Hoe traceerbaarheid 4.0-oplossingen gebruiken voor een betere productveiligheid, -naleving en -tracering

Het in realtime volgen en traceren van activa in magazijnen en fabrieken is een belangrijk aspect van Industrie 4.0 en supply chain management voor de productie van auto-onderdelen en subassemblages, witgoed voor consumenten, lucht- en ruimtevaart, transport en elektronische systemen. Traceerbaarheid is bijzonder belangrijk: zij omvat het traceren van locaties en het documenteren van de geschiedenis en het gebruik van grondstoffen, onderdelen, subassemblages en eindproducten. Traceerbaarheid 4.0 ondersteunt niet alleen de productie-efficiëntie en de productkwaliteit, maar is ook een essentieel aspect van productveiligheid, zoals bescherming tegen namaakcomponenten, ondersteuning van nauwkeurige terugroepacties en naleving van de regelgeving.

Traceerbaarheid 4.0-oplossingen berusten op het markeren van elk afzonderlijk onderdeel, vaak met behulp van 1D- of 2D-barcodes op etiketten of rechtstreeks op de artikelen, en het actief volgen van de beweging van artikelen tijdens het productieproces. Dat kan een hele uitdaging zijn. Een typische auto heeft bijvoorbeeld meer dan 20.000 onderdelen die moeten worden gevolgd. De uitvoering van traceerbaarheid 4.0 kan complex zijn. Het volstaat niet om elk onderdeel te markeren. Het is wenselijk één enkel beeldvormingsplatform te gebruiken voor het lezen van de streepjescode en de visuele inspectie van de artikelen. Bovendien moeten de beeldvormers werken in zware industriële omgevingen en onder wisselende lichtomstandigheden.

Ter ondersteuning van de traceerbaarheidsbehoeften van Industrie 4.0 kunnen ontwerpers zich wenden tot industriële slimme beeldvormers die 1D- en 2D-streepjescodes kunnen lezen voor visuele inspectie en beschikbaar zijn met autofocus om de beeldvormingsprestaties te verbeteren. Deze slimme beeldvormers bevatten geavanceerde decoderingsalgoritmen die zelfs beschadigde barcodes kunnen lezen. Ze hebben een dubbele voorruitconstructie om problemen met condensatie te minimaliseren, en een IP65/67-bescherming om prestaties in ruwe omgevingen te garanderen.

Dit artikel bespreekt de ontwikkeling van traceerbaarheid 4.0 en hoe deze de productveiligheid, het volgen van producten en de naleving van de regelgeving ondersteunt, bespreekt de basistypen barcodes en reconstructiesoftware om beschadigde barcodes te lezen, gaat in op systeemintegratiekwesties en de afwegingen tussen mechanische systemen en autofocussystemen met vloeibare lenzen, en sluit af met een presentatie van slimme industriële beeldvormers van Omron, samen met een softwareontwikkelingstool voor het opzetten van toepassingen voor het lezen van barcodes en machinevisie.

Waar past traceerbaarheid 4.0 in?

Traceerbaarheid 4.0 is een integraal onderdeel van industrie 4.0. Maar niet elke productieactiviteit is een industrie 4.0 activiteit. Voor andere toepassingen, zoals detailhandel en opslag, is traceerbaarheid 4.0 niet nodig. Hoe is traceerbaarheid 4.0 ontstaan (Afbeelding 1)?

• Traceerbaarheid 1.0 vertrouwt gewoonlijk op barcodes om producten automatisch te identificeren en zo de nauwkeurigheid en efficiëntie te verbeteren.
• Traceerbaarheid 2.0 is overgegaan naar het beheer van de toeleveringsketen met behulp van datum- en partijcodes. Het is ontworpen ter ondersteuning van hogere kwaliteitsniveaus en consumentenvertrouwen en ter ondersteuning van het gericht terugroepen van producten. Het wordt nog steeds gebruikt in de detailhandel. Bovendien gebruikt de U.S. Food and Drug Administration (FDA) het voor unieke identificatiemiddelen (UDI's) voor medische hulpmiddelen. Toen begon de International Standardization Organization (ISO) met de ontwikkeling van kwaliteitsspecificaties voor streepjescodes.
• Traceerbaarheid 3.0 betekende het begin van het volgen van individuele apparaten in plaats van datum- en partijcodes. Direct part marking (DPM) technologieën voor plastic en metalen onderdelen werden ontwikkeld voor gebruik in zware industriële omgevingen. De basis voor programma's ter bestrijding van namaak is ontwikkeld om de authenticiteit van producten en onderdelen te waarborgen.
• Traceerbaarheid 4.0 is de complete implementatie, inclusief uitgebreide onderdeelgeschiedenis en geometrische dimensionering en tolerantie (GD&T) van afzonderlijke onderdelen. GD&T is van vitaal belang bij precisiefabricage, zoals in de lucht- en ruimtevaart en de automobielindustrie, en maakt de installatie van onderdelen mogelijk op basis van hun exacte GD&T-waarden, waardoor assemblages met hoge precisie worden gegarandeerd en systemen van hoge kwaliteit worden ondersteund.

Afbeelding 1: Traceerbaarheid 4.0 is een integraal onderdeel van industrie 4.0, maar vervangt eerdere generaties van traceerbaarheid niet volledig. (Bron afbeelding: Omron)

Typen barcodes en normen

De soorten barcodes zijn geëvolueerd en uitgebreid naarmate de traceerbaarheid geavanceerder wordt. Tegenwoordig zijn er verschillende gangbare barcodetypes, waaronder lineaire, 2D (zoals Data Matrix, QR Code en Aztec Code) en gestapelde lineaire (zoals PDF 417, Micro PDF en Composite Codes) (Afbeelding 2). Zij kunnen worden afgedrukt op etiketten die worden bevestigd of rechtstreeks op het onderdeel worden aangebracht. Er is een breed scala aan normen. Voorbeelden zijn:

• AIAG B4 – Automotive Industry Action Group Parts Identification and Tracking
• AS9132 - Society of Aerospace Engineers, Data Matrix Quality Requirements for Part Marking.
• EIA 706 – Electronics Industry Association, Component Marking
• ISO/IEC 16022 – International Symbology Specification
• ISO/IEC 15418 – Symbol Data Format Semantics
• ISO/IEC 15434 – Symbol Data Format Syntax
• ISO/IEC 15415 – 2D Print Quality Standard
• ISO/IEC 15416:2016 – 1D Print Quality Standard
• ISO/IEC TR 29158:2011 – Direct Part Mark (DPM) Quality Guideline
• SPEC 2000 – Air Transport Association, Electronics Commerce, Including Permanent Part ID
• IUID – U.S. Department of Defense, Permanent & Unique Item Identification
• UDI – FDA medical device identification

Afbeelding 2: Traceerbaarheid 4.0 kan het gebruik van verschillende barcodestijlen ondersteunen. (Bron afbeelding: Omron)

Hoe zit het met beschadigde barcodes?

Barcode-markering is onderhevig aan variaties; het is niet perfect. Zelfs goed gedrukte barcodes kunnen beschadigd of scheefgetrokken raken wanneer een onderdeel door het productieproces gaat. Het gebrek aan contrast tussen het onderdeeloppervlak en de barcode en de sterk wisselende verlichting in industriële omgevingen dragen bij tot de uitdagingen die moeten worden aangepakt bij de ontwikkeling van een infrastructuur voor traceerbaarheid 4.0.

Voor het nauwkeurig lezen van een breed scala aan barcodes onder zeer uiteenlopende omstandigheden biedt Omron de X-Mode-algoritmen waarmee vrijwel elke code op elk oppervlak kan worden gelezen, inclusief glanzend, gestructureerd of gebogen. Het gebruik van X-Mode kan zogenaamde "no reads" minimaliseren, waardoor vertragingen en downtime tot een minimum worden beperkt.

X-Mode maakt gebruik van geavanceerde digitale beeldverwerking en pixelanalyse om vervormde, beschadigde, slecht gedrukte of scheve symbolen leesbaar te maken. Voor DPM-codes zoals inkjet-codes op karton en andere verpakkingen of dot peen markeringen op reflecterende metalen oppervlakken, verbetert X-Mode het contrast en de scherpte van het beeld om codes betrouwbaar te lezen en te interpreteren, zelfs in dynamische omgevingen (Afbeelding 3). X-Mode ondersteunt ook omnidirectionele decodering, waardoor het bereik van bruikbare bevestigingshoeken wordt vergroot en de integratie van barcodelezers wordt vereenvoudigd.

Afbeelding 3: Dankzij geavanceerde digitale beeldvorming en pixelverwerking kan de X-Mode-softwarecodes lezen onder moeilijke omstandigheden. (Bron afbeelding: Omron)

Systeemintegratie

Echte traceerbaarheid 4.0 systemen vereisen meerdere camera's geïntegreerd in een gebruiksvriendelijk en gemakkelijk te beheren systeem. Met deze slimme industriële beeldvormers kunnen procesingenieurs tot acht lezers combineren via een Ethernet-switch om het 360 graden lezen van codes en productinspectie te ondersteunen wanneer een gecombineerde output van meerdere codes nodig is of wanneer de locatie van de code onvoorspelbaar is.

High-mix productie die kenmerkend is voor Industrie 4.0 kan worden ondersteund door automatisch te kiezen uit meerdere instellingen om de leessnelheid en lijnsnelheid te maximaliseren met behulp van de beste opties op basis van barcodegrootte, type, verlichting en contrast, en locatie. Het systeem maakt gebruik van ISO-standaardsorteringsmethoden voor inline bewaking van de barcodekwaliteit en kan een waarschuwing geven als de kwaliteit onder een door de gebruiker ingestelde drempel komt.

Deze slimme industriële beeldvormers hebben een geïntegreerde webgebaseerde barcodelezerinterface. Elke beeldvormer is veilig toegankelijk op elk webtoestel via het IP-adres. De open protocolstructuur vereenvoudigt de integratie van apparaten en voorkomt problemen met incompatibiliteit. Webintegratie omvat drie gebruikerstoegangsniveaus. Op het hoogste niveau van beveiliging en toegang kunnen gebruikers instellingen bewerken die kunnen worden opgeslagen in het interne geheugen van de lezer of op externe apparaten en overgedragen naar andere apparaten om de integratie van nieuwe apparatuur en veranderende omgevingsbehoeften te versnellen.

Om de totale apparatuurkosten te drukken, kan de inspectiestatus van meerdere lezers met één enkel apparaat worden bewaakt. Terwijl standaard beeldvormers één beeldscherm per apparaat vereisen, hebben deze slimme industriële imagers slechts één beeldscherm nodig voor meerdere apparaten. Dat vereenvoudigt de installatie en bewaking van meerdere beeldvormers. Bovendien is webbewakingssoftware geïntegreerd in elke slimme industriële beeldvormer, zodat meerdere imagers op afstand kunnen worden bewaakt met een tablet of pc.

Autofocus keuzes

Autofocus kan de prestaties van barcode-leessystemen in veeleisende omgevingen aanzienlijk beïnvloeden. Deze slimme industriële beeldvormers bieden een keuze uit mechanische en vloeibare lens autofocus. De mechanische autofocus wordt uitgevoerd met een kleine motor. Zijn mechanische aard betekent dat hij onderhevig is aan slijtage en metaalmoeheid en jaarlijks moet worden vervangen. Autofocus van vloeistoflenzen verandert de brandpuntsafstand van de lens door een spanning toe te passen die de vorm van een interne structuur bestaande uit olie en water verandert (Afbeelding 4). Aangezien er geen mechanische slijtage is, kunnen vloeibare autofocusmechanismen meerdere jaren meegaan. Dankzij de technologie met vloeibare lenzen kan de beeldvormer automatisch de focus aanpassen van 50 millimeter (mm) tot 1.200 mm en zelfs datamatrixsymbolen met een hoge dichtheid op complexe printplaten lezen. Beeldvormers met beide typen autofocus kunnen elke code binnen enkele seconden na aansluiting lezen, zonder dat er instellingen nodig zijn.

Afbeelding 4: Mechanische autofocus (links) vergt meer onderhoud en leidt tot meer stilstand dan autofocus met vloeibare lenzen (rechts). (Bron afbeelding: Omron)

Slimme industriële beeldvormers

De MicroHAWK-codelezers van Omron werken snel en betrouwbaar en hebben een robuuste, ultracompacte behuizing met een dubbel voorvenster om condensatie in het venster te voorkomen. Afhankelijk van het model zijn ze verkrijgbaar met beschermingsgraad IP65/67 om prestaties in veeleisende omgevingen te garanderen. Beeldresoluties zijn beschikbaar van 0,3 tot 5 megapixels. Deze beeldvormers zijn verkrijgbaar met optiek, verlichting en filteropties om het apparaat te optimaliseren voor de specifieke gebruiksomgeving en beeldvormingsbehoeften. MicroHAWK-functies omvatten:

• Ethernet/IP, Ethernet TCP/IP en PROFINET-connectiviteit
• 5 tot 30 V_DC-stroomingang met optie voor voeding via Ethernet (PoE)
• 800 MHz processorsnelheid ter ondersteuning van snelle beeldverwerking
• De niet-lineaire kalibratiefunctie (NLC) verbetert de meet- en lokalisatieprestaties met een factor 20 door lensvervorming op te heffen. Het voert metingen uit in mm en pixels.

Hetzelfde apparaat kan tot 60 beelden per seconde ondersteunen voor het lezen van streepjescodes en visuele inspectie. Voorbeelden van MicroHAWK-codelezers zijn:

• V430-F000W12M-SRP, 1,2 MP beeldvormer met breed gezichtsveldlens van 5,2 mm brandpuntsafstand, plus standaard autofocus, standaard rood buitenlicht en plusmodus beeldvorming (Afbeelding 5).
• V430-F000L12M-SRX, 1,2 MP beeldvormer met smalle 16 mm lens en autofocus tot 1.160 mm, standaard rood buitenlicht en X-modus beeldvorming.

Afbeelding 5: Deze 1,2 MP beeldvormer heeft een brede 5,2 mm brandpuntlens en plus-mode imagingsoftware. (Bron afbeelding: DigiKey)

Efficiënte opstelling

De AutoVISION-software van Omron kan de instelling en installatie van MicroHAWK-beeldvormers versnellen. Met AutoVISION kunnen gebruikers verbinding maken met een apparaat en het configureren, programmeren en controleren. AutoVISION-opdrachten zijn schaalbaar over meerdere MicroHAWK-beeldvormers, softwarepakketten, industriële systemen en tablets en pc's. Het kan tot 8 beeldvormers in één systeem integreren. Met AutoVISION kunnen deze slimme beeldvormers worden gebruikt voor machine vision inspectiefuncties zoals de aanwezigheid van onderdelen, de locatie van onderdelen, het tellen van onderdelen, kleurdetectie en het verrichten van dimensionale metingen. De implementatie van AutoVISION verloopt in drie stappen:

• Leg een beeld vast met één klik
• Bepaal het inspectiegebied en wijs uitgangen toe met behulp van slepen en neerzetten
• Start het inspectieproces met de knop uitvoeren

AutoVISION-ontwikkelingssoftware is geschikt voor een reeks toepassingen:

• Inspectie en algemene machinevisie
• Verpakkingslijnen
• Assemblageprocessen
• Opsporing van gebreken

Samenvatting

Traceerbaarheid 4.0 ondersteunt Industrie 4.0 productieprocessen en toeleveringsketens, maar vervangt eerdere versies van traceerbaarheid in andere toepassingen niet volledig. Krachtige beeldvormers zijn een cruciaal element bij de invoering van traceerbaarheid 4.0. Er zijn slimme industriële beeldvormers beschikbaar met autofocus en het vermogen om betrouwbaar te werken onder moeilijke omgevings- en lichtomstandigheden. NLC-software verbetert de meetnauwkeurigheid tot 20X, en de beschikbare auto-configuratiesoftware versnelt de invoering van hoogwaardige traceerbaarheidssystemen.