Zavedení kompaktního vysoce výkonného sledování a dohledatelnosti

Návrháři systémů automatizace výroby a sledování zboží potřebují optické čtečky čárových kódů, které dokáží číst typy štítků s kódem, jako je termotisk, laserové gravírování nebo kovová bodová matice. Dekódování rychle se pohybujících a měnících se kódových štítků na dopravníkových pásech vyžaduje čtečky s nízkou latencí a zpracování obrazu s vysokým rozlišením, které dokáží přesně dekódovat poškozené nebo znečištěné čárové kódy. Čtečky musí spolehlivě fungovat v náročných podmínkách navzdory nepříznivým světelným podmínkám, nepředvídatelné orientaci štítků a nerovnoměrné geometrii štítků.

Pro řešení těchto potřeb při dodržení nákladových a časových omezení mohou konstruktéři průmyslových zařízení použít běžně dostupné čtečky čárových kódů, které lze snadno konfigurovat tak, aby vyhovovaly široké škále cílových aplikací.

Tento článek stručně pojednává o standardech čárových kódů a požadavcích na čtečky a poté představuje vhodné čtečky čárových kódů na bázi zpracování obrazu od společnosti Omron Automation and Safety, které se snadno konfigurují v provozu a jsou podporovány různými barevnými světelnými a filtračními moduly. Článek pojednává o podporovaných standardech kódů, kabeláži a způsobu konfigurace softwaru čteček.

Typy standardů čárových kódů

Existuje mnoho typů čárových kódů, z nichž každý má jedinečné vlastnosti a požadavky. Na obrázku 1 jsou uvedeny příklady lineárních (1D) čárových kódů, skládaných lineárních, maticových (2D) a bodových symbolů a také fotografie přímého značení dílů (DPM) na různých materiálech s různým kontrastem a kvalitou rozlišení.

Obrázek 1: Čtečky kódů musí podporovat různé kódy, včetně lineárních (1D) čárových kódů, skládaných lineárních čárových kódů, 2D maticových symbolů a symbolů bodového kódu (nahoře). DPM mají různé charakteristiky kontrastu a rozlišení (dole). (Zdroj obrázku: Omron)

2D matice na obrázku 2 vpravo znázorňuje strukturu QRkódu: čtyři čtvercové referenční značky určují orientaci štítku kódu pro čtení, zatímco dva černo-bílé pruhy signalizují takt čtení. Více než polovina buněk obsahuje uživatelské datové slovo; zbytek slouží jako redundance pro opravu chyb.

Obrázek 2: QR kód přidává do datového slova (vlevo) korekci chyb a referenční a taktovací značky. Nastavitelné úrovně korekce chyb mohou rekonstruovat 7 až 30 % chybějící oblasti symbolu (vpravo). (Zdroj obrázku: Omron)

Pokud je symbol QR kódu generován pomocí Reed-Solomonova algoritmu, může korekce chyb rekonstruovat 7 % až 30 % chybějící oblasti symbolu v závislosti na zvolené úrovni (obrázek 2, vpravo). Podle normy ISO/IEC 24778 lze aztécký kód, 2D bodový maticový kód pro aplikace s omezeným prostorem, číst v libovolné orientaci a udává nastavitelnou korekci chyb v rozsahu 5 % až 95 %.

Čtečka čárových kódů integrující zpracování obrazu

Dobrým příkladem toho, jaké vyspělosti a jakých schopností čtečky dosáhly, je kompaktní řada čteček čárových kódů MicroHAWK V430-F společnosti Omron. Tyto čtečky dokáží spolehlivě číst rozmanité maticové čárové kódy na různých površích v náročných prostředích továren. Využívají výkonné algoritmy pro korekci chyb, které dekódují poškozené a neúplné symboly rychlostí až 60 snímků za sekundu (fps). Pokročilá optika kombinuje monochromatické nebo barevné obrazové snímače s rozlišením až 5 megapixelů (Mpx) a různými možnostmi pevného nebo automatického zaostřování.

Monochromatická čtečka čárových kódů V430-F000L12M-SRX má rozlišení 1 280 x 960 pixelů (1,2 Mpx) (obrázek 3). Integruje objektiv s automatickým zaostřováním a hloubkou ostrosti 1 160 mm, osm červených bodových LED diod a obrazový procesor s frekvencí 800 MHz, to vše v balení o rozměrech 44,5 (š) x 25,5 (v) x 56,9 (h) mm.

Obrázek 3: Na obrázku je čtečka čárových kódů V430-F000L12M-SRX s integrovaným osvětlením (vlevo) a rozšířená o LED prstenec kroužek LED a modul difuzoru (vpravo). (Zdroj obrázku: Omron)

Čtečka V430-F má krytí IP67 a lze ji snadno instalovat a konfigurovat přímo na místě v růmyslových výrobních prostorách. Vestavěné zpracování obrazu zachycuje 1D, 2D a maticové kódy a detekuje DPM v podmínkách se špatným kontrastem. Její algoritmy pro zpracování chyb a obrazu dokáží dekódovat poškozené, znečištěné, rozmazané nebo zkreslené štítky s kódy a zobrazit je jako prostý text v kódu ASCII.

Mezi důležité funkce řady V430-F patří:

• Podpora kódových standardů:
  • ISO/IEC 15415: DataMatrix (ECC200, GS1), QR Code, 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)
• Tři možnosti rozlišení:
  • 752 x 480 (0,3 Mpx) nebo 1 280 x 960 (1,2 Mpx) černobíle a 2 592 x 1 944 (5,0 Mpx) barevně
• Automatické ostření na vzdálenost 50 až 300 mm, automatické ostření na vzdálenost 75 až 1 200 mm a pevné ostření
• Ohnisková vzdálenost: širokoúhlá, střední nebo úzká/dlouhá
• Cyklus čtení 32 ms při rychlosti až 60 snímků za sekundu
• Napájení 5 až 30 V, volitelné napájení přes Ethernet (PoE) (režim B) a odběr proudu 180 mA při 24 V
• Tři vstupní/výstupní (I/O) řídicí porty izolované optočlenem
• Komunikace prostřednictvím RS-232, TCP/IP, Ethernet/IP nebo Profinet
• Řetězové propojení až osmi čteček
• Grafické uživatelské rozhraní (GUI) WebLink pro konfiguraci a monitorování pomocí prohlížeče

Verze V430-F000W12M-SRP používá širokoúhlý objektiv a ve firmwaru pro zpracování obrazu nabízí místo korekce chyb X-Mode režim Plus. Režim Plus je vhodný pro kódy s vysokým kontrastem, jako jsou štítky, zatímco agresivní algoritmy pro polohování symbolů, analýzu a rekonstrukci režimu X-Mode jsou vhodné pro všechny štítky, včetně kódů s nízkou kvalitou tisku a DPM. Zařízení řady F430 mají dvojí funkci, což znamená, že mohou fungovat současně jako čtečka čárových kódů a jako systém vizuální kontroly.

Přídavné moduly zvyšují kontrast

Zařízení řady F430 se dodávají s řadou doplňkových modulů, které vyhovují dané aplikaci. Například snadno instalovatelné přídavné moduly, jako jsou kruhová světla (V430-AL) s osmi nebo 24 červenými, bílými, modrými nebo infračervenými LED diodami, rozšiřují kontrastní rozsah čtečky čárových kódů. Kromě toho barevné a polarizační filtry a difuzory (V430-AF) omezují rozptyl světla a odlesky od lesklých povrchů (obrázek 4).

Obrázek 4: Difuzory a polarizační filtry snižují odrazy a rozptyl světla, čímž zlepšují kontrast a snižují chyby při čtení. (Zdroj obrázku: Omron)

Připojení čtečky čárových kódů

Čtečka čárových kódů V430-F má dvě zásuvky M12 a několik možností připojení (obrázek 5). Komunikační zásuvka umožňuje hostitelskému počítači číst dekódovaná data přes Ethernet/IP, TCP/IP nebo Profinet, konfigurovat a monitorovat čtečku čárových kódů a volitelně ji napájet přes PoE (režim B). Druhý konektor se připojuje k programovatelnému logickému automatu (PLC) pro řízení procesu a zahrnuje spouštěcí vstup, rozhraní RS-232 a tři I/O spínací signály. Slouží také k napájení čtečky V430-F. Čtení dekódovaných dat, konfiguraci a monitorování čtečky čárových kódů lze také provádět prostřednictvím terminálu RS-232 čtečky V430-F.

Obrázek 5: Možnosti připojení čtečky čárových kódů V430-F zahrnují Ethernet, I/O řídicí linky, RS-232 a napájecí linky. (Zdroj obrázku: Omron)

Společnost Omron nabízí konfigurované kabely Ethernet, I/O a RS-232 pro řadu V430 (V430-W). Při instalaci čtečky V430-F ve spojení s periferními komponentami (např. fotosenzorem, pomocným světlem LED a napájecím zdrojem) poskytuje rozhraní 98-000103-02 užitečný čtyřcestný rozvod.

Uživatelské rozhraní WebLink

Server WebLink integrovaný se čtečkou čárových kódů poskytuje uživateli grafické uživatelské rozhraní, které se vyvolá zadáním adresy http://192.168.188.2 do prohlížeče. Odtud může projektant čtečku V430-F ovládat, monitorovat, konfigurovat a odečítat z ní hodnoty.

Obrázek 6: V430-F lze ovládat, číst a konfigurovat pomocí uživatelského rozhraní WebLink. (Zdroj obrázku: Omron)

Karta <Start> obsahuje informace specifické pro model všech připojených čteček a je výchozím bodem pro vytváření konfiguračních profilů. Karta <Setup> (Nastavení) zobrazuje vlevo důležitá konfigurační nastavení, zatímco prostřední oblast zobrazuje obraz z kamery a nabízí nástroje pro zpracování obrazu k definování oblasti snímání čárových kódů. Vpravo se ve výstupním okně průběžně zobrazují dekódovaná slova dat čárových kódů, která lze sledovat také prostřednictvím terminálu WebLink nebo číst přes rozhraní RS-232.

Konfigurace parametrů

Pro výrazné urychlení dekódování mohou konstruktéři přesně vymezit oblast detekce, definovat očekávané typy kódů a optimálně nastavit algoritmy zpracování obrazu. Mohou také upravit výstupní formát dekódovaného datového slova a vkládat, vyměňovat nebo vyjímat znaky.

Pomocí příkazů K přes příkazový řádek terminálu nebo přímou změnou hodnot v položce nabídky WebLink <Advanced Settings> (Pokročilá nastavení) mohou konstruktéři konfigurovat parametry pro následující funkční oblasti: Camera Setup, Communications, Read Cycle, Symbologies, I/O, Symbol Quality, Match String, Diagnostics, Image Storage a Configuration Database.

Jakmile je v oblasti zorného pole kamery vytvořen výřez okna zájmu (WOI), jsou v něm definovány všechny relevantní oblasti s kódovými značkami, označované jako oblast zájmu (ROI). V konfigurační databázi lze nakonfigurovat až deset takových ROI podle konkrétního kódu. V režimu <Run> může čtečka V430-F mezi těmito sadami parametrů přepínat.

Různé speciální algoritmy mohou zlepšit nízkou kvalitu symbolů a konfigurují se prostřednictvím položky nabídky <Advanced Decoding Parameters> (Parametry pokročilého dekódování):

• Režim 2D Damaged dokáže dekódovat symboly s narušeným zarovnáním mřížky nebo nesprávnou registrací buněk. Na obrázku 7 v levém horním rohu je vidět, jak to funguje. Funkci lze zapnout pomocí sériového příkazu <K567,1> (0/1 = vypnuto/zapnuto).
• Pokus o morfologickou manipulaci používá morfologickou dilataci nebo erozi a pokusí se o dekódování. V pravém horním rohu obrázku 7 je vidět, jak zvyšuje intenzitu signálu a snižuje šum. Algoritmus se povoluje sériovým příkazem <K568,1>.

Obrázek 7: Algoritmy zpracování obrazu, např. Damaged Mode, Morphology a Scale Up/Down, umožňují dekódovat i obraz nízké kvality. (Zdroj obrázku: Omron)

• Algoritmus Curved 2D je určen pro symboly Data Matrix a QR kód.
  Pokud je poměr délek červených a zelených čar, znázorněný na obrázku 8, větší než 20:1, aktivuje se algoritmus Curved 2D. Funkce se povoluje sériovým příkazem <K563,1>.

Obrázek 8: Algoritmus zpracování obrazu Curved 2D automaticky detekuje zakřivené kódové štítky a před dekódováním je opraví. (Zdroj obrázku: Omron)

• Symbol Quality poskytne podrobné hodnocení ve stupních od A do F podle normy ISO/IEC 15416. Každý jednotlivý parametr lze povolit samostatně pomocí sériového příkazu <K726, apertura, celkový, určení hran, dekódování, kontrast, minimální odrazivost, minimální kontrast hran, modulace, vady, dekódovatelnost a klidová zóna>. Sériový příkaz <VAL4> reaguje textovou zprávou, která shrnuje zařazení do tříd podle normy ISO/IEC15416 (tabulka 1).

Tabulka 1: Sériový příkaz <VAL4> odpovídá textovou zprávou, která shrnuje zařazení do tříd podle normy ISO/IEC15416. (Zdroj tabulky: Omron)

Závěr

Kompaktní čtečky čárových kódů řady V430-F založené na zpracování obrazu spolehlivě dekódují širokou škálu kódových standardů na různých površích a pracují vysokou rychlostí v náročných prostředích továren. Jak bylo ukázáno, výkonné integrované zpracování obrazu se snadno konfiguruje prostřednictvím prohlížeče, což umožňuje konstruktérům zprovoznit čtečku čárových kódů bez specializovaných zkušeností se zpracováním obrazu.