כיצד להשתמש בפתרונות Traceability 4.0 עבור שיפור בטיחות המוצר, התאימות והמעקב

מעקב ועקיבות נכסים בזמן-אמת במחסנים ובמפעלים הם היבט חשוב של Industry 4.0 וניהול שרשרת האספקה עבור חלקי כלי-רכב ותתי-מכללים, מוצרים לבנים לצרכנים, תעופה וחלל, תחבורה וייצור מערכות אלקטרוניות. עקיבות (Traceability) היא חשובה במיוחד: היא כוללת מעקב אחר מיקום ותיעוד ההיסטוריה והשימוש בחומרי גלם, רכיבים, תת-מכללים ומוצרים מוגמרים. בנוסף לתמיכה ביעילות הייצור ואיכות המוצר, עקיבות 4.0 היא היבט חיוני של בטיחות המוצר, כולל הגנה מפני רכיבים מזויפים, תמיכה בהחזרות מדויקות והבטחת תאימות רגולטורית.

פתרונות Traceability 4.0 מסתמכים על סימון כל רכיב בודד, לרוב באמצעות ברקודים 1D‏ או 2D‏ על תוויות או מסומנים ישירות על הפריטים, ומעקב אקטיבי אחר תנועת הפריטים לאורך תהליך הייצור. זה יכול להיות אתגר לא קטן. לדוגמה, לרכב טיפוסי יש יותר מ-20,000 רכיבים שיש לעקוב אחריהם. מימוש Traceability 4.0‏ יכול להיות מורכב. זה לא מספיק רק לסמן כל רכיב. רצוי להשתמש בפלטפורמת דימות אחת לקריאת הברקוד ולבדיקה ויזואלית של הפריטים. בנוסף, המצלמות צריכות לפעול בסביבות תעשייתיות קשות ובתנאי תאורה משתנים.

כדי לתמוך בצרכי העקיבות של Industry 4.0, המתכננים יכולים לפנות למצלמות תעשייתיות חכמות היכולות לקרוא ברקודים 1D ו-2D עבור בדיקה ויזואלית ולהן מיקוד אוטומטי לשיפור ביצועי הדימות. מצלמות חכמות אלו כוללים אלגוריתמי פענוח מתקדמים היכולים לקרוא אפילו ברקודים פגומים. יש להן מבנה חלון קדמי כפול כדי למזער בעיות של עיבוי, כמו גם הגנת IP65/67 כדי להבטיח את הביצועים בסביבות קשות.

מאמר זה סוקר את הפיתוח של Traceability 4.0‏ וכיצד הוא תומך בבטיחות מוצרים, מעקב אחר מוצרים ותאימות רגולטורית, סוגי הברקודים הבסיסיים ותוכנות השחזור לקריאת ברקודים פגומים, ובוחן בעיות ופשרות באינטגרציה של המערכת בין מערכות מיקוד אוטומטי של עדשות מכניות ונוזל, ומסיים בהצגת מצלמות תעשייתיות חכמות של Omron לצד כלי פיתוח תוכנה להגדרת יישומי קריאת ברקוד וראיית מכונה.

מהו מקומו של Traceability 4.0‏?

Traceability 4.0 הוא חלק אינטגרלי מ-Industry 4.0. אך לא כל פעולת ייצור היא פעולת Industry 4.0‏. מקרי שימוש אחרים, כמו קמעונאות ומחסנים, אינם דורשים Traceability 4.0‏. אם כך, כיצד החל Traceability 4.0‏ (איור 1‏)?

• Traceability 1.0‏ מסתמך בדרך כלל על ברקודים לזיהוי אוטומטי של מוצרים כדי לשפר את הדיוק והיעילות.
• Traceability 2.0‏ התקדם לניהול שרשרת האספקה באמצעות קודי תאריך ואצווה. הוא תוכנן כדי לתמוך ברמות גבוהות יותר של איכות, אמון הצרכנים ותמיכה בהחזרות ממוקדות של מוצרים. הוא עדיין בשימוש בענף הקמעונאות. בנוסף, מנהל המזון והתרופות האמריקאי (FDA) משתמש בו עבור מזהי התקנים ייחודיים (UDI) עבור התקנים רפואיים. בשלב זה ארגון התקינה הבינלאומי (ISO) החל לפתח מפרטי איכות ברקוד.
• Traceability 3.0‏ סימן את ההתחלה של מעקב אחר התקנים בודדים במקום קודי תאריך ואצווה. טכנולוגיות סימון חלקים ישיר (DPM) עבור חלקי פלסטיק ומתכת פותחו עבור שימוש בסביבות תעשייתיות קשות. הבסיס לתוכניות נגד זיוף פותח כדי להבטיח את אותנטיות המוצר והרכיב.
• Traceability 4.0 הוא המימוש המלא, כולל היסטוריית חלקים מקיפה וממדים גיאומטריים וטולרנסים (GD&T‏) של חלקים בודדים. GD&T חיוני עבור ייצור מדויק כמו תעופה וחלל וייצור כלי-רכב, ומאפשר התקנת חלקים על סמך ערכי ה-GD&T המדויקים שלהם, תוך הבטחת הרכבות בדיוק גבוה ותמיכה במערכות באיכות גבוהה.

איור 1‏: Traceability 4.0 הוא חלק אינטגרלי מ-Industry 4.0, אך הוא אינו מחליף לגמרי דורות קודמים של עקיבות. (מקור התמונה: Omron)

סוגי ותקני ברקודים

סוגי הברקודים התפתחו והתרחבו ככל שהעקיבות נעשתה מתוחכמת יותר. כיום, ישנם מספר סוגי ברקודים נפוצים, כולל ליניארי, 2D‏ (כמו Data Matrix, QR Code ו-Aztec Code‏), וליניארי מגובב (כמו PDF 417‏, Micro PDF‏ וקודים מרוכבים) (איור 2). ניתן להדפיס אותם על תוויות מוצמדות או לסמן ישירות על החלק. קיים מגוון רחב של תקנים. הדוגמאות כוללות:

• AIAG B4 - זיהוי ומעקב חלקים קבוצת פעולה תעשיית כלי-הרכב
• AS9132 – איגוד מהנדסי תעופה וחלל, דרישות איכות מטריצת נתונים עבור סימון חלקים
• EIA 706 – איגוד תעשיית האלקטרוניקה, סימון רכיבים
• ISO/IEC 16022 - מפרט סימבולוגיה בינלאומי
• ISO/IEC 15418 – סמנטיקה של פורמט נתוני סימבולים
• ISO/IEC 15434 - סינטקס של פורמט נתוני סימבולים
• ISO/IEC 15415 – תקן איכות הדפסת 2D‏
• ISO/IEC 15416:2016 – תקן איכות הדפסת 1D
• ISO/IEC TR 29158:2011 – הנחיות איכות עבור סימון חלקים ישיר (DPM)
• SPEC 2000 - איגוד התחבורה האווירית, מסחר אלקטרוני, כולל מזהה חלק קבוע
• IUID - משרד ההגנה של ארה"ב, זיהוי פריט קבוע וייחודי
• UDI - זיהוי התקן רפואי של ה-FDA

איור 2: Traceability 4.0 יכול לתמוך בשימוש בסגנונות ברקוד שונים. (מקור התמונה: Omron)

מה לגבי ברקודים פגומים?

סימון ברקודים נתון להבדלים; הוא אינו מושלם. אפילו ברקודים מודפסים היטב עלולים להינזק או להיות מוטים כאשר החלק עובר בתהליך הייצור. היעדר ניגודיות בין משטח החלק לברקוד ותאורה משתנה ביותר בסביבות תעשייתיות תורמים לאתגרים שיש לטפל בהם בעת פיתוח תשתית Traceability 4.0‏.

כדי להתמודד עם האתגרים של קריאה מדויקת של מגוון רחב של ברקודים בתנאים משתנים ביותר, Omron מציעה את האלגוריתמים X-Mode שלה היכולים לקרוא כמעט כל קוד על כל משטח, כולל מבריק, עם טקסטורה או מכופף. שימוש ב-X-Mode יכול למזער את מה שנקרא "ללא קריאה", ולמזער עיכובים וזמני השבתה.

X-Mode משתמש בעיבוד תמונה דיגיטלי מתקדם ובניתוח פיקסלים כדי להפוך סימבולים מעוותים, פגומים, מודפסים גרוע או מוטים לקריאים. עבור קודי DPM כמו קודים מודפסים בהזרקת דיו על קרטון ואריזות אחרות או סימני עט נקודות על משטחי מתכת רפלקטיבית, X-Mode משפר את הניגודיות והחדות של התמונה כדי לקרוא ולפרש באופן אמין קודים גם בסביבות דינמיות (איור 3). X-Mode גם תומך בפענוח כלל-כיווני, מגדיל את תחום זוויות ההרכבה הניתנות לשימוש ומפשט את האינטגרציה של קוראי ברקוד.

איור 3: דימות דיגיטלית ועיבוד פיקסלים מתקדמים מאפשרים לתוכנת X-Mode לקרוא קודים בתנאים מאתגרים. (מקור התמונה: Omron)

אינטגרציית המערכת

מערכות Traceability 4.0‏ אמיתיות דורשות מספר מצלמות המשולבות בתוך מערכת קלה לשימוש וקלה לניהול. עם מצלמות תעשייתיות חכמות אלה, מהנדסי התהליכים יכולים לשלב עד שמונה קוראים באמצעות מתג Ethernet כדי לתמוך בקריאת קוד של 360 מעלות ובדיקת מוצר כאשר יש צורך בפלט משולב של מספר קודים או כאשר מיקום הקוד אינו ניתן לחיזוי.

ניתן לתמוך בייצור עם תמהיל מגוון האופייני לפעולות Industry 4.0‏ על ידי בחירה אוטומטית מתוך מספר הגדרות כדי למקסם את קצבי הקריאה ומהירות הקו באמצעות האפשרויות הטובות ביותר על סמך גודל הברקוד, סוג, תאורה וניגודיות ומיקום. המערכת משתמשת בשיטות דירוג בתקן ISO עבור ניטור בקו-אחד של איכות הברקוד ויכולה להפעיל התרעה אם האיכות יורדת מתחת לסף שהוגדר על ידי המשתמש.

למצלמות תעשייתיות חכמות אלו יש ממשק קורא ברקוד משולב מבוסס אינטרנט. כל מצלמה נגישה בצורה מאובטחת מכל התקן התומך באינטרנט באמצעות כתובת ה-IP שלו. מבנה הפרוטוקול הפתוח מפשט את שילוב ההתקן ומונע בעיות של אי תאימות ההתקן. שילוב אינטרנט כולל שלוש רמות גישה למשתמש. ברמת האבטחה והגישה הגבוהה ביותר, המשתמשים יכולים לערוך את ההגדרות שניתן לשמור בזיכרון הפנימי של הקורא או בהתקנים חיצוניים, ולהעביר אותם להתקנים אחרים כדי להאיץ את שילוב הציוד החדש וצורכי הסביבה המשתנים.

כדי להפחית את עלויות הציוד הכוללות, ניתן לנטר את מצב הבדיקה של מספר קוראים באמצעות התקן יחיד. בעוד שמצלמות סטנדרטיות דורשות תצוגה אחת לכל התקן, מצלמות תעשייתיות חכמות אלו דורשים רק תצוגה אחת עבור מספר התקנים. זה מפשט את ההתקנה והניטור של מספר מצלמות. בנוסף, תוכנת ניטור אינטרנטי משולבת בכל מצלמה תעשייתית חכמה, ומאפשרת ניטור מרחוק של מספר מצלמות באמצעות טאבלט או מחשב אישי.

אפשרויות מיקוד אוטומטי

יכולת מיקוד אוטומטי יכולה להשפיע באופן משמעותי על הביצועים של מערכות קריאת ברקוד בסביבות מאתגרות. מצלמות תעשייתיות חכמות אלו מציעות מבחר של מיקוד אוטומטי של עדשות מכניות ונוזל. מיקוד אוטומטי מכני ממומש עם מנוע קטן. האופי המכני שלו אומר שהוא נתון לבלאי ועייפות מתכת ועלול לדרוש החלפה על בסיס שנתי. מיקוד אוטומטי של עדשת נוזל משנה את אורך המוקד של העדשה על ידי הפעלת מתח לשינוי צורתו של מבנה פנימי המורכב משמן ומים (איור 4). מכיוון שאין בלאי מכני, מנגנוני מיקוד אוטומטי של עדשות נוזל יכולים להיות בעלי משך חיים של מספר שנים. עם טכנולוגיית עדשות נוזל, המצלמה יכולה לכוונן את המיקוד באופן אוטומטי מ-50 מילימטרים (מ"מ) עד 1,200 מ"מ ולקרוא אפילו סמבולי מטריצת נתונים בצפיפות גבוהה במעגלים מודפסים מורכבים. מצלמות עם כל אחד מסוגי המיקוד האוטומטי יכולות לקרוא כל קוד שהוא בתוך שניות לאחר החיבור, ללא צורך בכינון.

איור 4: מיקוד אוטומטי מכני (שמאל) דורש יותר תחזוקה וכתוצאה מכך זמן השבתה רב יותר מאשר מיקוד אוטומטי של עדשת נוזל (ימין). (מקור התמונה: Omron)

מצלמות תעשייתיות חכמות

קוראי קוד MicroHAWK של Omron מספקים פעולה מהירה ואמינה ויש להם בית קשיח וקומפקטי במיוחד עם מבנה חלון קדמי כפול כדי לסייע במניעת התעבות רטיבות בתוך החלון. בהתאם לדגם, הם זמינים עם הגנת IP65/67 כדי להבטיח ביצועים בסביבות מאתגרות. קיימות רזולוציות תמונה בין 0.3 עד 5 מגה-פיקסל. מצלמות אלו זמינות עם אפשרויות אופטיקה, תאורה וסינון כדי למטב את ההתקן עבור סביבות פעולה וצורכי דימות ספציפיים. מאפייני MicroHAWK כוללים:

• חיבוריות Ethernet/IP, Ethernet TCP/IP ו-PROFINET
• כניסת הספקת-כוח של 5 עד _DC‏V‏ 30‏ עם אפשרות עבור הספקת-כוח-על-Ethernet (‏PoE)
• מהירות מעבד של 800 מגה-הרץ לתמיכה בעיבוד תמונה מהיר
• פונקציית כיול לא-ליניארי (NLC‏) משפרת את ביצועי המדידה והאיתור בפקטור של 20 הודות לביטול עיוות העדשה. הוא מוציא מדידות במ"מ ובפיקסלים.

אותו התקן יכול לתמוך בעד 60 פריימים-לשנייה לקריאת ברקוד וביקורת איכות ויזואלית. דוגמאות של קוראי קוד MicroHAWK כוללות:

• V430-F000W12M-SRP‏, מצלמת 1.2 מגה-פיקסל עם שדה ראייה רחב של עדשה עם אורך מוקד של 5.2 מ"מ, ובנוסף מיקוד אוטומטי סטנדרטי, אור חיצוני אדום סטנדרטי ודימות אופן-פלוס (איור 5)
• V430-F000L12M-SRX‏, מצלמת 1.2 מגה-פיקסל עם עדשה צרה של 16 מ"מ ומיקוד אוטומטי עד 1,160 מ"מ, אור חיצוני אדום סטנדרטי ודימות X-Mode

איור 5‏: מצלמת MP‏ 1.2 של Omron שלה עדשה רחבה עם אורך מוקד של 5.2 מ"מ ותוכנת דימות אופן-פלוס. (מקור התמונה: DigiKey)

כינון יעיל

תוכנת AutoVISION של Omron יכולה להאיץ את הכינון וההתקנה של מצלמות MicroHAWK. עם AutoVISION המשתמשים יכולים להתחבר להתקן ולהגדיר אותו, כמו גם לתכנת ולנטר עבודה. עבודות AutoVISION ניתנות להרחבה על פני מספר מצלמות MicroHAWK, חבילות תוכנה, מערכות תעשייתיות וטאבלטים ומחשבי PC. ניתן לשלב עד 8 מצלמות בתוך מערכת אחת. עם AutoVISION ניתן להשתמש במצלמות דימות חכמות אלו עבור פונקציות ביקורת איכות עם ראיית מכונה כמו נוכחות חלק, מיקום חלק, ספירת החלקים, זיהוי צבעים וביצוע מדידות ממדים. מימוש AutoVISION הוא תהליך בן שלושה שלבים:

• צילום תמונה בלחיצה אחת
• הגדרת אזור הבדיקה והקצאת יציאות בעזרת כלי Drag-and-Drop
• התחלת תהליך ביקורת האיכות עם כפתור ההפעלה

תוכנת פיתוח AutoVISION מתאימה עבור מגוון של יישומים:

• ביקורת איכות וראיית מכונה כללית
• קווי אריזה
• תהליכי הרכבה
• גילוי פגמים

סיכום

Traceability 4.0 תומך בתהליכי ייצור ושרשרות אספקה של Industry 4.0, אך אינו מחליף לגמרי גרסות קודמות של עקיבות ביישומים אחרים. מצלמות עם ביצועים עיליים הן אלמנט קריטי בפרישת Traceability 4.0‏. מצלמות תעשייתיות חכמות זמינות עם יכולות מיקוד אוטומטי, והן יכולות לפעול באמינות בתנאי סביבה ותאורה מאתגרים. תוכנת NLC משפרת את דיוק המדידה עד פי 20, ותוכנת הגדרת-תצורה אוטומטית מזרזת את הפרישה של מערכות עקיבות עם ביצועים עיליים.