Hoe logistiek traceren en logistiek 4.0 verstoringen van de toeleveringsketen kunnen beheren

Het traceren van logistiek wordt steeds belangrijker om de verstoringen van de toeleveringsketen, die naar verwachting in de nabije toekomst zullen aanhouden, te beheersen. Logistiek is het proces van het verplaatsen van goederen van de ene plaats naar de andere: binnen een productie-eenheid of een magazijn of tussen geografisch verspreide locaties. Het traceren van logistiek biedt een realtime supply chain-status, zodat de nodige aanpassingen kunnen worden doorgevoerd om de impact van verstoringen van de supply chain te minimaliseren en een vlotte, efficiënte en winstgevende werking te garanderen.

De opkomst van het industriële internet van dingen (IIoT) heeft geleid tot de ontwikkeling van logistiek 4.0 en slim beheer van de toeleveringsketen, met inbegrip van kunstmatige intelligentie (AI) om nieuwe uitdagingen aan te pakken en extra flexibiliteit te brengen in het logistiek beheer. Logistiek 4.0 maakt real-time zichtbaarheid van de toeleveringsketen en integriteitscontrole mogelijk, zodat de informatie beschikbaar is die nodig is om de juiste producten op de juiste tijd, op de juiste plaats, in de juiste hoeveelheid, in de juiste staat en tegen de juiste kosten te leveren. Afhankelijk van de plaats binnen de toeleveringsketen kan logistiek traceren worden geïmplementeerd met behulp van een reeks technologieën, waaronder lineaire (1D) barcodes, 2D barcodes, radiofrequentie-identificatie (RFID), Near Field Communication (NFC), Bluetooth, Wirepas (industriële Bluetooth), en GPS-technologieën.

Dit artikel geeft een overzicht van de logistieke uitdagingen, vergelijkt het nut van geselecteerde technologieën voor het traceren van logistiek en verwante industrienormen, en sluit af met voorbeelden van traceringshulpmiddelen van Banner Engineering en Würth Elektronik, samen met een evaluatieplatform om het ontwikkelingsproces te versnellen.

Industrie 4.0 en logistiek 4.0 zijn met elkaar verbonden, en beide zijn nodig om het doel van efficiënte mass customization op economische wijze te bereiken. Logistiek 4.0 berust op zeer granulaire en realtime-informatie over individuele items, gecombineerd met netwerken, automatisering en communicatie met lage latentie om vroegtijdig te waarschuwen voor verstoringen en snel te kunnen reageren om een optimale goederenstroom in de hele toeleveringsketen te handhaven. Er zijn meerdere technologieën nodig om tot de beste logistieke oplossing voor een bepaalde situatie te komen.

1D- en 2D-barcodes

Barcodes zijn een goedkope en doeltreffende manier om het verzamelen van gegevens over afzonderlijke artikelen te automatiseren. Afhankelijk van de hoeveelheid gegevens zijn er verschillende barcode-formaten, waaronder:

• 1D- of lineaire barcodes kunnen informatie bevatten zoals serienummer, modelnummer en artikelgeschiedenis.
• Gestapelde lineaire barcodes die gebruik maken van meerdere dicht op elkaar gestapelde 1D-barcodes om een hogere gegevensdichtheid te leveren.
• 2D-barcodes zijn opgebouwd uit vakjes of cellen, met nog grotere hoeveelheden gegevens die in een rasterformaat worden opgeslagen.

1D-barcodes zijn de meest voorkomende, en de barcode-informatie is vervat in de breedte van de zwarte en witte streepjes en spaties en wordt gelezen met een barcodescanner die het specifieke formaat begrijpt dat wordt gebruikt. Er bestaan verschillende formaten van 1D-barcodes die zijn geoptimaliseerd voor de gegevens die nodig zijn voor specifieke toepassingen. Enkele voorbeelden zijn:

• Code 128, voor goederenbehandeling
• Code 39, gebruikt door het leger en overheidsinstellingen
• Interleaved 2 van 5, voor specifieke industriële toepassingen
• UPC-A, veel gebruikt in de kleinhandel in de V.S.
• Postnet, gebruikt door de US Postal Service (USPS)

Het Code 128-formaat omvat bijvoorbeeld (Afbeelding 1):

Balken zijn zwarte lijnen die de informatie leveren. In basiscodes zijn er twee streepjesgrootten - breed en smal - die door een lezer worden omgezet in binaire informatie. Andere codeformaten kunnen verschillende breedten van balken en witruimtes bevatten om meer details te communiceren.

Quiet Zone is een lege ruimte aan de randen van de barcode om de scanner in staat te stellen het begin en einde van de code te identificeren. Het is een gemeenschappelijk kenmerk van alle 1D-barcodeformaten.

Start- en stopcodes zijn specifieke combinaties van streepjes en spaties die het begin en het einde van de barcode aangeven.

Check Digit wordt gebruikt om de juistheid van de gegevens te controleren en te beschermen tegen fouten bij het lezen van de gegevens.

De menselijk leesbare code maakt geen deel uit van de machinaal leesbare informatie in de barcode.

De modulebreedte is de hoogte/breedte van de kleinste cel of staaf in de barcode en bepaalt de minimale resolutie die een scanner nodig heeft om de code nauwkeurig te lezen.

Afbeelding 1: Structuur van een 1D-barcode volgens het Code 128-formaat (de kleuren dienen uitsluitend ter identificatie). (Bron afbeelding: Banner Engineering)

2D-barcodes zijn complexer en bevatten grotere hoeveelheden gegevens. Enkele van de meest voorkomende 2D-barcodes zijn:

• DataMatrix gebruikt in auto-, elektronica- en USPS-toepassingen
• QR-code ook gebruikt in de automobielsector, evenals in commerciële marketing
• Azteken gevonden op reisbiljetten en sommige kentekenbewijzen
• Maxicode gebruikt voor goederenbehandeling en door de United Parcel Service (UPS)

Het DataMatrix-formaat omvat (Afbeelding 2):

Cellen zijn zwarte en witte vierkantjes in de 2D-matrix die de gegevens bevatten.

Stiltezone is een lege ruimte rond de omtrek van een 2D-barcode om de scanner in staat te stellen het begin en einde van de code te identificeren.

Finder (of "L") patroon oriënteert de lezer zodat hij de juiste manier kan vinden om de code te lezen.

Het klokpatroon bevindt zich aan de andere kant van het vinderpatroon en vertelt de lezer de grootte van de cellen in de code en het aantal rijen en kolommen in de streepjescode.

Afbeelding 2: 2D-barcode DataMatrix-structuur (de kleuren dienen uitsluitend ter identificatie). (Bron afbeelding: Banner Engineering)

2D-barcodes bevatten ook foutcorrectiegegevens. Afhankelijk van de code kunnen de gegevens voor foutcorrectie driemaal worden opgenomen om de kwaliteit van de gegevensverzameling door de lezers te verbeteren.

Barcodes lezen

Laserscanners zijn een eenvoudige en kosteneffectieve manier om 1D-barcodes te lezen. De laser wordt over de barcode gericht met behulp van een roterende spiegel, en het weerkaatste licht wordt gemeten met een fotodiode. De lichtmetingen worden vervolgens omgezet in een digitale uitgang. Hogesnelheidslaserscanners kunnen tot 1.300 scans per seconde uitvoeren, maar kunnen geen 2D-barcodes lezen.

Beeldlezers kunnen worden gebruikt om zowel 1D- als 2D-barcodes te lezen. Deze lezers leggen een beeld van de streepjescode vast, dat wordt geanalyseerd met beeldverwerkingssoftware die de streepjescode kan lokaliseren, oriënteren en lezen. Vergeleken met een laserscanner heeft een beeldlezer een grotere scherptediepte voor het lezen op meerdere hoogten en kan hij gelijktijdig meerdere streepjescodes lezen. De snelheid van het leesproces is afhankelijk van de mogelijkheden van de beeldcamera en de verwerkingssoftware.

Wirepas zelfvormende mobiele netwerken

Naast barcodes kunnen draadloze tags en het IIoT worden gebruikt om artikelidentificatie, -locatie en -conditie door de hele toeleveringsketen heen te verstrekken. Wirepas is een autonoom zelfvormend draadloos connectiviteitsprotocol dat is ontworpen om de schaal en dichtheid te leveren die nodig zijn om Logistiek 4.0-toepassingen te ondersteunen. Traditionele mesh-netwerken zoals Bluetooth kunnen moeilijk grote schaal bereiken door congestie en bandbreedtebeperkingen. Wirepas neemt deze barrières weg door de netwerkintelligentie te decentraliseren naar de nodes, wat resulteert in een zelfherstellend netwerk met botsingsvrij radiospectrumgebruik (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: In logistieke traceertoepassingen met grote aantallen te beheren artikelen kan Wirepas een alternatief bieden voor Bluetooth of propriëtaire draadloze protocollen. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Wirepas Mesh-software is ontworpen voor grootschalige netwerken die op batterijen werken. Elk knooppunt...

• Scant de netwerkomgeving en kiest het optimale pad
• Past het zendvermogen aan op basis van de nabijheid van nabijgelegen knooppunten
• Kan werken als een routing of non-routing knooppunt, of een sink
• Kan schakelen tussen energiezuinige modus en latentiearme modus
• Selecteert de optimale frequentie
• Is interferentie tolerant

De Digital Container Shipping Association (DCSA), een onafhankelijke organisatie die is opgericht door een aantal van de grootste containerrederijen, heeft normen voor draadloze connectiviteitsinterfaces voor scheepscontainers gepubliceerd. Wirepas is in overeenstemming met de DCSA-norm.

Implementeren van 1D- en 2D-barcodes

Ontwerpers kunnen een beroep doen op de ABR3009-WSU2 WVGA (752 × 480 pixels) beeldgebaseerde barcodelezer van Banner Engineering bij het ontwerpen van Logistics 4.0-trackingsystemen die gebruikmaken van 1D- of 2D-barcodes (Afbeelding 4). Het is in de fabriek gekalibreerd op drie scherpstelposities: 45 mm, 70 mm en 125 mm, en het heeft een continu scherpstelbereik voor fijnafstelling voor individuele toepassingen. De ABR3009-WSU2 kan 57 beelden per seconde vastleggen.

Afbeelding 4: De ABR3009-WSU2 van Banner Engineering leest een volledige bibliotheek van 1D- en 2D-barcodes. (Bron afbeelding: Banner Engineering)

Alle standaard 1D- en 2D-lezers uit de ABR 3000-serie zijn ingesteld op het lezen van DataMatrix-barcodes en kunnen eenvoudig worden geconfigureerd voor het lezen van andere stijlen met behulp van ingebouwde drukknoppen voor eenvoudige configuraties of met een pc met behulp van Banner's Barcode Manager-software voor complexere configuraties. Lensopties, waaronder softwarematig instelbare autofocus, kunnen de installatie en configuratie verder vereenvoudigen. Apparaatintegratie en IIoT-gegevensverzameling kunnen worden geconfigureerd via industriële Ethernet-, seriële of USB-verbindingen. Het model ABR3009-WSU2 is IP65-geclassificeerd, beschermd tegen stof en tegen water dat uit een spuitmond wordt gespoten.

Draadpas radiomodule

De Thetis-I van Würth Elektronik is een 2,4 gigahertz (GHz) radiomodule die het Wirepas mesh-communicatieprotocol ondersteunt. Ontwerpers kunnen onderdeelnummer 2611011021010, met een zichtlijnbereik van 400 meter (m), gebruiken om Wirepas te integreren in Logistics 4.0-apparatuur voor het traceren van activa (Afbeelding 5). Hij heeft een zendvermogen (Tx) van 6 decibelmeter (dBm), een ontvangstgevoeligheid (Rx) tot -92 dBm, en een transmissiesnelheid tot 1 megabit per seconde (Mbps). De 2611011021010 verbruikt 18,9 milliampère (mA) in Tx-modus, 7,7 mA in Rx-modus, en 3,16 microampère (µA) in slaapmodus. De afmetingen zijn 8 x 12 x 2 mm.

Afbeelding 5: De 2,4 GHz Thetis-I radiomodule met Wirepas mesh-protocol. (Bron afbeelding: Würth Elektronik)

Om de ontwikkeling van Logistiek 4.0 toepassingen te versnellen die gebruik maken van de Thetis-I radiomodule met Wirepas mesh protocol, kunnen ontwerpers gebruik maken van de Thetis-I EV-Kit die bestaat uit een mini-EV board, een USB radiostick en drie sensornodes (Afbeelding 6). Een werkend Wirepas mesh prototype netwerk kan in een paar minuten worden opgezet, en elk van de componenten in de EDV-Kit (mini-EV-bord, USB radiostick, en sensor nodes) kunnen afzonderlijk worden aangeschaft om het prototype netwerk uit te breiden.

Afbeelding 6: De Thetis-I EV-kit is uitgerust met een Thetis-I Wirepas Mesh-module en bevat een mini EV-bord, een USB-radiostick, en drie sensorknooppunten. (Bron afbeelding: DigiKey)

Het mini-EV-bord ondersteunt de verbinding met een host microcontroller voor de ontwikkeling van toepassingen. Het sensorknooppunt is een 31 mm x 32 mm op batterijen werkend bord en bevat een druksensor en een vochtigheidssensor. Sensorgegevens worden automatisch gelezen door de radiomodule en doorgestuurd naar het mesh-netwerk. De EV-kit bevat ook Würth's PC Tool Wirepas Commander-software die de communicatie met de radiomodules, netwerkconfiguratie en monitoring van sensorgegevens ondersteunt.

Samenvatting

Logistiek 4.0 steunt op realtime, korrelige informatie over alle items in de toeleveringsketen en moet worden geïntegreerd met Industrie 4.0 met behulp van netwerksystemen, automatisering en communicatie met lage latentie om vroegtijdig te waarschuwen voor verstoringen van de toeleveringsketen. Er zijn meerdere trackingtechnologieën nodig om een succesvol logistiek systeem te implementeren. In dit artikel zijn verschillende keuzes gepresenteerd met betrekking tot 1D- en 2D-barcodes en zeer schaalbare draadloze Wirepas-netwerken die kunnen samenwerken in een Logistieke 4.0-oplossing.