Wie Tracking in der Logistik und Logistik 4.0 Unterbrechungen der Lieferkette bewältigen können

Das Tracking wird in der Logistik immer wichtiger, um die Unterbrechungen in der Lieferkette zu bewältigen, die in absehbarer Zukunft anhalten werden. Logistik ist der Prozess der Beförderung von Objekten von einem Ort zum anderen: innerhalb einer Produktionsstätte oder eines Lagers oder zwischen geografisch verstreuten Standorten. Das Tracking in der Logistik liefert einen Echtzeitstatus der Lieferkette, so dass bei Bedarf Anpassungen vorgenommen werden können, um die Auswirkungen von Lieferkettenunterbrechungen zu minimieren und einen reibungslosen, effizienten und rentablen Betrieb zu gewährleisten.

Das Aufkommen des industriellen Internets der Dinge (IIoT) hat zur Entwicklung von Logistik 4.0 und intelligentem Lieferkettenmanagement geführt, einschließlich künstlicher Intelligenz (KI), um neue Herausforderungen zu bewältigen und die Flexibilität des Logistikmanagements zu erhöhen. Logistik 4.0 ermöglicht Echtzeit-Transparenz in der Lieferkette und Integritätskontrolle, um die Verfügbarkeit der Informationen zu gewährleisten, die für die Lieferung der richtigen Produkte zur richtigen Zeit, am richtigen Ort, in der richtigen Menge und unter den richtigen Bedingungen sowie zu den richtigen Kosten erforderlich sind. Je nach Standort innerhalb der Lieferkette kann das Tracking mit einer Reihe von Technologien durchgeführt werden, darunter lineare (1D-)Barcodes, 2D-Barcodes, Hochfrequenz-Identifikation (RFID), Nahfeldkommunikation (NFC), Bluetooth, Wirepas (industrielles Bluetooth) und GPS-Technologien.

Dieser Artikel gibt einen Überblick über die logistischen Herausforderungen, vergleicht den Nutzen ausgewählter Tracking-Technologien und verwandter Industriestandards und stellt abschließend Beispiele für Tracking-Tools von Banner Engineering und Würth Elektronik sowie eine Bewertungsplattform zur Beschleunigung des Entwicklungsprozesses vor.

Industrie 4.0 und Logistik 4.0 sind miteinander verbunden, und beide werden benötigt, um das Ziel einer effizienten Massenanpassung wirtschaftlich zu erreichen. Logistik 4.0 stützt sich auf hochgranulare Echtzeitinformationen zu einzelnen Objekten, kombiniert mit Vernetzung, Automatisierung und Kommunikation mit geringer Latenz, um frühzeitig vor Störungen zu warnen und schnelle Reaktionen zu ermöglichen, um einen optimalen Warenfluss in der gesamten Lieferkette aufrechtzuerhalten. Um die beste Logistiklösung für eine bestimmte Situation zu finden, sind mehrere Technologien erforderlich.

1D- und 2D-Barcodes

Barcodes sind ein kostengünstiges und effektives Mittel zur Automatisierung der Datenerfassung bei einzelnen Artikeln. Abhängig von der Datenmenge gibt es verschiedene Barcodeformate, darunter:

• 1D- oder lineare Barcodes können Informationen wie Seriennummer, Modellnummer und Artikelhistorie enthalten.
• Gestapelte lineare Barcodes, bei denen mehrere 1D-Barcodes dicht nebeneinander gestapelt werden, um eine höhere Datendichte zu erreichen.
• 2D-Barcodes bestehen aus Kästchen oder Zellen, wobei noch größere Datenmengen in einem Gitterformat gespeichert werden.

1D-Barcodes sind die gebräuchlichsten, und die Barcodeinformationen sind in der Breite der schwarzen und weißen Balken und Zwischenräume enthalten und werden mit einem Barcode-Scanner gelesen, der das verwendete Format versteht. Es gibt mehrere Formate von 1D-Barcodes, die für die Daten optimiert wurden, die für bestimmte Anwendungen benötigt werden. Einige Beispiele sind:

• Code 128, für den Materialtransport
• Code 39, verwendet vom Militär und von Regierungsbehörden
• Interleaved 2 von 5, für spezifische industrielle Anwendungen
• UPC-A, weit verbreitet im Einzelhandel in den USA.
• Postnet, verwendet vom US Postal Service (USPS)

Das Code-128-Format umfasst zum Beispiel (Abbildung 1):

Schwarze Balken (Linien), die die Informationen liefern. Bei einfachen Codes gibt es zwei Balkengrößen - einen breiten und einen schmalen -, die von einem Lesegerät in binäre Informationen umgewandelt werden. Andere Codeformate können unterschiedliche Breiten von Balken und Leerzeichen enthalten, um mehr Details zu vermitteln.

Die Ruhezone ist ein Leerraum an den Rändern des Barcodes, damit der Scanner den Anfang und das Ende des Codes erkennen kann. Es ist ein gemeinsames Merkmal aller 1D-Barcodeformate.

Start- und Stop-Codes sind bestimmte Kombinationen von Balken und Leerzeichen, die den Anfang und das Ende des Barcodes angeben.

Die Prüfziffer dient zur Überprüfung der Richtigkeit der Daten und zum Schutz vor Lesefehlern.

Der menschenlesbare Code ist nicht Teil der maschinenlesbaren Informationen im Strichcode.

Die Modulbreite ist die Höhe/Breite der kleinsten Zelle oder des kleinsten Balkens im Strichcode und bestimmt die Mindestauflösung, die ein Scanner benötigt, um den Code genau zu lesen.

Abbildung 1: Aufbau eines 1D-Barcodes im Code-128-Format (die Farben dienen nur zur Identifizierung). (Bildquelle: Banner Engineering)

2D-Barcodes sind komplexer und enthalten größere Datenmengen. Zu den gängigen 2D-Barcodes gehören:

• DataMatrix - wird in der Automobilindustrie, der Elektronik und bei USPS-Anwendungen eingesetzt
• QR-Code - wird auch in der Automobilindustrie und im kommerziellen Marketing verwendet
• Aztec - kann auf Reisetickets und einigen Fahrzeugpapieren gefunden werden
• Maxicode - wird für den Materialtransport und vom United Parcel Service (UPS) verwendet

Das DataMatrix-Format umfasst zum Beispiel (Abbildung 2):

Zellen als schwarze und weiße quadratische Bereiche innerhalb der 2D-Matrix, die die Daten enthalten.

Die Ruhezone ist ein Leerraum um den Umfang eines 2D-Barcodes, damit der Scanner den Anfang und das Ende des Codes erkennen kann.

Das Finder-Muster (oder „L“-Muster) dient der Orientierung des Lesegeräts, so dass es den richtigen Weg zum Lesen des Codes erkennen kann.

Das Taktmuster befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite des Suchmusters und teilt dem Lesegerät die Größe der Zellen innerhalb des Codes sowie die Anzahl der Zeilen und Spalten des Barcodes mit.

Abbildung 2: 2D-DataMatrix-Struktur (die Farben dienen nur zur Identifizierung). (Bildquelle: Banner Engineering)

2D-Barcodes enthalten auch Fehlerkorrekturdaten. Je nach Code können die Fehlerkorrekturdaten dreimal enthalten sein, um die Qualität der Datenerfassung durch die Leser zu verbessern.

Lesen von Barcodes

Laserscanner bieten eine einfache und kostengünstige Möglichkeit, 1D-Barcodes zu lesen. Der Laser wird über einen rotierenden Spiegel auf den Barcode gerichtet, und das reflektierte Licht wird mit einer Fotodiode gemessen. Die Lichtmessungen werden dann in ein digitales Ausgangssignal umgewandelt. Highspeed-Laserscanner können bis zu 1300 Scans pro Sekunde durchführen, aber keine 2D-Barcodes lesen.

Mit bildverarbeitenden Lesegeräten können sowohl 1D- als auch 2D-Barcodes gelesen werden. Diese Lesegeräte erfassen ein Bild des Barcodes, das mit einer Bildverarbeitungssoftware analysiert wird, die den Barcode lokalisieren, ausrichten und lesen kann. Im Vergleich zu einem Laserscanner hat ein Bildlesegerät eine größere Schärfentiefe für das Lesen in mehreren Höhen und kann mehrere Barcodes gleichzeitig lesen. Die Geschwindigkeit des Lesevorgangs hängt von der Leistungsfähigkeit der Bildkamera und der Verarbeitungssoftware ab.

Wirepas für selbstbildende mobile Netzwerke

Zusätzlich zu Barcodes können drahtlose Tags und das IIoT verwendet werden, um die Identifizierung von Artikeln, deren Standort und Zustand in der gesamten Lieferkette zu ermöglichen. Wirepas ist ein autonomes, sich selbst bildendes Wireless-Vernetzungsprotokoll, das die für die Unterstützung von Logistik4.0-Anwendungen erforderliche Größe und Dichte bietet. Herkömmliche Maschennetzwerke wie Bluetooth können aufgrund von Überlastung und Bandbreitenbeschränkungen nur schwer große Reichweiten erreichen. Wirepas beseitigt diese Barrieren, indem es die Netzwerkintelligenz dezentral auf die Knoten verlagert, was zu einem selbstheilenden Netzwerk mit kollisionsfreier Nutzung des Funkspektrums führt (Abbildung 3).

Abbildung 3: In Logistikanwendungen mit einer großen Anzahl von zu verwaltenden Artikeln kann Wirepas eine Alternative zu Bluetooth oder proprietären drahtlosen Protokollen darstellen. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Die Wirepas-Maschensoftware ist für große und batteriebetriebene Netzwerke konzipiert. Jeder Knoten...

• scannt die Netzwerkumgebung und wählt den optimalen Pfad
• passt die Sendeleistung auf der Grundlage der Nähe zu anderen Knoten an
• kann als Routing- oder Nicht-Routing-Knoten oder als Senke arbeiten
• kann zwischen Modi mit geringem Stromverbrauch und geringer Latenzzeit wechseln
• wählt die optimale Frequenz
• ist störungsresistent

Die DCSA (Digital Container Shipping Association), eine unabhängige Organisation, die von mehreren der größten Containerschifffahrtsunternehmen gegründet wurde, hat Schnittstellenstandards für drahtlose Verbindungen in Schiffscontainern veröffentlicht. Wirepas ist konform mit dem DCSA-Standard.

Implementierung von 1D- und 2D-Barcodes

Entwickler können den bildbasierten WVGA-Barcodeleser (WVGA: 752 × 480 Pixel) ABR3009-WSU2 von Banner Engineering einsetzen, wenn sie Logistik4.0-Trackingsysteme mit 1D- oder 2D-Barcodes entwickeln (Abbildung 4). Er ist werkseitig auf drei Fokuspositionen (45 mm, 70 mm und 125 mm) kalibriert und verfügt über einen stufenlosen Fokusbereich, der eine Feinabstimmung für individuelle Anwendungen ermöglicht. Der ABR3009-WSU2 kann 57 Bilder pro Sekunde aufnehmen.

Abbildung 4: Der ABR3009-WSU2 von Banner Engineering liest eine vollständige Bibliothek von 1D- und 2D-Barcodes. (Bildquelle: Banner Engineering)

Alle standardmäßigen 1D- und 2D-Lesegeräte der Serie ABR 3000 sind für das Lesen von DataMatrix-Barcodes eingestellt und können leicht für das Lesen anderer Typen konfiguriert werden, indem man die integrierten Drucktasten für einfache Konfigurationen oder einen PC mit der Barcode Manager Software von Banner für komplexere Konfigurationen verwendet. Objektivoptionen, einschließlich des per Software einstellbaren Autofokus, können die Einrichtung und Konfiguration weiter vereinfachen. Die Geräteintegration und IIoT-Datenerfassung kann über industrielle Ethernet-, serielle oder USB-Verbindungen konfiguriert werden. Das Modell ABR3009-WSU2 entspricht der Schutzart IP65 und ist gegen Staub und Spritzwasser geschützt.

Wirepas-Funkmodul

Das Thetis-I von Würth Elektronik ist ein 2,4 Gigahertz (GHz) Funkmodul, das das Wirepas-Maschenkommunikationsprotokoll unterstützt. Entwickler können die Teilenummer 2611011021010 mit einer Reichweite von 400 Metern (m) verwenden, um Wirepas in Logistik4.0-Trackinggeräten zu integrieren (Abbildung 5). Es hat eine Sendeleistung (Tx) von 6 Dezibelmeter (dBm), eine Empfangsempfindlichkeit (Rx) von bis zu -92 dBm und eine Übertragungsrate von bis zu 1 Megabit pro Sekunde (Mbit/s). Das 2611011021010 benötigt 18,9 Milliampere (mA) im Tx-Modus, 7,7 mA im Rx-Modus und 3,16 Mikroampere (µA) im Ruhemodus. Es misst 8 mm x 12 mm x 2 mm.

Abbildung 5: Das 2,4GHz-Funkmodul Thetis-I mit Wirepas-Maschenprotokoll. (Bildquelle: Würth Elektronik)

Um die Entwicklung von Logistik4.0-Anwendungen unter Verwendung des Thetis-I-Funkmoduls mit Wirepas-Maschenprotokoll zu beschleunigen, können Entwickler das Thetis-I-Evaluierungskit verwenden, das ein Mini-Evaluierungsboard, einen USB-Funkstick und drei Sensorknoten enthält (Abbildung 6). Ein funktionsfähiger Prototyp eines Wirepas-Maschennetzwerks kann in wenigen Minuten eingerichtet werden, und jede der Komponenten im EDV-Kit (Mini-Evaluierungsboard, USB-Funkstick und Sensorknoten) kann separat erworben werden, um das Prototypennetzwerk zu erweitern.

Abbildung 6: Das Thetis-I-Evaluierungskit ist mit dem Wirepas-Maschennetzmodul Thetis-I ausgestattet und enthält ein Mini-Evaluierungsboard, einen USB-Funkstick und drei Sensorknoten. (Bildquelle: DigiKey)

Das Mini-Evaluierungsboard unterstützt die Verbindung mit einem Host-Mikrocontroller für die Anwendungsentwicklung. Der Sensorknoten ist eine 31 mm x 32 mm große, batteriebetriebene Platine und enthält einen Drucksensor und einen Feuchtigkeitssensor. Die Sensordaten werden automatisch vom Funkmodul ausgelesen und an das Maschennetzwerk übertragen. Zum Evaluierungskit gehört auch das PC-Tool „Wirepas Commander“ von Würth, das die Kommunikation mit den Funkmodulen, die Netzwerkkonfiguration und die Überwachung der Sensordaten unterstützt.

Zusammenfassung

Logistik 4.0 stützt sich auf granulare Echtzeitinformationen über alle Objekte in der Lieferkette und muss mit Industrie 4.0 integriert werden, indem Vernetzungssysteme, Automatisierung und Kommunikation mit niedriger Latenzzeit eingesetzt werden, um frühzeitig vor Störungen in der Lieferkette zu warnen. Um ein erfolgreiches Logistiksystem zu implementieren, sind mehrere Tracking-Technologien erforderlich. In diesem Artikel wurden verschiedene Möglichkeiten im Zusammenhang mit 1D- und 2D-Barcodes und hochskalierbaren drahtlosen Wirepas-Netzwerken vorgestellt, die in einer Logistik4.0-Lösung zusammenarbeiten können.