Четене на индустриални баркодове

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 6/2017 • 19.09.2017

Четене на индустриални баркодове
Четене на индустриални баркодове
Четене на индустриални баркодове
Четене на индустриални баркодове

Баркод системите намират множество приложения в съвременната индустрия. Разнообразни баркод технологии се използват за маркиране и проследимост в производствените и преработвателните отрасли, включително в хранително-вкусовата промишленост и производството на напитки, опаковъчната, химическата и фармацевтичната индустрия, електронното производство, автомобилостроенето и космическия сектор, складовата дейност, дистрибуцията и логистиката и т. н.

Маркирането с едно- или двуизмерни баркод символики спомага за автоматизирането и улесняването на редица дейности, свързани с управлението на производството и веригата на доставките, инвентаризацията, качествения контрол и др.

Индустриалното производство и обработката на материали обикновено налагат използването на цялостни и комплексни технологии за идентификация поради голямото количество суровини, ресурси, консумативи и машини, използвани в тези отрасли.

Баркод системите предлагат ефективно решение за такива приложения, което значително оптимизира управлението на времето, материалните запаси, доставките и редица други дейности, подлежащи на проследимост.

Роля на идентификацията в индустрията
Във все по-високотехнологичните съвременни производства индустриалната идентификация се оказва сериозно предизвикателство поради вариациите във вида и позицията на маркировката върху продуктите, както и високите скорости на поточните линии. 

Заедно с все по-стриктните регламенти по отношение на маркирането и проследимостта в различни индустриални сектори производителите залагат на все по-усъвършенствани технологии за визуална инспекция, за да гарантират, че производствените процеси покриват необходимите стандарти.

Директното маркиране на продукти без етикети (Label-free direct marking) е метод за идентификация, предназначен дори за неблагоприятни производствени и експлоатационни процеси и среди. 

Технологиите за маркиране и четене (Mark and read) на кодови символики пък стават все по-популярни при идентификацията на продукти и проследимостта в критични по отношение на безопасността отрасли като космическия сектор, автомобилостроенето и производството на медицинска техника и консумативи. 

С въвеждането на задължителна баркод маркировка в някои индустрии се разработват и множество стандарти в областта, касаещи различни аспекти на тази дейност, включително контрола на качеството и верификацията на баркод символите.

Същност на баркодовете
Баркодовете са вид машинно разбираема маркировка, която се нанася върху различни стокови единици или обекти (продукти, опаковки или части) в търговията, промишлеността и други области.

Кодирането посредством баркод позволява идентификация и проследимост на съответните единици или обекти по време на жизнения им цикъл, а самият баркод съдържа данни за производителя, вида на артикула и друга релевантна информация.

Макар технологията да е патентована през 1952 г. в САЩ, за първи път продукт с баркод е сканиран на каса в супермаркет в щата Охайо 22 години по-късно. Днес в търговията, индустрията, складовата дейност, логистиката и редица други сфери се използват едно- и двуизмерни баркодове в множество различни формати. 

Усъвършенстваните 2D кодове позволяват съхраняването и извличането на значително повече данни в сравнение с традиционните баркодове. Това е така, защото 1D кодовете съдържат данни само в хоризонтална посока, докато 2D символиките съдържат информация както във вертикално, така и в хоризонтално направление.

Кодирането включва събиране на информация от централизирана база данни, включваща произход на продукта и други производствени параметри (сериен номер, номер на партида, срок на годност и т. н.), и отбелязването на тази информация върху обекта във вид на кодова символика.

Нанасянето на баркода обикновено се извършва по два начина: чрез отпечатването му върху етикет или опаковка, посредством мастилено-струен или термопечат, или чрез методи за директно маркиране (direct part marking, DPM) – точково маркиране, химическо или лазерно гравиране и др.

1D баркодове
1D кодовете систематично изобразяват съдържащите се в тях данни посредством цифри и различни по широчина успоредни линии, наподобяващи решетка. Обикновено тези символики се разчитат от ляво надясно. 

Широчината на черните ивици и белите отстояния между тях отговаря на специфичен символ в кода. По-широките бели зони в крайната лява и дясна част на баркода се наричат граници (margins) и спомагат за по-лесното му локализиране от човешкото око, като по правило са поне седем до десет пъти по-широки от най-тясната ивица в кода. 

Широчината на останалите ивици също се получава на базата на широчината на най-тясната ивица в дадено съотношение, най-често 2:1, 3:1 или 2,5:1.
Някои от най-популярните стандарти при 1D баркодовете включват: GS1, UPC (Universal Product Code), широко използван в търговията на дребно и потребителските стоки; EAN (European Article Numbering – Европейско номериране на артикулите), прилаган в Европейския съюз; Code 128, използван предимно в логистиката; Code 39 (предимно във военни приложения); POSTNET (използван от пощенската служба на Съединените щати); Codabar; Pharmacode (разработен специално за фармацевтичната индустрия) и др.

2D матрични кодове
2D кодовете изобразяват информацията за продукта посредством двуизмерни символи и форми, най-често във вид на квадратни точкови матрици. Те наподобяват линейните 1D баркодове, но съдържат повече данни на единица кодирана площ. 

Т. нар. Datamatrix (двуизмерни матрични или двуизмерни щрихови) кодове представляват съвкупност от бели и черни клетки/модули (визуално наподобяващи пиксели) върху квадратен или правоъгълен шаблон. Тези символики се използват за кодиране на малки стоки и артикули, включително миниатюрни електронни компоненти.
QR кодовете са сред най-популярните матрични символики в наши дни главно поради факта, че могат да бъдат разчетени не само от специални четци, но и от камерите на повечето смартфони на пазара.

Със силен фокус върху потребителските приложения и изключително бързи за разчитане (откъдето идва и името им – QR, съкратено от Quick Response или “бърз отговор”), тези двуизмерни кодове се използват масово в проследимостта и маркетинга на различни продукти, а също и в автомобилната индустрия.

PDF417 е друг популярен стандарт при 2D кодовете, който се използва за приложения, в които е необходимо кодирането на големи обеми данни, например снимки, пръстови отпечатъци, подписи, текст, числа и графични изображения. PDF417 кодовете могат да съдържат над 1,1 килобайта машинно четими данни.

Сред останалите разпространени стандарти при двуизмерните символики са MaxiCode, използван предимно в логистиката; Aztec кодовете, разработени за транспортната индустрия, главно за маркирането на билети и бордови карти. Точковото кодиране е особено подходящо за индустриални приложения и по-специално за високоскоростно нанасяне на баркодове върху етикети или директно върху продуктите чрез мастилено-струен печат или лазерно гравиране.

Видове устройства за четене на баркодове
Баркод четците (или баркод скенери) са електронни периферни устройства, които разчитат кодовата символика, нанесена върху продукт, опаковка или етикет, и предават тази информация към компютър, касов апарат или ПОС терминал. 

Тези оптични сканиращи системи се състоят от източник на светлина, леща и светлинен сензор, който преобразува оптичните импулси в електрически. Според вида на четящия елемент баркод скенерите биват светодиодни и лазерни.

В практиката се използват най-общо четири вида четци, базирани на различна технология за разчитане и декодиране: четци тип “писалка” (pen type), лазерни баркод скенери, CCD скенери и камера-базирани четци.

Индустриалните устройства за четене на баркодове се отличават с висока надеждност и издръжливост. Те са проектирани за продължителна експлоатация при непрекъснато натоварване и големи обеми работа. Индустриалните баркод четци са подходящи за агресивни промишлени среди и обикновено разполагат с гумирани и/или подсилени ударо-, влаго- и прахоустойчиви корпуси със съответната степен на защита IP.

В зависимост от конструкцията си баркод скенерите биват портативни и стационарни. Ръчните модели типично разполагат с дръжка за удобно захващане и бутон за включване на източника на светлина. Разновидност на ръчните скенери са безжичните (cordless, wireless) модели, които работят с батерийно захранване.

Видове преносими баркод четци са и т. нар. pen-скенери, които са под формата на писалка и се придвижват по дължината кода, а на върха им се намират LED източник и фотодиод.

Стационарните баркод четци обикновено са предназначени за стенен или настолен монтаж. За разлика от преносимите скенери, които се доближават към обектите, стационарните четци остават статични, а артикулите преминават под или встрани от тях. 

В индустрията се използват т. нар. конвейерни баркод четци, които осигуряват непрекъснато и високоскоростно разчитане на баркодовете върху големи обеми продукти, складови или стокови единици, организирани в поточни линии. На пазара са достъпни и т. нар. модулни баркод четци, предназначени за вграждане в друго оборудване.

Сред широко използваните в автоматизацията на промишленото производство, логистиката и качествения контрол конфигурации са системите от холографски баркод скенер и контролна везна, които едновременно идентифицират обектите (посредством четене на кодови символики с всякаква позиция или ориентация) и измерват теглото им.

Лазерни баркод скенери
Лазерните четци на баркодове използват лазерен лъч като светлинен източник и разполагат с осцилиращи огледала или въртящи се призми, предназначени да насочват лазерния лъч напред и назад по баркода. След това фотодиод измерва отразената светлина от баркода, като изпраща информацията към крайното устройство под формата на аналогов сигнал, който се преобразува в цифров.

Макар на практика да представляват по-стара технология (в сравнение с образ-базираните скенери например), лазерните баркод четци все още осигуряват значителни ползи в дадени приложения. 

Те не изискват процесор за изображения, което ги прави по-икономично решение. Основното им предимство е тяхната бързина – лазерните четци могат да извършват до 1300 сканирания в секунда. 

Благодарение на характера на лазерния лъч (чиято светлина на практика не се отклонява, независимо колко се отдалечава от източника) лазерните скенери могат да разчитат 1D баркодове от сравнително голямо разстояние с помощта на специална оптична система.

Сред основните недостатъци на лазерните баркод четци е, че те не могат да разчитат 2D кодовете, които стават все по-популярни в практиката. Лазерните скенери се затрудняват и при разчитането на баркодове, които са недобре отпечатани, с нисък контраст, изкривени или повредени. Сред критичните фактори, влияещи върху надеждността на разчитането, е и позицията на баркода. 

Тъй като 1D символиките традиционно се сканират от ляво надясно, при стационарните четци често се налага инсталацията на допълнителни механични позициониращи или фиксиращи системи, които да гарантират, че баркодът на обекта е постоянно ориентиран в желаната посока. 

Осцилиращите огледала и подвижните части в конструкцията на лазерните скенери са чупливи, което води до риск от допълнителни разходи и загуба на време за поправка или подмяна на повредената част. От съображения за безопасност индустриалните лазерни четци в много случаи се оборудват със специални протектори за зрението на персонала, работещ в близост до тези устройства или с тях.

CCD и камера-базирани баркод скенери
CCD (Charge Coupled Device) четците използват набор от стотици малки светлинни сензори, подредени в редица в главата на устройството. Всеки сензор може да се разглежда като фотодиод, който измерва интензитета на светлината непосредствено пред него. 

В четеца се генерира модел на напрежение, идентичен на модела на баркода, чрез последователно измерване на напреженията на всеки сензор в редицата. Съществената разлика между CCD четците, лазерните скенери и скенерите тип “писалка” е, че CCD четящото устройство измерва излъчваната околна светлина от баркода, докато лазерните четци и “писалките” измерват отразената светлина с дадена честота, произлизаща от самия скенер.

Камера-базираните баркод четци използват малки видеокамери, за да заснемат изображение на баркода. След това се прилагат сложни техники за цифрово обработване на изображения, за да се декодира символиката. 

Видеокамерите всъщност използват същата CCD технология като CCD четците, с изключение на това, че вместо един ред видеокамерата разполага със стотици редове сензори, подредени в двуизмерен масив, които генерират изображение.

Образ-базирани четци
Образ-базираните баркод четци (Vision-enabled barcode readers) най-общо се състоят от цифрова камера, която заснема изображение на кодовата символика. След това микропроцесор, работещ със специален софтуер за обработка на изображения, локализира и декодира кода.

Сред водещите критерии при избора на сензор за изображения или камера е разделителната способност (резолюцията). Резолюцията на дадено изображение означава броя на отделните пиксели, които го съставят. 

Разделителната способност на баркод четците обикновено се измерва в пиксели на модул (PPM). Този критерий е свързан с броя на пикселите, които са нужни, за да покрият една клетка или модул от кода и на практика определя дали камерата има достатъчна разделителна способност, за да прочете кода. Що се отнася до точността или надеждността при разчитане на образ-базираните скенери, те допускат грешки от порядъка на 1:10,5 млн.

Оптичната система на образ-базираните четци е ключова за заснемането на висококачествено изображение на кода. Най-модерните модели на пазара разполагат с т. нар. liquid lens (течни лещи) технология, която помага на четеца да се адаптира към промените в работните разстояния между стационарното четящо устройство и движещите се обекти (например продукти на конвейер).

Сред критичните фактори за качеството на изображението е и осветяването. Индустриалните образ-базирани баркод четци обикновено разполагат с осветителни системи, които позволяват конфигуриране в широк диапазон от параметри за различни приложения, включително разчитане на голям набор от баркод формати – от отпечатани върху етикети до вдлъбнати точково маркирани символики. 

Някои усъвършенствани модели ръчни баркод скенери позволяват и трите възможни техники за първично осветяване, използвани в системите за машинно зрение и визуална инспекция: дифузно осветяване, осветяване чрез метод “ярко поле” (bright field), както и чрез метод “тъмно поле” (dark field).

Възможности на образ-базираните четци
Съвременните образ-базирани баркод четци поддържат пълен набор от протоколи за индустриална комуникация, включително Ethernet, USB, RS-232, дискретни I/O, Ethernet/IP, PROFINET и Modbus TCP/IP.

Това улеснява интеграцията на скенера в индустриалната мрежа, което е не само ключово по отношение на разчитането и трансфера на данни, свързани с проследимостта на продуктите, но позволява и съхранението на изображения от редките случаи на погрешно или неосъществено разчитане, за да бъдат разгледани и анализирани на по-късен етап.

Благодарение на новите супербързи микропроцесори и цифровите CMOS сензори образ-базираните баркод четци могат да сканират с почти толкова висока скорост колкото лазерните скенери. Сред някои от предимствата на образ-базираните устройства пред останалите видове четци са: липсата на подвижни части, което води до по-дълъг живот; способността за разчитане на повредени баркодове и такива с разнопосочна ориентация; както и възможностите за съхраняване на изображения, използвани при продуктови одити и проследимост, и за мониторинг на маркиращите системи.

Най-модерните образ-базирани четци на пазара могат да алармират оператора и да изпращат различни известия, ако регистрират на базата на разчитания баркод с недобро качество например, че съответният баркод принтер не печата с достатъчен контраст или иглата за точково маркиране се нуждае от подмяна. Тази възможност за оценяване на ефективността в реално време и осигуряване на статистически контрол на процесите (SPC) е сред основните предимства на образ-базираните системи пред лазерните им предшественици.

Избор на индустриален баркод четец
При избора на четец за индустриални баркодове е добре да се вземат предвид ключовите експлоатационни фактори и особеностите на приложението. Препоръчително е да се заложи на четец с индустриален корпус, чийто клас на защита IP е съобразен с наличието на запрашаване, замърсявания или влага в работната среда. Някои устройства е необходимо да разполагат и със защита от удари и вибрации.

Сред параметрите, които е препоръчително да се съобразят с експлоатационните условия, са и работната температура на четеца, паметта за съхранение и температурата при презареждане (за преносимите модели). 

Ако приложението изисква ръчен скенер, е добре да се избере безжичен и достатъчно лек и удобен за носене и използване модел. Безжичните четци се нуждаят от батерии или зарядно устройство, като типично са по-скъпи от кабелните, но пък разполагат с Bluetooth и Wi-Fi свързаност. Цената на устройството е добре да бъде взета предвид в контекста на мащаба на приложението и това колко скенера ще трябва да бъдат закупени.

Важно е да се провери дали баркод четецът е съвместим с прилаганата баркод система и дали ще се налага да разчита 1D или 2D символики, както и с използваната софтуерна платформа (например MES или ERP система). Избраният модел е препоръчително да се съобрази и с интерфейсните възможности на крайното устройство, към което се подава информацията – компютър или терминал.

Прогнози за развитие на пазара
Според доклада “Глобален пазар на индустриални баркод четци 2016-2020”, изготвен от Technavio, този пазар ще нараства стабилно през прогнозния период и ще регистрира впечатляващ комбиниран годишен темп на растеж от над 6% до 2020 г. Сред водещите фактори, стимулиращи този ръст, е все по-масовото използване на 2D кодове, сочи проучването. 

Широкото навлизане на двуизмерни символики, като QR, Data Matrix и PDF417 кодове, в индустриалните приложения до голяма степен се дължи на тяхната по-голяма надеждност в сравнение с 1D баркодовете. Засиленото използване на матрични кодове в промишлеността ще доведе и до значително покачване на търсенето на индустриални четци на 2D кодове през следващите няколко години, се казва още в доклада на Technavio.

Ключов двигател на ръста в този сегмент е появата на концепцията за големи обеми данни (big data) и навлизането й в индустриалната автоматизация. С помощта на големи бази данни например технологията за обработка на изображения, използвана за разчитането на баркодове, може да бъде използвана и в системи за разпознаване на обекти с помощта на софтуер за идентифициране на визуални модели (visual pattern recognition), прогнозират експертите от маркетинговата агенция.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top