Hur logistikspårning och Logistics 4.0 kan hantera störningar i leveranskedjan

Logistikspårning blir allt viktigare för att hantera de störningar i leveranskedjan som förväntas fortsätta under överskådlig tid. Logistik är processen för att flytta föremål från en plats till en annan: inom en tillverkningsanläggning eller ett lager eller mellan geografiskt spridda platser. Logistikspårning tillhandahåller status för leveranskedjan i realtid, vilket gör det möjligt att vid behov göra justeringar för att minimera effekterna av störningar i leveranskedjan och säkerställa en smidig, effektiv och lönsam verksamhet.

Framväxten av Industrial internet of things (IIoT) har resulterat i utvecklingen av Logistics 4.0 och smart hantering av leveranskedjan, inklusive artificiell intelligens (AI) för att hantera nya utmaningar och ge ökad flexibilitet i logistikhanteringen. Logistics 4.0 möjliggör synlighet och integritetskontroll i leveranskedjan i realtid för att säkerställa tillgången på den information som behövs för att leverera rätt produkter, i rätt tid, på rätt plats, i rätt mängd, i rätt skick och till rätt kostnad. Beroende på var i leveranskedjan logistikspårningen sker kan den genomföras med hjälp av en rad olika tekniker, bland annat linjära streckkoder (1D), 2D-streckkoder, radiofrekvensidentifiering (RFID), NFC (Near Field Communication), Bluetooth, Wirepas (industriell Bluetooth) och GPS-teknik.

Artikeln ger en översikt över logistikutmaningarna, jämför nyttan av utvalda spårningstekniker för logistik och relaterade industristandarder och avslutar med att presentera exempel på spårningsverktyg från Banner Engineering och Würth Elektronik, tillsammans med en utvärderingsplattform för att påskynda utvecklingsprocessen.

Industry 4.0 och Logistics 4.0 är sammankopplade och båda behövs för att uppnå målet med en effektiv massanpassning på ett ekonomiskt sätt. Logistics 4.0 är baserat på väldigt detaljerad information i realtid om enskilda varor, i kombination med nätverk, automatisering och kommunikation med låg latens för att ge tidiga varningar om störningar, och möjliggöra snabba gensvar för att upprätthålla ett optimalt varuflöde i hela leveranskedjan. Flera olika tekniker behövs för att komma fram till den bästa logistiklösningen för en viss situation.

1D- och 2D-streckkoder

Streckkoder är ett billigt och effektivt sätt att automatisera insamling av uppgifter om enskilda föremål. Beroende på mängden information finns det flera streckkodsformat, bland annat:

• 1D- eller linjära streckkoder kan innehålla information som serienummer, modellnummer och artikelhistorik.
• Staplade linjära streckkoder som använder flera 1D-streckkoder staplade tätt intill varandra för att ge högre datatäthet.
• 2D-streckkoder består av rutor eller celler, med ännu större mängder information lagrat i ett rutnätformat.

1D-streckkoder är vanligast, och streckkodens information finns i bredden på de svarta och vita strecken och mellanrummen och avläses med en streckkodsläsare som förstår det specifika format som används. Det finns flera olika 1D-streckkodsformat som har optimerats för den information som behövs i specifika tillämpningar. Några exempel är:

• Code 128, för materialhantering
• Code 39, används av militären och statliga myndigheter.
• Interleaved 2 of 5, för särskilda industriella tillämpningar.
• UPC-A, som ofta används inom detaljhandeln i USA.
• Postnet, som används av US Postal Service (USPS).

Formatet Code 128 innehåller exempelvis (figur 1):

Staplar som är svarta linjer som förmedlar informationen. I grundläggande koder finns det två streckstorlekar - en bred och en smal - som översätts till binär information av en läsare. Andra kodformat kan innehålla varierande bredd på streck och vita utrymmen för att kommunicera mer detaljerad information.

Quiet Zone är ett tomt utrymme i streckkodens kanter för att skannern ska kunna identifiera kodens början och slut. Det är en gemensam egenskap för alla 1D-streckkodformat.

Start- och stoppkoder är specifika kombinationer av streck och mellanslag som anger streckkodens början och slut.

Kontrollsiffran används för att kontrollera att uppgifterna är korrekta och för att skydda mot fel i avläsningen av informationen.

Den människoläsbara koden är inte en del av streckkodens maskinläsbara information.

Modulbredd är höjden/bredden på den minsta cellen eller strecket i streckkoden och bestämmer den lägsta upplösning som krävs för att en skanner ska kunna läsa av koden korrekt.

Figur 1: Strukturen hos en 1D-streckkod med formatet Code 128 (färgerna är endast avsedda för identifiering). (Bildkälla: Banner Engineering)

2D-streckkoder är mer komplicerade och innehåller större mängder information. Några av de vanligaste 2D-streckkoderna är:

• DataMatrix som används för tillämpningar inom fordonsindustrin, elektronikbranschen och USPS.
• QR-koder som även används inom bilindustrin och kommersiell marknadsföring.
• Aztec som finns på resedokument och vissa fordons registreringsbevis.
• Maxicode som används för materialhantering och av United Parcel Service (UPS).

Formatet DataMatrix omfattar (figur 2):

Celler som är svarta och vita rutor inuti 2D-matrisen och innehåller informationen.

Quiet zone är ett tomt utrymme runt en 2D-streckkod för att skannern ska kunna identifiera kodens början och slut.

Sökarmönstret (eller "L"-mönstret) orienterar läsaren så att den kan identifiera rätt sätt att läsa av koden.

Klockningsmönstret finns den på motsatta sidan av sökarmönstret och talar om för läsaren hur stora kodens celler är och hur många rader och kolumner streckkoden består av.

Figur 2: Strukturen för DataMatrix i en 2D-streckkod (färgerna är endast avsedda för identifiering). (Bildkälla: Banner Engineering)

2D-streckkoder innehåller även information för felkorrigering. Beroende på koden kan information om felkorrigering inkluderas tre gånger för att förbättra kvaliteten på läsarens datainsamling.

Avläsning av streckkoder

Laserskannrar är ett enkelt och billigt sätt att läsa 1D-streckkoder. Lasern riktas över streckkoden med hjälp av en roterande spegel och det reflekterade ljuset mäts med hjälp av en fotodiod. Ljusmätningarna omvandlas sedan till digital utdata. Laserskannrar med hög hastighet kan göra upp till 1300 skanningar per sekund men kan inte läsa av 2D-streckkoder.

Bildläsare kan användas för att läsa av både 1D- och 2D-streckkoder. Dessa läsare tar en bild av streckkoden, som analyseras med hjälp av ett bildbehandlingsprogram som kan lokalisera, rikta och läsa streckkoden. Jämfört med en laserskanner har en bildläsare ett större skärpedjup för läsning på flera höjder och kan läsa av flera streckkoder samtidigt. Hastigheten på avläsningsprocessen beror på bildkamerans och bildbehandlingsprogrammets kapacitet.

Wirepas självbildande mobila nätverk

Förutom streckkoder kan trådlösa taggar och IIoT användas för att identifiera artiklar, plats och skick i hela leveranskedjan. Wirepas är ett autonomt självbildande protokoll för trådlös anslutning som är utformat för att ge den skala och täthet som krävs för att stödja tillämpningar med Logistics 4.0. Traditionella mesh-nätverk som Bluetooth kan ha svårt att bli storskaliga på grund av överbelastning och begränsningar i bandbredd. Wirepas undanröjer dessa hinder genom att decentralisera nätverksintelligensen till noderna, vilket medför ett självläkande nätverk med kollisionsfri användning av radiospektrumet (figur 3).

Figur 3: I tillämpningar för logistikspårning där många artiklar ska hanteras kan Wirepas vara ett alternativ till Bluetooth eller proprietära trådlösa protokoll. (Bildkälla: Würth Elektronik)

Programmet Wirepas Mesh är utformat för storskaliga och batteridrivna nätverk. Respektive nod ...

• Skannar nätverksmiljön och väljer den optimala vägen.
• Justerar sändningseffekten baserat på närheten till närliggande noder.
• Kan fungera som en nod med routning eller utan routning, eller som kanalmottagare.
• Kan växla mellan lägen med låg energiförbrukning och låg latenstid
• Väljer den optimala frekvensen
• Är störningstolerant.

Digital Container Shipping Association (DCSA), en oberoende organisation som grundats av flera av de största containerrederierna, har publicerat standardgränssnitt för trådlös uppkoppling av containrar. Wirepas uppfyller DCSA-standarden.

Implementeringav 1D- och 2D-streckkoder

Konstruktörer kan använda sig av den bildbaserade streckkodsläsaren ABR3009-WSU2 WVGA (752 x 480 pixlar) från Banner Engineering när de konstruerar spårningssystem för Logistics 4.0 som använder 1D- eller 2D-streckkoder (figur 4). Den är fabrikskalibrerad för tre fokuspositioner eller 45, 70 och 125 mm, och har ett kontinuerligt fokusområde för att tillhandahålla finjustering för individuella tillämpningar. ABR3009-WSU2 kan ta 57 bilder per sekund.

Figur 4: ABR3009-WSU2 från Banner Engineering läser ett helt bibliotek av 1D- och 2D-streckkoder. (Bildkälla: Banner Engineering)

Alla standardläsare i ABR 3000-serien för 1D och 2D är inställda för att läsa DataMatrix-streckkoder och kan enkelt konfigureras för att läsa andra stilar med hjälp av inbyggda tryckknappar för enkel konfiguration, eller med hjälp av en dator och programmet Barcode Manager från Banner för mer komplicerade konfigurationer. Olika objektiv, inklusive autofokus som kan justeras i programmet, kan ytterligare förenkla installation och konfiguration. Enhetsintegration och IIoT-datainsamling kan konfigureras via industriell Ethernet, seriell anslutning eller USB-anslutning. Modellen ABR3009-WSU2 är IP65-klassificerad, dammskyddad och skyddad mot vatten från ett munstycke.

Wirepas-radiomodul

Thetis-I från Würth Elektronik är en radiomodul på 2,4 GHz med stöd för nätverkskommunikationsprotokollet Wirepas. Konstruktörer kan använda artikelnummer 2611011021010, med en siktlinje på 400 m, för att integrera Wirepas i Logistics 4.0-enheter för spårning av tillgångar (figur 5). Den har en sändareffekt (Tx) på 6 dBm, en mottagningskänslighet (Rx) på upp till -92 dBm och en överföringshastighet på upp till 1 Mbit/s. 2611011021010 behöver 18,9 mA i Tx-läge, 7,7 mA i Rx-läge och 3,16 µA i viloläge. Den har måtten 8 x 12 x 2 mm.

Radiomodulen Thetis-I för 2,4 GHz från Würth Elektronik med meshprotokollet Wirepas. (Bildkälla: Würth Elektronik)

För att påskynda utvecklingen av tillämpningar för Logistics 4.0 som använder radiomodulen Thetis-I med meshprotokollet Wirepas kan konstruktörer använda Thetis-I EV-Kit som innehåller ett mini-EV-kort, en USB-radiosticka och tre givarrnoder (figur 6). Ett fungerande prototyp-meshnätverk med Wirepas kan konfigureras på bara några minuter, och alla komponenter i EDV-Kit (mini-EV-kort, USB-radiosticka och givarnoder) kan köpas separat för att utöka prototypnätverket.

Figur 6: Thetis-I EV Kit är utrustat med en Thetis-I mesh-modul med Wirepas och innehåller ett mini EV-kort, en USB-radiosticka och tre givarnoder. (Bildkälla: DigiKey)

Kortet Mini-EV stödjer anslutning till en värdmikrokontroller för utveckling av tillämpningar. Givarnoden är ett batteridrivet kort på 31 x 32 mm som innehåller en tryckgivare och en fuktighetsgivare. Radiomodulen läser automatiskt av givarens information och överför den till det meshbaserade nätverket. EV-Kit innehåller även PC-verktyget Wirepas Commander från Würth som har stöd för kommunikation med radiomodulerna, nätverkskonfiguration och övervakning av givarinformation.

Sammanfattning

Logistics 4.0 bygger på detaljerad realtidsinformation om alla objekt i leveranskedjan, och måste integreras med Industry 4.0 med hjälp av nätverkssystem, automatisering och kommunikation med låg latens för att ge tidiga varningar om störningar i leveranskedjan. Det krävs flera spårningstekniker för att implementera ett framgångsrikt logistiksystem. I artikeln har vi presenterat olika valmöjligheter i samband med 1D- och 2D-streckkoder och trådlösa mycket skalbara Wirepas-nätverk som kan samarbeta i en lösning för Logistics 4.0.