Zarządzanie zakłóceniami w łańcuchu dostaw dzięki śledzeniu w logistyce i logistyce 4.0

Śledzenie w logistyce jest coraz bardziej niezbędne do zarządzania zakłóceniami w łańcuchu dostaw, które według przewidywań wciąż będą pojawiać się w przyszłości. Logistyka to proces transportu przedmiotów z jednego miejsca do drugiego: w obrębie zakładu produkcyjnego lub magazynu, a także pomiędzy lokalizacjami odległymi geograficznie. Śledzenie w logistyce zapewnia informacje o stanie łańcucha dostaw w czasie rzeczywistym, umożliwiając wprowadzanie potrzebnych korekt, aby zminimalizować wpływ zakłóceń łańcucha dostaw i zapewnić płynną, wydajną i rentowną działalność.

Pojawienie się przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) zaowocowało rozwojem logistyki 4.0 i inteligentnego zarządzania łańcuchem dostaw, w tym wykorzystaniem sztucznej inteligencji (AI), aby sprostać nowym wyzwaniom i zapewnić dodatkową elastyczność w zarządzaniu logistyką. Logistyka 4.0 umożliwia wgląd w łańcuch dostaw i kontrolę integralności w czasie rzeczywistym, aby zapewnić dostępność informacji potrzebnych do dostarczenia właściwych produktów we właściwym czasie, miejscu, ilości i stanie oraz po odpowiednich kosztach. W zależności od lokalizacji w łańcuchu dostaw, śledzenie w logistyce można wdrożyć przy użyciu szeregu technologii, między innymi liniowych (1D) kodów kreskowych, kodów kreskowych 2D, identyfikacji radiowej (RFID), komunikacji zbliżeniowej (NFC), technologii Bluetooth, Wirepas (przemysłowy Bluetooth) i GPS.

W niniejszym artykule przedstawiono przegląd wyzwań logistycznych, porównano użyteczność wybranych technologii śledzenia w logistyce i powiązanych standardów branżowych, a na koniec zaprezentowano przykłady narzędzi śledzenia firm Banner Engineering oraz Würth Elektronik, wraz z platformą ewaluacyjną przyspieszającą proces rozwojowy.

Terminy przemysł 4.0 i logistyka 4.0 są ze sobą powiązane. Oba są potrzebne do osiągnięcia celu, jakim jest efektywna i ekonomiczna personalizacja na dużą skalę. Logistyka 4.0 opiera się na bardzo szczegółowych informacjach przesyłanych w czasie rzeczywistym i związanych z poszczególnymi pozycjami. W połączeniu z siecią, automatyzacją i komunikacją o niskiej latencji, zapewnia wczesne ostrzeżenia o zakłóceniach i umożliwia szybką reakcję w celu utrzymania optymalnego przepływu towarów w całym łańcuchu dostaw. Znalezienie najlepszego rozwiązania logistycznego dla danej sytuacji wymaga użycia wielu technologii.

Kody kreskowe 1D i 2D

Kody kreskowe to niedrogi i skuteczny sposób na zautomatyzowanie gromadzenia danych o poszczególnych produktach. W zależności od ilości danych dostępnych jest kilka formatów kodów kreskowych, w tym:

• Kody kreskowe jednowymiarowe (1D) lub liniowe, które mogą zawierać informacje, takie jak numer seryjny, numer modelu i historia produktu.
• Piętrowe liniowe kody kreskowe to wiele jednowymiarowych kodów kreskowych (1D) ułożonych blisko siebie w celu zapewnienia większej gęstości danych.
• Kody kreskowe dwuwymiarowe (2D) składają się z pól lub komórek, a w formacie siatki przechowywanych jest jeszcze więcej danych.

Najpopularniejsze są kody kreskowe 1D, a informacje o kodzie kreskowym są zawarte w szerokości czarnych i białych pasków i odstępów między nimi. Są one odczytywane za pomocą skanera kodów kreskowych, który rozumie konkretny stosowany format. Istnieje wiele formatów kodów kreskowych 1D, które zostały zoptymalizowane pod kątem danych potrzebnych w określonych zastosowaniach. Oto kilka przykładów:

• Kod 128, do transportu bliskiego materiałów
• Kod 39, używany przez agencje wojskowe i rządowe
• Kod przeplatany „2 z 5”, do konkretnych zastosowań przemysłowych
• Kod UPC-A, szeroko stosowany w handlu detalicznym w USA
• Kod Postnet, używany przez pocztę w USA (US Postal Service, USPS)

Na przykład w formacie 128 (ilustracja 1):

Kreski to czarne linie, które zawierają pewne informacje. W podstawowych kodach występują dwa rozmiary kresek - szeroka i wąska - które tłumaczone są przez czytnik na informacje binarne. Inne formaty kodów mogą mieć różne szerokości kresek i białych odstępów, aby przekazać więcej szczegółów.

Cicha strefa to pusta przestrzeń na krawędziach kodu kreskowego, umożliwiająca skanerowi rozpoznanie początku i końca kodu. Jest to wspólna cecha wszystkich formatów kodów kreskowych 1D.

Kody początkowe i końcowe to określone kombinacje kresek i odstępów, które wskazują początek i koniec kodu kreskowego.

Cyfra kontrolna służy do weryfikacji dokładności danych i ochrony przed błędami odczytu danych.

Kod czytelny dla człowieka nie jest częścią informacji odczytywanych maszynowo w kodzie kreskowym.

Szerokość modułu to wysokość/szerokość najmniejszej komórki lub kreski w kodzie kreskowym i określa minimalną rozdzielczość wymaganą przez skaner do dokładnego odczytania kodu.

Ilustracja 1: struktura kodu kreskowego 1D w formacie kodu 128 (kolory służą wyłącznie do identyfikacji). (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Kody kreskowe 2D są bardziej złożone i zawierają więcej danych. Przykłady popularnych kodów kreskowych 2D:

• DataMatrix używany w zastosowaniach motoryzacyjnych, elektronicznych i USPS
• Kod QR używany również w motoryzacji, a także w marketingu komercyjnym
• Aztec, który można znaleźć na biletach podróżnych i niektórych dokumentach rejestracyjnych pojazdów
• Maxicode używany do transportu bliskiego materiałów i przez firmę United Parcel Service (UPS)

Charakterystyka formatu DataMatrix (ilustracja 2):

Komórki to czarno-białe kwadraty wewnątrz dwuwymiarowej macierzy (2D) zawierające dane.

Cicha strefa to pusta przestrzeń wokół obwodu kodu kreskowego 2D, umożliwiająca skanerowi zidentyfikowanie początku i końca kodu.

Wzorzec lokalizacyjny („L”) przekazuje czytnikowi informacje niezbędne do identyfikacji poprawnego sposobu odczytania kodu.

Wzorzec synchronizacji znajduje się po przeciwnej stronie wzorca lokalizacyjnego i informuje czytnik o rozmiarze komórek w kodzie oraz liczbie wierszy i kolumn w kodzie kreskowym.

Ilustracja 2: struktura kodu kreskowego 2D DataMatrix (kolory służą wyłącznie do identyfikacji). (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Kody kreskowe 2D zawierają również dane korekcji błędów. W zależności od kodu, dane korekcji błędów mogą być dołączone trzykrotnie, aby poprawić jakość zbierania danych przez czytniki.

Odczyt kodów kreskowych

Prosty i ekonomiczny sposób odczytywania kodów kreskowych 1D zapewniają skanery laserowe. Laser jest kierowany w poprzek kodu kreskowego za pomocą obracającego się zwierciadła, a odbite światło mierzy fotodioda. Pomiary światła są następnie przekładane na cyfrowy sygnał wyjściowy. Szybkie skanery laserowe mogą wykonywać nawet 1300 skanów na sekundę, ale nie mogą odczytywać kodów kreskowych 2D.

Czytniki obrazowe mogą być używane do odczytu kodów kreskowych zarówno 1D, jak i 2D. Czytniki te przechwytują obraz kodu kreskowego, który jest analizowany za pomocą oprogramowania do przetwarzania obrazu potrafiącego lokalizować, orientować i odczytywać kod kreskowy. W porównaniu ze skanerem laserowym czytnik obrazowy ma większą głębię ostrości, która pozwala na odczyt na wielu wysokościach, a także może jednocześnie odczytywać wiele kodów kreskowych. Szybkość procesu odczytu zależy od możliwości kamery obrazującej i oprogramowania przetwarzającego.

Samoformujące się sieci komórkowe Wirepas

Oprócz kodów kreskowych do identyfikacji pozycji, lokalizacji i stanu w całym łańcuchu dostaw można używać znaczników bezprzewodowych oraz przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT). Wirepas to autonomiczny, samoformujący się protokół łączności bezprzewodowej, zaprojektowany w celu zapewnienia skali i gęstości potrzebnej do obsługi aplikacji logistyki 4.0. Tradycyjne sieci kratowe, takie jak Bluetooth, mogą charakteryzować się trudnościami z osiągnięciem dużej skali ze względu na przeciążenie i ograniczenia przepustowości. Wirepas usuwa te bariery, decentralizując inteligencję sieci do węzłów, co skutkuje samonaprawiającą się siecią z bezkolizyjnym wykorzystaniem widma radiowego (ilustracja 3).

Ilustracja 3: w aplikacjach śledzenia w logistyce przy dużej liczbie zarządzanych elementów, technologia Wirepas może stanowić alternatywę dla Bluetooth lub zastrzeżonych protokołów bezprzewodowych. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Oprogramowanie Wirepas Mesh zostało zaprojektowane dla dużych sieci zasilanych bateryjnie. Każdy węzeł…

• Skanuje środowisko sieciowe i wybiera optymalną ścieżkę
• Dostosowuje moc nadawania na podstawie odległości pobliskich węzłów
• Może działać jako węzeł tranzytowy, węzeł nietranzytowy lub odbiornik
• Może przełączać się między trybami niskiej mocy i niskiej latencji
• Wybiera optymalną częstotliwość
• Toleruje zakłócenia

Digital Container Shipping Association (DCSA) - niezależna organizacja założona przez kilka największych firm obsługujących transport kontenerowy - opublikowała standardy interfejsu łączności bezprzewodowej dla kontenerów morskich. Technologia Wirepas jest zgodna ze standardem DCSA.

Wdrażanie kodów kreskowych 1D i 2D

Projektując systemy śledzenia w logistyce 4.0 przy użyciu kodów kreskowych 1D lub 2D, projektanci mogą skorzystać z obrazowego czytnika kodów kreskowych ABR3009-WSU2 WVGA (752 × 480px) firmy Banner Engineering (ilustracja 4). Jest on fabrycznie skalibrowany na trzy pozycje ostrości: 45mm, 70mm i 125mm, a także posiada bezstopniowy zakres ciągłego nastawiania ostrości, aby zapewnić precyzyjną regulację dostosowaną do indywidualnych potrzeb. Czytnik kodów kreskowych ABR3009-WSU2 może przechwytywać obraz z częstotliwością 57fps.

Ilustracja 4: czytnik kodów kreskowych ABR3009-WSU2 firmy Banner Engineering odczytuje pełną bibliotekę kodów kreskowych 1D i 2D. (Źródło ilustracji: Banner Engineering)

Wszystkie standardowe czytniki 1D i 2D serii ABR 3000 są skonfigurowane do odczytu kodów kreskowych w formacie DataMatrix i można je łatwo skonfigurować do odczytu innych formatów za pomocą wbudowanych przycisków w przypadku prostej konfiguracji lub przy użyciu komputera PC z oprogramowaniem Banner Barcode Manager w przypadku bardziej złożonych konfiguracji. Konfigurację i ustawianie urządzenia jeszcze bardziej ułatwiają opcje obiektywu, takie jak programowalne automatyczne nastawianie ostrości. Integrację urządzeń i zbieranie danych IIoT można skonfigurować przez przemysłową sieć Ethernet, połączenia szeregowe lub USB. Czytnik kodów kreskowych ABR3009-WSU2 posiada stopień ochrony IP65 przed kurzem i strugami wody.

Moduł radiowy Wirepas

Moduł radiowy Thetis-I firmy Würth Elektronik pracuje na częstotliwości 2,4GHz i obsługuje protokół komunikacyjny sieci kratowej Wirepas. W celu wdrożenia technologii Wirepas w urządzeniach do śledzenia zasobów w logistyce 4.0 projektanci mogą skorzystać z modułu radiowego o numerze katalogowym 2611011021010 z zasięgiem widzenia 400m (ilustracja 5). Charakteryzuje się on mocą nadawania (Tx) 6dBm, czułością odbioru (Rx) do -92dBm i szybkością transmisji do 1Mbps. Moduł 2611011021010 wymaga prądu o natężeniu 18,9mA w trybie nadawania (Tx), 7,7mA w trybie odbioru (Rx) oraz 3,16µA w trybie uśpienia. Jego wymiary to 8 x 12 x 2mm.

Ilustracja 5: moduł radiowy 2,4 GHz Thetis-I z protokołem Wirepas. (Źródło ilustracji: Würth Elektronik)

Aby przyspieszyć rozwój rozwiązań w logistyce 4.0 w przypadku korzystania z modułu radiowego Thetis-I z protokołem Wirepas, projektanci mogą użyć zestawu ewaluacyjnego Thetis-I, który zawiera płytkę mini-EV, pamięć USB i trzy węzły czujnikowe (ilustracja 6). Działającą prototypową sieć kratową Wirepas można skonfigurować w kilka minut, a w razie potrzeby taką sieć .można powiększyć. Każdy z elementów zestawu rozwojowo-ewaluacyjnego (płytka mini-EV, pamięć USB i węzły czujnikowe) można kupić osobno.

Ilustracja 6: zestaw ewaluacyjny Thetis-I jest wyposażony w moduł sieci kratowej Wirepas Thetis-I i zawiera płytkę mini-EV, pamięć USB i trzy węzły czujników. (Źródło ilustracji: DigiKey)

Płytka mini-EV obsługuje połączenie z mikrokontrolerem hosta do tworzenia aplikacji. Węzeł czujnikowy jest zasilaną bateryjnie płytką o wymiarach 31mm x 32mm, która zawiera czujnik ciśnienia i czujnik wilgotności. Dane z czujników są automatycznie odczytywane przez moduł radiowy i przesyłane do sieci kratowej. Zestaw ewaluacyjny zawiera również oprogramowanie Würth PC Tool Wirepas Commander, które obsługuje komunikację z modułami radiowymi, konfigurację sieci i monitorowanie danych z czujników.

Podsumowanie

Logistyka 4.0 opiera się na szczegółowych informacjach o wszystkich elementach w łańcuchu dostaw przesyłanych w czasie rzeczywistym i musi być zintegrowana z przemysłem 4.0 za pomocą systemów sieciowych, automatyki i komunikacji o niskiej latencji, aby zapewnić wczesne ostrzeganie o zakłóceniach w łańcuchu dostaw. Aby wdrożyć dobrze działający system logistyczny, potrzeba wielu technologii śledzenia. W niniejszym artykule przedstawiono różne technologie kodów kreskowych 1D i 2D oraz wysoce skalowalnych bezprzewodowych sieci Wirepas, które mogą współpracować w ramach logistyki 4.0.