Системи за проследимост и маркиране в производството
Начало > Автоматизация > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 8, 2013
Процесите на проследяване на продукти и материали обхващат все по-голяма част от производствените вериги. Целта е систематично обвързване на информационния поток с физическия материален поток и доставянето на данни за следимост и контрол на стоките.
В световен мащаб постоянно се въвеждат нови стандарти, налагащи проследимост (на храни, лекарства, химически продукти, части за автомобило- и самолетостроенето, електрониката и др.), като се предвижда те да се допълват с времето. Проследимостта се дискутира и в стандарта ISO 9001:2000 като един от аспектите, който трябва да бъде взет предвид в една система по качество.
Използваните носители на информацията за проследимост в индустрията са няколко основни типа - 1D кодове (баркодове), 2D кодове (QR кодове, познати още като Data Matrix) и RFID етикети. Те трябва да отговарят на определени стандарти по отношение на съдържанието си - GS1 и някои видове ISO, което се установява в процеса на валидация на кодовете, както и по отношение на качеството си в процеса на верификация (АIM–за DataMatrix DPM и ISO15415 за 2D кодове).
Видове баркодове в индустрията
Днес, съществуват повече от 50 вида баркодове, но с най-голяма популярност се ползват EAN-13, EAN-8, UPC-A, UPC-E, code-128, ITF-14, които имат различна структура.
EAN-13 е най-широко разпространеният баркод. Състои се от 13 цифри. Първите три указват страната, в която е регистрирана фирмата производител на стоката. Не е задължително това да е страната, в която стоката е произведена, а може и да е мястото, където фирмата е регистрирана.
За България цифрата е 380. Следват от 4 до 6 цифри, определени от националната GS1 организация, които са уникалният код на производителя, а след това е номерът на артикула, описан с 3 до 5 цифри. Най-накрая е контролната цифра, която се изчислява по алгоритъм от предхождащите я цифри в номера, и се използва, за да гарантира, че баркодът е правилно сканиран или че номерът е правилно композиран. Стандартно номиналният размер на баркод от типа EAN-13 е 37,29х25,91 mm; височината на щрихите трябва да е 22,85 mm, а препоръчителното разположение – в долен десен ъгъл от задната страна на опаковката.
EAN-8 има по-малки размери от EAN-13 и се използва за маркиране на по-малки опаковки. Състои се от 8 цифри. Първите три отново са за страната производител, следват 4 цифри за номера на артикула и накрая е разположена контролната цифра. Неговите номинални размери са 26,73х21,31 mm при височина на щрихите 18,23 mm и предпочитано разположение в задния долен ъгъл.
UPC-A има 12 цифри, разпределени в три групи, като не се предвижда да се означава държавата. Първата група е от 6 до 9 цифри и представлява UPC фирмения префикс. Втората е за номера на артикула – от 2 до 5 цифри. Накрая е контролната цифра. UPC-A баркодът е с номинални размери 37,29х26 mm.
UPC-E е с почти наполовина по-малък номинален размер от UPC-A – 22,11х26 mm. Съставен е от 8 цифри. Принципът на подредба на цифрите е както и при UPC-A.
GS1-128 е баркод, който по принцип не е предназначен да се сканира от касите в магазините за продажби на дребно. Проектира се така, че размерът да може да се увеличава от 25% до 100%. Има променлива дължина според броя и вида на представените и кодирани знаци. Минималната височина на щрихите трябва да е 32 mm.
ITF-14 също служи за кодиране на идентификационни номера, които не преминават през касите за продажба, т. е. подходящ е за кашони. Номиналните размери са 142,75х32,00 mm, минималната височина на щрихите – 32 mm, разполага се на отстояние, по-голямо от 19 mm от вертикалния ръб на кутията. Препоръчва се увеличение от 100%.
DataBar се използва за маркиране на малки по размери продукти, които въпреки всичко се нуждаят от кодиране на повече информация (сериен номер, номер на партида, срок на годност и др.) или за трудни за маркиране продукти като бижута и козметика. Това решение е подходящо за бързо проследяване на артикулите, за бързооборотни или фармацевтични стоки.
2D кодове
Data Matrix или QR кодът е един от най-важните двуизмерни кодове, превърнал се в стандарта на бъдещето. Този модерен и машинночетим код съвместява голямо количество информация с разнопосочно прочитане на кода. Позволява разчитане на информация дори при унищожаване на кода до 25%. 2D кодирането е удачно решение в случаи като бързи производствени линии, сложни или замърсяващи се повърхности, малка площ на маркиране и др. Използва се за маркиране на стоки, които не минават през POS терминали.
Основно предимство на Data Matrix e, че позволява записване на голям капацитет от данни върху малка площ - до 3116 цифрови или 2335 буквено-цифрови знаци. Кодът може да бъде квадратен, като броят на редовете в символа е равен на броя на колоните или правоъгълен с ограничен капацитет на кодираните знаци до 98 цифри за най-големия символ. За квадратния вариант са възможни общо 24 различни размера в зависимост от капацитета на данните - от 10 реда x 10 колони до 144x144.
Директно нанасяне на кода (Direct Part Mark - DPM)
В практиката се използва и директно маркиране на 2D кодове (Direct Part Mark - DPM) върху материали, посредством лазерно гравиране, формоване, набиване или други технологии като мастилено-струйно нанасяне или флексография.
Важни фактори, влияещи върху процеса на маркиране, са очакваната продължителност на жизнения цикъл, съставът на компонента, опазването на околната среда, износването и обемът на производството. Други съображения включват текстурата на повърхността, количеството на данните, които се кодират от всяка страна, както и наличното пространство и разположението на маркировката.
Разположението на кода върху компонента директно се отразява на четивността му. Маркировката трябва да се вижда ясно по време на целия производствен процес и (където е възможно) да се намира в “свободна зона” от функционални особености, ръбове, специфична текстура или други, предизвикващи шум или смущения при разчитане особености.
Компонентите, при които маркировките са най-трудни за разчитане, са цилиндричните или лъскави части. При тях може да се получи изкривяване или огледално отражение на кода.
Двуизмерните DPM кодове са добро решение срещу фалшификация, тъй като са по-трудни за възпроизвеждане. Това е наложилият се тип маркиране при проследимост в автомобилостроенето, самолетостроенето, електрониката, производство на мед, техника и инструменти, а вече и във фармацията.
Системи за идентификация
Системите за идентификация биват няколко основни типа – ръчни (преносими), с фиксиран монтаж и верификатори. Според технологията, която използват за разчитането на кодовете, се разделят на лазер базирани и камера базирани (CCD, CMOS).
Лазерни скенери
Лазерните скенери използват лазерен лъч като източник на светлина и огледало или въртяща се призма за насочване на лазерния лъч напред-назад по баркода. Фотодиодът измерва интензитета на светлината, отразена обратно от източника, докато четецът пресича всеки бар (тъмна лента) в печатния код. Той генерира вълна с определена форма, която се използва за измерване на ширината на баровете и празните пространства в баркода.
Тъмните ленти поглъщат светлината, а белите пространства я отразяват - така вълната, генерирана от фотодиода, дава изображение на комбинацията от тъмни ленти и празни пространства (модела, структурата) на кода. Светлината, излъчвана от четеца, е с различна яркост според структурата на кода, а схемата за приемане на информация на фотодиода е предназначена да засича само сигнали със същия модулиран модел.
Камера базирани четци
CCD (Charge-Coupled Device) четците разполагат с набор от стотици малки светлинни сензори, подредени в редица в главата на устройството. Всеки сензор измерва интензитета на светлината непосредствено пред него. Отделните сензори за светлина в CCD четеца са изключително малки и тъй като има стотици сензори, подредени в един ред, моделът на напрежението, идентичен с модела на кода, се генерира от четеца чрез последователно измерване на напрежението пред всеки сензор в редицата.
CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) четците използват полупроводников сензор за изображения, който преобразува сноповете фотони, попадащи върху неговата повърхност, в електрически сигнал в цифров вид.
RFID идентификатори
RFID системите идентифицират и инвентаризират материални активи чрез използване на RFID етикети и стационарни или портативни четящи устройства. По този начин всяка отделна стока може да бъде проследена във всички технологични етапи на нейното производство, транспортиране и доставка, до продажбата и рециклирането й. За целта стоката (или по-големи опаковки от няколко стоки като стек, палет и др.) се маркира с RFID идентификатор при производството.
Идентификаторите, наричани още тагове, транспондери и етикети, се поставят върху съответната стока чрез залепване или по механично вграждане в зависимост от модела. За индустриални и логистични приложения често се използват идентификатори под формата на самозалепващи етикети. За закрепване върху контейнери и превозни средства се правят идентификатори с цилиндрична форма, а за поставяне в дърво, пластмаси и цимент има водонепропускливи разновидности.
Всеки идентификатор има два основни структурни компонента – антена и интегрална схема (ИС). Успоредно на антената се свързва кондензатор за получаване на трептящ кръг с подходяща резонансна честота, с цел да се осигури максимално входно напрежение на ИС и съответно максимално голямо разстояние между идентификатора и четеца. В някои случаи кондензаторът е част от ИС, а в други се свързва външно.
При някои модели идентификатори записаната по време на производството информация не може да бъде променяна впоследствие, докато при други (Read/Write Tags) се използва EEPROM, чието съдържание може да се променя в процеса на експлоатация и работят с четци, наричани Interrogator. Причината за това наименование се дължи на изпращаната от устройството към идентификатора “покана” за установяване на връзка (режим Interrogator-Talks-First, ITF).
При получаването й той връща към устройството записания в паметта си идентификационен номер, с което връзката е установена. В следващия етап устройството подава команда към идентификатора да бъдат изпратени данни и след получаването им следва команда за прекратяване на връзката, с което той се поставя в режим “очакване” (sleep). Съществуват идентификатори, които самостоятелно могат да установяват връзката с четеца (Tag-Talks-First, TTF).
Сравнително по-рядко се използват идентификатори за четене и еднократен запис (Write Once, Read Many) WORM, в чиято OTP (еднократно програмируема) памет само веднъж по време на експлоатацията им или преди започването й се прибавят данни, след което работата им е като на идентификатори само за четене. Съществуват идентификатори R/W с малка ОТР памет, съчетаващи възможностите на двата последни вида.
В зависимост от конструктивните си особености и функционални възможности идентификаторите се разделят на пасивни и активни. Пасивните (Passive Tag) работят без батерия и изискват външен източник, който да предизвика излъчването на уникалния идентификационен код и друга опционална информация. Постъпващото на входа напрежение от антената се превръща в постоянно от токоизправителя, в някои случаи допълнително се стабилизира и върху кондензатора се получава захранващото напрежение за останалите блокове.
Аналоговият блок демодулира приемания сигнал и модулира излъчвания от идентификатора. Основната част на цифровия блок е памет, като в идентификаторите само за четене (Read-Only Tag) R/O тя е с еднократен запис, който се прави по време на производството и не може да се променя.
Активните идентификатори (Active Tag) притежават батерия, която осигурява работата при приемане и предаване на данните, както и по-сигурна връзка в условията на значителни електромагнитни смущения. Сред предимствата на активните идентификатори е и по-голямата скорост на обмен на данни и възможността идентификаторът да се обърне към четеца или друг идентификатор за установяване на връзка.
Сравнително по-ограниченото приложение на тези идентификатори се дължи на цената им, значително по-големите размери от пасивните и по-късия експлоатационен срок на моделите с вградена батерия. Съществуват и полупасивни идентификатори (Semi-Passive Tag, Battery-Assisted Passive Tag), които при приемане ползват енергията на сигнала в антената, а батерията се включва само за предаване.
RFID четци
RFID четецът (Reader) периодично излъчва в кратки интервали от време електромагнитни вълни с фиксирана честота, които достигат до антената на идентификатора. Те го задействат за определено време, през което той връща обратно модулиран сигнал с необходимите данни за обекта, а те, от своя страна, могат да се предават към близък или отдалечен компютър. Честотата на излъчваните от антената електромагнитни вълни се определя от генератора, а мощността им – от предавателя.
Приемникът усилва и демодулира сигналите от антената. Данните, изпратени от идентификатора, се получават на изхода на приемника и могат да се запишат в цифровия блок или да се препратят към сървър по жичен или безжичен път (чрез Wi-Fi, ZigBee, Bluetooth, WPAN, RuBee и др.). Често четците са с два или повече интерфейса, а някои притежават и операционна система. По аналогичен начин те могат да приемат данни отвън, да ги модулират и изпращат към идентификаторите.
Четците се предлагат в няколко разновидности – стационарни, преносими, ръчни и вградени.
Стационарните четци се монтират неподвижно на места, покрай които преминават контролираните обекти. Вторият вид са преносимите четци (Desktop Reader), които при използването си се поставят на определено място и работят като стационарни.
Ръчните четци (Hand Held Reader) се използват за снемане на данните от идентификатори, монтирани върху неподвижни обекти. Захранват се с батерия и често имат дисплей за изписване на текущите данни от идентификатора. Последният вид са модулите на четци с конструктивно оформление, позволяващо вграждането им в други апаратури. Някои производители предлагат хибридни устройства, които могат да четат едновременно баркодове и RFID етикети.
Вижте още от Автоматизация
Ключови думи: проследимост, маркиране, кодове, баркодове, 2D, QR кодове, DPM, Data Matrix, RFID
Новият брой 8/2024
