Сочетание машинного наблюдения и измерения температуры Часть 4

Основа

Традиционно камеры видимого света были основой систем машинного видения, используемых для автоматизированного контроля и управления технологическими процессами. Многие из этих систем также требуют измерения температуры для обеспечения качества продукции. Во многих случаях ИК-камера может выдавать как изображение продукта, так и данные о критической температуре. Если приложение не выиграет от термографических изображений и бесконтактных измерений температуры, то камера с видимым освещением, безусловно, дешевле. Если верно обратное, то разработчику системы следует рассмотреть возможность использования ИК-камеры.

Поскольку ИК-камеры продолжают усовершенствоваться наряду с соответствующим оборудованием и программным обеспечением, их использование в автоматизированных системах очень быстро растет. Благодаря их комбинированным возможностям визуализации и измерения температуры они могут быть очень экономичным вариантом. Основным препятствием для их более широкого использования является недостаточное знакомство разработчиков систем с функциями ИК-камер и соответствующими стандартами, системами и ПО, которые их поддерживают. В данной главе содержится большая часть информации для ознакомления.

Применение машинного видения

Как и в случае камер видимого света, термографические камеры и связанное с ними программное обеспечение могут распознавать размер, форму и относительное расположение целевых объектов (т.е. Они могут выполнять сопоставление с образцом). Более того, электроника в новых ИК-камерах обеспечивает быструю обработку сигнала, что позволяет захватывать относительно быстро движущиеся детали на производственной линии с высокой частотой кадров видео (60 Гц или выше). Их аналогово-цифровые преобразователи сочетают короткое время интеграции с высоким разрешением, что имеет решающее значение для правильной характеристики движущихся целей или целей, температура которых быстро меняется.

Рисунок 1. Результаты автоматизированного контроля микросхем на печатной плате

Одним из примеров последнего является автоматизированный контроль работающих микросхем на печатной плате (рис. 1).

В некоторых случаях включается испытание на перезагрузку, при котором микросхема подвергается воздействию импульса тока, чтобы можно было охарактеризовать ее тепловую нагрузку. В одном из таких случаев микросхема имеет прямое и обратное смещение с уровнями тока, выходящими за пределы установленных, с использованием импульса продолжительностью 800 мс. ИК-камера захватывает изображение во время и после импульса тока, чтобы охарактеризовать повышение и понижение температуры. При частоте кадров 60 Гц новый кадр может быть записан примерно каждые 17 мс. В такой системе во время импульса 800 мс может быть захвачено около 50 кадров, и многие другие обычно снимаются позже, чтобы выявить характеристики рассеивания тепла.

В других приложениях такого рода хорошее изображение может быть сохранено и сравнено с контрольным изображением с помощью попиксельного вычитания. В идеале результирующее изображение должно быть полностью черным, указывающим на отсутствие различий. Области с чрезмерными перепадами температур указывают на плохую часть, что позволяет очень легко различить нежелательные различия.

Существует множество других применений, в которых сочетание бесконтактных измерений температуры и визуализации с высокой частотой кадров чрезвычайно ценится. Некоторые автоматизированные системы, в которых уже используются ИК-камеры, включают:

• Линии по производству и сборке автомобильных деталей
• Операции сталелитейного завода, такие как контроль шлака и проверка ковша
• Линии по переработке пищевых продуктов
• Упаковка продукта
• Неразрушающий контроль, например обнаружение пустот под поверхностью в формованных деталях
• Мониторинг электрооборудования
• Исследования и разработки, прототипирование и производство в электронной промышленности

Интересным примером автомобильной промышленности является мониторинг распределения температуры формы для литья под давлением для критически важной для безопасности детали (Рисунок 2). Перед установкой системы ИК-машинного зрения производитель проводил 100%-ную проверку с использованием рентгеновской системы для выявления дефектов поверхности. Делать это в качестве встроенной процедуры было непрактично, поэтому рентгеновские снимки были сделаны через несколько часов после изготовления детали. Если рентгеновские снимки показывали значительную проблему в деталях, поступающих из конкретной пресс-формы, эта информация передавалась в производственную зону, чтобы можно было регулировать температуру пресс-формы. Это был длительный и дорогостоящий процесс, который часто приводил к высокому уровню брака. С помощью своей системы камер оператор пресс-формы может немедленно проверить и отрегулировать распределение температуры в пресс-форме.

Высокоэффективная технология

Передача данных является основой современного промышленного SCADA, ПЛК, HMI и систем машинного видения. Ethernet стал стандартом де-факто для таких систем. Учитывая это, особенности ИК-камеры, которые обеспечивают практическое использование в приложениях машинного зрения, - это подключение к гигабитному Ethernet (GigE), соответствие требованиям GigE Vision™, интерфейс GenICam™ и широкий спектр программного обеспечения сторонних производителей, поддерживающего эти камеры. Существуют и другие аппаратные функции, которые также важны.

Как правило, в целевых приложениях не требуется сверхвысокое разрешение детектора, поэтому типичная матрица фокальной плоскости (FPA) будет иметь размер 320 x 240 пикселей. Тем не менее, вывод 16-битного потока изображений из этих 76 800 пикселей с частотой кадров 60 Гц составляет около 74 Мб/с. Хотя это намного медленнее способности системы Ethernet на 1000 базовых станций, но есть возможность подключения нескольких камер, и в сети может быть много другого трафика между передачей изображений.

Чтобы ускорить передачу изображений, анализ данных и принятие решений должны происходить вне камеры, и это одна из причин, по которой существует хороший рынок для стороннего термографического программного обеспечения. Другая причина заключается в том, что большинство систем машинного видения специально разработаны для конкретных производственных процессов. Конечно, производители ИК-камер поставляют различные типы программного обеспечения для поддержки своих продуктов и облегчения применения в этих системах.

Целью технического стандарта GigE Vision является создание версии GigE, отвечающей требованиям индустрии машинного видения. Одной из задач отрасли является возможность смешивать и сочетать компоненты различных производителей, соответствующих стандарту. Другим преимуществом являются относительно недорогие аксессуары, такие как кабели, коммутаторы и сетевые интерфейсные платы (NIC), а также возможность использования относительно длинных кабельных трасс там, где это необходимо.

Стандарт GigE Vision, основанный на UDP/IP, состоит из четырех основных элементов:

• Механизм, который позволяет приложению обнаруживать и перечислять устройства и определяет, как устройства получают действительный IP-адрес.
• Протокол GigE Vision Control Protocol (GVCP), позволяющий настраивать обнаруженные устройства и гарантирующий надежность передачи.
• Потоковый протокол GigE Vision (GVSP), позволяющий приложениям получать информацию с устройств.
• Загрузочные регистры, описывающие само устройство (текущий IP-адрес, серийный номер, производитель и т.д.).

Благодаря возможностям GigE и соответствующему программному обеспечению система ИК-видения не требует отдельного захвата кадров, что обычно имело место с камерами видимого света в прошлом. По сути, порт GigE на ПК является захватчиком кадров. Старые камеры с видимым светом, которые имеют только аналоговые видеовыходы (NTSC и PAL), ограничены гораздо более низкой частотой кадров и наблюдениями за видеомонитором. Благодаря использованию GigE система ИК-видения не только имеет более высокую частоту кадров, но и может контролироваться удаленно на гораздо больших расстояниях по сравнению с локальной обработкой и передачей данных по USB, Firewire, Camera Link и т.д. Кроме того, компоненты Ethernet имеют более выгодную стоимость по сравнению с картами захвата кадров и соответствующим оборудованием.

Камера GigE Vision обычно использует сетевой адаптер, а к сети может быть подключено несколько камер. Однако драйверы, поставляемые производителями сетевых адаптеров, используют IP-стек Windows или Linux, которые могут привести к непредсказуемому поведению, такому как задержка при передаче данных. За счет использования более эффективных выделенных драйверов, совместимых со стандартом GigE Vision, можно обойти IP-стек и передать данные непосредственно в память на уровне ядра системы ПК. Другими словами, передача прямого доступа к памяти (DMA) согласовывается, что также исключает большую часть вмешательства ЦПУ. Таким образом, создается система ИК-видения почти в реальном времени, в которой почти всё процессорное время отводится на обработку изображений.

Рисунок 3. Официальный товарный знак для Продуктов, соответствующих требованиям GigE

Чтобы убедиться в том, что камера соответствует стандарту GigE Vision, можно нанести официальную торговую марку (показано на рисунке 3) в том случае, если камера соответствует стандарту.

Также для ИК-камеры следует учитывать соответствие требованиям GenICam. Соответствие требованиям GenICam облегчает разработчикам интеграцию камер в их систему ИК-видения. Цель стандарта GenICam - предоставить универсальный программный интерфейс для всех видов камер. Независимо от того, какая технология интерфейса (GigE Vision, Camera Link, 1394 и т.д.) используется или какие функции камеры реализуются, интерфейс прикладного программирования (API) должен быть одинаковым. Стандарт GenICam состоит из нескольких модулей, основными задачами, которых являются:

• GenApi: настройка камеры
• Стандартные имена функций: рекомендуемые имена и типы для общих функций
• Нежный: интерфейс транспортного уровня, захват изображений

Общие задачи, связанные с ИК-камерами в системах наблюдения, включают настройки конфигураций, управление, обработку изображения и добавление результатов измерения температуры в поток данных изображения. GigE Vision делает возможной аппаратную независимость, в то время как GenICam создает независимость от программного обеспечения. Например, в системе с ИК-камерами, совместимыми между собой и подключенными к сети GigE, практически любая прикладная программа может командовать камерой для отправки потока изображений частотой 60 Гц, которые можно легко захватить без потери кадров и потери важных данных. Эта информация может быть обработана для функций сигнализации, анализа тенденций и статистического управления процессами.

Стороннее ПО расширяет возможности приложений

Придерживаясь стандартов, описанных выше, производители ИК-камер облегчают разработчикам интеграцию своих камер в системы видеонаблюдения с широким спектром функций.  Производители камер также поставляют различные программные продукты для облегчения задач интеграции. Например, FLIR A325 поставляется с тремя пакетами, которые работают на контроллере ПК:

• Утилита настройки IP–адресов - находит камеры в сети и настраивает их
• ИК-монитор – отображает изображения и данные о температуре с девяти камер одновременно
• Интерфейс управления и изображения AXXX – низкоуровневые описания взаимодействия с камерой, включая форматы изображений и примеры C-кода

Кроме того, доступны дополнительные наборы инструментов разработчика программного обеспечения (FLIR, SDK, LabVIEW Toolkit, Active GigE SDK от A & B Software и т. д.) Для тех, кто создает исходный код для пользовательских приложений в средах программирования, таких как Visual Basic, C++, Delphi и т. д. Однако сильной стороной такой камеры, как A325, является ее способность взаимодействовать со сторонним программным обеспечением, которое устраняет или сводит к минимуму необходимость написания исходного кода. Например, National Instrument’s Vision Builder для автоматизированного контроля - это настраиваемый пакет для создания, тестирования и развертывания приложений машинного видения (Рисунок 5). Этот пакет не требует от пользователя написания программного кода. Встроенный интерфейс развертывания облегчает установку системы и включает в себя возможность определять сложные решения о пропуске /сбое, управлять цифровым вводом-выводом и взаимодействовать с последовательными устройствами или устройствами Ethernet, такими как ПК, ПЛК и HMI. Аналогичные функции доступны в Common Vision Blox, стеммере для обработки изображений, в котором содержатся аппаратные и языковые независимые инструменты и библиотеки для специалистов по обработке изображений.

Благодаря использованию программного обеспечения сторонних производителей для передачи большей части функций аналитики, управления и управления с камеры на ПК, возможности приложений значительно расширяются. Одной из возможностей является создание смешанной системы камер. Например, ИК-камеры могут использоваться для получения тепловых изображений и данных о температуре, в то время как камеры видимого света могут обеспечивать распознавание цветов “белого света".

Пищевая промышленность - это отрасль, в которой с ИК-камерами для автоматизированных приложений машинного видения используется аналитика более высокого уровня. Широкая область применения, в которой системы ИК-видения превосходят другие аппараты, заключается в 100% проверке приготовленных продуктов питания, непрерывно выходящих из печи на конвейере. Главная задача здесь – убедиться в том, что продукты были тщательно приготовлены, что можно определить, измерив их температуру камерой, как показано на примере котлет для гамбургеров на рисунке 5. Это можно сделать, определив точки измерения или области, соответствующие расположению гамбургеров при выходе из духовки. Если температура бургера слишком низкая, логика программы машинного зрения не только подает сигнал тревоги, но и отображает изображение оператору печи, чтобы показать конкретный бургер, который следует удалить с линии. Как и в других приложениях, минимальные, максимальные и средние температуры могут быть собраны для конкретных гамбургеров или FOV в целом и использованы для определения тенденций и целей SPC.

В другом примере, включающем куриные палочки, для проверки правильности приготовления снова используется температура. Куски выходят из печи и падают на другой конвейер в более или менее случайных местах (Рисунок 6). Оператор может использовать термографическое изображение для определения местоположения недоваренных продуктов в случайно расположенных участках, а затем удалить их с конвейера.

При производстве замороженных закусок ИК-камера может использовать программное обеспечение для распознавания образов для проверки правильного заполнения лотка с едой. Аналогичным образом, его можно использовать для 100% проверки термосвариваемой целлофановой крышки над готовым блюдом. Дополнительной функцией может быть лазерная маркировка неисправного товара, чтобы его можно было удалить на станции досмотра.

Рисунок 5. ИК-изображение при проверке готовности гамбургера путем измерения температуры

Рисунок 6.  Измерение температуры в инфракрасном диапазоне и термографическое изображение используются для определения местоположения недоваренных куриных палочек и остановки конвейера, чтобы можно было удалить поврежденные части

КРАТКО

Инфракрасное машинное зрение и измерения температуры могут быть применены к бесконечному числу автоматизированных процессов. Во многих случаях они предоставляют изображения и информацию, недоступные с помощью камер с видимым освещением, а также дополняют изображения в белом свете там, где последние требуются. ИК-камеры, такие как FLIR A325, обеспечивают поток оцифрованных ИК-изображений с высокой частотой кадров для относительно высокоскоростных процессов, которые могут передаваться по сетям GigE в удаленные места. Соответствие стандартам GigE Vision и GenICam означает, что такие камеры могут быть интегрированы с широким спектром аналогичного оборудования и поддерживаться ПО сторонних производителей. Наличие адаптеров беспроводной и волоконно-оптической линий связи позволяет использовать эти камеры практически в любом месте, в том числе на больших расстояниях.

🠐 Предыдущая статья