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인더스트리 4.0에서 컴퓨터 비전의 역할

인더스트리 4.0은 현재 뜨거운 관심을 받고 있는 주제입니다. 사물 인터넷(IoT), 스마트 팩토리, 빅 데이터, 디지털 트윈 및 인공 지능과 같은 유행어는 생산 공장에서 확산되고 있는 자동화뿐만 아니라 정보 기술을 최대한 종합적으로 산업에 통합하려는 목적을 지닌 다양한 시스템의 포괄적인 네트워킹을 가리킵니다.

정보 기술의 영향력 속에서 컴퓨터 비전은 중요한 역할을 합니다. 머신 비전은 모든 자동화 환경에 반드시 필요한 구성 요소입니다. 이는 특히 로봇 공학과 같은 하드웨어와 이미지 분석 목적이나 인공 신경망 교육을 위한 소프트웨어(딥 러닝)에 해당되는 특성입니다.

컴퓨터 비전은 어떤 도움을 제공할까요? 스마트 팩토리를 예로 들어 자세히 살펴 보겠습니다.

인더스트리 4.0은 거의 200 년 전에 시작된 개발의 예비적인 결과입니다. 산업 혁명의 네 가지 단계를 간략히 살펴보면 다음과 같습니다.

인더스트리 1.0 1830-1871: 증기엔진

더 많은 양의 물건과 제품을 기계식 생산 공장에서 제조할 수 있습니다.

인더스트리 2.0 1871-1969: 전기

어셈블리 라인 및 양산. 생산은 개별적이고 독립적인 작업 단계로 나뉩니다. 세계화가 시작됩니다.

인더스트리 3.0 1970-20세기 말:

합리화 및 자동화. 프로그래밍이 가능한 최초의 컨트롤러. 인간 노동은 점점 기계에 의해 대체되고 있습니다.

인더스트리 4.0

디지털화. 로봇이 인간과 함께 제조에 참여합니다. 고객 및 회사뿐만 아니라 작업물을 통한 로봇과 기계의 포괄적인 네트워킹.

스마트 팩토리의 장점은 무엇일까요?

스마트 팩토리라는 용어는 공장 자동화 분야의 지능형 네트워킹을 의미합니다. 데이터와 프로세스로 구성된 지식은 지능형 공장의 기본 전제 조건입니다. 그렇다면 이런 지식은 어디에서 얻게 될까요?

데이터는 일반적으로 센서를 이용해 수집됩니다. 그러나 적절한 처리가 이뤄지지 않을 경우, 센서에서 얻은 데이터는 가치가 없습니다. 데이터를 프로세스에서 진행되는 의사 결정의 기초로 사용할 수 있도록 여러 시스템 및 구성 요소에 사용할 수 있는 형태로 가공해야 합니다. 바로 이러한 작업을 통해 공장이 지능화됩니다.

비밀은 관련된 모든 개인 또는 하위 시스템에 대한 네트워킹에 있습니다. 네트워킹의 기본은 일반적으로 버스 시스템(bus system)이라고 불리는 요소로, 이 시스템은 모든 센서와 액추에이터를 동일한 데이터 라인을 통해 서로 간에 그리고 제어 시스템(PLC)과 같은 자동화 디바이스와 연결합니다.

공장의 하위 시스템과 장치는 서로 멀리 떨어져 있는 경우가 있기 때문에 버스 시스템은 일반적으로 실시간 이더넷을 기반으로 합니다. 이더넷 표준은 널리 사용되며, 케이블 또는 스위치와 같은 하드웨어 액세서리를 저렴한 비용으로 사용할 수 있으며 개별 시스템 간의 긴 케이블 길이를 문제 없이 구현할 수 있습니다.

데이터 공급자인 비전 시스템

자동화된 공장 환경에서 가장 중요하고 강력한 센서는 카메라가 설치된 비전 시스템입니다. 이 시스템은 최신 자동화에서 이미 매우 중요한 역할을 수행하고 있으며 일반적으로 다음과 같은 요소로 구성됩니다.

여러 디바이스의 정확한 동기화를 위한 GigE 인터페이스 및 정밀 시간 프로토콜(PTP)이 있는 카메라
여러 디바이스의 정확한 동기화를 위한 GigE 인터페이스 및 정밀 시간 프로토콜(PTP)이 있는 카메라
렌즈
렌즈
케이블 링 조명
케이블 링 조명
제어 및 평가를위한 호스트 컨트롤러(IPC)
제어 및 평가를위한 호스트 컨트롤러(IPC)

다른 모든 하위 시스템과 마찬가지로 비전 시스템은 하드웨어 및 소프트웨어 측면에서 다른 모든 시스템 및 중앙 제어 시스템에 연결해야 합니다. 이것은 산업용 통신을위한 특별한 데이터 교환 표준을 통해 이루어집니다. 이러한 표준은 개별 하위 시스템에 공통의 기계 언어를 제공하여 하위 시스템들이 서로 쉽게 상호 운용되도록 합니다. 이러한 표준 중 하나는 umati(범용 기계 기술 인터페이스)입니다. 이 인터페이스는 개방형 범용 인터페이스 표준으로 OPC UA를 사용합니다.

OPC UA가 포함된 공장 설정의 네트워킹

OPC UA는 머신 데이터를 기계적으로 읽고 쓸 수 있도록 만듭니다. 이 표준은 센서 데이터 및 제어 명령 등을 준비하고 데이터 전송을 정의하며 시스템과 보안 메커니즘 사이의 인터페이스를 결정합니다.

이 표준은 센서 및 액추에이터가 있는 최저 필드 레벨에서 SCADA(감독 제어 및 데이터 획득), ERP(전사적 자원 계획) 또는 클라우드와 같은 추상 정보 계층에 이르기까지 공장 설정의 모든 수준에서 사용할 수 있습니다.

OPC UA를 활용해 서로 다른 구성 요소를 한 수준에서 수평으로 네트워킹하거나 여러 수준에서 수직으로 네트워킹할 수 있습니다.

스마트 팩토리의 모든 부문을 효율적으로 사용하기 위해서는 실시간 기능이 반드시 필요합니다. 이를 위해 OPC UA 표준은 TSN(시간 민감형 네트워킹) 형식의 확장 옵션을 제공합니다. OPC UA TSN은 아직 구현되지 않은 기능인 비전 시스템에서 다른 하위 시스템이나 제어 장치로의 이미지 직접 전송을 위한 전제 조건입니다.

간편한 스마트 팩토리

시스템의 중앙 인터페이스는 이제 모든 하위 시스템과 해당 소프트웨어를 포함하는 PLC입니다. 이 중앙 노드는 ERP와 같은 상위 시스템에 대한 인터페이스의 역할도 수행합니다. 더 높은 수준의 시스템을 클라우드에 아웃소싱함으로써 구조를 더욱 간소화할 수 있습니다.

이러한 설정에서는 컨베이어 벨트와 로봇뿐만 아니라 비전 시스템의 개별 구성 요소를 쉽게 연결할 수 있습니다. PTP와 함께 OPC UA를 표준으로 사용하고 TSN과 같은 가능한 확장 기능을 사용할 수 있는 경우 카메라는 이미 실시간 기능을 위한 기반을 제공합니다.

스마트 팩토리 설정의 미래를 살펴보면 기존 설정에 비해 구조가 크게 단순화된 것을 알 수 있습니다.