Интеграция машинного зрения и управления станком в одном ПК
Глобальные компании по производству полупроводниковых чипов уже много лет продвигают концепцию консолидации аппаратного обеспечения, и среди открывающихся возможностей такой консолидации — интеграция функций машинного зрения и функций управления станком в одном управляющем компьютере.
С каждым годом процессоры с постоянно растущей мощностью и производительностью осуществляют все более сложные вычислительные функции, ранее выполнявшиеся отдельными устройствами. Технология машинного зрения не исключение, поскольку она продолжает развиваться и специалисты все яснее видят новые возможности.
Благодаря более высокому разрешению и более быстрой обработке изображений системы видеонаблюдения перешли от роли простых датчиков к полноценным интегрированным решениям, пригодным для управления сложными процессами. Правильно подобранные осветители и объективы по-прежнему определяют качество изображения, но серьезные улучшения происходят и в других областях.
Интеграция функций машинного зрения в главный контроллер станков позволяет машинному зрению реализовать даже самые сложные и высокоскоростные задачи, что сокращает количество отдельных аппаратных средств. Такой подход гарантирует, что все процессы — от захвата изображения и до получения результатов его обработки — происходят в рамках выполнения управляющей программы станка в режиме реального времени. Благодаря тому что обработка изображений производится в главном контроллере станка, становится возможной точная синхронизация с обновлениями полевой шины, положением осей и других переменных кода, обеспечивающая согласование работы механизмов станка, момента получения изображения, работы осветителя, а также создается возможность немедленного формирования управляющего воздействия.
Машинное зрение в режиме реального времени
В автоматизации и управлении режим реального времени определяется контроллером автоматизации, выполняющим весь необходимый код и обновляющим линии устройства ввода/вывода с постоянным известным интервалом времени. Примером такой системы служит контроллер движения, обновляющий положение осей оборудования с заранее заданной скоростью или частотой. Режим реального времени также означает, что на программу, работающую в режиме реального времени, не влияют задачи, выполняемые вне среды реального времени, такие как операционная система или другое программное обеспечение. Скорость обработки системы машинного зрения определяется конкретным применением. Например, в одном случае может потребоваться контроль внешнего вида со скоростью 5 изображений/с, в то время как в другом случае — со скоростью 50 изображений/с. Оба типа контроля могут обрабатываться в режиме реального времени, а результаты передаваться в главный контроллер автоматизации.
Выбранный тип системы машинного зрения влияет на возможности работы в режиме реального времени.
Четыре подхода к ПО для визуального контроля
В большинстве случаев внедрение современного программного обеспечения для визуального контроля осуществляется одним из четырех способов:
- «умные» камеры со встроенным процессором, выполняющим всю необходимую обработку изображений;
- машинное зрение на базе ПК: автономный многоядерный процессор, выполняющий алгоритмы машинного зрения в среде операционной системы, например в Microsoft Windows;
- контроллер машинного зрения: автономное устройство, работающее под управлением проприетарной операционной системы, обеспечивающее обработку изображений от одной или нескольких удаленных камер;
- передовое многоядерное программное обеспечение для автоматизации на базе ПК, обеспечивающее управление станками и обработку изображений в режиме реального времени.
При выполнении программы визуального контроля на выделенном процессоре время, необходимое для его завершения, напрямую зависит от производительности процессора, скорости обработки, сложности программы и особенностей изображения. Если нужно выполнить работу быстрее, возникает выбор: сократить обрабатываемые данные изображения, оптимизировать код или применить более быстрый процессор.
При использовании традиционного машинного зрения на базе ПК, когда программа визуального контроля выполняется в среде Microsoft Windows на автономном многоядерном процессоре, в игру вступают и другие факторы. Возможность использования нескольких ядер позволяет сократить общее время обработки. Однако другие процессы Microsoft Windows, также имеющие доступ к этим ядрам, и особенности диспетчера Windows, распределяющего вычислительные процессы между ядрами, могут вызывать колебания во времени, необходимом для выполнения задачи визуального контроля. Это создает дополнительную неопределенность или изменение времени, которое понадобится для завершения обработки изображения. Аппаратное обеспечение часто бывает выбрано избыточно, что увеличивает стоимость не только за счет процессора, но и из-за таких факторов, как размеры корпуса ПК, дополнительное питание и отвод тепла.
Дополнительным требованием к «умным» камерам, машинному зрению на базе ПК и контроллерам машинного зрения становится то, что после получения данных они должны передаваться главному контроллеру станка. Эти данные могут быть простым вердиктом «годен/не годен» или изображениями, содержащими большие объемы данных. Время, необходимое для передачи этих данных контроллеру станка, может иметь значение и также должно учитываться.
ПК для работы в режиме реального времени
Более современный подход заключается в обработке данных визуального контроля в изолированном ядре (ядрах) передовой платформы автоматизации, построенной на базе ПК и сопутствующего программного обеспечения, работающего в режиме реального времени. На платформах такого типа можно, используя одно мощное аппаратное обеспечение, запускать множество отдельных программных модулей управления станками, включая машинное зрение. Программные платформы на базе ПК обеспечивают основу для вызова модульных программных элементов в режиме реального времени.
Благодаря модульности компонентов в этой среде реального времени несколько модулей ПЛК, C++ или визуального контроля могут выполняться на одном устройстве независимо. Средства автоматизации на базе ПК также позволяют изолировать процессорные ядра от системы.
Выделение одного или нескольких таких изолированных ядер, например для обработки изображений, предотвращает влияние других процессов на время, необходимое для завершения визуального контроля. Другие процессы или модули, действующие на той же платформе, не влияют на время обработки. Результаты проверки, включая изображения, немедленно становятся доступными для основного управляющего процесса, который выполняется параллельно на той же программной платформе. Передовая программная платформа автоматизации на базе ПК в режиме реального времени обладает значительными преимуществами. К ним относится более высокая пропускная способность и более слаженная работа системы, чем при использовании машинного зрения отдельно от платформы управления станками. Модернизация с помощью этой передовой платформы повышает общую производительность производственной линии.
Интегрированное машинное зрение оптимизирует автоматизированную сборку
Компания Aixemtec GmbH, базирующаяся в Херцогенрате, Германия, разрабатывает автоматизированные решения для прецизионной сборки электрооптических систем. Сборочные решения для различных областей применения основаны на комплексной и модульной платформе. До сих пор для машинного зрения, человеко-машинного интерфейса, последовательного управления и машинного управления применялось несколько ПК. Теперь все эти задачи может выполнять программная платформа автоматизации на базе ПК в режиме реального времени. Что касается программного обеспечения, используются модули для машинного зрения, программируемых логических контроллеров, управления движением, безопасности и человеко-машинного интерфейса.
Определенная подготовка для создания управляющих программ выполняется вне среды реального времени в специально разработанной языковой программе высокого уровня. Здесь система управления на базе ПК позволяет легко интегрировать программные модули и пользовательские программы на одном и том же промышленном ПК. Программное обеспечение автоматизации поддерживает необходимую связь между другими программными системами с помощью универсальных коммуникационных интерфейсов.