین امروزی قادرند تا کنترل حرکت، فناوری امنیتی، فناوری اندازه‌گیری و رباتیک را، در کنار بسیاری دیگر از عملکردها، روی یک کنترل‌کننده دستگاه به جای چندین Black Box مجزا اجرا کنند و عرضه‌کنندگان مدرن اتوماسیون نیز در حال اعمال همین رویکرد یکپارچه به فناوری بینایی ماشین هستند. اجرای کلیه کارها در یک محیط مهندسی و زمان اجرا واحد، موانع معمولی را برطرف کرده و کارایی را افزایش می‌دهد.

روش مجتمع برای پردازش تصویر پیشرفته

روش مجتمع شامل ادغام کامل بینایی در یک پلتفرم رایانه ای قابل ارتقای صنعتی (IPC) است و در نتیجه ی آن عملیات ماشین از چندین جهت، از جمله واکنش های قطعی به نتایج و عدم نیاز به ارتباط اضافی برای نتایج، سود می برند. ادغام الگوریتم های بینایی و پیکربندی دوربین در همان ابزاری که برای پیکربندی فیلدباس ها، محورهای حرکتی، رباتیک، ایمنی و HMI استفاده می شوند نیز به همان اندازه مفید است. به عنوان مثال، نرم افزار TwinCAT Vision، بینایی را در بافت کنترل بلادرنگ قرار می دهد. با اجرای تمام الگوریتم ها روی یک پردازنده مرکزی بلادرنگ Deterministic، مولتی¬تسکینگ و چند هسته ای، بینایی، PLC و کنترل حرکت به طور مداوم سنکرون و همزمان هستند.
با ذخیره‌سازی تصاویر در حافظه‌ی PLC، دسترسی به تصویر فعلی و نمایش آن روی HMI بدون نیاز به ذخیره‌سازی در یک فایل واسطه، آسان می‌شود. این می‌تواند تصویر ورودی خام یا هر تصویری در مرحله‌ی فعلی پردازش الگوریتم واسطه‌ی بینایی باشد. نه تنها تصاویر باید در HMI نمایش داده شوند، بلکه به عنوان مثال، پیکربندی پارامترهای بینایی یا دوربین نیز باید نمایش داده شوند. این امر به کاربران نهایی سیستم اجازه می‌دهد تا پارامترهای برنامه‌ی بینایی را برای تطبیق دادن با شرایط مربوطه، تنظیم کنند.

پردازش پیشرفته تصاویر با استفاده از دوربین‌های GigE و الگوریتم‌های تخصصی اکنون برای بازرسی کیفیت، ردیابی و رهگیری و موارد دیگر ضروری است.

راهکارهای مجتمع پردازش تصویر به مهندسین این امکان را می‌دهد که از بلاک‌های توابع معروف یا زبان‌های برنامه‌نویسی IEC 61131-3 برای برنامه‌نویسی و تنظیم پارامترهای دوربین استفاده کنند. با حذف نیاز به زبان‌های گرافیکی اختصاصی، ++C/C# و ابزارهای پیکربندی ویژه، سازندگان ماشین باعث صرفه جویی قابل توجهی در زمان و هزینه می¬شوند. به عنوان مثال، بلاک‌های توابع PLC می‌توانند وضعیت دوربین را تغییر دهند یا دوربین را برای گرفتن تصویر جدید فعال کنند. با این روش، مهندسین کنترل که با زبان‌های Structured Text (ST)، Sequential Function Chart (SFC)، Ladder Logic (LD) یا Continuous Function Chart (CFC) آشنا هستند، کنترل سیستم بینایی و کل ماشین را در دست دارند.
علاوه بر این، انتقال سیستم‌های بینایی ماشین از سیستم‌های جعبه سیاه به محیط بلادرنگ، به ناظران اجازه می‌دهد تا زمان‌بندی عملکردهای پردازش تصویر را کنترل کنند. الگوریتم‌های پردازش تصویر، به دلیل اطلاعات مختلف تصویر، برای محاسبه به زمان‌های متفاوتی نیاز دارند که می‌تواند مشکلاتی را در خطوط تولید ایجاد کند. به عنوان مثال، در یک فرآیند جریان مداوم، خط تولید نباید – و معمولاً نمی‌تواند – کند شود، زیرا محصولات بیش از حد معمول در کنار هم قرار گرفته‌اند. حتی اگر این وضعیت نیازمند زمان بیشتری برای بررسی تصاویر در سیستم بینایی باشد، تلاش برای متوقف کردن جریان محصول می‌تواند فاجعه‌بار باشد. با واچ¬داگ¬های کاربردی و موثر، الگوریتم‌های بینایی می‌توانند پردازش تصویر را متوقف کرده و هر نتیجه ی جزئی موجود را برگردانند.

کلید قدرت پردازش مقیاس پذیر به IPC

اتوماسیون مبتنی بر کامپیوتر گزینه‌های متعددی برای اتصال پذیری و قدرت پردازشی قابل توسعه در کاربردهای دارای بینایی ماشینی ارائه می‌دهد. گزینه‌های اتصال در IPC‌های مدرن به عنوان مثال، اضافه کردن راحت بیش از 10 کارت رابط شبکه را ممکن می‌سازد تا امکان کانال‌های ارتباطی فردی برای هر دوربین برای انتقال موثر تصویر به کامپیوتر برای پردازش فراهم شود. این کار نیاز به سوئیچ‌های گران قیمت را که می‌توانند تأخیرهای غیرضروری ایجاد کرده و سیم‌کشی را پیچیده کنند، حذف می‌کند.

طیف کارکرد IPC از پلتفرم‌های صرفه‌جویی در هزینه شروع می‌شود و تا کنترلرهای ماشین چند هسته‌ای با 40 هسته پردازشی ادامه می‌یابد. داشتن چنین دامنه‌ای برای انتخاب قدرت پردازشی مناسب برای پروژه‌های پردازش تصویر تنها، ایده‌آل است. سیستم‌های کنترل صنعتی مدرن از پایه و اساس برای بهره‌برداری از قابلیت توسعه‌پذیری پردازنده‌های PC از یک هسته تا چند هسته طراحی شده‌اند. سیستم‌های بینایی که در سیستم‌های کنترل مبتنی بر PC قدرتمند تعبیه شده‌اند نیز می‌توانند از قابلیت‌های چند هسته‌ای استفاده کنند.

Deterministic بودن و سنکرون سازی EtherCAT اجازه می‌دهد تا زمان‌بندی راه‌اندازی دقیق در سطح میکروثانیه، حتی در کاربردهای با حرکت هماهنگ پیشرفته، ممکن شود.

برای ساده‌سازی بیشتر پیاده‌سازی چند هسته‌ای و ایزولاسیون هسته برای برنامه‌نویس، پیکربندی در برخی از پلتفرم‌های IPC به سادگی شامل تخصیص “وظایف کاری” به هسته‌ها می‌شود. این وظایف، که باید برای الگوریتم‌های بینایی به کار گرفته شوند، سپس در یک “استخر کار” گروه‌بندی می‌شوند. همانطور که بینایی در سیستم کنترل اجرا می‌شود، الگوریتم‌هایی که می‌توانند از پردازش موازی بهره‌مند شوند، به طور خودکار بین چند هسته تقسیم می‌شوند و به صورت موازی کار پردازش را انجام داده، نتایج را با هم ترکیب می‌کنند و به PLC و متغیر(های) نتیجه ی الگوریتم تصویر ارائه می‌دهند.

به این صورت، برنامه‌نویسان نیازی به نگرانی درباره مدیریت چندین هسته، چندین ریسمان پردازش یا چندین وظیفه ندارند و فقط باید منطق کنترل ماشین و کد بینایی ماشین را پیاده‌سازی کنند که این امر به سیستم این امکان را می‌دهد تا فرآیندهای مرتبط با چند هسته‌ای را به صورت اتوماتیک انجام دهد.

استاندارد GigE تعیین کننده­ی شبکه‌سازی برای سیستم‌های بینایی ماشین

پیش از هر چیز، پردازش یکپارچه تصویر در یک IPC قدرتمند نیاز به انتقال تصویر به دست آمده از حسگر بینایی به کنترلر دارد که GigE Vision، یک پروتکل ارتباطی استاندارد و کارآمد، این امکان را فراهم می‌کند. این استاندارد دوربین صنعتی مشترک مبتنی بر گیگابیت اترنت با سرعت‌های قابل ارتقا است که هیچ نیازی به سخت‌افزارهای اتصال اضافی ندارد و کابل‌های دوربین می‌توانند تا 100 متر طول را  پشتیبانی کنند.

گروه بزرگی از شرکت‌ها از هر بخش در صنعت بینایی ماشین برای توسعه استاندارد GigE کار کرده اند و حالا انجمن تصویربرداری اتوماتیک (AIA) آن را حفظ می‌کند. هدف اولیه، ایجاد استانداردی بود که اجازه می‌داد شرکت‌های دوربین و نرم‌افزار بتوانند به طور بی‌درنگ راه‌حل‌های خود را روی فیلدباس‌های گیگابیت اترنت یکپارچه کنند. GigE اولین استانداردی است که انتقال تصاویر با سرعت بالا را بر فواصل طولانی کابل ممکن می‌سازد.
در حالی که گیگابیت اترنت به عنوان یک فناوری استاندارد باس است، تمامی دوربین‌های مجهز به پورت‌های گیگابیت اترنت لزوماً مطابق با استاندارد GigE Vision نیستند. برای انطباق با استاندارد GigE Vision، دوربین باید به پروتکل‌های تعیین‌شده توسط استاندارد GigE Vision پایبند بوده و توسط AIA گواهینامه شده باشد. بررسی این امر زمانی که مؤلفه‌ها برای یک کاربرد بینایی ماشین مشخص می‌گردند، بسیار حیاتی هست.

سیستم‌های پردازش تصویر مجتمع کامل، مانند نرم‌افزار TwinCAT Vision، از دنیای کنترل ماشین می‌آیند و اجازه برنامه‌نویسی به زبان‌های PLC آشنا را می‌دهند.

تولیدکنندگان دوربین‌های دارای رابط GigE Vision یک توصیف پیکربندی در قالب GenApi ارائه می‌دهند. ابزارهای پیکربندی بینایی ماشینی یکپارچه، پارامترها را می‌خوانند و آن‌ها را به شکلی واضح و منظم در اختیار کاربران قرار می‌دهند. به این ترتیب، تغییرات پیکربندی، مانند تنظیم زمان نوردهی و تنظیم یک منطقه علاقه ، می‌تواند به سرعت و به آسانی انجام شود. از نظر پیچیدگی، پارامتر سازی یک دوربین برای یک کاربرد بینایی با پارامتر سازی یک درایو سروو قابل مقایسه است.

مزایای EtherCAT

اتوماسیون مبتنی بر PC مزایای ذاتی را از قابلیت‌های اصلی کنترل همچون PLC بلادرنگ و دسترسی به چندین فیلدباس، از جمله سیستم اترنت صنعتی EtherCAT، به ارمغان می‌آورد. به دلیل قطعیت بالای پروتکل EtherCAT و سنکرئن بودن دستگاه‌ها از طریق کلاک‌های توزیع‌شده، زمان‌بندی محرک بسیار دقیق و ترمینال‌های خروجی بر پایه‌ی تمبر زمانی قادر به ارسال سیگنال محرک سخت‌افزاری با دقت در سطح میکروثانیه به دوربین هستند. چون همه چیز بلادرنگ و در یک بافت زمانی بسیار دقیق اتفاق می‌افتد، به عنوان مثال، اکتساب تصویر و موقعیت محورها می‌توانند با دقت زیادی همزمان شوند که این وظیفه‌ای است که اغلب برنامه‌نویسان PLC انجام می‌دهند. بسیاری از دوربین‌ها همچنین می‌توانند در رویدادهای از قبل تعریف‌شده، مانند شروع ثبت تصویر، سیگنال‌های خروجی ارسال کنند. این سیگنال‌ها می‌توانند با یک ترمینال ورودی دیجیتال در شبکه‌ی EtherCAT جمع‌آوری و سپس در PLC برای هماهنگی دقیق فرآیندهای بعدی استفاده شوند.

کنترلرهای خاص روشنایی بینایی که از طریق EtherCAT محرک می‌شوند، امکان نورپردازی با پالس‌ها در 50 µsec را فراهم می‌آورند. هر پالس تنها می‌تواند با دقت زیاد توسط کنترلر از طریق کلاک‌های توزیع‌شده و زمان محرک شود. این اطمینان را فراهم می‌آورد که محصولات روی نوار نقاله، به عنوان مثال، قبل از هر رویداد محرک به موقعیت دقیق برسند. همزمانی در نهایت یک عامل اصلی برای ادغام فناوری بینایی در داخل کنترلر ماشین و فیلدباس است. این به دستگاه روشنایی EtherCAT قابلیت همزمانی چرخه‌ای بالا می‌دهد، چرا که در همان چرخه‌ای که ثبت دوربین یا حرکت ربات اتفاق می‌افتد، محرک می‌شود.

در آخر، پردازش تصویر ادامه خواهد یافت تا اهمیت بیشتری پیدا کند و در بسیاری موارد، با کاهش قیمت، جایگزین سنسورها شود. با استانداردسازی بر اتوماسیون مبتنی بر PC با سخت‌افزار کنترلر قابل توسعه و یک محیط مهندسی و به موقع مشترک، مهندسین می‌توانند کاربردهای بینایی با شدت بالا را برای آینده ادامه دهند.