4차 산업혁명에 적합한 스마트 적외선 카메라, 온도 이미징을 위한 독립적이고 완벽한 시스템

Aautomation technology

발전과 장애물

적외선 이미징의 자동화 및 품질 보증에 대한 진입은 이제 막 시작됐다. 그 이유는 장치 기술 때문이다. 오랫동안 적외선 기술의 사용은 군대에서 사용해 왔다. 그러다 1960년대 이후 민간 부문에도 적외선 카메라가 사용됐다. 처음에는 장치 기술이 다루기 힘들고 작동하기가 어렵고 가격이 매우 비쌌다. 카메라 검출기는 액체 질소로 냉각시켜야 했고 이것은 산업적 사용을 불가능하게 만들었다. 과학 및 연구외에도 적외선 응용 분야는 열 손실 또는 예방적 유지 보수(예: 전기 시스템의 결함 감지)를 위한 열 화상 촬영 기술로 제한됐다.

그러나 1990년대 중반에 들어서면서 비 냉각식 적외선 검출기 기술이 도입되어 작고 강력한 적외선 카메라를 구축하게 됐고 동시에 가격도 낮출 수 있었다. 원칙적으로 적외선 카메라는 산업 영역 온도 측정에서도 20년 이상 사용할 수 있다.

적외선 이미징 온도 측정이 응용 분야에서의 장점은 다음과 같다.

•높은 기하학적 해상도: 640×512 이미지 픽셀의 카메라를 사용하면 한 물체에서 327,000 개 이상의 측정 포인트를 동시에 스캔 할 수 있다.

•높은 열 분해능(몇 mK) 및 정확도(± 2° C)

•고속(ms 범위): 이 기술은 빠르게 실행되는 프로세스로 시간을 크게 절약 할 수 있다.

•움직이는 물체에 대한 측정 가능.

•위험하거나 접근하기 어려운 곳에서의 측정 가능.

•최대 2000°C의 온도는 측정 가능.

•비접촉식 측정: 적외선 카메라는 측정 대상에서 에너지를 끌어 들이지 않는다. 물체 표면에 기계적 영향을 주지 않으며, 초점 거리가 다른 렌즈로 측정 영역을 쉽게 조정할 수 있다.

적외선 카메라의 보급이 낮은 이유는 온도 이미징이 가시 스펙트럼 범위의 이미징과 크게 다르다는 것이다. 클래식 산업용 이미징에 사용 가능한 표준 소프트웨어 패키지를 사용할 수 없었다. 그래서 카메라 제조업체는 각각 카메라 시리즈에 맞는 고유한 소프트웨어 패키지를 개발했다. 패키지의 대부분은 산업 작업에 적합하지 않지만 연구와 개발에는 유용했다. 업체는 소프트웨어 표준을 기반으로 구축할 수는 없지만 카메라 제조업체가 제공한 SDK를 기반으로 개별 솔루션을 개발해서 사용했다. 그러나 노하우가 부족한 상황이었다.

보안 부문에서 적외선 카메라는 매우 각광받았다. 카메라는 온도 측정에 사용되기 보다 어두운 곳과 가시성이 떨어지는 영역을 모니터링하는 데 사용됐다. 이는 일광 감시 카메라와 동일한 소프트웨어를 사용할 수 있음을 의미한다. 많은 카메라 모델이 산업용으로 일관되게 설계되지 않았다. 높은 내성, 프로세스 제어와의 연결을 위한 높은 수준의 보호 또는 표준 인터페이스와 같은 산업 자동화에 필요한 기능은 장치 설계에서 충분히 고려되지 않는다. 분명히 많은 카메라 제조업체는 여전히 목표 시장으로 업계를 인식하지 않고 있기 때문이다.

스마트 적외선

스마트 적외선 카메라는 이러한 모든 문제를 성공적으로 해결하고 온도 이미징을 위한 산업 애플리케이션을 여는 새로운 접근 방식이다.

오늘날의 프로세서 기술의 엄청난 성능 덕분에 전자 장치를 매우 컴팩트한 소형화된 형태로 완벽히 이미지와 데이터를 처리하고 있다. 또한 수많은 현대 표준 인터페이스를 통합할 수 있는 충분한 전력을 확보하여 카메라에 프로세스 제어, 제조 실행 시스템, 시각화 또는 기타 자동화 장비에 대한 보편적이고 간단한 연결성을 제공한다.

스마트 적외선 카메라는 온도 이미징을 위한 독립적이고 완벽한 시스템을 나타낸다. 올인원 솔루션으로서 온도 측정, 데이터 처리 전자장치 및 인터페이스를 위해 보정된 적외선 이미지 센서를 결합한다.  컴퓨터, 특수 소프트웨어, 인터페이스 박스와 같은 추가 구성 요소는 필요하지 않다. 카메라는 연결된 자동화 장비와  직접 통신하여 4차 산업혁명을 실제로 구현할 수 있다(그림2).

사용자가 느끼는 특별한 장점은 스마트 적외선 카메라를 사용할 때 특수한 소프트웨어를 사용하지 않아도 된다는 것이다. 이로 인해 온도 이미징 사용을 위한 표준 소프트웨어가 부족할 수 있지만, 인터페이스 구성을 포함한 측정 작업에 대한 전체 설정은 그래픽 웹 인터페이스를 통해 할 수 있다. 여러 가지 구성을 카메라에 저장하거나 업로드 할 수 있어 작동 중에도 문제없이 여러 측정의 자동 전환이 가능하다. 따라서 여러 제품이 실행되는 생산 라인에 요긴하게 쓰일 수 있다.

결과 및 온도 이미지는 사용자 요구 사항에 쉽게 적용할 수 있는 그래픽 웹 인터페이스를 통해 표시될 수 있다. 카메라가 인트라넷에 통합된 경우 설치 없이 웹 브라우저가 있는 모든 장치에 결과를 즉시 표시할 수 있다. 데이터 관리 또는 데이터의 특정 시각화, 애플리케이션 별 적응은 통합자의 손에 달려 있다.  컴퓨터 및 기타 주변 장치가 필요하지 않다는 사실은 스마트 적외선 카메라의 또 하나의 주요 장점이다.

이로 인해 하드웨어 및 소프트웨어가 제거될 뿐만 아니라 설치 노력이 줄어 시스템 비용이 크게 절감된다. 동시에 사용자는 연속 작동 시 복잡성이 줄고 안정성이 향상된 시스템을 얻게 된다. 아울러 후속 비용이 절감된다.  IT에 많은 부담을 주는 소프트웨어에 대한 유지 보수 작업은 필요하지 않다. 고장이 발생하면 문제 해결이 하나의 구성 요소로 해결되며 필요한 경우 하나의 스마트 센서만 교체하면 된다.

마지막으로 데이터 보안이 향상됐다. IT보안의 이유로 컴퓨터 기반 시스템은 여전히 네트워크에 연결되지 않은 경우가 많다. 4차 산업혁명의 요구 사항을 고려할 때 이 상황은 불만족스럽지만 바이러스나 해커 공격이 회사에 미칠 수 있는 치명적인 결과를 고려하면 이해할 수 있다.  하지만 스마트 적외선 카메라를 사용하면 IT보안 문제가 과거의 일이 된다. 지능형 센서는 바이러스 또는 해커 공격에 대한 게이트웨이를 제공하지 않기 때문에 문제없이 네트워킹이 가능하다.

물론 산업 애플리케이션에 적합한 스마트 적외선 카메라의 적합성에 달려 있다. 주변 온도 저항, 전자파에 대한 내성, 충격 및 진동 저항과 같은 기준에 따라 카메라를 특정 애플리케이션에 사용할 수 있는지 결정된다. 추가 요구 사항은 다양한 렌즈의 가용성, 에어 퍼지 기능(air purge feature), 범용 장착 옵션, 다양한 애플리케이션을 위한 보호 하우징, 연결 케이블과 같은 적합한 액세서리다.

작동 조건에 대한 심층적 지식은 산업 적외선 카메라 설계에 매우 유용한 전제 조건이다. 스마트 카메라는 산업용 이미징을 위해 수년 동안 가시 스펙트럼 범위 안에서 성공적으로 사용되어 왔다. 이런 점에서 기술적인 관점의 접근은 근본적으로 새로운 것이 아니다. 그러나 온도 이미징에 적용되는 것은 기술 사용에 대한 모든 장애물이 제거되는 것이므로 혁명을 가져올 수 있다.

다음은 스마트 카메라의 장점을 설명하기 위한 응용 분야의 예다. 오늘날 많은 플라스틱 부품은 매우 높은 품질 요구 사항을 충족해야 한다. 자동차 산업에서는 에어백, 연료 탱크, 연료 혼합, 주입 시스템용 하우징 등이다. 이 수많은 안전 관련 구성요소를 테스트하고 100% 평가해야 한다. 이러한 구성요소에는 절대적인 안정성뿐만 아니라 완벽한 기밀성도 필수적이다. 특히 적외선 또는 뜨거운 가스 용접과 같은 소위 깨끗하고 비접촉식 용접 절차를 사용하는 경우 특수 공정 모니터링이 필요하다.

이때 접합 표면의 온도가 매우 중요하다. 너무 낮으면 구성품의 접착력이 불충분해질 수 있고 너무 높으면 구성 요소가 손상될 수 있다. 온도는 여러가지 요인에 영향을 받고 종종 변동하기 때문에 전체 용접 윤곽을 따라 이 공정 매개 변수를 모니터링 해야 한다. 용접기의 표준 모니터링 기능으로는 용접 품질을 평가하기에 충분하지 않다. 품질 관리는 대개 파괴적인 테스트를 통해서만 가능하기 때문이다. 이 테스트는 비용이 많이 들고 100% 테스트를 허용하지 않으므로 시간도 많이 걸린다.

용접 시스템에 직접 통합할 수 있는 소형 스마트 적외선 카메라로 이를 위한 최적의 솔루션을 사용할 수 있다. 구성 요소의 접합 표면에서 온도 분포를 완벽하게 제어할 수 있다.

변형된 뜨거운 가스 튜브로 인해 가장 작은 영역의 온도 편차도 확실하게 감지한다. 카메라의 지능적인 평가 기능을 통해 측정 데이터는 매우 정확하며 모든 측정 데이터가 저장되므로 100% 추적이 보장된다. 이외 생산 폐기물 감소로 인한 비용 절감 혜택도 누릴 수 있다(그림1).

플랜트 상태 모니터링, 조기 화재 감지 산업 플랜트 상태 모니터링, 조기 화재 방지는 스마트 적외선 카메라의 또 다른 주요 애플리케이션이다. 산업 시설은 투자 가치가 높을 뿐 아니라 그 역할 면에서 최상의 방법으로 보존되어야 한다. 생산이 중단이 되면 많은 비용이 지출될 수 있다. 개별 장치의 고장이라도 타 기능에 영향을 미치므로 전체 플랜트에 영향을 줄 수 있기 때문에 모니터링이 중요하다.

많은 지역에서 변압기, 변전소, 가스 플레어, 화학 리액터, 오일, 가스와 같은 고인 화성 물질의 저장과 산업 플랜트의 상태와 안전성을 결정하고 있다. 여러 대의 적외선 카메라를 설치하면 각도가 넓어, 넓은 영역도 모니터링 할 수 있다. 카메라는 어둠이나 비, 안개와 같은 날씨 영향에 민감하지 않기 때문에 24시간 옥외 사용이 가능하다. 또한 원거리에서도 시스템을 모니터링 할 수 있으므로 일반적으로 값 비싼 특수 보호장치가 필요하지 않다. 위험 지역인 경우 ATEX 인증 보호 인클로저를 사용할 수 있다.

기존의 적외선 카메라를 사용하는 것은 설치 노력, 작업량, 비용 관련 이슈가 있었다. 열 화상 소프트웨어가 장착된 PC에 열 화상 이미지를 영구적으로 전달해야만 하고 열 화상은 설비 상태 모니터링을 위해 완전해야 했다.

반면에 스마트 적외선 카메라는 독립적으로 작동하며 일단 설정되면 온도 이상을 자동으로 감지해 시스템 장애 또는 화재가 발생하기 훨씬 전에 경보를 발동한다. 측정 데이터와 결과 이미지는 기본적으로 알람 발생시 플랜트 제어 시스템으로 전송되지만 언제라도 사용자가 조정할 수 있다. 이로 인해 설치 노력도 줄어들어서 최소 비용이 발생한다. 산업 공장이 안전할 수 있도록 100% 추적도 보장된다(그림3).

복합 재료의 비파괴 테스트

복합 재료는 최근 수십 년 동안 자동차, 항공기, 조선, 풍력 터빈 제조, 컨테이너 생산에 이르기까지 많은 산업 분야에서 혁명을 일으켰다. 복합 재료는 수지 및 유리 또는 탄소 섬유와 같은 두 가지 이상의 재료로 구성된다. 이들의 긍정적인 특성을 결합해 중량 절감, 하중 유형에 대한 최적화, 높은 내식성, 내 화학성 그리고 전기와 단열도 제공했다. . 따라서 복합 재료의 품질 관리가 필수적이다. 비파괴적인 품질 관리를 위해서는 능동형 열화 상법이 사용된다.

할로겐 램프 또는 레이저는 열 흐름이 발생된다. 열 흐름의 전파는 부품 표면의 온도를 변화시킨다. 이러한 현상을 적외선 카메라로 기록하면 구성 요소의 내부 구조와 결함을 보여주는 이미지를 계산할 수 있다.

지금까지 액티브 서모 그래피(active thermography)는 열 화상 소프트웨어가 있는 기존의 적외선 카메라와 PC와 함께 복잡한 시스템 솔루션을 사용했기에 많은 공간과 전문가 지식이 필요했다. 따라서 모든 시스템에서 구현되지 않았다.

그러나 스마트 적외선 카메라를 사용하면 훨씬 쉬워진다. 무엇보다 크기도 작기 때문에 모든 생산 환경에 적합하다. 컴퓨터에 열 화상 소프트웨어가 포함되어 있고 열원을 직접 제어하기 때문에 복잡성을 최소화하면서 동기화가 보장된다. 강력한 프로세서와 지능적인 평가 기능을 통해 카메라는 모든 생산량을 처리하고 가장 작은 결함까지도 볼 수 있다(그림4).

플라스틱 용접, 공장 상태 모니터링, 조기 화재 감지, 복합 재료의 비파괴 테스트와 더불어 애플리케이션의 스마트 적외선 카메라에서 품질 관리 측정 작업을 독립적으로 수행할 수 있어 복잡성과 비용을 크게 줄일 수 있다. 이는 생산성과 제품 품질의 극대화를 가져온다.

산업용 최초의 스마트 적외선 카메라

Industry4.0의 구현에 스마트 적외선 카메라는 사용되지 않았다. 기존의 몇몇 장치는 산업 환경에서 사용하도록 설계되지 않았다. 적절한 제어 수준, 에어 퍼지 기능, 프로세스 제어 연결을 위한 인터페이스가 없었다.

제조업체의 특정 소프트웨어가 제공되지 않아서 프로그래밍 할 수가 없었고 애플리케이션 별 앱을 사용할 수 있는 가능성이 높기 때문에 그래픽 사용자 인터페이스가 부족했다.

AT의 IRSX시리즈 스마트 적외선 카메라를 사용하면 산업용으로 일관되게 설계된 지능형 독립적 열 화상 시스템을 사용할 수 있다. 교정된 열 화상 센서, 데이터 처리장치, 산업용 인터페이스를 작고 견고한 IP67 하우징에 결합한다. 컴퓨터와 특수 열 화상 소프트웨어, 외부 인터페이스는 필요하지 않다.

웹 기반 구성 인터페이스 덕분에 프로그래밍 기술이 없이도 열 모니터링 작업을 위해 카메라를 설정할 수 있다. OpenAPI 표준에 따라 구현된 REST-API를 사용하면 기업환경에 맞게 애플리케이션을 시각화할 수 있다.

사용자는 자신의 웹 사이트를 만들거나 카메라에서 제공한 데이터를 기존 웹 사이트로 가져올 수 있다. 제공된 표준 프로토콜인 Modbus TCP, Profinet, OPC-UA 및 MQTT를 사용하면 평가 데이터에 직접 액세스 할 수 있을 뿐아니라 PLC 및 산업용 시각화 시스템에 직접 연결할 수 있다. AT의 표준 스마트 앱에 Lua scripting을 통합하면 고객별 평가 시나리오도 실습할 수 있다.

이에 따라 최적화된 시각화를 통해 변전소 모니터링을 위한 앱이 설정된 SCADA 프로토콜인 DNP3과 같이 점점 더 많은 애플리케이션 별 앱 패키지를 사용할 수 있다. 여기에서도 REST-API를 통해 시각화를 조정할 수 있다.  카메라 플랫폼은 GigE Vision과 함께 Gigabit-Ethernet을 기반으로 하기에 더 큰 센서 네트워크를 설정할 수 있다.

IRSX시리즈는 시야, 해상도, 프레임 속도가 다양한 모델로 구성되어 있어 산업 공정 자동화의 영역에서 광범위한 애플리케이션을 제공한다(그림5).

자료 제공: Aautomation technology(www.automationtechnology.de)