Slik kan logistikksporing og Logistikk 4.0 håndtere forstyrrelser i forsyningskjeden

Logistikksporing blir stadig viktigere for å kunne håndtere forstyrrelser i forsyningskjeden, som forventes å fortsette i overskuelig fremtid. Logistikk er en prosess som innebærer å flytte gjenstander fra ett sted til et annet: Innenfor et produksjonsanlegg eller et lager eller mellom geografisk spredte steder. Logistikksporing gir status for forsyningskjeden i sanntid, noe som gjør det mulig å gjøre justeringer etter behov for å minimere virkningen av forstyrrelser i forsyningskjeden og sikre jevn, effektiv og lønnsom drift.

Fremveksten av det industrielle tingenes Internett (IIoT – industrial internet of things) har resultert i utviklingen av Logistikk 4.0 (Logistics 4.0) og smart styring av forsyningskjeden, som omfatter kunstig intelligens (AI) for å takle nye utfordringer og gi logistikkstyring økt fleksibilitet. Logistikk 4.0 muliggjør styring av forsyningskjedens synlighet og integritet i sanntid for å sikre at informasjonen som trengs for å levere de riktige produktene til riktig tid, sted og pris, og i riktig mengde og tilstand, er tilgjengelig. Avhengig av plasseringen i forsyningskjeden, kan logistikksporing implementeres ved å bruke en rekke ulike teknologier, deriblant lineære (1D) strekkoder, 2D-strekkoder, radiofrekvensidentifikasjon (RFID), nærfeltkommunikasjon (NFC), Bluetooth, Wirepas (industriell Bluetooth) og GPS-teknologier.

Denne artikkelen gir en oversikt over logistikkutfordringene, sammenligner nytten av utvalgte logistikksporingsteknologier og relaterte bransjestandarder, og den avslutter med å presentere eksempler på sporingsverktøy fra Banner Engineering og Würth Elektronik, samt en evalueringsplattform for å fremskynde utviklingsprosessen.

Industri 4.0 og Logistikk 4.0 har et innbyrdes forhold, og begge er nødvendig for å økonomisk nå målet om effektiv massetilpasning. Logistikk 4.0 er avhengig av svært detaljert sanntidsinformasjon knyttet til individuelle varer, kombinert med nettverk, automasjon og kommunikasjon med lav latenstid for å gi tidlige advarsler om forstyrrelser og muliggjøre raske reaksjoner for å opprettholde en optimal flyt av varer gjennom hele forsyningskjeden. Flere teknologier er nødvendig for å finne den beste logistikkløsningen for en gitt situasjon.

1D- og 2D-strekkoder

Strekkoder er en billig og effektiv måte å automatisere datainnsamling for individuelle varer. Avhengig av mengden data, er det flere tilgjengelige strekkodeformater, deriblant:

• 1D-strekkoder eller lineære strekkoder kan inneholde informasjon som serienummer, modellnummer og varehistorikk.
• Stablede lineære strekkoder som bruker flere 1D-strekkoder stablet tett sammen for å levere høyere datatetthet.
• 2D-strekkoder er sammensatt av bokser eller celler, med enda større mengder data lagret i et rutenettformat.

1D-strekkoder er mest brukt, og strekkodeinformasjonen befinner seg i bredden av svarte og hvite streker og mellomrom, som leses ved å bruke en strekkodeskanner som forstår det spesifikke formatet som brukes. Det finnes flere formater med 1D-strekkoder som er optimalisert for dataene som er nødvendige for bestemte bruksområder. Vanlige eksempler omfatter:

• Kode 128, for materialhåndtering
• Kode 39, som er brukt av militæret og myndighetsorganer
• Overlappet 2 av 5, for bestemte industrielle bruksområder
• UPC-A, som er mye brukt innen detaljhandelen i USA
• Postnet, som er brukt av USPS (US Postal Service)

For eksempel inkluderer Kode 128-formatet følgende (figur 1):

Streker er svarte linjer som leverer informasjonen. I grunnleggende koder er det to strekstørrelser – brede og smale – oversatt til binær informasjon av en leser. Andre kodeformater kan inkludere ulike strekbredder på streker og mellomrom for å kommunisere flere detaljer.

Stillesonen er en tom plass på kantene av strekkoden som gjør det mulig for skanneren å identifisere begynnelsen og slutten av koden. Det er en vanlig funksjon i alle 1D-strekkodeformater.

Start- og stoppkoder er spesifikke kombinasjoner av streker og mellomrom som angir begynnelsen og slutten av strekkoden.

Kontrollsiffer brukes til å bekrefte riktigheten til dataene og beskytte mot feil under datalesing.

Menneskelig lesbar kode (human readable code) er ikke en del av den maskinlesbare informasjonen i strekkoden.

Modulbredde er høyden/bredden på den minste cellen eller streken i strekkoden og bestemmer minimumsoppløsningen en skanner må kunne håndtere for å lese koden nøyaktig.

Figur 1: Strukturen til en 1D-strekkode som bruker Kode 128-formatet (farger er kun for identifikasjon). (Bildekilde: Banner Engineering)

2D-strekkoder er mer komplekse og inneholder større mengder data. Noen av de vanlige 2D-strekkodene omfatter:

• DataMatrix, som brukes i innretninger for kjøretøy, elektronikk og USPS
• QR-kode, som også brukes i bilindustrien, samt for kommersiell markedsføring
• Aztec, som er å finne på reisebilletter og noen registreringsdokumenter for kjøretøy
• Maxicode, som brukes for materialhåndtering og av UPS (United Parcel Service)

DataMatrix-formatet omfatter følgende (figur 2):

Celler, som er svarte og hvite firkanter inne i 2D-matrisen som inneholder dataene.

Stillesonen, som er en tom plass rundt omkretsen til 2D-strekkoden som gjør det mulig for skanneren å identifisere begynnelsen og slutten av koden.

Finder-mønster (eller «L»-mønster), som orienterer leseren slik at den kan identifisere hva som er den riktige måten å lese koden på.

Klokkemønster er på den motsatte siden av finder-mønsteret, og det forteller leseren størrelsen på cellene inne i koden og antall rader og kolonner i strekkoden.

Figur 2: 2D-strekkode med DataMatrix-struktur (farger er kun for identifikasjon). (Bildekilde: Banner Engineering)

2D-strekkoder inneholder også feilrettingsdata. Avhengig av koden, kan feilrettingsdataene inkluderes tre ganger for å forbedre kvaliteten til leserens datainnsamling.

Lesing av strekkoder

Laserskannere gir en enkel og kostnadseffektiv måte å lese 1D-strekkoder på. Laseren rettes mot strekkoden ved hjelp av et roterende speil, og det reflekterte lyset måles ved hjelp av en fotodiode. Lysmålingene oversettes deretter til en digital utgang. Høyhastighets laserskannere kan utføre opptil 1300 skanninger per sekund, men kan ikke lese 2D-strekkoder.

Bildelesere kan brukes til å lese både 1D- og 2D-strekkoder. Disse leserne tar et bilde av strekkoden, som deretter analyseres ved hjelp av bildebehandlingsprogramvare som kan finne, orientere og lese strekkoden. Sammenlignet med en laserskanner har en bildeleser en bredere feltdybde for avlesning ved flere høyder, og den kan lese flere strekkoder samtidig. Hastigheten til leseprosessen er avhengig av kapasiteten til avbildingskameraet og prosesseringsprogramvaren.

Wirepas selvdannende mobilnettverk

I tillegg til strekkoder kan trådløse merker (tag) og IIoT brukes til å gi vareidentifikasjon, plassering og tilstand på tvers av forsyningskjeden. Wirepas er en autonom selvdannende trådløs tilkoblingsprotokoll som er utviklet for å levere skalaen og tettheten som trengs for å støtte Logistikk 4.0-bruksområder. Tradisjonelle nettverk som Bluetooth kan ha problemer med å nå store skalaer på grunn av nettverksoverbelastning og båndbreddebegrensninger. Wirepas fjerner disse barrièrene ved å desentralisere nettverksintelligensen til nodene, noe som resulterer i et selvhelbredende nettverk med kollisjonsfri radiospektrumbruk (figur 3).

Figur 3: I bruksområder for logistikksporing som har mange varer å håndtere, kan Wirepas være et alternativ til Bluetooth eller andre proprietære trådløse protokoller. (Bildekilde: Würth Elektronik)

Wirepas Mesh-programvaren er utviklet for storskalanettverk og batteridrevne nettverk. Hver node …

• Skanner nettverksmiljøet og velger den optimale banen
• Justerer overføringseffekten basert på nærheten av nærliggende noder
• Kan fungere som en node med eller uten ruting, eller en sink
• Kan veksle mellom modus med lav effekt og modus med lav latenstid
• Velger optimal frekvens
• Er tolerant for interferens

DCSA (Digital Container Shipping Association), en uavhengig organisasjon grunnlagt av flere av de største fraktcontainerrederiene, har publisert standarder for trådløse tilkoblingsgrensesnitt for fraktcontainere. Wirepas oppfyller DCSA-standarden.

Implementering av 1D- og 2D-strekkoder

Konstruktører kan bruke den bildebaserte strekkodeleseren ABR3009-WSU2 WVGA (752 × 480 piksler) fra Banner Engineering når de utvikler sporingssystemer for Logistikk 4.0 ved å bruke 1D- eller 2D-strekkoder (figur 4). Den er fabrikkalibrert ved tre fokusposisjoner eller 45 mm, 70 mm og 125 mm, og den har et kontinuerlig fokusområde for å tilby finjustering for individuelle bruksområder. ABR3009-WSU2 kan ta 57 bilder i sekundet.

Figur 4: ABR3009-WSU2 fra Banner Engineering leser et helt bibliotek med 1D- og 2D-strekkoder. (Bildekilde: Banner Engineering)

Alle 1D- og 2D-standardlesere i ABR 3000-serien er konfigurert til å lese DataMatrix-strekkoder, og de kan enkelt konfigureres til å lese andre typer ved hjelp av innebygde trykknapper som gir enkel konfigurering eller med en datamaskin ved å bruke Banners Barcode Manager-programvare for mer komplekse konfigurasjoner. Objektivalternativer,inkludert programvarejusterbar autofokus, kan ytterligere forenkle oppsett og konfigurasjon. Enhetsintegrasjon og IIoT-datainnsamling kan konfigureres over industrielle Ethernet-, serie- eller USB-tilkoblinger. Modellen ABR3009-WSU2 er IP65-klassifisert, beskyttet mot støv og mot vann som projiseres fra en dyse.

Wirepas-radiomodul

Thetis-I fra Würth Elektronik er en 2,4 gigahertz (GHz) radiomodul som støtter kommunikasjonsprotokollen Wirepas Mesh. Konstruktører kan bruke delenummer 2611011021010, som har en siktlinje på 400 meter (m), til å integrere Wirepas i Logistikk 4.0-enheter for eiendelssporing (figur 5). Den har en sendereffekt (Tx-effekt) på 6 desibelmeter (dBm), en mottaksfølsomhet (Rx-følsomhet) på opptil –92 dBm og en overføringshastighet på opptil 1 megabit per sekund (Mb/s). 2611011021010 krever 18,9 milliampere (mA) i Tx-modus, 7,7 mA i Rx-modus og 3,16 mikroampere (µA) i dvalemodus. Den måler 8 x 12 x 2 mm.

Figur 5: 2,4 GHz Thetis-I-radiomodul med Wirepas Mesh-protokoll. (Bildekilde: Würth Elektronik)

For å fremskynde utviklingen av Logistikk 4.0-konstruksjoner ved å bruke Thetis-I-radiomodulen med Wirepas Mesh-protokoll, kan konstruktører bruke Thetis-I EV-Kit som omfatter et mini-EV-kort, en USB-radiopinne og tre sensornoder (figur 6). Et prototypenettverk med Wirepas Mesh kan konfigureres på noen få minutter, og hver av komponentene i EDV-Kit (mini-EV-kort, USB-radiopinne og sensornoder) kan kjøpes separat for å forstørre prototypenettverket.

Figur 6: Thetis-I EV Kit er utstyrt med en Thetis-I Wirepas Mesh-modul og inkluderer et mini-EV-kort, en USB-radiopinne og tre sensornoder. (Bildekilde: DigiKey)

Mini-EV-kortet støtter tilkobling med en vertsmikrokontroller for produktutvikling. Sensornoden er et batteridrevet kort på 31 mm x 32 mm som inkluderer en trykksensor og en fuktighetssensor. Sensordata leses automatisk av radiomodulen og overføres til Mesh-nettverket. EV Kit inkluderer også Würth sin PC Tool Wirepas Commander-programvare som støtter kommunikasjon med radiomodulene, nettverkskonfigurasjon og overvåking av sensordata.

Sammendrag

Logistikk 4.0 er avhengig av detaljert informasjon i sanntid om alle varer i forsyningskjeden og må integreres med Industri 4.0 ved hjelp av nettverkssystemer, automasjon og kommunikasjon med lav latenstid for å gi tidlige advarsler om forstyrrelser i forsyningskjeden. Det kreves flere sporingsteknologier for å implementere et vellykket logistikksystem. Denne artikkelen har presentert diverse valg relatert til 1D- og 2D-strekkoder og trådløse Wirepas-nettverk med høy skalerbarhet som kan fungere sammen med en Logistikk 4.0-løsning.