Jäljitettävyys 4.0 ‑ratkaisujen käyttäminen tuoteturvallisuuden, vaatimustenmukaisuuden ja seurannan parantamiseen

Reaaliaikainen resurssien seuranta ja jäljitettävyys varastoissa ja tehtaissa on tärkeä osa Teollisuus 4.0 -aloitetta ja toimitusketjun hallintaa autoteollisuuden osien ja alikokoonpanojen, kodinkoneiden, ilmailun, kuljetuksen ja elektroniikkajärjestelmien tuotannossa. Jäljitettävyys on erityisen tärkeää: se sisältää sijainnin seurannan sekä raaka-aineiden, komponenttien, alikokoonpanojen ja lopputuotteiden historian ja käytön dokumentoinnin. Tuotannon tehokkuuden ja tuotteiden laadun edistämisen lisäksi jäljitettävyys 4.0 on olennainen osa tuoteturvallisuutta, ja siihen kuuluu esimerkiksi väärennetyiltä komponenteilta suojaaminen, täsmällisten takaisinvetojen tukeminen ja sääntelyn noudattamisen varmistaminen.

Jäljitettävyys 4.0 ‑ratkaisut nojautuvat jokaisen yksittäisen komponentin merkitsemiseen, usein tarroihin tai suoraan nimikkeisiin merkityillä 1D- tai 2D-viivakoodeilla, ja nimikkeiden liikkumisen aktiiviseen seurantaan koko tuotantoprosessin ajan. Tämä voi olla melko haastavaa. Esimerkiksi tyypillisessä autossa on yli 20 000 komponenttia, joita on jäljitettävä. Jäljitettävyys 4.0:n toteuttaminen voi olla monimutkaista. Pelkkä jokaisen komponentin merkitseminen ei riitä. On suositeltavaa käyttää samaa kuvantamisalustaa viivakoodien lukemiseen ja kohteiden visuaaliseen tarkastukseen. Lisäksi kuvantamislaitteiden on toimittava vaativissa teollisuusympäristöissä ja vaihtuvissa valaistusolosuhteissa.

Teollisuus 4.0 -aloitteen jäljitettävyystarpeiden tukena voidaan käyttää teollisuuteen tarkoitettuja älykkäitä kuvantamislaitteita, jotka pystyvät lukemaan 1D- ja 2D-viivakoodeja visuaalista tarkastusta varten ja joihin on saatavilla automaattitarkennus kuvantamislaadun parantamiseksi. Nämä älykkäät kuvantamislaitteet käyttävät edistyneitä dekoodausalgoritmeja, jotka voivat lukea myös vahingoittuneita viivakoodeja. Niiden kaksinkertainen etuikkunarakenne minimoi kondensaatioon liittyvät ongelmat, ja niissä on myös IP65/67-suojaus suorituskyvyn takaamiseksi vaativissa ympäristöissä.

Tässä artikkelissa luodaan katsaus jäljitettävyys 4.0 -aloitteen kehittymiseen ja siihen, miten se tukee tuoteturvallisuutta, tuotteiden seurantaa ja vaatimustenmukaisuutta, käydään läpi viivakoodien perustyypit ja vahingoittuneiden viivakoodien lukemiseen tarkoitetut rekonstruointiohjelmistot, tarkastellaan järjestelmäintegraation ongelmia sekä mekaanisten ja nestemäisiä linssejä käyttävien automaattitarkennusjärjestelmien välisiä kompromisseja sekä lopuksi esitellään älykkäitä teollisuuskäyttöön tarkoitettuja kuvantamislaitteita Omronilta ja ohjelmistokehitystyökalu, jolla voidaan toteuttaa viivakoodien luku- ja konenäkösovelluksia.

Mihin jäljitettävyys 4.0 sopii?

Jäljitettävyys 4.0 on olennainen osa Teollisuus 4.0 -aloitetta. Kaikki valmistus ei kuitenkaan ole Teollisuus 4.0 ‑toimintaa. Toiset käyttötapaukset, kuten vähittäiskauppa ja varastointi, eivät edellytä jäljitettävyys 4.0 -aloitetta. Miten jäljitettävyys 4.0 sitten syntyi (kuva 1)?

• Jäljitettävyys 1.0 perustuu yleensä viivakoodeihin, joiden avulla tuotteet tunnistetaan automaattisesti tarkkuuden ja tehokkuuden parantamiseksi.
• Jäljitettävyys 2.0 siirtyi toimitusketjun hallintaan käyttäen päivämäärä- ja eräkoodeja. Se suunniteltiin tukemaan korkeampaa laatutasoa, parantamaan kuluttajien luottamusta sekä tukemaan kohdennettuja takaisinvetoja. Sitä käytetään edelleen vähittäismyynnin alalla. Lisäksi Yhdysvaltain elintarvike- ja lääkevirasto (FDA) käyttää sitä lääkinnällisten laitteiden yksilöllisissä laitetunnisteissa (UDI). Tässä vaiheessa kansainvälinen standardisointiorganisaatio ISO alkoi kehittää viivakoodien laatuvaatimuksia.
• Jäljitettävyys 3.0 oli alku yksittäisten laitteiden seurannalle päivämäärä- ja eräkoodien sijasta. Teknologioita kehitettiin muovi- ja metalliosien suoramerkintään (DPM) vaativissa teollisuusympäristöissä käytettäväksi. Väärennyksen vastaisten ohjelmien perusta luotiin tuotteiden ja komponenttien aitouden varmistamiseksi.
• Jäljitettävyys 4.0 on kokonaistoteutus, joka sisältää kattavan osahistorian ja yksittäisten osien geometrisen mitat ja toleranssit (GD&T). GD&T on elintärkeä osa tarkkuusvalmistusta, esimerkiksi ilmailu- ja autoteollisuudessa, ja sen avulla osat voidaan asentaa niiden täsmällisten GD&T-arvojen perusteella. Näin varmistetaan erittäin tarkat kokoonpanot ja tuetaan erittäin laadukkaita järjestelmiä.

Kuva 1: Jäljitettävyys 4.0 on olennainen osa Teollisuus 4.0 -aloitetta, mutta se ei täysin korvaa jäljitettävyyden aiempia sukupolvia. (Kuvan lähde: Omron)

Viivakoodien tyypit ja standardit

Viivakoodityypit ovat kehittyneet ja laajentuneet jäljitettävyyden tullessa yhä sofistikoituneemmaksi. Nykyään käytössä on lukuisia viivakoodityyppejä, mukaan lukien lineaarinen, 2D (kuten Data Matrix, QR-koodi ja Aztec-koodi) ja pinottu lineaarinen (kuten PDF 417, Micro PDF ja Composite-koodit) (kuva 2). Ne voidaan tulostaa osaan kiinnitettäviin tarroihin tai merkitä suoraan osaan. Standardeja on suuri määrä. Esimerkkejä:

• AIAG B4 – Automotive Industry Action Group, osien tunnistus ja seuranta
• AS9132 – Society of Aerospace Engineers, Data Matrix ‑viivakoodien laatuvaatimukset osamerkinnöissä
• EIA 706 – Electronics Industry Association, komponenttien merkintä
• ISO/IEC 16022 – Kansainvälinen symbologian spesifikaatio
• ISO/IEC 15418 – Symbolien dataformaatin semantiikka
• ISO/IEC 15434 – Symbolien dataformaatin syntaksi
• ISO/IEC 15415 – 2D-tulostuksen laatustandardi
• ISO/IEC 15416:2016 – 1D-tulostuksen laatustandardi
• ISO/IEC TR 29158:2011 – osien DPM (Direct Part Mark) -suoramerkinnän laatuohje
• SPEC 2000 – Air Transport Association, elektroniikkakauppa, mukaan lukien pysyvät osatunnukset
• IUID – Yhdysvaltain puolustusministeriö, pysyvä ja yksilöivä esineiden tunnistus
• UDI – FDA:n lääkinnällisten laitteiden tunnistus

Kuva 2: Jäljitettävyys 4.0 voi tukea erilaisten viivakoodien käyttöä. (Kuvan lähde: Omron)

Entä vahingoittuneet viivakoodit?

Viivakoodimerkinnät voivat muuttua. Ne eivät ole täydellisiä. Myös hyvin painetut viivakoodit voivat vaurioitua tai vääristyä osan kulkiessa valmistusprosessin läpi. Osan pinnan ja viivakoodin välisen kontrastin puute sekä suuresti vaihteleva valaistus teollisuusympäristöissä vaikeuttavat haasteita, jotka on voitettava jäljitettävyys 4.0 ‑infrastruktuuria kehitettäessä.

Jotta laajan viivakoodivalikoiman tarkan lukemisen haaste suuresti vaihtelevissa olosuhteissa voidaan voittaa, Omron tarjoaa X-Mode-algoritmejaan, jotka pystyvät lukemaan käytännössä minkä tahansa koodin miltä tahansa pinnalta, myös kiiltäviltä, kuvioiduilta ja kaarevilta pinnoilta. X-Modea käyttämällä voidaan minimoida lukemisen epäonnistuminen, mikä minimoi viiveet ja seisokit.

X-Mode käyttää edistynyttä digitaalista kuvankäsittelyä ja pikselianalyysia ja tekee niiden avulla vääristyneistä, vahingoittuneista, huonosti tulostetuista tai vinossa olevista symboleista luettavia. Pahviin ja muihin pakkauksiin mustesuihkutulostettujen koodien tai heijastavaan metallipintaan tehdyn pistemerkinnän kaltaisten DPM-koodien tapauksessa X-Mode parantaa kuvan kontrastia ja terävyyttä koodien luotettavaa lukemista ja tulkintaa varten jopa vaihtuvissa ympäristöissä (kuva 3). X-Mode tukee myös suuntauksetonta dekoodausta, mikä kasvattaa käyttökelpoisten asennuskulmien määrää ja helpottaa viivakoodinlukijoiden integrointia.

Kuva 3: Edistyneen digitaalisen kuvannuksen ja pikseliprosessoinnin ansiosta X-Mode-ohjelmisto voi lukea koodeja haastavissa olosuhteissa. (Kuvan lähde: Omron)

Järjestelmäintegraatio

Todelliset jäljitettävyys 4.0 ‑järjestelmät vaativat useita kameroita, jotka on integroitu helppokäyttöiseen ja helposti hallittavaan järjestelmään. Näiden älykkäiden teollisten kuvantamislaitteiden avulla prosessi-insinöörit voivat yhdistää jopa kahdeksan lukijaa Ethernet-kytkimen avulla mahdollistaen 360 asteen koodinluvun ja tuotetarkastuksen, kun tarvitaan useiden koodien yhdistetty sisältö tai kun koodin sijaintia ei voida ennakoida.

Teollisuus 4.0 ‑toiminnoille tyypillistä suuren valikoiman valmistusta voidaan tukea valitsemalla automaattisesti jokin monista asetuksista lukunopeuden ja valmistuslinjan nopeuden maksimoimiseksi käyttämällä parhaita vaihtoehtoja viivakoodin koon, tyypin, valaistuksen ja kontrastin sekä sijainnin perusteella. Järjestelmä käyttää ISO-standardin mukaisia luokittelumenetelmiä viivakoodien laadun välittömään valvontaan ja voi antaa hälytyksen, jos laatu putoaa käyttäjän määrittämän kynnysarvon alle.

Näissä älykkäissä teollisissa kuvantamislaitteissa on integroitu verkkopohjainen viivakoodinlukijarajapinta. Jokaiseen kuvantamislaitteeseen on suojattu pääsy laitteen IP-osoitteen kautta mistä tahansa verkkoon kytketystä laitteesta. Protokollan avoin rakenne yksinkertaistaa laitteiden integrointia ja poistaa laitteiden yhteensopimattomuuteen liittyvät ongelmat. Verkkointegrointi sisältää kolme käyttöoikeustasoa. Korkeimmalla suojaus- ja käyttöoikeustasolla käyttäjät voivat muokata asetuksia, jotka voidaan tallentaa lukijan sisäiseen muistiin tai ulkoisiin laitteisiin sekä siirtää muihin laitteisiin. Näin voidaan nopeuttaa uusien laitteiden integrointia ja huomioida muuttuvat ympäristötarpeet.

Laitteiston kokonaiskustannusten vähentämiseksi useiden lukulaitteiden tarkastustilaa voidaan valvoa yhdellä laitteella. Kun normaalit kuvantamislaitteet tarvitsevat yhden näytön laitetta kohti, näillä älykkäillä teollisilla kuvantamislaitteilla useampi laite voi käyttää samaa näyttöä. Tämä yksinkertaistaa useamman kuvantamislaitteen asennusta ja valvontaa. Lisäksi jokaiseen älykkääseen teolliseen kuvantamislaitteeseen on integroitu verkkovalvontaohjelmisto, mikä mahdollistaa useiden kuvantamislaitteiden etävalvonnan tabletilla tai tietokoneella.

Automaattitarkennusvaihtoehdot

Automaattitarkennuksella voi olla merkittävä vaikutus viivakoodinlukijajärjestelmien suorituskykyyn haastavissa ympäristöissä. Nämä älykkäät teolliset kuvantamislaitteet tarjoavat vaihtoehdon mekaanisen ja nestemäistä linssiä käyttävän automaattitarkennuksen välillä. Mekaaninen automaattitarkennus on toteutettu pienellä moottorilla. Sen mekaaninen luonne tarkoittaa, että se on altis kulumiselle ja metallin väsymiselle ja että se voi vaatia vaihtamista vuosittain. Nestemäistä linssiä käyttävä automaattitarkennus muuttaa linssin polttoväliä. Öljystä ja vedestä koostuvan sisäisen rakenteen muotoa muutetaan jännitteellä (kuva 4). Koska se ei kulu mekaanisesti, nestemäistä linssiä käyttävien automaattitarkennusmekanismien käyttöikä voi olla useita vuosia. Nestemäisen linssin ansiosta kuvantamislaite voi säätää tarkennusta automaattisesti välillä 50 mm – 1200 mm ja lukea jopa kompleksisille piirilevyille merkityt erittäin tiheät tietomatriisisymbolit. Olipa kuvantamislaitteen automaattitarkennuksen tyyppi kumpi tahansa, se voi lukea minkä tahansa koodin sekunneissa kytkemisen jälkeen ilman, että asetuksia tarvitsee määritellä.

Kuva 4: Mekaaninen automaattitarkennus (vasemmalla) vaatii enemmän huoltoa, mistä aiheutuu enemmän seisokkeja kuin nestemäistä linssiä käyttävässä automaattitarkennuksessa (oikealla). (Kuvan lähde: Omron)

Älykkäät teolliset kuvantamislaitteet

Omron MicroHAWK ‑koodinlukijat toimivat nopeasti ja luotettavasti, ja niissä on luja ja erittäin pienikokoinen kotelo, jonka kaksinkertainen etuikkunarakenne auttaa välttämään kosteuden tiivistymistä ikkunan sisäpintaan. Mallista riippuen niiden suojaustaso on IP65/67, mikä takaa suorituskyvyn haastavissa ympäristöissä. Saatavana olevat resoluutiot vaihtelevat välillä 0,3–5 megapikseliä. Näihin kuvantamislaitteisiin on saatavana optiikka-, valaistus- ja suodatusvaihtoehtoja, joiden avulla laite voidaan optimoida nimenomaisen käyttöympäristön ja kuvantamistarpeiden mukaan. MicroHAWKin ominaisuuksiin kuuluvat seuraavat:

• Ethernet/IP-, Ethernet TCP/IP- ja PROFINET-yhteydet
• Tulojännite 5–30 V_DC, vaihtoehtona Power over Ethernet (PoE)
• Suorittimen kellotaajuus 800 MHz tukee nopeaa kuvankäsittelyä
• Epälineaarinen kalibrointitoiminto (NLC) parantaa mittauksen ja paikantimen suorituskykyä 20-kertaisesti korjaamalla linssivääristymät. Se antaa mittaustulokset millimetreinä ja pikseleinä.

Sama laite voi tukea jopa 60:tä kehystä sekunnissa viivakoodien lukemisessa ja visuaalisessa tarkastuksessa. Esimerkkejä MicroHAWK-koodinlukijoista:

• V430-F000W12M-SRP, 1,2 MP:n kuvantamislaite laajakulmaisella 5,2 mm:n polttovälin linssillä, lisäksi tavallinen mallinen automaattitarkennus, tavallinen punainen ulkovalo ja nopea 1D+2D-kuvantaminen (Plus Mode) (kuva 5)
• V430-F000L12M-SRX, 1,2 MP:n kuvantamislaite kapealla 16 mm:n linssillä ja automaattitarkennuksella 1160 mm:iin saakka, tavallinen punainen ulkovalo ja X-Mode-kuvantaminen.

Kuva 5: Tässä 1,2 MP:n kuvantamislaitteessa on laajakulmalinssi 5,2 mm:n polttovälillä ja Plus Mode ‑kuvantamisohjelmisto. (Kuvan lähde: DigiKey)

Tehokas käyttöönotto

Omronin AutoVISION-ohjelmisto voi nopeuttaa MicroHAWK-kuvantamislaitteiden asennusta ja määritystä. AutoVISIONin avulla käyttäjät voivat muodostaa yhteyden laitteeseen ja määrittää sen asetukset sekä ohjelmoida ja valvoa työtä. AutoVISION-työt skaalautuvat useisiin MicroHAWK-kuvantamislaitteisiin, ohjelmistopaketteihin, teollisuusjärjestelmiin sekä taulutietokoneisiin ja PC-tietokoneisiin. Se voi integroida jopa 8 kuvantamislaitetta yhteen järjestelmään. AutoVISIONin avulla näitä älykkäitä kuvantamislaitteita voidaan käyttää konenäköä hyödyntäviin tarkastustoimintoihin, kuten osan varmistaminen, osan sijainti, osien laskenta, värintunnistus ja koon mittaaminen. AutoVISIONin käyttöönotto on kolmivaiheinen prosessi:

• Kaappaa kuva yhdellä napsautuksella.
• Määritä tarkastusalue ja lähdöt vedä ja pudota ‑työkalulla.
• Aloita tarkastusprosessi Run-painikkeella.

AutoVISION-kehitysohjelmisto soveltuu useisiin eri käyttötarkoituksiin:

• tarkastus ja yleinen konenäkö
• pakkauslinjat
• kokoonpanoprosessit
• vikojen havaitseminen.

Yhteenveto

Jäljitettävyys 4.0 tukee Teollisuus 4.0 ‑valmistusprosesseja ja toimitusketjuja, mutta ei täysin korvaa aikaisempia jäljitettävyysversioita muissa sovelluksissa. Suorituskykyiset kuvantamislaitteet ovat kriittisessä roolissa jäljitettävyys 4.0:n käyttöönotossa. Saatavana on automaattitarkennusta käyttäviä älykkäitä teollisia kuvantamislaitteita, jotka pystyvät toimimaan luotettavasti haastavissa ympäristö- ja valaistusolosuhteissa. NLC-ohjelmisto parantaa mittaustarkkuuksia jopa 20-kertaisesti, ja saatavilla olevat automaattimääritysohjelmistot nopeuttavat suorituskykyisten jäljitettävyysjärjestelmien käyttöönottoa.