Implementierung einer kompakten, leistungsstarken Warenverfolgung und Rückverfolgbarkeit

Bei der Entwicklung von Systemen zur Fabrikautomatisierung und Warenverfolgung werden optische Barcode-Lesegeräte benötigt, die Etikettentypen lesen können, die per Thermodruck, Lasergravierer oder Metall-Punktmatrix bedruckt wurden. Das Dekodieren von sich schnell bewegenden und variierenden Code-Etiketten auf Förderbändern erfordert Lesegeräte mit niedriger Latenz und hochauflösender Bildverarbeitung, die beschädigte oder verschmutzte Barcodes präzise dekodieren können. Die Lesegeräte müssen in rauen Umgebungen trotz ungünstiger Lichtverhältnisse, unvorhersehbarer Etikettenausrichtung und ungleichmäßiger Etikettengeometrie zuverlässig funktionieren.

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden und gleichzeitig Kosten- und Zeitvorgaben einzuhalten, können für Industrieanlagen handelsübliche Barcode-Lesegeräte verwendet werden, die sich leicht für eine Vielzahl von Zielanwendungen konfigurieren lassen.

In diesem Artikel werden kurz die Barcodestandards und die Anforderungen an das Lesegerät erörtert, bevor geeignete bildbasierte Barcodeleser von Omron Automation and Safety vorgestellt werden, die sich leicht im Feld konfigurieren lassen und von verschiedenen Farblicht- und Filtermodulen unterstützt werden. Der Artikel behandelt die unterstützten Code-Standards, die Verkabelung und die Konfiguration der Software der Lesegeräte.

Arten von Barcode-Normen

Es gibt viele Arten von Barcodes, jeder mit einzigartigen Merkmalen und Anforderungen. Abbildung 1 zeigt Beispiele für lineare (1D) Barcodes, gestapelte lineare, Matrix- (2D) und Punktcodesymbole sowie Fotos der direkten Teilekennzeichnung (DPM) auf verschiedenen Materialien mit unterschiedlichem Kontrast und Auflösungsqualität.

Abbildung 1: Code-Lesegeräte müssen eine Vielzahl von Codes unterstützen, darunter lineare (1D) Barcodes, gestapelte lineare Barcodes, 2D-Matrixsymbole und Punktcodesymbole (oben). DPMs haben unterschiedliche Kontrast- und Auflösungsmerkmale (unten). (Bildquelle: Omron)

Die 2D-Matrix auf der rechten Seite von Abbildung 2 veranschaulicht die Struktur des QR-Codes: Vier quadratische Referenzmarken definieren die Leseausrichtung des Codelabels, während zwei Zebrastreifen den Lesetakt anzeigen. Mehr als die Hälfte der Zellen enthält das Nutzdatenwort, der Rest dient als Redundanz zur Fehlerkorrektur.

Abbildung 2: Der QR-Code fügt dem Datenwort eine Fehlerkorrektur sowie Referenz- und Taktmarkierungen hinzu (links). Mit den einstellbaren Fehlerkorrekturstufen können 7 % bis 30 % des verlorenen Symbolbereichs rekonstruiert werden (rechts). (Bildquelle: Omron)

Wenn das QR-Code-Symbol mit dem Reed-Solomon-Algorithmus erzeugt wird, kann die Fehlerkorrektur je nach gewählter Stufe 7 % bis 30 % des verlorenen Symbolbereichs rekonstruieren (Abbildung 2, rechts). Nach ISO/IEC 24778 kann der Aztec-Code, ein 2D-Punktmatrixcode für Anwendungen mit beengten Platzverhältnissen, in jeder Ausrichtung gelesen werden und weist eine einstellbare Fehlerkorrektur von 5% bis 95% auf.

Bildbasiertes Barcode-Lesegerät mit integrierter Bildverarbeitung

Ein gutes Beispiel dafür, wie fortschrittlich und leistungsfähig Lesegeräte geworden sind, sind die kompakten Barcodeleser der Serie MicroHAWK V430-F von Omron. Diese Lesegeräte können verschiedene Matrix-Barcodes auf einer Vielzahl von Oberflächen in anspruchsvollen Fabrikumgebungen zuverlässig lesen. Sie verwenden leistungsstarke Fehlerkorrekturalgorithmen, um beschädigte und unvollständige Symbole mit einer Geschwindigkeit von bis zu 60 Bildern pro Sekunde zu dekodieren (fps). Die moderne Optik kombiniert Monochrom- oder Farbbildsensoren mit einer Auflösung von bis zu 5 Megapixeln (MP) und verschiedenen Optionen für Fest- oder Autofokus.

Der monochrome Barcodeleser V430-F000L12M-SRX hat eine Auflösung von 1280 x 960 Pixeln (1,2 MP) (Abbildung 3). Er integriert ein Autofokus-Objektiv mit 1160 Millimeter (mm) Schärfentiefe, acht rote Spotlight-LEDs und einen 800 Megahertz (MHz) Bildprozessor in einem Gehäuse mit den Abmessungen 44,5 (B) x 25,5 (H) x 56,9 (T) mm.

Abbildung 3: Das Bild zeigt den Barcodeleser V430-F000L12M-SRX mit integrierter Beleuchtung (links) und erweitert mit einem LED-Ring und einem Diffusormodul (rechts). (Bildquelle: Omron)

Das Lesegerät V430-F entspricht der Schutzart IP67 und kann problemlos vor Ort in industriellen Produktionsbereichen installiert und konfiguriert werden. Die integrierte Bildverarbeitung erfasst 1D-, 2D- und Punktmatrix-Codes und erkennt DPMs bei schlechten Kontrastverhältnissen. Seine Fehler- und Bildverarbeitungsalgorithmen können beschädigte, verschmutzte, verschwommene oder verzerrte Codeetiketten dekodieren und als reinen ASCII-Text ausgeben.

Zu den wichtigsten Merkmalen der Familie V430-F gehören:

• Unterstützung von Code-Standards:
  • ISO/IEC 15415: DataMatrix (ECC200, GS1), QR-Code, Micro QR
  • ISO/IEC TR 29158: DataMatrix (ECC200, GS1)
  • ISO/IEC 15416: Code 128/GS1-12, UPC/EAN (JAN), ITF, Code 39, Code 93, Codabar
  • ISO/IEC 16022: DataMatrix (ECC200, GS1)
• Drei Auflösungsoptionen:
  • 752 x 480 (0,3 MP) oder 1280 x 960 (1,2 MP) in Schwarzweiß und 2592 x 1944 (5,0 MP) in Farbe
• 50 bis 300 mm Autofokus, 75 bis 1200 mm Autofokus und Fixfokus
• Brennweite: Weitwinkel, mittel oder eng/lang
• Lesezyklus von 32 Millisekunden (ms) bei bis zu 60 fps
• Stromversorgung von 5 bis 30 Volt, optional Power over Ethernet (PoE) (Modus B) und eine Stromaufnahme von 180 Milliampere (mA) bei 24 Volt
• Drei durch einen Optokoppler isolierte Eingangs-/Ausgangs-Steueranschlüsse (I/O)
• Kommunikation über RS-232, TCP/IP, Ethernet/IP oder Profinet
• Verkettung (Daisy-Chaining) von bis zu acht Lesegeräten
• Grafische WebLink-Benutzeroberfläche (GUI) für browserbasierte Konfiguration und Überwachung

Die Version V430-F000W12M-SRP verwendet ein Weitwinkelobjektiv und bietet in ihrer Bildverarbeitungs-Firmware den Plus-Modus anstelle der X-Modus-Fehlerkorrektur. Der Plus-Modus eignet sich für kontrastreiche Codes wie Etiketten, während die aggressiven Algorithmen zur Symbolpositionierung, -analyse und -rekonstruktion des X-Modus für alle Etiketten geeignet sind, einschließlich Codes mit niedrigem Druckwert und DPM. Die Geräte der Serie F430 haben eine Doppelfunktion, d. h. sie können gleichzeitig als Barcodeleser und als visuelles Inspektionssystem eingesetzt werden.

Erweiterungsmodule verbessern den Kontrast

Die Serie F430 ist mit einer Vielzahl von Optionen für die jeweilige Anwendung ausgestattet. So erweitern zum Beispiel einfach zu installierende Erweiterungsmodule wie Ringlichter (V430-AL) mit acht oder 24 LEDs in Rot, Weiß, Blau oder IR den Kontrastumfang des Barcodelesers. Darüber hinaus reduzieren Farb- und Polarisationsfilter und Diffusoren (V430-AF) Streulicht und Blendung durch glänzende Oberflächen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Diffusoren und Polarisationsfilter reduzieren Reflexionen und Streulicht, um den Kontrast zu verbessern und Lesefehler zu verringern. (Bildquelle: Omron)

Anschließen des Barcode-Lesegeräts

Der Barcodeleser V430-F verfügt über zwei M12-Sockel und mehrere Anschlussmöglichkeiten (Abbildung 5). Der Kommunikationssockel ermöglicht es einem Host-PC, die dekodierten Daten über Ethernet/IP, TCP/IP oder Profinet zu lesen, den Barcodeleser zu konfigurieren und zu überwachen und optional über PoE (Modus B) mit Strom zu versorgen. Der zweite Stecker dient zum Anschluss an eine speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) zur Prozesssteuerung und umfasst einen Triggereingang, eine RS-232-Schnittstelle und drei I/O-Schaltsignale. Er wird auch zur Stromversorgung des V430-F verwendet. Das Auslesen der dekodierten Daten, die Konfiguration und die Überwachung des Barcodelesers können auch über den RS-232-Anschluss des V430-F erfolgen.

Abbildung 5: Die Anschlussmöglichkeiten des Barcodelesers V430-F umfassen Ethernet, I/O-Steuerleitungen, RS-232 und Stromversorgungsleitungen. (Bildquelle: Omron)

Omron bietet konfigurierte Ethernet-, I/O- und RS-232-Kabel für die V430-Serie (V430-W). Bei der Installation des V430-F in Verbindung mit Peripheriekomponenten (wie z. B. einem Fotosensor, einer LED-Hilfsleuchte und einer Stromversorgung) bietet die Schnittstelle 98-000103-02 einen nützlichen Vierfach-Verteilerpunkt.

Die WebLink-Benutzerschnittstelle

Der in den Barcodeleser integrierte WebLink-Server stellt dem Benutzer eine grafische Benutzeroberfläche zur Verfügung, die durch Eingabe von http://192.168.188.2 in einem Browser aufgerufen wird. Von hier aus kann der V430-F gesteuert, überwacht, konfiguriert und ausgelesen werden.

Abbildung 6: Der V430-F kann über die WebLink-Benutzeroberfläche gesteuert, ausgelesen und konfiguriert werden. (Bildquelle: Omron)

Die Registerkarte <Start> enthält modellspezifische Informationen für alle angeschlossenen Lesegeräte und ist der Ausgangspunkt für die Erstellung von Konfigurationsprofilen. Die Registerkarte <Setup> zeigt auf der linken Seite wichtige Konfigurationseinstellungen an, während der mittlere Bereich das Kamerabild zeigt und Bildbearbeitungswerkzeuge zur Definition des Barcode-Erfassungsbereichs bietet. Rechts zeigt ein Ausgabefenster laufend dekodierte Barcode-Datenwörter an, die auch über das WebLink-Terminal verfolgt oder über die RS-232-Schnittstelle ausgelesen werden können.

Parameter konfigurieren

Um die Dekodierung erheblich zu beschleunigen, kann der Erfassungsbereich genau eingegrenzt, die erwarteten Codetypen definiert und die Bildverarbeitungsalgorithmen optimal eingestellt werden. Auch das Ausgabeformat des dekodierten Datenworts kann geändert und Zeichen eingefügt, vertauscht oder entnommen.

Mithilfe von K-Befehlen über die Befehlszeile des Terminals oder durch direkte Änderung von Werten im WebLink-Menüpunkt <Advanced Settings> können Parameter für die folgenden Funktionsbereiche konfiguriert werden: Kamera-Setup, Kommunikation, Lesezyklus, Symbologien, I/O, Symbolqualität, Suchbegriff, Diagnose, Bildspeicherung und Konfigurationsdatenbank.

Sobald der Ausschnitt des „Window of Interest“ (WOI) im Sichtbereich der Kamera erstellt ist, werden alle relevanten Code-Label-Bereiche, die als „Region of Interest“ (ROI) bezeichnet werden, darin definiert. Bis zu zehn solcher ROIs können in der Konfigurationsdatenbank code-spezifisch konfiguriert werden. Im Modus <Run> kann das V430-F zwischen diesen Parametersätzen umschalten.

Verschiedene spezielle Algorithmen können schlechte Symbolqualität verbessern und werden über den Menüpunkt <Advanced Decoding Parameters> konfiguriert:

• Der 2D Damaged Mode kann Symbole mit verzerrter Gitterausrichtung oder schlechter Zellenregistrierung dekodieren. Abbildung 7 in der oberen linken Ecke zeigt, wie es funktioniert. Die Funktion kann über den seriellen Befehl <K567,1> (0/1 = deaktiviert/aktiviert) aktiviert werden.
• Attempt Morphology Manipulation wendet Morphologiedilatation oder -erosion an und versucht zu entschlüsseln. Die obere rechte Ecke von Abbildung 7 zeigt, wie die Signalstärke erhöht und das Rauschen reduziert wird. Der Algorithmus wird über den seriellen Befehl <K568,1> aktiviert.

Abbildung 7: Bildverarbeitungsalgorithmen wie „Damaged Mode“, „Morphology“ und „Scale Up/Down“ ermöglichen die Dekodierung selbst schlechter Bildqualität. (Bildquelle: Omron)

• Curved 2D ist für Data-Matrix- und QR-Code-Symbole konzipiert.
  Wenn das Längenverhältnis zwischen der roten und der grünen Linie, wie in Abbildung 8 dargestellt, größer als 20:1 ist, wird der Algorithmus „Curved 2D“ aktiviert. Die Funktion wird über den seriellen Befehl <K563,1> aktiviert.

Abbildung 8: Der Bildverarbeitungsalgorithmus „Curved 2D“ erkennt automatisch gekrümmte Code-Etiketten und entzerrt sie vor der Dekodierung. (Bildquelle: Omron)

• Symbol Quality gibt detaillierte Auswertungen in Bewertungsstufen von A bis F gemäß ISO/IEC 15416 aus. Jeder einzelne Parameter kann über den seriellen Befehl <K726, aperture, overall, edge determination, decode, contrast, minimum reflectance, minimum edge contrast, modulation, defects, decodability, quiet zone> separat aktiviert werden.Der serielle Befehl <VAL4> antwortet mit einem Textbericht, der die Einstufung nach ISO/IEC15416 zusammenfasst (Tabelle 1).

Tabelle 1: Der serielle Befehl <VAL4> antwortet mit einem Textbericht, der die Einstufung nach ISO/IEC15416 zusammenfasst. (Quelle der Tabelle: Omron)

Fazit

Die kompakten, bildbasierten Barcodeleser der Serie V430-F dekodieren zuverlässig eine Vielzahl von Codestandards auf unterschiedlichen Oberflächen und bei hohen Geschwindigkeiten in anspruchsvollen Fabrikumgebungen. Wie gezeigt, lässt sich die leistungsstarke integrierte Bildverarbeitung einfach über einen Browser konfigurieren, so dass Entwickler einen Barcodeleser auch ohne spezielle Erfahrung in der Bildverarbeitung in Betrieb nehmen können.