Jak může sledování logistiky a Logistika 4.0 zvládnout narušení dodavatelského řetězce

Ke zvládnutí narušení dodavatelského řetězce, o kterých se očekává, že budou v dohledné době pokračovat, je stále důležitější sledování logistiky. Logistika je proces přesunu položek z jednoho místa na druhé: v rámci výrobního závodu nebo skladu či mezi geograficky rozptýlenými místy. Sledování logistiky poskytuje informace o stavu dodavatelského řetězce v reálném čase a umožňuje provádět úpravy podle potřeby, aby se minimalizoval dopad narušení dodavatelského řetězce a zajistil hladký, efektivní a ziskový provoz.

Vznik průmyslového internetu věcí („industrial internet of things“, IIoT) vyústil ve vývoj Logistiky 4.0 a inteligentního řízení dodavatelského řetězce, včetně umělé inteligence („artificial intelligence“, AI), které řeší nové výzvy a přináší do řízení logistiky větší flexibilitu. Logistika 4.0 umožňuje viditelnost dodavatelského řetězce v reálném čase a kontrolu integrity, aby byla zajištěna dostupnost informací potřebných k dodání správných produktů ve správný čas, na správné místo, ve správném množství a stavu a za správnou cenu. V závislosti na umístění v rámci dodavatelského řetězce může být sledování logistiky implementováno pomocí řady technologií včetně lineárních (1D) čárových kódů, 2D čárových kódů, radiofrekvenční identifikace („radio frequency identification“, RFID), komunikace v blízkém poli („near field communication“, NFC), technologií Bluetooth, Wirepas (průmyslové technologie Bluetooth) a GPS.

V tomto článku je představen přehled logistických výzev, porovnána užitečnost vybraných logistických sledovacích technologií a souvisejících průmyslových standardů a na závěr jsou uvedeny příklady sledovacích nástrojů společností Banner Engineering a Würth Elektronik spolu s vyhodnocovací platformou pro urychlení procesu vývoje.

Průmysl 4.0 a Logistika 4.0 jsou vzájemně propojeny a oba jsou potřeba k ekonomickému dosažení cíle efektivního hromadného přizpůsobení. Logistika 4.0 se opírá o velmi podrobné informace v reálném čase související s jednotlivými položkami v kombinaci se sítí, automatizací a komunikací s nízkou latencí, které poskytují včasné varování před narušeními a umožňují rychlé reakce k udržení optimálního toku zboží v celém dodavatelském řetězci. K dosažení co nejlepšího logistického řešení pro danou situaci je zapotřebí více technologií.

1D a 2D čárové kódy

Čárové kódy představují levný a efektivní způsob, jak automatizovat sběr dat o jednotlivých položkách. V závislosti na množství dat existuje několik formátů čárových kódů včetně následujících:

• 1D nebo lineární čárové kódy mohou obsahovat informace, jako je sériové číslo, číslo modelu a historie položky.
• Skládané lineární čárové kódy, které používají více 1D čárových kódů naskládaných těsně vedle sebe, aby poskytovaly vyšší hustotu dat.
• 2D čárové kódy se skládají z rámečků nebo buněk s ještě větším množstvím dat uložených ve formátu mřížky.

Nejběžnější jsou 1D čárové kódy. Informace čárového kódu jsou obsaženy v šířce černých a bílých čar a mezer a čtou se pomocí skeneru čárových kódů, který je určen pro konkrétní používaný formát. Existuje několik formátů 1D čárových kódů, které byly optimalizovány pro data potřebná v konkrétních aplikacích. Některé příklady:

• Code 128 – pro manipulaci s materiálem
• Code 39 – používaný armádou a státními úřady
• Interleaved 2 of 5 („prokládaný 2/5“) – pro specifické průmyslové aplikace
• UPC-A – široce používaný v maloobchodě v USA
• Postnet – používaný americkou poštovní službou („US Postal Service“, USPS)

Zde je popis například formátu Code 128 (obrázek 1):

Čáry jsou černé linie, které poskytují informace. V základních kódech existují dvě velikosti čar – široké a úzké, které čtečka převádí do binární informace. Jiné formáty kódu mohou obsahovat různé šířky čar a bílých mezer pro sdělení dalších podrobností.

Tichá zóna je prázdné místo na okrajích čárového kódu, které umožňuje skeneru identifikovat začátek a konec kódu. Je to společná vlastnost všech formátů 1D čárových kódů.

Počáteční a koncové kódy jsou specifické kombinace čar a mezer, které označují začátek a konec čárového kódu.

Kontrolní číslice se používá k ověření přesnosti dat a k ochraně před chybami při čtení dat.

Kód čitelný lidmi není součástí strojově čitelných informací v čárovém kódu.

Šířka modulu je výška/šířka nejmenší buňky nebo čáry v čárovém kódu a určuje minimální rozlišení, které skener potřebuje k přesnému přečtení kódu.

Obrázek 1: Struktura 1D čárového kódu ve formátu Code 128 (barvy slouží pouze k ilustraci). (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

2D čárové kódy jsou složitější a obsahují větší množství dat. Mezi některé z běžných 2D čárových kódů patří formáty:

• DataMatrix používaný v automobilovém průmyslu, elektronice a aplikacích USPS
• QR kód využívaný také v automobilovém průmyslu a i v komerčním marketingu
• Aztec nacházející se na jízdenkách v dopravě a některých dokladech o registraci vozidla
• Maxicode používaný pro manipulaci s materiálem a využívaný společností United Parcel Service (UPS)

Popis formátu DataMatrix (obrázek 2):

Buňky jsou černé a bílé čtvercové plochy uvnitř 2D matice, které obsahují data.

Tichá zóna je prázdné místo kolem obvodu 2D čárového kódu, které umožňuje skeneru identifikovat začátek a konec kódu.

Lokalizační symboly („Finder pattern“, nebo vzor „L“) orientují čtečku tak, aby mohla identifikovat správný způsob čtení kódu.

Zaměřovací symboly („Clocking pattern“) jsou na opačné straně od lokalizačních symbolů a sdělují čtečce velikost buněk uvnitř kódu a počet řádků a sloupců v čárovém kódu.

Obrázek 2: Struktura 2D čárového kódu DataMatrix (barvy slouží pouze k ilustraci). (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

2D čárové kódy obsahují také data pro opravu chyb. V závislosti na kódu mohou být data pro opravu chyb zahrnuta třikrát, aby se zlepšila kvalita sběru dat čtečkou.

Čtení čárových kódů

Jednoduchý a cenově výhodný způsob čtení 1D čárových kódů nabízejí laserové skenery. Laser se nasměruje přes čárový kód pomocí rotujícího zrcadla a odražené světlo se změří pomocí fotodiody. Měření světla se poté převedou do digitálního výstupu. Vysokorychlostní laserové skenery mohou provádět až 1 300 skenů za sekundu, ale neumí číst 2D čárové kódy.

Ke čtení 1D i 2D čárových kódů lze použít snímací čtečky. Tyto čtečky zachycují obraz čárového kódu, který se analyzuje pomocí softwaru pro zpracování obrazu, který dokáže čárový kód lokalizovat, orientovat a přečíst. Ve srovnání s laserovým skenerem má snímací čtečka větší hloubku ostrosti pro čtení ve více výškách a může číst více čárových kódů současně. Rychlost procesu čtení závisí na schopnosti snímací kamery a zpracovávajícího softwaru.

Samoformující mobilní sítě Wirepas

Kromě čárových kódů lze k identifikaci položek, umístění a stavu v celém dodavatelském řetězci použít bezdrátové tagy a IIoT. Wirepas je autonomní samoformující protokol bezdrátové konektivity navržený tak, aby poskytoval rozsah a hustotu potřebnou pro podporu aplikací Logistiky 4.0. Tradiční mesh sítě, jako je Bluetooth, mohou mít potíže s dosažením velkého rozsahu kvůli přetížení a omezením šířky pásma. Síť Wirepas odstraňuje tyto bariéry decentralizací síťové inteligence do uzlů, což vede k samoopravné síti s bezkolizním využíváním rádiového spektra (obrázek 3).

Obrázek 3: V aplikacích pro sledování logistiky s vysokým počtem položek ke správě může síť Wirepas poskytnout alternativu k technologii Bluetooth nebo proprietárním bezdrátovým protokolům. (Zdroj obrázku: společnost Würth Elektronik)

Software Wirepas Mesh je určen pro rozsáhlé a bateriově napájené sítě. Každý uzel…

• Prohledá síťové prostředí a vybere optimální cestu.
• Upravuje vysílací výkon na základě blízkosti blízkých uzlů.
• Může fungovat jako směrovací nebo nesměrovací uzel nebo jímka.
• Může přepínat mezi režimem nízké spotřeby a nízké latence.
• Vybere optimální frekvenci.
• Je tolerantní k rušení.

Digital Container Shipping Association (DCSA), nezávislá organizace založená několika největšími přepravci kontejnerů, zveřejnila standardy rozhraní bezdrátové konektivity pro přepravní kontejnery. Síť Wirepas je v souladu se standardem DCSA.

Implementování 1D a 2D čárových kódů

Konstruktéři mohou při navrhování sledovacích systémů Logistiky 4.0 využívajících 1D nebo 2D čárové kódy použít čtečku čárových kódů WVGA (752 × 480 pixelů) založenou na snímcích ABR3009-WSU2 od společnosti Banner Engineering (obrázek 4). Čtečka je z výroby kalibrována na tři polohy zaostření nebo 45 mm, 70 mm a 125 mm a má kontinuální rozsah ostření, který umožňuje jemné doladění pro jednotlivé aplikace. Model ABR3009-WSU2 dokáže zachytit 57 snímků za sekundu.

Obrázek 4: Model ABR3009-WSU2 od společnosti Banner Engineering čte úplnou knihovnu 1D a 2D čárových kódů. (Zdroj obrázku: společnost Banner Engineering)

Všechny standardní čtečky 1D a 2D kódů řady ABR 3000 jsou nastaveny na čtení čárových kódů DataMatrix a lze je snadno nakonfigurovat ke čtení jiných stylů pro jednoduché konfigurace pomocí vestavěných tlačítek nebo pro složitější konfigurace na počítači pomocí softwaru Barcode Manager společnosti Banner. Zjednodušit nastavení a konfiguraci mohou dále možnosti objektivu, včetně softwarově nastavitelného automatického zaostřování. Integraci zařízení a sběr dat IIoT lze konfigurovat přes průmyslový Ethernet či sériové nebo USB připojení. Model ABR3009-WSU2 má krytí IP65, je chráněn před prachem a vodou stříkající z trysky.

Rádiový modul Wirepas

Zařízení Thetis-I od společnosti Würth Elektronik je 2,4GHz rádiový modul, který podporuje komunikační protokol Wirepas mesh. K integraci sítě Wirepas do zařízení pro sledování majetku Logistiky 4.0 mohou konstruktéři použít díl s objednacím číslem 2611011021010, který má dosah viditelnosti 400 m (obrázek 5). Má vysílací výkon (Tx) 6 dBm, citlivost příjmu (Rx) až −92 dBm a přenosovou rychlost až 1 Mb/s. Díl 2611011021010 vyžaduje v režimu Tx 18,9 mA, v režimu Rx až 7,7 mA a v režimu spánku 3,16 µA. Má rozměry 8 × 12 × 2 mm.

Obrázek 5: 2,4GHz rádiový modul Thetis-I s protokolem Wirepas mesh. (Zdroj obrázku: společnost Würth Elektronik)

K urychlení vývoje aplikací Logistiky 4.0 využívajících rádiový modul Thetis-I s protokolem Wirepas mesh mohou konstruktéři použít sadu Thetis-I EV-Kit, která obsahuje desku mini-EV, USB rádiový modul a tři senzorové uzly (obrázek 6). Provozní prototypová síť Wirepas mesh může být nastavena během několika minut a každou z komponent v sadě EDV-Kit (mini-EV deska, USB rádiový modul a senzorové uzly) lze ke zvětšení prototypové sítě zakoupit samostatně.

Obrázek 6: Sada Thetis-I EV je vybavena modulem Thetis-I Wirepas Mesh a obsahuje desku mini EV, USB rádiový modul a tři senzorové uzly. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Pro vývoj aplikací podporuje deska mini-EV připojení k hostitelskému mikrokontroléru. Senzorový uzel je 31 × 32 mm bateriově napájená deska a obsahuje tlakový senzor a senzor vlhkosti. Data senzoru jsou automaticky čtena rádiovým modulem a přenášena do mesh sítě. Sada EV také obsahuje software PC Tool Wirepas Commander společnosti Würth, který podporuje komunikaci s rádiovými moduly, konfiguraci sítě a monitorování dat senzorů.

Shrnutí

Logistika 4.0 se spoléhá na podrobné informace v reálném čase o všech položkách v dodavatelském řetězci a je třeba ji integrovat s Průmyslem 4.0 pomocí síťových systémů, automatizace a komunikace s nízkou latencí, aby bylo možné včas varovat před narušeními dodavatelského řetězce. Implementace úspěšného logistického systému vyžaduje několik sledovacích technologií. V tomto článku jsou představeny různé možnosti týkající se 1D a 2D čárových kódů a vysoce škálovatelných bezdrátových sítí Wirepas, které mohou v rámci řešení Logistiky 4.0 spolupracovat.