Hur man använder lösningar för Spårbarhet 4.0 för att förbättra produktsäkerheten, efterlevnaden och spårningen

Spårning av tillgångar i realtid och spårbarhet i lager och fabriker är en viktig aspekt av Industry 4.0 och hantering av leveranskedjan för reservdelar och delmonteringar för bilar, vitvaror för konsumenter, flyg- och rymdindustrin, transport och produktion av elektroniska system. Spårbarhet är särskilt viktigt: Det inkluderar spårning av platser samt dokumentering av historik och användning av råvaror, komponenter, delmonteringar och färdiga produkter. Förutom att stödja produktionseffektiviteten och produktkvaliteten är Spårbarhet 4.0 en viktig aspekt av produktsäkerheten, inklusive skydd mot förfalskade komponenter, stöd för korrekta återkallelser och säkerställande av att regelverket efterlevs.

Lösningar för Spårbarhet 4.0 bygger på märkning av varje enskild komponent, ofta med 1D- eller 2D-streckkoder på etiketter eller direkt på produkten, och aktiv spårning av artiklarnas förflyttning genom hela tillverkningsprocessen. Det kan vara en ganska stor utmaning. Ett typiskt fordon har exempelvis över 20 000 komponenter som måste spåras. Genomförande av Spårbarhet 4.0 kan vara komplicerat. Det räcker inte att bara märka varje komponent. Det är önskvärt att använda en enda bildplattform för streckkodsläsning och visuell inspektion av föremålen. Dessutom måste bildenheterna fungera i tuffa industriella miljöer och under varierande ljusförhållanden.

För att stödja behoven av spårbarhet i Industry 4.0 kan konstruktörer använda sig av smarta industriella bildenheter som kan läsa streckkoder i 1D och 2D för visuell inspektion, och finns med autofokus för att förbättra bildprestandan. Dessa smarta bildenheter har avancerade avkodningsalgoritmer som kan läsa även skadade streckkoder. De har dubbla frontfönster för att minimera problem med kondensation, samt IP65/67-skydd för att garantera prestanda i tuffa miljöer.

Artikeln granskar utvecklingen av Spårbarhet 4.0 och hur den stödjer produktsäkerhet, produktspårning och överensstämmelse med regelverk, grundläggande streckkodstyper och program för rekonstruktion av avlästa skadade streckkoder, systemintegration och avvägningar mellan mekaniska system och autofokuserande system med flytande objektiv och avslutas med en presentation av smarta industriella bildenheter från Omron tillsammans med ett programutvecklingsverktyg för att konfigurera streckkodsläsning och tillämpningar för maskinseende.

Var passar Spårbarhet 4.0 in?

Spårbarhet 4.0 är en integrerad del av Industry 4.0. Men det är inte alla tillverkningsverksamheter som är Industry 4.0-verksamheter. Andra användningsområden, som detaljhandel och lagerhållning, kräver inte Spårbarhet 4.0. Hur uppstod då Spårbarhet 4.0 (figur 1)?

• Spårbarhet 1.0 förlitar sig vanligtvis på streckkoder för att identifiera produkter automatiskt för att på så vis förbättra noggrannhet och effektivitet.
• Spårbarhet 2.0 blev en del av hanteringen av leveranskedjan tack vare användning av datum- och partikoder. Den utformades för att stödja högre kvalitetsnivåer, högre konsumentförtroende samt för att stödja riktade produktåterkallelser. Den används fortfarande inom detaljhandeln. Dessutom använder det amerikanska livsmedels- och läkemedelsverket FDA den för unika identifierare för medicintekniska produkter (UDI). Det är då som den internationella standardiseringsorganisationen ISO började utveckla specifikationer för streckkodskvalitet.
• Spårbarhet 3.0 markerade början på spårning av enskilda enheter i stället för datum- och partikoder. DPM-teknik (direktmärkning av artiklar) för plast- och metalldelar har utvecklats för användning i tuffa industriella miljöer. Grunden för program mot förfalskningar utvecklades för att säkerställa att produkter och komponenter är äkta.
• Spårbarhet 4.0 är en komplett implementering, inklusive omfattande artikelhistorik och geometriska mått och toleranser (GD&T) för enskilda artiklar. Geometriska mått och toleranser är viktigt inom precisionstillverkning, som t.ex. inom flyg- och fordonsindustrin, och gör det möjligt att installera delar baserat på deras exakta geometriska mått och toleranser, vilket garanterar montage med hög precision och stöd för högkvalitativa system.

Figur 1: Spårbarhet 4.0 är en integrerad del av industri 4.0 men ersätter inte tidigare generationer av spårbarhet helt och hållet. (Bildkälla: Omron)

Streckkodstyper och standarder

Streckkodstyperna har utvecklats och utökats i takt med att spårbarheten har blivit mer sofistikerad. Idag finns det flera vanliga typer av streckkoder, inklusive linjära, 2D (som Data Matrix, QR-kod och Aztec-kod) och staplade linjära (som PDF 417, Micro PDF och Composite Codes) (figur 2). De kan skrivas ut på etiketter eller markeras direkt på detaljen. Det finns ett stort utbud av standarder. Exempel på detta är:

• AIAG B4 - Automotive Industry Action Group, identifiering och spårning av reservdelar
• AS9132 - Society of Aerospace Engineers, Data Matrix-kvalitetskrav för märkning av delar
• EIA 706 - Electronics Industry Association, märkning av komponenter
• ISO/IEC 16022 - Internationell symbolikspecifikation
• ISO/IEC 15418 - Semantik för symboldataformat
• ISO/IEC 15434 - Syntax för symboldataformat
• ISO/IEC 15415 - Standard för kvalitet på 2D-utskrifter
• ISO/IEC 15416: 2016 - Standard för kvalitet på 1D-utskrifter
• ISO/IEC TR 29158:2011 - Kvalitetsriktlinjer för Direct Part Mark (DPM)
• SPEC 2000 - Air Transport Association, Electronics Commerce, inklusive permanent Part ID
• IUID - Amerikanska försvarsdepartementet, permanent och unik identifiering av delar
• UDI - FDA:s identifiering av medicinsk utrustning

Figur 2: Spårbarhet 4.0 har stöd för användning av olika typer av streckkoder. (Bildkälla: Omron)

Vad händer med skadade streckkoder?

Streckkodsmärkning är föremål för variationer och är inte perfekt. Även väl utskrivna streckkoder kan bli skadade eller snedställda när någon del passerar genom tillverkningsprocessen. Bristande kontrast mellan delens yta och streckkoden och mycket varierande belysning i industriella miljöer bidrar till de utmaningar som måste lösas när man utvecklar en infrastruktur för Spårbarhet 4.0.

För att hantera utmaningarna med att läsa ett stort antal streckkoder under mycket varierande förhållanden korrekt, erbjuder Omron sina algoritmer X-Mode som kan läsa praktiskt taget vilken kod som helst på vilken yta som helst, inklusive glänsande, strukturerade eller böjda ytor. Genom att använda X-Mode kan du minimera så kallade "icke-läsningar", vilket minimerar förseningar och driftstopp.

X-Mode använder avancerad digital bildbehandling och pixelanalys för att göra förvrängda, skadade, dåligt utskrivna eller sneda symboler läsbara. För DPM-koder, som bläckstråleutskrivna koder på kartong och andra förpackningar eller dot peen-märken på reflekterande metallytor, förbättrar X-Mode kontrasten och skärpan i bilden så att koder kan läsas och tolkas på ett tillförlitligt sätt även i dynamiska miljöer (figur 3). X-Mode har även stöd för rundstrålande avkodning, vilket ökar antalet användbara monteringsvinklar och förenklar integrationen av streckkodsläsare.

Figur 3: Avancerad digital bildbehandling och pixelbehandling gör det möjligt för X-Mode-programmet att läsa koder under svåra förhållanden. (Bildkälla: Omron)

Systemintegration

Riktiga system för Spårbarhet 4.0 kräver flera kameror som är integrerade i ett lättanvänt och lätthanterligt system. Med dessa smarta industriella bildenheter kan processingenjörer kombinera upp till åtta läsare med hjälp av en Ethernet-switch för att stödja kodläsning i 360 grader och produktinspektion när det behövs en kombinerad utskrift av flera koder eller när kodens placering är oförutsägbar.

Blandtillverkning i höga volymer som är typisk för Industry 4.0-verksamheter kan stödjas genom att automatiskt välja mellan flera inställningar för att maximera läshastigheten och linjehastigheten med hjälp av de bästa alternativen baserat på streckkodens storlek, typ, belysning och kontrast samt plats. Systemet använder klassificeringsmetoder enligt ISO-standard för inline-övervakning av streckkodskvaliteten och kan utlösa en varning om kvaliteten faller under ett användarinställt gränsvärde.

Dessa smarta industriella bildenheter har ett inbyggt webbaserat gränssnitt för streckkodsläsare. Varje bildenhet är säkert åtkomlig för alla webbaserade enheter med hjälp av dess IP-adress. Den öppna protokollstrukturen förenklar integrationen av enheter och eliminerar problem med inkompatibilitet mellan enheter. Webbintegration omfattar tre åtkomstnivåer för användare. På högsta säkerhets- och åtkomstnivån kan användarna redigera inställningar som kan sparas i läsarens interna minne eller på externa enheter och överföras till andra enheter för att påskynda integrationen av ny utrustning och förändrade miljöbehov.

För att minska den totala utrustningskostnaden kan inspektionsstatusen för flera läsare övervakas med en enda enhet. Medan vanliga bildenheter kräver en skärm per enhet, kräver dessa smarta industriella bildskärmar endast en skärm för flera enheter. Det förenklar installationen och övervakningen av flera bildenheter. Dessutom är ett program för webbövervakning integrerad i varje smart industriell bildenhet, vilket gör det möjligt att fjärrövervaka flera bildenheter med hjälp av en tablet eller en dator.

Val av autofokusering

Förmågan till autofokusering kan ha en betydande inverkan på effektiviteten hos system för streckkodsläsning i krävande miljöer. Dessa smarta industriella bildenheter erbjuder ett val mellan mekanisk autofokusering och autofokusering med flytande objektiv. Mekanisk autofokusering implementeras med en liten motor. Dess mekaniska natur innebär att den utsätts för slitage och metallutmattning och kan behöva bytas ut varje år. Autofokusering med flytande objektiv ändrar objektivets brännvidd genom att en spänning läggs på en inre struktur bestående av olja och vatten för att ändra formen på den (figur 4). Eftersom inget mekaniskt slitage sker, kan flytande autofokusmekanismer ha en livslängd på flera år. Med hjälp av teknik med flytande objektiv kan bildenheten automatiskt justera fokus från 50 till 1200 mm och även läsa Data Matrix-symboler med hög täthet på komplicerade kretskort. Bildenheter med båda typerna av autofokusering kan läsa vilken kod som helst på några sekunder efter att de har anslutits, utan att det krävs någon konfiguration.

Figur 4: Mekanisk autofokusering (till vänster) kräver mer underhåll, vilket leder till mer stilleståndstid än autofokusering med flytande objektiv (till höger). (Bildkälla: Omron)

Smarta industriella bildenheter

Kodläsarna MicroHAWK från Omron har snabb och tillförlitlig drift och en robust, extremt kompakt kapsling med dubbla frontfönster för att undvika att fukt kondenseras inuti fönstret. Beroende på modell kan de fås med IP65/67-skydd för att garantera prestanda i krävande miljöer. Bildupplösningar från 0,3 till 5 megapixel finns. Bildenheterna finns med optik, belysning och filteralternativ så att enheten kan optimeras för den specifika driftsmiljön och behovet av bildbehandling. Funktionerna i MicroHAWK inkluderar:

• Anslutning via Ethernet/IP, Ethernet TCP/IP eller PROFINET
• Strömförsörjning från 5 till 30 V_DC med möjlighet till Power over Ethernet (PoE)
• Processorhastighet på 800 MHz för snabb bildbehandling
• Funktion för icke-linjär kalibrering (NLC) som förbättrar mät- och spårningsresultatet med en faktor på 20 genom att jämna ut objektivets distorsion. Den skickar ut mått i mm och pixlar.

Samma enhet kan stödja upp till 60 bilder per sekund för streckkodsläsning och visuell inspektion. Exempel på MicroHAWK-kodläsare inkluderar:

• V430-F000W12M-SRP, bildenhet på 1,2 MP med en brännvidd på 5,2 mm objektiv och stort synfält, plus standard autofokus, standard rött yttre ljus och bildtagning i plus-läge (figur 5).
• V430-F000L12M-SRX, bildenhet på 1,2 MP med smalt objektiv på 16 mm och autofokus till 1160 mm, standard rött yttre ljus och bildtagning med X-Mode.

Figur 5: Bildenheten på 1,2 MP har ett vidvinkelobjektiv med en brännvidd på 5,2 mm och program för bildtagning i plusläge. (Bildkälla: DigiKey)

Effektiv konfiguration

Programmet AutoVISION från Omron kan påskynda konfigurationen och installationen av MicroHAWK-bildenheter. Med AutoVISION kan användare ansluta till och konfigurera en enhet samt programmera och övervaka ett jobb. Jobb i AutoVISION är skalbara för flera MicroHAWK-bildenheter, programpaket, industrisystem, tablets och datorer. Den kan integrera upp till åtta bildenheter till ett enda system. Med AutoVISION kan de här smarta bildenheterna användas för inspektionsfunktioner med maskinseende, t.ex. närvaro av delar, lokalisering av delar, räkning av delar, färgdetektering och mätning. Implementeringen av AutoVISION är en process i tre steg:

• Ta en bild med ett klick
• Ange inspektionsområdet och tilldela utgångar med hjälp av dra och släpp-verktyget.
• Starta inspektionsprocessen med knappen Kör

Utvecklingsprogrammet AutoVISION är lämpligt för en rad olika tillämpningar:

• Inspektion och allmänt maskinseende
• Förpackningslinjer
• Monteringsprocesser
• Upptäckt av defekter

Sammanfattning

Spårbarhet 4.0 stöder tillverkningsprocesser och leveranskedjor inom Industry 4.0, men ersätter inte helt tidigare versioner av spårbarhet i andra tillämpningar. Högeffektiva bildenheter är en kritisk del i införandet av Spårbarhet 4.0. Det finns smarta industriella bildenheter med autofokusfunktion och kapacitet att fungera tillförlitligt i krävande miljö- och ljusförhållanden. Programmet NLC förbättrar mätnoggrannheten med upp till 20 gånger, och det tillgängliga programmet för automatisk konfiguration påskyndar installationen av högeffektiva spårbarhetssystem.