Miten hallita toimitusketjun häiriöitä käyttämällä logistiikan seurantaa ja Logistiikka 4.0:aa

Toimitusketjun häiriöiden odotetaan jatkuvan lähitulevaisuudessa ja logistiikan seuranta käy yhä tärkeämmäksi niiden hallitsemisessa. Logistiikka on prosessi, jossa tavaroita siirretään paikasta toiseen. Tämä voi tapahtua tuotantolaitoksen tai varaston sisällä tai maantieteellisesti hajautettujen paikkojen välillä. Logistiikan seuranta kertoo reaaliaikaisesti toimitusketjun tilan, mikä mahdollistaa tarvittaessa muutokset toimitusketjun häiriöiden minimoimiseksi ja sujuvan, tehokkaan ja kannattavan toiminnan varmistamiseksi.

Teollisen esineiden internetin (IIoT) kehitys on johtanut Logistiikka 4.0:n ja älykkään toimitusketjun hallinnan kehitykseen, tekoäly (AI) mukaan lukien. Näillä vastataan uusiin haasteisiin ja lisätään logistiikan hallinnan joustavuutta. Logistiikka 4.0 mahdollistaa reaaliaikaisen näkyvyyden toimitusketjuun ja eheyden valvonnan. Tällä voidaan varmistaa, että tarvittavat tiedot ovat saatavana oikeiden tuotteiden toimittamiseen oikeaan aikaan, oikeassa paikassa, oikea määrä, oikeassa kunnossa ja oikealla hinnalla. Logistiikan seurannassa voidaan käyttää toimitusketjussa sijainnista riippuen erilaisia tekniikoita, kuten lineaariset (1D) viivakoodit, 2D-viivakoodit, radiotaajuustunnistus (RFID), lähikenttäkommunikaatio (NFC), Bluetooth sekä Wirepas- (teollinen Bluetooth) ja GPS-tekniikka.

Tässä artikkelissa esitetään yleiskatsaus logistiikan haasteisiin, vertaillaan valittujen logistiikan seurantatekniikoiden ja niihin liittyvien teollisuusstandardien hyödyllisyyttä ja lopuksi esitellään esimerkkejä Banner Engineeringin ja Würth Elektronikin seurantatyökaluista sekä arviointialusta kehitysprosessin nopeuttamiseksi.

Teollisuus 4.0 ja Logistiikka 4.0 liittyvät toisiinsa, ja molempia tarvitaan, jotta tehokas massaräätälöinti voidaan toteuttaa taloudellisesti. Logistiikka 4.0 perustuu erittäin yksityiskohtaiseen ja reaaliaikaiseen yksittäisiin tuotteisiin liittyvään tietoon yhdistettynä verkostoitumiseen, automatisointiin ja alhaisella latenssilla tapahtuvaan viestintään. Tämän avulla häiriöistä voidaan varoittaa varhaisessa vaiheessa ja reagoida nopeasti, jotta tavaravirta pysyy optimaalisena koko toimitusketjussa. Parhaan logistisen ratkaisun löytäminen tiettyyn tilanteeseen vaatii useita eri tekniikoita.

1D- ja 2D-viivakoodit

Viivakoodit ovat edullinen ja tehokas tapa automatisoida yksittäisiä tuotteita koskeva tiedonkeruu. Tietojen määrästä riippuen on olemassa useita viivakoodimuotoja, kuten:

• 1D- tai lineaariset viivakoodit voivat sisältää sellaisia tietoja kuten sarjanumeron, mallinumeron ja tuotehistorian.
• Pinotuissa lineaarisissa viivakoodeissa käytetään useita lähekkäin pinottuja 1D-viivakoodeja suuremman tietotiheyden aikaansaamiseksi.
• 2D-viivakoodit koostuvat laatikoista tai soluista ja niiden ruudukkomuotoon voidaan tallentaa vieläkin suurempia tietomääriä.

1D-viivakoodit ovat yleisimpiä. Niissä tiedot sisältyvät mustien ja valkoisten viivojen ja välien leveyteen, ja ne luetaan käytettävän formaatin ymmärtävällä viivakoodinlukijalla. 1D-viivakoodeista on olemassa useita formaatteja, jotka on optimoitu tiettyjen sovellusten tarvitsemia tietoja varten. Joitakin esimerkkejä ovat:

• koodi 128 materiaalinkäsittelyä varten
• koodi 39, jota käyttävät armeija ja valtion virastot
• lomitettu 2/5 eräitä teollisuussovelluksia varten
• UPC-A, jota käytetään laajalti vähittäiskaupassa Yhdysvalloissa
• Postnet, jota US Postal Service (USPS) käyttää.

Esimerkiksi koodin 128 formaatti sisältää seuraavat elementit (kuva 1):

Palkit ovat mustia viivoja, jotka välittävät tietoa. Peruskoodeissa on kaksi viivakokoa - leveä ja kapea - jotka lukija kääntää binääritiedoksi. Muut koodimuodot voivat sisältää erilevyisiä palkkeja ja valkoisia välejä, joilla voidaan välittää enemmän yksityiskohtia.

Quiet Zone on tyhjä tila viivakoodin reunoissa, joiden avulla skanneri voi tunnistaa koodin alun ja lopun. Se on yhteinen ominaisuus kaikissa 1D-viivakoodimuodoissa.

Aloitus- ja lopetuskoodit ovat erityisiä viivojen ja välilyöntien kombinaatioita, joilla ilmaistaan viivakoodin alku ja loppu.

Tarkistuslukua käytetään tietojen oikeellisuuden tarkistamiseen ja lukuvirheiltä suojautumiseen.

Ihmisen luettavissa oleva koodi ei ole osa viivakoodin koneella luettavaa tietoa.

Moduulin leveys on viivakoodin sisältämän pienimmän solun tai palkin korkeus/leveys, ja se määrittää skannerin tarvitseman vähimmäistarkkuuden koodin tarkkaa lukemista varten.

Kuva 1: Koodi 128 -muotoa käyttävän 1D-viivakoodin rakenne (värit ovat ainoastaan havainnollistamista varten). (Kuvan lähde: Banner Engineering)

2D-viivakoodit ovat monimutkaisempia ja sisältävät suurempia tietomääriä. Joitakin yleisiä 2D-viivakoodeja ovat:

• DataMatrixia käytetään autoteollisuudessa, elektroniikassa ja USPS-sovelluksissa
• Myös QR-koodia käytetään autoteollisuudessa sekä kaupallisessa markkinoinnissa
• Aztec-koodia käytetään matkalipuissa ja eräissä ajoneuvojen rekisteröintiasiakirjoissa
• Maxicodea käytetään materiaalinkäsittelyssä ja sitä käyttää myös United Parcel Service (UPS).

DataMatrix-formaatti sisältää (kuva 2):

Solut ovat 2D-matriisin sisällä olevia mustia ja valkoisia neliöitä, jotka sisältävät tietoja.

Quiet Zone on tyhjä tila 2D-viivakoodin ympärillä, jonka avulla skanneri voi tunnistaa koodin alun ja lopun.

Tunnistinkuvio (tai "L") auttaa lukijaa tunnistamaan oikean tavan lukea koodi.

Kellokuvio on tunnistinkuvion vastakkaisella puolella ja kertoo lukijalle koodin sisällä olevien solujen koon sekä viivakoodin sisältämien rivien ja sarakkeiden määrän.

Kuva 2: DataMatrix 2D-viivakoodin rakenne (värit ovat ainoastaan havainnollistamista varten). (Kuvan lähde: Banner Engineering)

2D-viivakoodit sisältävät myös virheenkorjaustietoja. Koodista riippuen koodi voi sisältää kolminkertaiset virheenkorjaustiedot, mikä parantaa lukijoiden tiedonkeruulaatua.

Viivakoodien lukeminen

Laserskannerit ovat yksinkertainen ja kustannustehokas tapa lukea 1D-viivakoodeja. Laser suunnataan viivakoodin ylitse pyörivän peilin avulla, ja heijastunut valo mitataan fotodiodilla. Valomittaukset muunnetaan sitten digitaaliseksi lähdöksi. Nopeat laserskannerit pystyvät jopa 1300 skannaukseen sekunnissa, mutta ne eivät pysty lukemaan 2D-viivakoodeja.

Kuvanlukijoilla voidaan lukea sekä 1D- että 2D-viivakoodeja. Nämä lukijat ottavat kuvan viivakoodista. Tätä analysoidaan kuvankäsittelyohjelmistolla, joka pystyy paikantamaan, suuntaamaan ja lukemaan viivakoodin. Laserskanneriin verrattuna kuvanlukijalla on laajempi syväterävyyskenttä, joka mahdollistaa lukemisen useilla korkeuksilla, ja sillä voidaan lukea samanaikaisesti useita viivakoodeja. Lukuprosessin nopeus riippuu kuvantamiskameran ja käsittelyohjelmiston suorituskyvystä.

Itsestään muodostuvat Wirepas-mobiiliverkot

Viivakoodien lisäksi langattomia tunnisteita ja IIoT-teknologiaa voidaan käyttää tuotteiden tunnistamiseen sekä niiden sijainti- ja kuntotietojen välittämiseen koko toimitusketjussa. Wirepas on itsenäinen ja itsestään muodostuva langaton yhteysprotokolla, joka on suunniteltu tarjoamaan Logistiikka 4.0 -sovellusten tukemiseen tarvittava skaalautuvuus ja tiheys. Perinteisillä mesh-verkoilla, kuten Bluetoothilla, on vaikeuksia skaalautua riittävästi ruuhkautumisen ja kaistanleveysrajoitusten vuoksi. Wirepas poistaa nämä esteet hajauttamalla verkon älykkyyden solmuihin. Tämä johtaa itsestään paranevaan verkkoon, jossa radiotaajuuksien käyttö ei aiheuta törmäyksiä (kuva 3).

Kuva 3: Logistiikan seurantasovelluksissa, joissa hallinnoitavia kohteita on paljon, Wirepas tarjoaa vaihtoehdon Bluetoothille ja valmistajakohtaisille langattomille protokollille. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Wirepas mesh-ohjelmisto on suunniteltu erittäin suuria akkukäyttöisiä verkkoja varten. Kukin solmu…

• Skannaa verkkoympäristöä ja valitsee optimaalisen reitin
• Säätää lähetystehoa lähellä sijaitsevien solmujen etäisyyden mukaan
• Voi toimia sekä reitittävänä että ei-reitittävänä solmuna tai nieluna
• Voi vaihtaa tilaa alhaisen virrankulutuksen ja matalan latenssin välillä
• Valitsee optimaalisen taajuuden
• Sietää häiriöitä.

DCSA (Digital Container Shipping Association) on eräiden suurimpien konttivarustamoiden perustama riippumaton järjestö, joka on julkaissut liitäntästandardit merikonttien langattomia yhteyksiä varten. Wirepas on yhteensopiva DCSA-standardin kanssa.

1D- ja 2D-viivakoodien toteutus

Suunnittelijat voivat käyttää WVGA-tasoista (752 × 480 pikseliä) kuvapohjaista Banner Engineeringin ABR3009-WSU2-viivakoodinlukijaa suunnitellessaan 1D- tai 2D-viivakoodeja käyttäviä Logistiikka 4.0 -seurantajärjestelmiä (kuva 4). Laite on tehdaskalibroitu kolmeen kohdennuspisteeseen tai etäisyyksille 45 mm, 70 mm ja 125 mm. Laitteen saumaton kohdennusetäisyys mahdollistaa sovelluskohtaisen hienosäädön. ABR3009-WSU2 voi kuvata 57 kehystä sekunnissa.

Kuva 4: Banner Engineeringin ABR3009-WSU2 lukee kokonaisen kirjaston 1D- ja 2D-viivakoodeja. (Kuvan lähde: Banner Engineering)

Kaikki standardit 1D- ja 2D ABR 3000 -sarjan lukijat on määritetty lukemaan DataMatrix-viivakoodeja ja ne voidaan helposti konfiguroida lukemaan erilaisia koodeja käyttämällä kortilla olevia painikkeita yksinkertaisia konfiguraatioita varten tai tietokoneella käyttäen Bannerin Barcode Manager -ohjelmistoa kompleksisempia konfiguraatioita varten. Linssivaihtoehdot, mukaan lukien ohjelmistollisesti säädettävä automaattinen tarkennus, yksinkertaistaa asennusta ja konfigurointia entisestään. Laitteen integrointi ja IIoT-datan kerääminen voidaan konfiguroida teollisuus-Ethernetin, sarjayhteyden tai USB-yhteyden kautta. ABR3009-WSU2-mallilla on IP65-luokitus ja se on suojattu pölyltä sekä suuttimen ruiskuttamalta vedeltä.

Wirepas-radiomoduuli

Würth Elektronikin Thetis-I on 2,4 gigahertsin (GHz) radiomoduuli, joka tukee Wirepas mesh-viestintäprotokollaa. Suunnittelijat voivat käyttää 400 metrin (m) etäisyyden (vaatii näköyhteyden) tarjoavaa osanumeroa 2611011021010 Wirepas-protokollan integroimiseksi Logistiikka 4.0 -omaisuudenseurantalaitteisiin (kuva 5). Sen lähetysteho (Tx) on 6 desibelimetriä (dBm), vastaanottoherkkyys (Rx) jopa -92 dBm, sekä tiedonsiirtonopeus jopa 1 megabitti sekunnissa (Mbps). 2611011021010 vaatii 18,9 milliampeeria (mA) Tx-tilassa, 7,7 mA Rx-tilassa sekä 3,16 mikroampeeria (µA) lepotilassa. Laitteen koko on 8 x 12 x 2 mm.

Kuva 5: 2,4 GHz:n Thetis-I-radiomoduuli Wirepas mesh-protokollalla. (Kuvan lähde: Würth Elektronik)

Suunnittelijat voivat nopeuttaa Thetis-I-radiomoduulia ja Wirepas mesh-protokollaa käyttävien Logistiikka 4.0 -sovellusten kehitystä käyttämällä Thetis-I EV-Kit -sarjaa, joka sisältää mini-EV-kortin, USB-radiotikun sekä kolme anturisolmua (kuva 6). Wirepas mesh-prototyyppiverkko voidaan saada toimintaan muutamassa minuutissa ja kukin EDV-Kit-sarjan komponentti (mini-EV-kortti, USB-radiotikku ja anturisolmut) voidaan ostaa myös erikseen prototyyppiverkon laajentamiseksi.

Kuva 6: Thetis-I EV Kit -sarja sisältää Thetis-I Wirepas mesh-moduulin sekä mini EV-kortin, USB-radiotikun sekä kolme anturisolmua. (Kuvan lähde: DigiKey)

Mini-EV-kortti voidaan yhdistää isäntämikrokontrolleriin sovellusten kehittämistä varten. Anturisolmu on 31 mm x 32 mm paristokäyttöinen kortti, joka sisältää paine-anturin ja kosteusanturin. Radiomoduuli lukee automaattisesti anturidatan ja lähettää sen mesh-verkkoon. EV Kit sisältää myös Würthin Wirepas Commander -työkaluohjelmiston tietokoneelle, joka mahdollistaa viestinnän radiomoduulien kanssa, verkon konfiguroinnin ja anturidatan seuraamisen.

Yhteenveto

Logistiikka 4.0 luottaa reaaliaikaista ja yksityiskohtaista informaatiota kaikista toimitusketjun tuotteista ja se on integroitava Teollisuus 4.0:n kanssa käyttäen verkkojärjestelmiä, automaatiota sekä matalan latenssin viestintää ennakkovaroitusten tuottamiseksi toimitusketjun häiriöistä. Onnistuneen logistiikkajärjestelmän toteuttaminen edellyttää useita seurantatekniikoita. Tässä artikkelissa on esitelty erilaisia 1D- ja 2D-viivakoodeihin ja erittäin skaalautuviin langattomiin Wirepas-verkkoihin liittyviä vaihtoehtoja, joita voidaan käyttää yhdessä Logistiikka 4.0 -ratkaisussa.