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[TECH REPORT] 열화상 카메라를 적용한 스마트 팩토리 구현 방안

  • 등록 2021.02.02 09:49:19
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[헬로티]


열화상 카메라 소개


열화상 카메라는 적외선 대역의 열에너지를 측정하여 온도 데이터로 변환하고 육안으로 확인할 수 있도록 가시화하는 장치로서 일반적인 개념의 카메라보다는 열에너지를 계측하는 계측 장비에 가까운 장비이다.


열에너지를 측정하는 파장 대역에 따라 장파(7.5μm~14μm), 중파(3μm ~5μm), 단파(0.7μm ~2.0μm) 카메라로 구분하며, 사용하는 파장 대역에 따라 투과 및 방사율의 특성이 달라지기 때문에 반드시 사용하는 목적에 따라 구분하여 사용해야 한다.


열화상 카메라 기술


열화상 카메라는 복사열 물리학을 기반으로 설명할 수 있다. 복사 에너지의 교환 형태는 방사(ε), 흡수(α), 반사(ρ), 투과(τ)로 이루어지며 열에너지를 바라보는 관점에 따라 입사 복사, 방출 복사로 구분을 할 수 있다. 입사 복사는 열원의 관점이며, 방출 복사는 타깃을 바라보는 관점으로 즉 열화상 카메라의 관점으로 간주한다.


그림 1. 열에너지를 측정하는 파장 대역 (출처: Infrared Training Center)


열화상 카메라는 바라보는 관점인 방출 복사의 원리에 영향을 받게 되며, 방출 복사의 핵심 개념은 어느 한 지점의 에너지 구성을 1로 보았을 때 에너지의 구성은 1 = 방사(ε)+ 반사(ρ) + 투과(τ)로 이루어진다는 점이다.


그림 2. 입사 복사 및 방출 복사의 구조 정의 (출처: Infrared Training Center)


일상 생활에서 접하는 물질의 경우 투과 특정이 0이기 때문에 열화상 카메라가 측정하는 에너지 구성은 1 = 방사(ε) + 반사(ρ)가 된다. 타깃과 열화상 카메라 사이에 존재하는 대기를 고려해야 하지만, 해당 설명에서는 없는 것으로 가정하였다. 이러한 원리로 측정한 열에너지를 흑체(Black Body)라는 온도 기준 장비를 이용해 캘리브레이션하여 사용자에게 온도값을 표시한다.


그림 3. CCTV로 촬영한 화면(좌)과 열화상 카메라로 촬영한 화면(우) 비교


열화상 카메라 적용 분야


열화상 카메라는 표면에서 방사되는 열에너지를 측정하여 온도 혹은 열영상으로 보여주기 때문에 불이나 연기가 나기 전에 화재를 인식할 수 있어 통상적으로 화재 감시 분야에 많이 활용되어 왔다.


최근에는 전통적으로 실화상 카메라의 영역으로 간주된 비전(Vision) 분야에서도 활발하게 사용되고 있다. 실화상 카메라의 경우 환경 변수에 영향을 많이 받는 관계로 시간이 지날수록 오차율이 증가하지만, 열화상카메라는 빛과 관계없는 적외선 대역을 측정하기 때문에 주위 환경 변화에 강하다는 강점을 가지고 있다.


그림 4. 열화상 카메라를 활용한 플레어 스택 모니터링 시스템


또한, 열화상 이미지와 함께 온도 데이터를 추가로 획득하여 시간이 경과하는 경우에도 정확도를 확보할 수 있다는 장점이 있어 현재는 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다.


열화상 카메라를 적용한 스마트 팩토리 구현 방안 열화상 카메라에서 출력되는 온도 데이터 및 열형상 이미지와 OPC-UA/DA, TCP/IP, Serial, Digital-IO 등 산업 현장에서 사용되고 있는 다양한 데이터를 통합적으로 측정하고 분석하여 최적의 생산 컨디션을 유지할 수 있도록 공정설비 자동 제어 및 설비 예지 진단 분야에 활용할 수 있다.


그림 5. 한컴MDS 자동 제어 및 모니터링 솔루션(CMT: Hancom MDS Control & Monitoring Solution by Thermal)


한컴MDS의 HCMT(Hancom MDS Control & Monitoring Solution by Thermal)을 활용할 경우 산업 현장에서 사용하는 다양한 설비와 센서뿐만 아니라 공장 상위 시스템까지 연동할 수 있다.


제품이나 설비를 24시간 모니터링하고 특정 시점을 지정하여 측정하고 분석할 수 있으며 다양한 품질 평가 스케줄을 공장 환경에 맞게 설정할 수 있다. 또한, 측정 결과에 따라 알람을 설정하고 분석 결과에 따라 다음 작업 스케줄을 추가 또는 삭제할 수 있으며, 측정 결과값을 DB에 저장하여 필요 시 해당 이력을 조회하여 이슈사항을 분석할 수 있다.


그림 6. 분진 제거 알고리즘을 적용한 스크랩 용해율 분석 시스템


또한, 컴퓨팅 파워와 응용 소프트웨어 기술의 발전으로 단순히 온도 측정을 하여 알람을 송출하는 것을 넘어 열화상 이미지의 실시간 분석을 통한 AI/형상 인식 기술을 통해 생산 제품의 적합성을 판단하고 품질을 향상시킬 수 있다.


한컴MDS는 플리어 자동화용 카메라(A-Scries)와 연구용 카메라(SC-Series)의 국내 총판으로 열화상 카메라의 공급뿐만 아니라 현장 맞춤형 자동화 소프트웨어 및 기술 컨설팅을 지원하고 있어, 열화상 카메라를 활용한 스마트 팩토리 구현을 위한 최적의 파트너이다.


김민엽 차장, 한컴MDS



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