비전시스템이 제품 분류와 불량 검사 그리고 재검사를 위한 정렬까지 수행할 수 있게 되었다. 단 한 대의 장비만을 통해 작업을 실현한다. 임베디드 비전시스템은 이미 공장자동화 분야에 있어 약방의 감초가 되고 있으며, 그 능력은 하루가 멀다하고 증가하고 있다. 이번에 내쇼날인스트루먼트가 선보인 장치를 통해 임베디드 비전시스템의 진가를 확인해보자.
자료｜한국쇼날인스트루먼트(www.ni.com/korea)

내쇼날인스트루먼트의 CVS-1457RT 임베디드 컴팩트 비전시스템을 통해 기계 속의 구슬들을 분류할 수 있다. 이 시스템은 온 보드 인텔 아톰 프로세서와 FPGA를 차용해 PLC를 사용하지 않고도 고속 I/O를 실현한다.

공장자동화 시스템에서는 컨베이어를 통과하는 제품을 양품과 불량품으로 분류·정리할 필요가 있다. 간단하게는 컨베이어를 따라 제품 및 부품 위치를 추적하는 데에 인코더가 사용된다. 또한 특정 지점에서 부품의 존재 및 위치를 감지하기 위해 근접 센서를 사용하기도 한다.

근접 센서가 검출한 정보는 카메라를 작동하게 만드는 장치이기도 하다. 다시 말해 근접 센서가 정보를 획득하면 즉시 카메라가 촬영하는 것. 카메라가 촬영한 자료는 주 컴퓨터 시스템으로 전송된다. 컴퓨터 시스템은 영상화 과정을 거친 자료를 바탕으로 특정 결함을 분석한다. 결함이 발생했다면 PC로부터 PLC로 신호를 보내 부적합 및 파기 메커니즘을 작동시켜 생산을 멈추고 부품을 골라낸다.

작업을 원활히 수행하기 위해서는 카메라가 촬영을 수행할 때 주 컴퓨터가 인코더 카운트를 추적할 수 있어야 한다. 만약 결함이 있는 부분을 검사하는 데에 실패했다면 카메라가 인코더에 오프셋(상쇄)을 추가한다. 카메라 트리거와 파기 트리거 메커니즘 사이의 거리를 유추하기 위해서다. 이 거리 수치를 PLC로 전송함으로써 PLC는 컨베이어 중 정확한 지점에서 파기 메커니즘을 작동할 수 있다.

작업을 수행하기 위해 굳이 CPU를 도입하지 않아도 된다. 임베디드 머신비전 시스템 안에 다양한 시스템을 통합함으로써 작업을 수행할 수 있다. 여러 카메라와 PC 기반 처리장치 및 비전 소프트웨어 그리고 I/O 서포트를 조합함으로써 PC 기반 시스템을 저비용으로 대체할 수 있다. 이런 시스템은 비교적 구축하기 수월한 것이 장점이다. 하지만 부품을 여러 부적합 및 파기 메커니즘을 사용하여 여러 번 분류하고 버리기 위해서는 설계가 까다로워진다는 단점이 있다.

내쇼날인스트루먼트 비전 연구 및 개발 그룹의 시니어 소프트웨어 설계자인 브래드 뷰캐넌은 “인코더 추적 작업을 수행하기 위해 CPU를 사용하면 복합적인 오프셋 및 I/O 작업을 야기하며, 이는 시스템에 상당한 잠복기(레이턴시)와 지터 추가라는 결과로 이어진다”고 지적했다. “처리 속도 및 안전성 모두를 크게 줄이는 요인”이라는 것이 브래드 뷰캐넌의 설명이다.

브래드 뷰캐넌이 제기한 문제점을 극복하기 위해는 FPGA를 활용해 작업을 수행할 수 있다. 이것이 내쇼날인스트루먼트의 최신 컴팩트 비전시스템인 CVS-1457RT 실시간 컴퓨터 비전시스템과 CVS-1457RT의 PC 기반 확장형 보드(Add-in Board Equivalent) 격인 PCIe-8237R을 만들게 된 동기 중 하나라고 브래드 뷰캐넌은 설명했다.

두 PoE(파워 오버 이더넷) 이더넷 포트와 8개의 분리형 입·출력 장치, 8개의 양방향 TTL 라인 및 두 RS-422 인코더 라인을 탑재한 CVS-1457RT는 FPGA 기능을 탑재한 온보드 인텔 아톰 1.66GHz 프로세서와 밀접하게 결합한다. 이를 통해 I/O 기능을 수행하여 FPGA를 사용해 시스템 지속 기간과 지터를 감소시킬 수 있다. 

FPGA는 입력에 대해 20ns 이내의 속도로 응답 및 출력할 수 있다. 이는 CPU를 통해 달성할 수 있는 것보다 한층 빠른 수치다. 반면 CPU는 소프트웨어로 인한 지연시간이 존재하기 때문에 FPGA보다 상대적으로 낮은 속도를 낸다. 이 접근법을 사용하면 비전시스템에서 PLC가 필요 없다는 점 또한 장점이다. PLC는 파기 메커니즘을 몇 가지 정도만 조절할 수 있기 때문에 FPGA에 비해 비효율적이다.

이 새로운 개념을 시험하고 능력을 입증하기 위해 뷰캐넌과 동료들은 CVS-1457RT를 사용해 다양한 색상의 구슬을 정렬하는 시스템을 구축했다. 이 시스템은 NIWeek 2013에서 처음 선을 보인 바 있다. 당시 이 시스템은 여섯 종류의 색 구슬이 호퍼(콘크리트 타설의 경우에 설치하는 소형 호퍼의 총칭. 한 쪽의 입이 다른 쪽보다 큰 각추상(角錐狀)의 통 모양을 하고 있다. 출처 토목용어사전)에 담겨있다. 

호퍼에 담긴 구슬들은 중력에 의해 아래로 쏟아져 내린다. 구슬이 슬라이드를 통과하면서 CVS-1457RT의 ISO 라인과 연결된 근접 센서가 트리거 명령을 내리고, ‘작업 명령(Action Command)’이라는 GigE 비전 패킷이 GigE 인터페이스를 통해 Basler의 acA645-100gc 카메라로 전송된다. 이후 각 구슬의 영상을 획득해 색상별로 분류한다. 이 작업은 아톰 프로세서를 탑재한 NI Vision Development Module을 통해 HSL 색상 공간에서 이루어진다.

구슬이 컨베이어를 따라 이동하면 오프셋은 여섯 개의 독립적인 배출기 솔레노이드(Ejector Solenoids) 중 하나가 이동하는 데에 걸리는 시간을 고려해 인코더를 통해 카메라 트리거를 추가할 수 있다. 하지만 이 경우 구슬은 중력에 의해 아래로 향하며, 따라서 슬라이드의 특정 위치에 도달하기까지 필요한 시간이 각기 다를 수도 있다. 뷰캐넌은 각각의 배출기마다 바로 위에 근접 센서를 장착해 이 문제를 해결했다.

CPU를 통해 실행되는 응용프로그램이 각 개별 부분의 색을 결정한다. 이후 응용프로그램은 각 정확한 배출기에 해당하는 FPGA 행렬에 펄스 항목을 추가한다. 또한 펄스 항목이 비어있으면 이상 징후로 간주하며, 파기하지 않고 배출기 행렬로 돌려보낼 수 있다. FPGA(CPU 가 아닌)는 슬라이드 맨 아래에 있는 여섯 개의 배출기 솔레노이드 행렬을 전부 유지한다.

FPGA 행렬에 항목(즉, 여기서는 구슬을 의미)이 존재하면 FPGA는 근접 센서를 감시함으로써 각 배출기의 앞에 구슬이 놓여있는지를 확인하고, 근접 센서가 물체를 감지할 경우 행렬에서 해당 항목을 제거한다. 항목이 비어있는 펄스인 경우 구슬은 즉각 뒤로 돌아가게 되며, FPGA는 다른 불량 구슬을 제거할 때까지 대기한다. 이 센서 및 배출기의 I/O는 CVS-1457RT의 6개의 분리형 입력 장치와 6개의 분리형 출력 장치와 연결되어있다.

CPU에 의해 구동되고 있는 프로그램이 각 구슬이 가지고 있는 색을 확인하면 응용프로그램은 해당 FPGA를 통해 올바른 배출기 행렬에 펄스 항목을 추가한다. 동시에 모든 배출기 행렬에 빈 펄스 항목을 추가해 불량 구슬들이 밖으로 배출되지 않고 이전 단계로 돌아갈 수 있도록 만든다. 또한 FPGA는 슬라이드 맨 아래에 있는 여섯 개의 배출기 솔레노이드 행렬을 유지하는 역할을 한다.

일단 FPGA 행렬에 항목이 접근하면, 항목, 즉 구슬이 각 배출기 앞에 놓였을 때 배출 혹은 파기 여부를 결정하기 위해 근접 센서를 모니터링한다. 항목이 펄스를 가지고 있다면 시스템은 구슬을 배출한다. 반면 펄스가 없는 경우 구슬은 이전 단계로 돌아가게 되고, FPGA는 다음 구슬을 감지할 때까지 대기한다. 센서 및 배출기의 I/O는 CVS-1457RT의 독립적인 6개 입력 장치 및 6개 출력 장치와 연결된다.