如何将机器视觉集成到工业系统中

November 26, 2018 Brandon Lewis

人工智能与工业 4.0 相结合,不断改变图像处理功能。随着机器视觉越来越普遍,将图像处理从独立的过程过渡到与工业自动化紧密集成的驱动因素的需求也不断增长。同样,人们也越来越期望视觉系统将深入见解馈送回监控工厂整体表现的业务系统中。

这些新涌现的需求带来了巨大的挑战。机器视觉需要极高的性能。工业物联网既需要安全的连接,又需要在边缘运行业务应用程序的能力。同时,所有自动化系统都必须遵守持久使用寿命、安全性及可靠性等基本原则。

当今时代,运营商需要集成的解决方案,以最大程度减少设备占用空间,实现节省空间、降低成本和减少能耗的目的。在过去,工程师靠猜测来将如此多的需求塞入单个平台中。

开发人员必须找到新的方法,以将可靠的实时控制功能与人工智能和工业物联网功能集成在一起。多功能工业控制器往往是最好的解决方案,它可以容纳多种类型的工作负载,并且占用空间最少、能耗最小且成本最低。

让我们来看一下工业机器视觉控制器如何满足实时控制、工业 4.0 和计算机视觉人工智能功能的需求。

新一代成像处理达到工业级标准

将多元化工作负载整合到同一个控制器中需要先进的多核处理器,并且这些处理需要具备高端显卡、灵活连接和工业级特性。考虑第七代智能英特尔® 酷睿 处理器,它可提供延长的生命周期支持,并可在以高达 4.20 GHz 主频运行的两到四个内核上提供多线程计算性能。对于空间受限且能耗要求高的系统,这些器件还有低至 35 W 的可配置散热设计点 (TDP) 型号可供选择。

对于机器视觉应用而言,更为重要的是这些处理器集成了图形处理单元,例如英特尔® 核芯显卡 630。英特尔核芯显卡 GPU 包含许多通用功能,可将深入学习推理和计算机视觉运算工作负载从 CPU 内核中分载,如图 1 所示。集成的 GPU 还可提高工业机器视觉等高帧速率应用的速度 - 与英特尔® OpenVINO 工具箱等框架搭配使用,可加快 OpenCV 和 OpenVX 视觉功能的执行速度。

图 1. 英特尔®核芯显卡技术与英特尔® 酷睿 处理器集成,加快了 DL 和 CV 工作负载,同时将这些工作负载从主要 CPU 内核中分载。(资料来源:英特尔® 公司)

与前代产品相比,英特尔酷睿器件的图形处理性能还能够更高效地产生和管理 4K 视频内容。这得益于英特尔® 高速视频同步技术等多项技术。高速视频同步技术有助于提高帧处理,同时还支持 10 位 HEVC、VP8、VP9 和 VDENC 等编解码器的快速编码、解码和转码。

集成了显卡的处理器本身也可以支持三台独立的显示器。此功能通过将英特尔® Q170 配套芯片组与英特尔酷睿处理器搭配使用实现;该组合可提供多达 20 个 PCI Express 3.0 通道、多达 10 个 USB 3.0 端口、多达 14 个 USB 2.0 端口和 1 个集成以太网 MAC。

除了跨多个 HMI 访问自动化数据之外,这个企业级连接还可以将在云中精炼的 CV 算法输送到在边缘的机器视觉系统。这样一来,不但是这些系统可以在其整个部署生命周期中不断改进,而且可以避免随着 CV 技术发展而导致这些系统落后的问题。

工业工作负载整合的扩展选项

集成的英特尔核芯显卡技术的加速和分载功能与英特尔 Q170 芯片组的网络功能相结合,可确保在英特尔酷睿处理器 CPU 内核上保留宝贵的时钟周期。当与合适的机器视觉系统架构搭配使用时,可将这些时钟周期用于安全关键型传感和控制任务,使工程师能够充分发挥单个控制器的功能。

Premio, Inc. 的 VCO-6000 系列是一个高度集成的工业机器视觉控制器的例子,它支持英特尔酷睿 i3、i5 和 i7 处理器(图 2)。可使用多达 5 个 PCIe 扩展插槽配置可自定义的无风扇系统,使系统能够接受用于运动控制、视频拍摄或使用 CANBUS 或 PROFINET 等协议的众多不同的数据采集和 I/O 模块。三个额外的 mini PCIe 插槽甚至可以支持高速无线或蜂窝通信。

图 2. Premio, Inc. VCO-6000 系列工业机器视觉控制器提供多达 5 个 PCIe 扩展插槽和三个 mini PCIe 插槽以扩展系统功能。(资料来源:Premio, Inc.

真正让 VCO-6000 系列在机器视觉等工业自动化应用脱颖而出的是它的 16 个数字 I/O 引脚(8 个数字输入、8 个数字输出)的物理和电气隔离。因为该控制器系列支持从 9 VDC 到 50 VDC 的电压范围,隔离的 I/O 允许以不同的电压电平设置电路的两个部分。这有助于保护系统电路,避免受到瞬态电压尖峰冲击,并且在具有其它机械和电感性负载的环境中提高了共模电压和噪声抑制性能。

6000 系列还包含过电压 (OVP)、过电流 (OCP) 和反向保护等保护措施,以确保工业传感器、运动控制系统和 HMI 设备可靠运行。这些系统支持从 -25º C 到 +70 ºC 的工作温度范围,并且与 Microsoft* Windows 7、Windows 10 和 Linux 操作系统兼容。

以可靠且经济实惠的方式集成先进的工业功能

虽然当今的工业系统因机器视觉和工业 4.0 连接等许多先进功能提高了性能,但是它们仍然必须遵守持久使用寿命、安全性及可靠性等基本原则。与此同时,制造和自动化公司希望最大程度减少他们所部署系统的占用空间,实现节省空间、降低成本和减少能耗的目的。在过去,工程师靠猜测来将如此多的需求塞入单个平台中。

英特尔酷睿处理器和其它对应的英特尔技术提供了可扩展的基础,来满足上述所有需求。当在诸如 VCO-6000 系列之类的高度集成、可扩展的系统中实施时,问题变成了 “我们需要什么?”,而不是 “我们如何做到?”

作者简介

Brandon Lewis

Brandon is responsible for Embedded Computing Design’s IoT Design, Automotive Embedded Systems, Security by Design, and Industrial Embedded Systems brands, where he drives content strategy, positioning, and community engagement. He is also Embedded Computing Design’s IoT Insider columnist, and enjoys covering topics that range from development kits and tools to cyber security and technology business models. Brandon received a BA in English Literature from Arizona State University, where he graduated cum laude.

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