Huipputehokkaan seurannan ja jäljitettävyyden toteutus kompaktissa muodossa

Tehdasautomaatio- ja tuoteseurantajärjestelmien suunnittelijat tarvitsevat optisia viivakoodinlukijoita, jotka pystyvät lukemaan erilaisia koodietikettityyppejä, kuten lämpökirjoitusta, laserkaiverrusta ja metallipistematriisia. Kuljetinhihnoilla nopeasti liikkuvien erilaisten koodietikettien dekoodaus vaatii lukijoita, jotka käsittelevät kuvat alhaisella viiveellä ja korkealla resoluutiolla ja joilla voidaan dekoodata tarkasti vaurioituneet tai likaiset viivakoodit. Lukijoiden on toimittava luotettavasti myös vaativissa ympäristöissä huolimatta epäsuotuisista valaistusolosuhteista, etiketin odottamattomasta suunnasta ja epätasaisesta etikettigeometriasta.

Teollisuuslaitosten suunnittelijat voivat täyttää nämä tarpeet sekä kustannus- ja aikarajoitteet käyttämällä valmiita viivakoodinlukijoita, jotka on helppo konfiguroida monenlaisiin kohdesovelluksiin.

Tässä artikkelissa käsitellään lyhyesti viivakoodistandardeja sekä lukijavaatimuksia ja esitellään sen jälkeen Omron Automation and Safetyn sopivia kuvapohjaisia viivakoodinlukijoita, jotka on helppo konfiguroida kentällä ja joita tuetaan erilaisilla värivalo- ja suodatinmoduuleilla. Artikkelissa käsitellään tuettuja koodistandardeja, johdotusta ja lukijaohjelmistojen konfigurointia.

Viivakoodistandardien tyypit

Viivakoodeja on monenlaisia, ja kullakin niistä on omat uniikit ominaisuutensa ja vaatimuksensa. Kuva 1 näyttää esimerkkejä lineaarisista (1D) viivakoodeista, pinotuista lineaarisista, matriisi- (2D) ja pistekoodisymboleista sekä valokuvia osien suoramerkinnästä (DPM) eri materiaaleihin, joilla on erilainen kontrasti ja resoluutiolaatu.

Kuva 1: Koodinlukijoiden täytyy tukea erilaisia koodeja, kuten lineaarisia (1D) viivakoodeja, pinottuja lineaarisia viivakoodeja, 2D-matriisisymboleja ja pistekoodisymboleja (ylhäällä). DPM-koodeilla on erilaisia kontrasti- ja resoluutio-ominaisuuksia (alhaalla). (Kuvan lähde: Omron)

2D-matriisi havainnollistaa kuvan 2 oikealla puolella QR-koodin rakennetta: neljä neliönmuotoista referenssimerkkiä määrittelee koodietiketin lukusuunnan, kun taas kaksi seepraraitaa ilmaisee lukutahdin. Yli puolet soluista sisältää käyttäjän datasanan; loput toimivat varmennuksena virheenkorjausta varten.

Kuva 2: QR-koodi lisää datasanaan virheenkorjauksen sekä viite- ja kellomerkit (vasemmalla). Säädettävillä virheenkorjaustasoilla voidaan rekonstruoida 7–30 prosenttia hävinneestä symbolialueesta (oikealla). (Kuvan lähde: Omron)

Jos QR-koodin symboli luodaan Reed-Solomon-algoritmilla, virheenkorjaus voi rekonstruoida 7–30 prosenttia hävinneestä symbolialueesta valitusta tasosta riippuen (kuva 2, oikealla). Standardin ISO/IEC 24778 mukaan Aztec-koodia, joka on tilarajoitteisiin sovelluksiin tarkoitettu 2D-pistematriisikoodi, voidaan lukea missä tahansa suunnassa, ja se määrittelee säädettäväksi virheenkorjaukseksi 5–95 prosenttia.

Kuvapohjainen viivakoodinlukija integroi kuvankäsittelyn

Omronin kompaktit MicroHAWK V430-F -sarjan viivakoodinlukijat tarjoavat hyvän esimerkin siitä, miten kehittyneitä ja kyvykkäitä lukijoista on tullut. Nämä lukijat pystyvät lukemaan luotettavasti erilaisia matriisiviivakoodeja erilaisilta pinnoilta haastavissa tehdasympäristöissä. Ne käyttävät tehokkaita virheenkorjausalgoritmeja vahingoittuneiden ja epätäydellisten symbolien dekoodaukseen jopa 60 kuvan sekuntinopeudella (fps). Kehittynyt optiikka yhdistää mustavalko- tai värikuva-anturit jopa 5 megapikselin (MP) tarkkuudella ja tarjoaa erilaisia kiinteitä sekä automaattitarkennusvaihtoehtoja.

Monokromaattisen viivakoodinlukijan V430-F000L12M-SRX resoluutio on 1280 x 960 pikseliä (1,2 MP) (kuva 3) Se sisältää automaattisesti tarkentuvan objektiivin 1160 millimetrin (mm) syväterävyydellä, kahdeksan punaista spottilediä ja 800 megahertsin (MHz) kuvaprosessorin kotelossa, jonka mitat ovat vain 44,5 (L) x 25,5 (K) x 56,9 (S) mm.

Kuva 3: Kuvassa V430-F000L12M-SRX-viivakoodinlukija integroidulla valaistuksella (vasemmalla) sekä laajennettuna LED-renkaalla ja diffuusorimoduulilla (oikealla). (Kuvan lähde: Omron)

V430-F-lukijalla on IP67-luokitus, ja se voidaan asentaa ja konfiguroida helposti paikan päällä teollisissa tuotantotiloissa. Sisäinen kuvankäsittely poimii 1D-, 2D- ja pistematriisikoodit sekä tunnistaa DPM-koodit huonoissa kontrastiolosuhteissa. Sen virhe- ja kuvankäsittelyalgoritmit voivat dekoodata vahingoittuneet, likaiset, epäselvät ja epätarkat koodietiketit sekä tuottaa ne tavallisena ASCII-tekstinä.

V430-F-tuoteperheen tärkeimpiin ominaisuuksiin kuuluvat:

• koodistandardien tuki:
  • ISO/IEC 15415: DataMatrix (ECC200, GS1), QR-koodi, Micro QR.
  • ISO/IEC TR 29158: DataMatrix (ECC200, GS1)
  • ISO/IEC 15416: Code 128/GS1-12, UPC/EAN (JAN), ITF, Code 39, Code 93, Codabar
  • ISO/IEC 16022: DataMatrix (ECC200, GS1)
• kolme resoluutiovaihtoehtoa:
  • 752 x 480 (0,3 MP) tai 1280 x 960 (1,2 MP) mustavalkoinen sekä 2592 x 1944 (5,0 MP) värillinen
• automaattitarkennus 50–300 mm, automaattitarkennus 75–1200 mm ja kiinteä tarkennus
• polttoväli: laajakulma, tavallinen tai kapea/pitkä
• lukusykli 32 millisekuntia (ms) nopeuteen 60 fps saakka
• virransyöttö 5–30 volttia, valinnainen Power over Ethernet (PoE) (tila B) ja virrankulutus 180 milliampeeria (mA) 24 voltin jännitteellä
• kolme optoerottimella erotettua tulo-/lähtöohjausporttia (I/O)
• kommunikointi menetelmät RS-232, TCP/IP, Ethernet/IP tai Profinet
• jopa kahdeksan lukijan ketjuttaminen toisiinsa
• graafinen WebLink-käyttöliittymä (GUI) selainpohjaiseen konfigurointiin ja valvontaan.

V430-F000W12M-SRP-versiossa käytetään laajakulmaobjektiivia, ja sen kuvankäsittelyohjelmisto tarjoaa X-Mode-virheenkorjauksen sijasta Plus Mode -toiminnon. Plus Mode soveltuu korkean kontrastin koodeille, kuten etiketeille, kun taas X-Mode sopii tehokkaiden symboleiden paikannus-, analyysi- ja rekonstruktioalgoritmien ansiosta kaikille etiketeille, mukaan lukien tulostuslaadultaan heikot koodit ja DPM-koodit. F430-sarjan laitteet ovat kaksitoimisia, mikä tarkoittaa, että ne voivat toimia samanaikaisesti sekä viivakoodinlukijana että näkötarkastusjärjestelmänä.

Lisämoduulit parantavat kontrastia

F430-sarja tarjoaa paljon lisäominaisuuksia erilaisia sovelluksia varten. Helposti asennettavat lisämoduulit, kuten rengasvalot (V430-AL) kahdeksalla tai 24 punaisella, valkoisella, sinisellä ledillä tai IR-valolla laajentavat viivakoodinlukijan kontrastialuetta. Lisäksi väri- ja polarisointisuodattimet ja diffuusorit (V430-AF) vähentävät hajavaloa ja kiiltävien pintojen aiheuttamaa häikäisyä (kuva 4).

Kuva 4: Diffuusorit ja polarisointisuodattimet vähentävät heijastuksia ja hajavaloa kontrastin parantamiseksi ja lukuvirheiden vähentämiseksi. (Kuvan lähde: Omron)

Viivakoodinlukijan kytkeminen

V430-F-viivakoodinlukijassa on kaksi M12-liitintä ja se tarjoaa useita liitäntävaihtoehtoja (kuva 5). Tiedonsiirtoliitin mahdollistaa sen, että isäntätietokone voi lukea dekoodattua dataa Ethernet/IP-, TCP/IP- tai Profinet-protokollan kautta, konfiguroida viivakoodinlukijan ja monitoroida sitä sekä haluttaessa syöttää virtaa PoE-protokollan kautta (tila B). Toinen liitin on yhteydessä ohjelmoitavaan logiikkaohjaimeen (PLC) prosessinohjausta varten, ja se tarjoaa laukaisutulon, RS-232-rajapinnan ja kolme I/O-kytkentäsignaalia. Sitä käytetään myös V430-F-mallin virransyöttöön. Dekoodattujen tietojen luku, viivakoodinlukijan konfigurointi ja monitorointi voidaan toteuttaa myös V430-F-viivakoodinlukijan RS-232-liitännän kautta.

Kuva 5: V430-F-viivakoodinlukijan liitäntävaihtoehtoihin kuuluvat Ethernet, I/O-ohjauslinjat, RS-232 ja virtalinjat. (Kuvan lähde: Omron)

Omron tarjoaa konfiguroituja Ethernet-, I/O- ja RS-232-kaapeleita V430-sarjaa varten (V430-W). Kun V430-F asennetaan yhdessä oheiskomponenttien (kuten valoanturin, ylimääräisen ledivalon ja virtalähteen) kanssa, 98-000103-02-rajapinta tarjoaa hyödyllisen nelisuuntaisen jakelupisteen.

WebLink-käyttöliittymä

Viivakoodinlukijaan integroitu WebLink-palvelin tarjoaa käyttäjälle graafisen käyttöliittymän, jota voidaan käyttää syöttämällä selaimeen http://192.168.188.2. Suunnittelija voi sen kautta ohjata, monitoroida, lukea sekä konfiguroida V430-F-laitetta.

Kuva 6: V430-F-laitetta voidaan ohjata, lukea ja konfiguroida WebLink-käyttöliittymän kautta. (Kuvan lähde: Omron)

<Start> (Aloitus) -välilehti sisältää mallikohtaiset tiedot kaikista liitetyistä lukijoista ja toimii lähtökohtana konfigurointiprofiilien luonnille. <Setup> (Asetukset) -välilehti näyttää vasemmalla puolella tärkeät konfigurointiasetukset, kun taas keskialueella näkyy kameran kuva ja kuvankäsittelytyökaluja viivakoodin tunnistusalueen määrittelyyn. Oikealla puolella oleva tulosikkuna näyttää dekoodatut viivakoodidatasanat, joita voidaan seurata myös WebLink-päätteen kautta tai lukea RS-232-rajapinnan kautta.

Parametrien konfigurointi

Suunnittelijat voivat nopeuttaa dekoodausta merkittävästi rajaamalla tarkasti tunnistusalueen, määrittelemällä odotetut koodityypit ja asettamalla kuvankäsittelyalgoritmit optimaalisiksi. He voivat myös muuttaa dekoodatun datasanan muotoa ja lisätä, vaihtaa tai poistaa merkkejä.

Suunnittelijat voivat konfiguroida parametreja seuraaville toiminnallisille alueille: Camera Setup, Communications, Read Cycle, Symbologies, I/O, Symbol Quality, Match String, Diagnostics, Image Storage jaConfiguration Database (kameran asetukset, kommunikaatio, lukusykli, symbolit, I/O, symbolien laatu, haettava merkkijono, diagnostiikka, kuvien tallennus ja konfigurointitietokanta). Tähän käytetään K-komentoja päätelaitteen komentorivin kautta tai arvoja muutetaan suoraan WebLink-valikon kohdassa <Advanced Settings> (Lisäasetukset).

Kun kameran näyttöalueelle on luotu ikkuna ”window of interest” (WOI), kaikki merkitykselliset koodietikettialueet, joita kutsutaan kiinnostaviksi alueiksi ”region of interest” (ROI), määritellään sen sisällä. Konfigurointitietokannassa voidaan määritellä koodikohtaisesti jopa kymmenen tällaista ROI-aluetta. V430-F voi vaihtaa parametrisarjaa <Run> (Suorita) -tilassa näiden parametrisarjojen välillä.

Heikkoa symbolilaatua voidaan parantaa erilaisilla erikoisalgoritmeilla, ja ne konfiguroidaan valikkokohdan <Advanced Decoding Parameters> (Edistyneet dekoodausparametrit) kautta:

• 2D Damaged Mode (2D vaurioitunut tila) voi dekoodata symboleja, kun rasterin kohdistus on vääristynyt tai solujen rekisteröinti on heikkoa. Vasemmassa yläkulmassa oleva kuva 7 näyttää, miten se toimii. Toiminto voidaan ottaa käyttöön sarjamuotoisella käskyllä <K567,1> (0/1 = pois käytöstä / käytössä).
• Attempt Morphology Manipulation (Yritä morfologian manipulointia) käyttää morfologian dilataatiota tai eroosiota ja yrittää dekoodata kuvan. Kuvan 7 oikeassa yläkulmassa näkyy, miten se kasvattaa signaalin voimakkuutta ja vähentää kohinaa. Algoritmi otetaan käyttöön sarjamuotoisella käskyllä <K568,1>.

Kuva 7: Kuvankäsittelyalgoritmit, kuten Damaged Mode (Vaurioitunut tila), Morphology (Morfologia) ja Scale Up/Down (Skaalaus ylös/alas) mahdollistavat huononkin kuvanlaadun dekoodauksen. (Kuvan lähde: Omron)

• Curved 2D (Kaareva 2D) on suunniteltu Data Matrix- ja QR-koodisymboleja varten.
  Jos punaisen ja vihreän viivan välinen pituussuhde, kuten kuvassa 8, on suurempi kuin 20:1, Curved 2D (Kaareva 2D) -algoritmi aktivoituu. Toiminto otetaan käyttöön sarjamuotoisella käskyllä <K563,1>.

Kuva 8: Curved 2D (Kaareva 2D) -kuvankäsittelyalgoritmi tunnistaa automaattisesti kaarevat koodietiketit ja oikaisee ne ennen dekoodausta. (Kuvan lähde: Omron)

• Symbol Quality (Symbolilaatu) tuottaa yksityiskohtaiset evaluoinnit arvosanoin A–F standardin ISO/IEC 15416 mukaisesti. Jokainen yksittäinen parametri voidaan ottaa erikseen käyttöön sarjamuotoisella käskyllä <K726, aperture, overall, edge determination, decode, contrast, minimum reflectance, minimum edge contrast, modulation, defects, decodability ja quiet zone> (K726, apertuuri, yleinen, reunojen määrittely, dekoodaus, kontrasti, minimi heijastuvuus, minimi reunakontrasti, modulaatio, puutteet, dekoodattavuus ja tyhjä tila).Sarjamuotoinen käsky <VAL4> tuottaa tekstiraportin, joka tarjoaa yhteenvedon luokittelusta ISO/IEC15416 -standardin mukaisesti (taulukko 1).

Taulukko 1: Sarjamuotoinen käsky <VAL4> tuottaa tekstiraportin, joka tarjoaa yhteenvedon luokittelusta ISO/IEC 15416 -standardin mukaisesti. (Taulukon lähde: Omron)

Yhteenveto

Kompaktit, kuvapohjaiset V430-F-sarjan viivakoodinlukijat dekoodaavat luotettavasti monenlaisia koodistandardeja erilaisilta pinnoilta suurilla nopeuksilla vaativissa tehdasympäristöissä. Kuten edellä on esitetty, tehokas integroitu kuvankäsittely on helppo konfiguroida selaimen kautta, joten suunnittelijat voivat ottaa viivakoodinlukijan käyttöön ilman erityistä kuvankäsittelykokemusta.