Industriële automatiseringstechnieken

TECHNIEK

AU TO M AT I S E R I N G

I N D U S T R I Ë L E AU TO M AT I S E R I N G S T E C H N I E K E N

Deze uitgave geeft inzicht in de technische digitale automatiseringstechnieken en is gericht op de technische studierichtingen

Deel 3 Inleiding in de Flexibele Productie Automatisering.

werktuigbouwkunde, elektrotechniek,

Identificatiesystemen.

mechatronica en daaraan gerelateerde

Transportsystemen, hanteringsystemen.

opleidingen, zoals autotechniek, lucht­

Robotica en bustechnologie.

vaarttechniek, scheepvaarttechniek en industriële automatiseringstechniek van de HBO engineeringdomeinen.

Het boek is in principe opgedeeld in 3 deelgebieden namelijk: Deel 1 Aandrijftechnieken, mechaniserings-

Naast de in dit werk opgenomen theoretische uitleg is de website

en automatiseringstechnieken met

www.techniekvoorhbo.nl beschikbaar,

pneumatische en elektrische componenten,

die een verdieping van de leerstof geeft.

signalen, signaalgevers en sensoren.

Dit wordt in de hoofdstukken ook aan­

Exacte logica en logische besturings­ technieken.

Combinatorische en volgordebesturingen.

gegeven met een QR-code in de kantlijn die een directe toegang tot de extra informatie voor dat hoofdstuk geeft.

PLC-technieken.

Dit boek is een onmisbaar hulpmiddel Deel 2 Besturingstechnieken met timers en ­c ounters.

Industriële automatiseringstechnieken

Industriële automatiseringstechnieken

voor iedere student die zich technische automatiseringstechnieken op een praktische manier eigen wil maken.

Oplossingsmethoden met Sequential Function Charts (SFC’s).

PLC-programmering met de IEC 61131-3 standaard.

PLC-programmering met behulp van het computerprogramma CoDeSys.

A. Drost

Eerste druk

C.J. van Beekum A. Sa

HOGER ONDERWIJS

951806_ cover.indd 1

15/04/15 09:38

IndustriĂŤle automatiseringstechnieken

951806_ BOEK.indb 3

1/04/15 15:02

VII

Inhoud Auteurs IV Woord vooraf V

1 Inleiding tot de automatiseringstechniek 13 1.1 Inleiding 13 1.2 Digitale en analoge automatisering 15 1.3 Uitvoerorganen 17 1.3.1 Hydraulische uitvoerorganen 17 1.3.2 Pneumatische uitvoerorganen 19 1.3.3 Elektrische aandrijftechniek 24 1.4 Hoofdschakelelementen 32 1.4.1 Hoofdschakelelementen van de hydrauliek 32 1.4.2 Hoofdschakelelementen in de pneumatiek 33 1.4.3 Elektrische hoofdschakelelementen 38 1.5 Opgaven 39

2 Signalen, signaalgevers en sensoren 41 2.1 Inleiding 41 2.2 Signalen 42 2.2.1 Signaalopbouw 42 2.2.2 Signaalvormen 42 2.3 Signaalgevers 43 2.3.1 Pneumatische signaalgevers 43 2.3.2 Elektrische signaalgevers 45 2.4 Sensoren 46 2.4.1 Pneumatische sensoren 47 2.4.2 Magnetische sensoren 47 2.4.3 Inductieve sensoren 50 2.4.4 Capacitieve sensoren 53 2.4.5 Optische sensoren 56 2.4.6 Druk- en krachtsensoren 58 2.5 Opgaven 60

3 Basisbesturingsfuncties 63 3.1 Inleiding 63 3.2 Logische basisfuncties 64 3.2.1 De NIET-functie 64 3.2.2 De EN-functie 65 3.2.3 De OF-functie 66 3.2.4 De JA-functie 67 3.2.5 Hulprelais 67 3.3 Combinatorische besturingen 68 3.3.1 Het toepassen van relais 70 3.4 Opgaven 74

951806_ BOEK.indb 7

1/04/15 15:02

VIII

4 Besturingsalgebra 77 4.1 Inleiding 77 4.2 Talstelsels 77 4.2.1 Het decimale talstelsel 77 4.2.2 Het tweetallige of binaire stelsel 78 4.2.3 De BCD-code 78 4.2.4 Het achttallige of octale stelsel 79 4.2.5 Het zestientallige of hexadecimale stelsel 79 4.2.6 Opgaven 80 4.3 Waarheidstabellen 82 4.3.1 Opgaven 87 4.4 Besturingsalgebra (axioma’s, wetten en regels) 87 4.4.1 Axioma’s 87 4.4.2 Wetten 88 4.4.3 Regels 88 4.4.4 Voorbeelden 91 4.4.5 Opgaven 93 4.5 Gray-codes 95 4.6 Karnaugh-diagram 99 4.6.1 Minimaal- en maximaaltermen 99 4.6.2 Vormen van Karnaugh-diagrammen 100 4.6.3 Don’t care-termen 104 4.6.4 Geïnverteerde oplossingen 107 4.6.5 Het vereenvoudigen van maxtermen 109 4.6.6 Opgaven 110

5 Volgordebesturingen 113 5.1 Inleiding 113 5.2 De besturingsvoorwaarden 113 5.3 Bewegingsdiagram, signalen, commando’s en formules 114 5.4 Primaire signalen 117 5.5 Schematekenregels 120 5.5.1 Het pneumatisch schema 121 5.5.2 Het elektrisch- of stroomkringschema 123 5.5.3 Het ladderdiagram 125 5.5.4 Het logisch schema 127 5.6 Opgaven 130

6 Programmeerbare besturingen (PLC’s) 135 6.1 Inleiding 135 6.2 De opbouw van een PLC 136 6.3 In- en outputmodule 138 6.4 Signalen en adressen 140 6.4.1 Input en Output 140 6.4.2 Adressering 141 6.5 Werking van de PLC 142 6.6 Het programmeren van een PLC 143 6.6.1 Het programmeren 144 6.6.2 Programmeren in Instruction List (IL) 145

951806_ BOEK.indb 8

1/04/15 15:02

IX

6.6.3 Interne geheugenadressen (merkers) 147 6.6.4 Programmeren van min- en maxtermen 148 6.7 Het intoetsen van een programma 152 6.8 Opgaven 152

7 Geheugens (opbouw en werking) 155 7.1 Inleiding 155 7.2 Opbouw van een geheugen 156 7.3 Elektrische geheugenschakelingen 157 7.3.1 Dominantie 158 7.4 Pneumatische geheugenschakelingen 159 7.5 Logische geheugens 159 7.6 Geheugens in ladderdiagrammen 160 7.7 Geheugens in een PLC-programma 161 7.8 Geheugens en de Morgan-regel 162 7.9 Samenvatting 165 7.10 Opgaven 165

8 Tijd- en tellerschakelingen (timers en counters) 167 8.1 Inleiding 167 8.2 Signaal-tijd-diagrammen 168 8.3 Timers 169 8.3.1 Pneumatische timers 169 8.3.2 Elektrische timers 171 8.3.3 Logische schema’s van timers 172 8.4 Timers in PLC’s 173 8.4.1 Programmeren met timers 174 8.4.2 Programmeren met software-timers 176 8.5 Voorbeelden 178 8.6 Opgaven 182 8.7 Counters (tellers) 184 8.7.1 Elektronisch tellen 185 8.7.2 De up-counter 186 8.7.3 De down-counter 188 8.7.4 Decimaal tellen 188 8.8 Counters in PLC-programma’s 189 8.8.1 Presetwaarde 190 8.8.2 Het programmeren van counters 190 8.8.3 IEC counters 192 8.9 Opgaven 196

9 Besturingen met tijd- en tellerschakelingen 199 9.1 Inleiding 199 9.2 Combinatorische besturingen met tijd 200 9.3 Volgordebesturingen met tijd 205 9.4 Opgaven 209 9.5 Besturingen met counters 212 9.6 Opgaven 219

951806_ BOEK.indb 9

1/04/15 15:02

X

10 Besturingen met geheugens 221 10.1 Inleiding 221 10.2 Combinatorische besturingen met geheugens 222 10.3 Volgordebesturingen met geheugens 225 10.4 Noodstop 231 10.4.1 Noodstopprocedure: alle uitvoerorganen direct naar ruststand 232 10.5 Opgaven 235

11 Besturingen met stopcycli 239 11.1 Inleiding 239 11.2 Ongelijkmaakgeheugen 239 11.2.1 Controletelling 241 11.3 Besturingsformules: regels 243 11.4 Opgaven 247 11.5 Gecontroleerde stopprocedure 248 11.6 Opgaven 252

12 Sequential Function Charts 257 12.1 Inleiding 257 12.2 Basisinstructies 257 12.3 Opbouw van een SFC 259 12.4 Voorwaardelijke herhaling 262 12.5 Voorwaardelijke sprong 265 12.6 Opgaven 273 12.7 Manipulaties met SFC’s 276 12.7.1 AND-divergenties in een SFC 277 12.7.2 OR-divergenties in een SFC 278 12.7.3 Vrij aan te roepen sequentie (subchart) 279 12.7.4 Gememoriseerde acties of commando’s 283 12.8 Tellers in een SFC 287 12.9 Opgaven 291

13 Cases 297 13.1 Cases 297 13.2 Opgaven 311

14 De standaard IEC 61131-3 319 14.1 Inleiding 319 14.2 Kenmerken van de softwarestandaard IEC 61131-3 320 14.3 Kenmerken van de IEC 61131-3 programmeertalen 320 14.3.1 Instruction List (IL) 321 14.3.2 Structured Text (ST) 321 14.3.3 Ladderdiagram (LD) 322 14.3.4 Function Block Diagram (FBD) 323 14.3.5 Sequential Function Chart (SFC) 324 14.4 Technische specificatie in een SFC 325 14.4.1 Soorten acties 325 14.4.2 Actie-qualifiers 325 14.4.3 Voorbeeld actie-qualifiers 326 14.4.4 SFC en de PLC-cyclus 327

951806_ BOEK.indb 10

1/04/15 15:02

XI

14.5 Goed ontwerpen en bouwen van een besturing 328 14.5.1 Aansturen vanuit een SFC-lus 328 14.5.2 Tellen in een SFC 329 14.6 Modellen en bouwstenen in de norm 330 14.6.1 Het softwaremodel 330 14.6.2 Het communicatiemodel 331 14.6.3 De programmaorganisatie 332 14.7 CoDeSys 333 14.7.1 Datatypen 333 14.7.2 Opbouw van een PLC-programma met behulp van IEC 61131-3 333 14.8 Project 1 Besturing inschuifinstallatie met IL 335 14.8.1 Definiëring inschuifinstallatie 336 14.8.2 Het bouwen van de inschuifbesturing 337 14.8.3 Het bouwen van de visualisatie van de inschuifbesturing 342 14.9 Project 2 Besturing wisselstation met SFC 347 14.10 Opgaven 351

15 Flexibele Productie Automatisering (FPA) 355 15.1 Inleiding 355 15.2 Apparatuur 357 15.3 Organisatie 359 15.4 Informatie 360 15.5 Systemen 361 15.5.1 Flexibele fabricagesystemen 361 15.5.2 Flexibele assemblagesystemen 366 15.6 Opgaven 368

16 Identificatie 371 16.1 Inleiding 371 16.2 Mechanische identificatie 372 16.2.1 Mechanische identificatie met vaste platen 373 16.2.2 Mechanische identificatie met stiften 373 16.3 Optische identificatie 374 16.3.1 Eendimensionale optische codes 376 16.3.2 Tweedimensionale optische codes 388 16.3.3 Visionsystemen 391 16.4 Radiofrequentie-identificatie 400 16.5 Opgaven 403

17 Transportsystemen 405 17.1 Inleiding 405 17.2 Automated Guided Vehicle (AGV) 405 17.3 Transportbanen 409 17.4 Transferbanen 413 17.5 Opgaven 420

951806_ BOEK.indb 11

1/04/15 15:02

XII

18 Handlingsystemen 423 18.1 Inleiding 423 18.2 Cilinders en lineaire motoren 424 18.3 Opspan- en kruistafels 424 18.4 Trilvoeders 425 18.5 Pick and place units 427 18.5.1 Vast programmeerbare pick and place unit 427 18.5.2 Vrij programmeerbare pick and place unit 430 18.6 Meetsystemen 433 18.7 Opgaven 436

19 Industriële robots 439 19.1 Inleiding 439 19.2 Industriële robot 440 19.3 Robottypen 441 19.4 Robottoepassingen 445 19.5 Architectuur van een RRR-robot 448 19.6 Aandrijving van de robotassen 453 19.6.1 Elektromotor 453 19.6.2 Vertraging 453 19.6.3 Remsysteem 456 19.6.4 Meetsysteem 456 19.6.5 Besturingssysteem 456 19.7 Opgaven 462

20 Bustechnologie 465 20.1 Inleiding 465 20.2 Datacommunicatie 467 20.2.1 Parallelle transmissie 467 20.2.2 Seriële transmissie 468 20.3 Bussen 468 20.3.1 I/O-systemen 469 20.3.2 Bussystemen 473 20.4 Opgaven 476

Trefwoordenregister / Index 479 Illustratieverantwoording 487

951806_ BOEK.indb 12

1/04/15 15:02

16

Identificatie 16.1 Inleiding

Identificatie van objecten (producten en onderdelen) omvat: • het bepalen van de actuele locatie; • het volgen van de afgelegde weg; • het detecteren van de actuele toestand van een product in een productieproces; • het bepalen van de actuele aantallen (voorraden).

Een voorbeeld van de toepassing van identificatie zien we bij het opbergen van producten in een magazijn. Producten, of onderdelen daarvan, worden opgeborgen onder een codenummer om het terugvinden en het voorraadbeheer te vergemakkelijken. De magazijnvoorraad en de plaats waar de producten of onderdelen zich bevinden worden bijgehouden in een kaart- of computersysteem.

Wanneer de voorraad van een product of van een onderdeel onder een bepaalde grens komt, wordt een productie- of aankooporder opgemaakt.

De verwerking van de codes die op ieder te identificeren object (en/of op een verpakking van meerdere objecten) zijn aangebracht kan uitgevoerd worden door: • Keyboard data entry. Uitlezing door mensen en verwerking met behulp van een kaart of een computersysteem. De snelheid is laag, de kans op het maken van fouten groot en de vereiste menskracht maakt de exploitatie duur.

• Automatische identificatie (AI). Identificatie van een artikel (aard, positie, aantallen) door middel van een technische leeseenheid en automatische invoer en verwerking van de gelezen gegevens in een computer of een PLC. Op of in het artikel moet een machinaal leesbare code worden bevestigd. Deze code kan verschillende vormen hebben, afhankelijk van de toegepaste technologie, en het kan een pure identificatiecode zijn (die alleen verwijst naar meer informatie), maar ook een code waarin meer gedetailleerde informatie rechtstreeks is opgeslagen.

Tijdens een productieproces kan de actuele toestand van een product worden geïdentificeerd aan de hand van zijn eigen code. In een geautomatiseerd productieproces moet de apparatuur voor bewerking, transport en opslag zichzelf kunnen aanpassen aan iedere nieuwe productsituatie. ­Automatische identificatie is dus van groot belang voor de logistiek (de beheersing van een product­ stroom door een bedrijf heen en erbuiten).

951806_ BOEK.indb 371

1/04/15 15:04

372

In de besturingstechniek, en speciaal in de FPA, is identificatie zó belangrijk dat de flexibiliteit van een automatiseringsproces ermee staat of valt. Doordat in het verleden in allerlei landen en bedrijven een groot aantal coderingen werd ontwikkeld, ontstond een onwerkbare situatie met betrekking tot de uitwisseling van gegevens en eigenschappen van producten. Door een wereldwijde normalisatie zijn de vorm en toepassing van coderingen van producten meer in lijn gebracht.

Automatische identificatiemethoden zijn te onderscheiden in twee hoofdgroepen: • Leesbare identificatie. Een onveranderlijke codering die door een technische eenheid kan ­worden gelezen en worden verwerkt in een computersysteem.

• Lees- en schrijfbare identificatie. Een coderingssysteem dat zowel gelezen als beschreven kan worden. In een productieproces volgt na lezing van een code een bewerking en/of verplaatsing, waarna de code wordt aangepast aan de nieuwe situatie.

In de praktijk bestaat binnen de twee hoofdgroepen een groot aantal genormaliseerde systemen (met daarbinnen weer genormaliseerde varianten), elk met hun eigen toepassingsgebied. De verschillen tussen de beide hoofdgroepen lijken groter dan ze in werkelijkheid zijn. Zo kan bijvoorbeeld ook bij de alleen leesbare identificatie de bewerkingsstatus van een product bijgehouden worden door gebruik te maken van productcarriers met ieder een vast eigen identificatienummer.

Aan de centrale computer wordt dan vanuit ieder bewerkingsstation opgegeven welke carrier in het betreffende station geweest is, waarmee vastligt welke bewerking het product op de carrier ondergaan heeft. Ook het laden van een nieuw product op een carrier moet dan bijgehouden worden in de computer. Dit systeem is afhankelijk van een centrale computer en dus kwetsbaar, maar het aantal codenummers hoeft niet groter te zijn dan het aantal carriers en het product hoeft niet te worden voorzien van een eigen nummer (dat in een productieproces vaak kwetsbaar of überhaupt niet plaatsbaar is).

De opkomst van visionsystemen is een nieuwe ontwikkeling in de identificatietechniek. In vision­ systemen wordt het product of de actuele toestand daarvan (locatie, bewerkingsstadium, kwaliteit) waargenomen door een camera met een hoog oplossend vermogen en vervolgens herkend door daaraan gekoppelde bewerkingsperiferie. De steeds toenemende snelheid, nauwkeurigheid en informatiedichtheid en de sterk dalende prijs van dergelijke systemen bieden de FPA in de toekomst veel meer mogelijkheden dan de huidige code-gebonden identificatiemethoden.

In dit hoofdstuk bekijken we drie representatieve, genormaliseerde en op codes gebaseerde identificatiesystemen: • mechanische identificatie (16.2); • optische identificatie (16.3): –– eendimensionale codes (bar- of streepjescode, 16.3.1); –– tweedimensionale codes (dot-, QR- en matrixcodes, 16.3.2); –– visionsystemen (16.3.3); • radiofrequentie-identificatie (16.4).

16.2 Mechanische identificatie In de FPA wordt in flexibele transportsystemen van oudsher veel gebruikgemaakt van eenvoudige mechanische codering op basis van het binaire stelsel. Uit de aan- of afwezigheid van een aantal stalen stiften of stalen plaatjes kan een binaire of andere code uitgelezen worden. De voordelen van deze mechanische systemen zijn hun eenvoud, bestendigheid tegen ruw bedrijf en ongevoeligheid voor elektrische en magnetische velden. Nadelen zijn de beperkte omvang van de codes, de

951806_ BOEK.indb 372

1/04/15 15:04

16 Identificatie 373

beperkte mogelijkheid om de code afneembaar op een product te bevestigen en de geringe of geheel afwezige mogelijkheid tot resetten van de code. Mechanische identificaties zijn meestal aan de werkstukdragers (carriers) vastgemaakt.

16.2.1 Mechanische identificatie met vaste platen Een goed voorbeeld van een mechanische code is een aantal stalen plaatjes dat onder een werkstukdrager is gemonteerd, zie figuur 16.1.

Figuur 16.1 Mechanische identificatie met vaste coderingsplaatjes

Eén hoekpunt is voorzien van een plaatje waarmee de aanwezigheid van de drager in de juiste ­positie wordt gesignaleerd. De overige plaatjes geven een binaire code. Deze code kan met conventionele opnemers worden uitgelezen, bijvoorbeeld mechanisch, pneumatisch, inductief, capa­ citief of optisch (zie hoofdstuk 2). Het aantal productvariaties met de drie plaatjes van figuur 16.1 is maximaal 23 = 8. Door plaatjes toe te voegen kan dit eventueel worden uitgebreid naar 25 = 32 productvariaties, maar dan zijn de grenzen van dit systeem bereikt.

16.2.2 Mechanische identificatie met stiften Een andere methode die veel wordt toegepast is mechanische identificatie met behulp van een aantal stiften. In figuur 16.2 is het principe van deze methode weergegeven, waarbij door de opnemers van links naar rechts het binaire getal 77 wordt gelezen. Deze uitlezing kan door een PLC of computer geïnterpreteerd worden, waarna een actie kan worden ondernomen.

a Stiftdrager (vaste code)

b Stiftdrager (flexibele code)

Figuur 16.2 Mechanische identificatie met stiften

951806_ BOEK.indb 373

1/04/15 15:04

374

Vaak zijn de stiften zodanig gemonteerd dat een code offline handmatig veranderd kan worden.

Het is ook mogelijk om de code tijdens de productie mechanisch te veranderen. Hiervoor worden stiftdragers toegepast waarin codestiften zijn aangebracht, die twee aan twee onderling via een aantal kogeltjes zijn gekoppeld, zie figuur 16.2b. Door middel van kleine pneumatische cilinders is de code na iedere bewerking te veranderen, zodat op een volgend station een nieuwe code wordt gelezen.

Figuur 16.3 Toepassing van het mechanisch identificatiesysteem

In figuur 16.3 is een gedeelte van een transportsysteem te zien waarbij op een werkstukdrager drie stiftdragers zijn gemonteerd. De drager wordt door een stopper recht tegenover de codelezer gepositioneerd, waarna deze de code uitleest en doorgeeft aan de besturing. Het veranderen van de code wordt uitgevoerd door de codezetter die door de besturing wordt gecommandeerd.

De mechanische identificatiesystemen worden inmiddels overvleugeld door de modernere optische en radiografische systemen. Ze handhaven zich nog in productieprocessen met ruw en vuil bedrijf, storende elektrische velden en hogere temperaturen, zoals bij las- en gietwerk. Naast de eerder genoemde uitleesprincipes is het mogelijk om de mechanische codes optisch uit te lezen. Daarmee belanden we op het snijvlak van de mechanische en de optische identificatie, die in de volgende paragraaf wordt behandeld.

16.3 Optische identificatie Identificatiesystemen op basis van optische herkenning kennen meerdere varianten, zowel in informatiedragers als in uitleesmethodieken. Bij optische identificatie zijn de informatiedragers specifieke codedragers op de producten of de productcarriers (bar- en dotcodesystemen), maar ook de ­producten zelf kunnen informatiedragers zijn (visionsystemen). Optische identificatie met gebruik van codedragers berust net als mechanische identificatie op binaire technieken.

Een voorbeeld van optische identificatie is een transportsysteem van dozen, waarbij iedere doos zelfstandig herkend moet worden, zie figuur 16.4.

951806_ BOEK.indb 374

1/04/15 15:04

16 Identificatie 375

Figuur 16.4 Optische codeherkenning

Iedere doos is voorzien van een unieke code met zwarte strepen. Als de dozen een aanwezigheidsdetector x passeren worden de signalen van een aantal parallel geplaatste optische sensoren uit­ gelezen, die via reflectie het al dan niet aanwezig zijn van de zwarte strepen detecteren en deze informatie doorgeven aan een computer. Deze methode heeft het voordeel van de eenvoud, maar kent ook een aantal nadelen: • Er moet een goed contrast tussen de zwarte strepen en het doosoppervlak zijn.

• De hoeveelheid informatie in de code is zeer beperkt.

• De code kan niet gereset worden, dus er moet een duidelijke link zijn tussen een doos en de bijbehorende informatie in de computer.

• De dozen moeten altijd in dezelfde stand aan de detectoren aangeboden worden.

• De omgevingscondities moeten goed zijn (schoon en niet-ruw bedrijf).

Vanwege deze nadelen is dit systeem beperkt inzetbaar in specifieke bedrijven als de verpakkings­ industrie.

Om het nadeel van de beperkte hoeveelheid informatie per codedrager te compenseren zijn de laatste halve eeuw ingenieuze nieuwe coderingstechnieken ontwikkeld, waarvan een groot aantal inmiddels genormaliseerd is en een aantal ook buiten de productieprocessen algemene gangbaarheid verkregen heeft. Een deel van deze coderingen is eendimensionaal, wat inhoudt dat de gehele code uitleesbaar is in een rechte lijn, waarbij de leesrichting meestal niet uitmaakt, zoals de barcode (figuur 16.5a). Een grotere hoeveelheid informatie kan worden opgeslagen in een tweedimensionale code, meestal een vierkant patroon van kleine zwarte en witte vlakken, zoals de QR-code (figuur 16.5b). Technisch is het mogelijk om driedimensionale identificatiesystemen te ontwerpen, zoals met andere datadragers al gebeurd is (bijvoorbeeld de dvd, in feite ook een optisch datasysteem). Vanwege de beschikbare betere alternatieven is hier bij de optische identificatiesystemen niet voor gekozen.

951806_ BOEK.indb 375

1/04/15 15:04

376

a Eendimensionale code

b Tweedimensionale code

Figuur 16.5 Optische codes

Met de opkomst van de visionsystemen (zie 16.3.3) is het mogelijk geworden om alfanumerieke informatie niet eerst om te werken tot codes op producten, productcarriers of verpakkingen, maar de informatie direct aan te brengen en uit te lezen. Het voordeel hiervan is dat de informatie ook direct door mensen uitleesbaar is. Voorbeelden zijn OCR (Optical Character Recognition, het herkennen en weergeven van karakters en tekststrings) en het snellere OCV (Optical Character Verification, het vergelijken van teksten met eerder geleerde teksten, gevolgd door een true- of falsesignaal). Omdat deze technieken (nog) geen grootschalige industriële toepassing gevonden hebben wordt er in dit boek niet verder op ingegaan.

Voor het uitlezen van optische codes zijn verschillende systemen ontwikkeld. In figuur 16.4 vindt uitlezing plaats door separate opnemers voor iedere bit van de te lezen code. Deze methode heeft als voordelen de relatieve eenvoud en de directe (parallel)uitlezing van de code, maar kan eisen dat het product niet beweegt en bij uitgebreidere codes zijn veel sensoren nodig. Scantechnieken waarbij de producten langs enkele (of zelfs één) opnemers bewegen, die de code sequentieel uit­ lezen, hebben deze nadelen niet. Een ander alternatief is de handscanner, waarbij de scanner beweegt en het product stilstaat. De computer vertaalt de sequentiële signalen dan weer in de code.

De scanmethode met separate opnemers is niet zonder bijzondere maatregelen toepasbaar voor de tweedimensionale codes, maar de introductie van de multipixel beeldsensoren (zoals in digitale camera’s) met bijbehorende software maakt ook hier parallel uitlezen mogelijk en rendabel. Ook eendimensionale codes worden steeds vaker met beeldsensoren uitgelezen. De introductie van de beeldsensoren heeft ook geleid tot laagdrempeligheid bij het gebruik van optische codes, denk aan de opkomst van met eenvoudige smartphones uitleesbare QR-codes voor publieksgebruik.

In de volgende sub-paragrafen worden de verschillende optische identificatiesystemen en uitvoeringen van optische identificatiecodes gedetailleerder behandeld.

16.3.1 Eendimensionale optische codes Vrijwel alle handelsgoederen of hun verpakkingen zijn voorzien van bar- of streepjescodes, meestal uitgevoerd met witte en zwarte strepen. Deze codes worden direct opgedrukt of met etiketten opgeplakt. Aan de barcode, in de VS ontwikkeld voor de voedingsmiddelenindustrie en -handel door Woodland en Silver, is in 1952 patent verleend. De eerste codes, opgebouwd uit vier streepjes, leiden enkele jaren een slapend bestaan, maar met de opkomst van de supermarkten ontstond behoefte aan een eenduidige productcodering die vanaf de productiewerkvloer in de industrie tot aan de kassa van de detailhandel niet veranderd hoefde te worden. In 1974 verschenen de barcodes voor het eerst in de supermarkten, waarna de opmars inzette van het volledig geautomatiseerde voorraadbeheer. De grote doorbraak kwam met de snelle opkomst van de digitale elektronica, de ICT en de laser-optica. Helaas volgde toen een periode waarin verschillende bedrijven hun eigen barcodesysteem ontwikkelden, wat tot een onwerkbare situatie leidde. Normalisatiecommissies hebben het aantal toegepaste barcodes teruggebracht tot een werkbare hoeveelheid.

951806_ BOEK.indb 376

1/04/15 15:04

16 Identificatie 377

Veel soorten barcodes worden tegenwoordig industrieel gebruikt. Voor industriële toepassingen is de 3 uit 9-code overheersend, maar ook de 2 uit 5-code, de interleaved 2 uit 5-code en de codabar-code kennen nog een breed toepassingsgebied. Voor de detailhandel zijn alleen de UPC/ EAN-codes overgebleven als algemeen aanvaarde standaard. In figuur 16.6 is een aantal barcodes weergegeven.

Figuur 16.6 Verschillende barcodes

Het voordeel van identificatie door middel van barcodes is dat het product niet gefixeerd hoeft te worden tijdens het lezen van de code en dat de hoeveelheid informatie groter kan zijn dan in andere typen codes. Het nadeel van barcodes is dat barcodes niet geschikt zijn voor een ruwe omgeving en ook niet zonder meer voor tussentijdse wijzigingen in de status van producten.

Als grotere hoeveelheden informatie in de code opgenomen moeten worden schiet ook de barcode tekort, zeker als maar een klein productoppervlak voor het aanbrengen van de code beschikbaar is.

Door de informatie niet meer in één maar in twee richtingen weer te geven – binnen een rechthoek of vierkant met ronde of vierkante dots in plaats van streepjes – wordt de informatiedichtheid per oppervlakte-eenheid sterk vergroot. Voorbeelden van tweedimensionale codes zijn de wat oudere dot-code, de populaire QR-code en de datamatrix-code. Deze codes worden later in dit hoofdstuk kort behandeld.

Toepassingen van barcodes Barcodes kennen een zeer groot aantal toepassingen. Het lezen van barcodesymbolen met behulp van speciale elektronische lezers is een snelle, nauwkeurige methode om bijvoorbeeld gegevens van een persoon (een bibliotheek- of werknemerskaart) te koppelen aan een plaats (aanwezigheid in een bedrijf) of een voorwerp (een uitgeleend boek).

951806_ BOEK.indb 377

1/04/15 15:04

378

Figuur 16.7  Toepassing van een barcode

In figuur 16.7 zien we een voorbeeld van de toepassing van een barcode bij het controleren van de aankomst van een doos met producten. In deze barcode is alle belangrijke informatie over de inhoud van de doos opgenomen.

In de detailhandel wordt de UPC/EAN-code op zeer grote schaal toegepast. Dit heeft een zo grote vlucht genomen dat producenten de barcodes rechtstreeks op hun producten afdrukken, zodat dit niet meer in de winkel behoeft te gebeuren. Doordat de volledige informatie voor productidentificatie al standaard in de barcode zit, hoeft op winkel(keten)niveau alleen nog de productverkoopprijs aan de productcode gekoppeld worden in de bedrijfscomputer. Daardoor wordt het intypen van de prijzen aan de kassa overbodig, het bijhouden van de productvoorraden verloopt nu automatisch en prijswijzigingen zijn direct en eenvoudig uitvoerbaar. In figuur 16.8 zien we een voorbeeld van het uitlezen van barcodes in een winkel.

Figuur 16.8  Uitlezen van barcodes in een winkel

951806_ BOEK.indb 378

1/04/15 15:04

16 Identificatie 379

Onderverdeling van barcodesystemen Barcodesystemen kunnen worden onderverdeeld in discrete codes en continue codes. In discrete codes zijn alle bars waaruit de karakters bestaan gescheiden door een vaste spatiebreedte. Een voorbeeld is de 3 uit 9-code, zie figuur 16.9a. Bij de continue code worden geen scheidingsruimten toegepast, maar begint ieder karakter met een streep en eindigt met een ruimte, zie figuur 16.9b.

De spaties zijn in dit geval ook informatiedragers.

a Discrete code (3 uit 9-code)

b Continue code

Figuur 16.9 Discrete en continue code

Een tweede onderverdeling van barcodes is die in breedte-gecodeerde en kleur-gecodeerde symbolen. Bij de breedte-gecodeerde symbolen worden alle enen voorgesteld door brede bars en de ­nullen door smalle bars (voorbeelden: 2 uit 5-code, 3 uit 9-code). Bij de kleur-gecodeerde symbolen worden alle enen voorgesteld door zwarte bars en de nullen door witte bars (voorbeeld: EAN-codes).

Een derde onderverdeling is die in numerieke en alfanumerieke codes. De oorspronkelijke barcodes werkten alleen met getallen. Later ontstond ook de behoefte aan het werken met alfanumerieke informatie. Omdat een modificatie van de numerieke codes te lange codes op zou leveren, zijn voor alfanumerieke toepassingen speciale barcodes ontwikkeld. Een voorbeeld hiervan (code 39) komt hierna aan de orde bij de behandeling van enkele specifieke barcodes.

Opbouw van barcodes Van links naar rechts bestaat een barcode vrijwel altijd uit de volgende componenten: • een startcode (een vaste combinatie van bars); • de eigenlijke boodschapcode (combinatie van bars is afhankelijk van de informatie); • een stopcode (een vaste combinatie van bars).

Daarnaast kunnen code-afhankelijk nog extra bars zijn toegevoegd, bijvoorbeeld: • bars die onderdelen van de boodschap scheiden, aangebracht op specifieke plaatsen in de code; • bars die de boodschapcode verifiëren, meestal aangebracht tussen de laatste boodschapbar en de stopcode (bijvoorbeeld voor een pariteitscontrole).

951806_ BOEK.indb 379

1/04/15 15:04

380

Een code met een ‘even pariteit’ bevat een even aantal ‘enen’. Als de boodschapcode zelf een oneven aantal ‘enen’ bevat, zal het pariteitsbit de waarde ‘1’ hebben. Bij een even aantal ‘enen’ heeft het bit de waarde ‘0’. Wordt bij een even code een oneven aantal ‘enen’ (inclusief pariteitsbit) gevonden, dan is die code dus fout uitgelezen.

Doordat barcodes meerdere ingebouwde controlemechanismen bezitten, zijn ze zeer foutbestendig.

Doordat de meeste controlemechanismen ook hersteleigenschappen bezitten, worden fout gelezen codes toch goed verwerkt, zonder dat een tweede uitlezing nodig is. Barcodes zijn met andere woorden zeer ‘redundant’ of fouttolerant. De controle- en herstelmechanismen zijn afhankelijk van het type barcode.

Typen barcode Hierna worden de meest toegepaste barcodes met de bijbehorende controle- en herstelvoorzieningen besproken: • two of five (2 uit 5); • interleaved two of five; • code 39 (3 uit 9); • UPC-code; • EAN-code.

Two of five-code Een veel toegepaste en vrij eenvoudige code is de discrete breedte-gecodeerde numerieke ‘two of five-code’ (2 uit 5-code). Deze wordt onder andere toegepast in productiebedrijven en bij de controle van vliegtuigtickets. In deze code worden steeds vijf strepen voor ieder karakter gebruikt.

Twee van de strepen zijn breed (de enen) en drie smal (de nullen), vandaar de naam 2 uit 5, zie figuur 16.9a. Gezamenlijk geven deze vijf strepen een cijfer weer. De code is verder verdeeld in de volgende onderdelen (in volgorde van links naar rechts): • een startcode bestaande uit achtereenvolgens twee dikke strepen en een dunne; • een aantal karakters (waarden) die zijn uitgevoerd als blokken van vijf zwarte strepen waarvan twee strepen altijd dik zijn; • een controlekarakter waarmee wordt gecontroleerd of de uitlezing correct is; • een stopcode bestaande uit achtereenvolgens een dikke, een dunne en een dikke streep.

De tussenruimte tussen de strepen is bij deze code altijd gelijk. In tabel 16.1 is de opbouw van de two of five-code te zien.

Figuur 16.10 Two of five-code

951806_ BOEK.indb 380

1/04/15 15:04

16 Identificatie 381

nummer

code

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Start Stop

00110 10001 01001 11000 00101 10100 01100 00011 10010 01010 110 101

Tabel 16.1 Two of five-code

De two of five-code heeft een aantal ingebouwde mogelijkheden om fouten op te sporen: • Er mogen maar twee brede strepen in een groep van vijf strepen aanwezig zijn (de code heeft een even pariteit).

• Het aantal bars, exclusief de start- en stopbars, moet altijd een veelvoud van vijf opleveren.

• Alle cijfers worden opgeteld, waarna het laatste cijfer van deze som voor het stopteken als checksum of controlekarakter gebruikt wordt. In figuur 16.10 is het controledigit gelijk aan 2 + 2 + 1 + 4 = 9.

De two of five-code kent meerdere uitvoeringen, die zich onderscheiden door de uitvoering van de start- en stopcodes en de wijze van berekenen van het controlegetal. De verwerkingssoftware moet daar specifiek op aangepast zijn. lnterleaved two of five-code Een effectieve methode om de lengte van barcodes te beperken is het gebruiken van de witruimtes tussen de strepen. Als deze witruimtes geen vaste breedte hebben, maar variabel zijn, kunnen ze breedte-gecodeerd gemaakt worden. Toegepast op de two of five-code ontstaat dan de interleaved two of five-code. Figuur 16.11 toont het getal 3852 in deze code, waarbij de cijfers 3 en 5 in zwarte strepen worden weergegeven en de cijfers 8 en 2 daartussen in witte strepen. De code wordt toe­ gepast in de transportsector, bijvoorbeeld op vliegvelden en in parkeergarages, zie figuur 16.12.

Figuur 16.11 lnterleaved two of five-code

951806_ BOEK.indb 381

1/04/15 15:04

382

Figuur 16.12 Interleaved two of five-code op een parkeerticket

Code 39 (three of nine-code) De two of five-barcodes zijn numeriek. Om ook alfanumeriek te kunnen werken op een relatief klein oppervlak is de three of nine-code (code 39) ontwikkeld. Deze code is discreet, breedte-gecodeerd, en alfanumeriek en bezit een oneven pariteit. Elk karakter wordt gemaakt met behulp van vijf ­strepen en vier tussenruimten, waarvan er altijd drie breed zijn (de enen) en zes smal (de nullen), zie figuur 16.13. In figuur 16.14 zijn de karakters van deze code weergegeven. Code 39 vinden we bijvoorbeeld in de defensie- en de papierindustrie.

Figuur 16.13 Code 39

Figuur 16.14 Karaktercodes van code 39

Het controlekarakter van code 39 is gelijk aan modulus (43) van de som van de boodschapkarakters en wordt tussen het laatste boodschapkarakter en het stopkarakter geplaatst. Om ook de alfakarakters numeriek op te kunnen tellen voor de bepaling van het controlekarakter wordt aan ieder karakter een numerieke waarde toegekend, zie figuur 16.14.

Voorbeeld 16.1 In het symbool van figuur 16.13 is geen controlekarakter toegevoegd. Wat zou dit karakter moeten worden?

951806_ BOEK.indb 382

1/04/15 15:04

16 Identificatie 383

Oplossing

(C + O + D + E) = 12 + 24 + 13 + 14 = 63 63

Modulus (43) van 63 = rest van 43 , dus 20 en dit getal is weer gelijk aan het karakter K. Dit symbool moet dus geplaatst worden tussen karakter E en de stopcode:

Een variant van code 39 is de Full ASCII code 39, waarin meer karakters beschikbaar zijn.

UPC-code De Universal Product Code (UPC) is primair ontwikkeld voor de winkelsector om het automatisch lezen van productnummers in combinatie met de prijs van het product mogelijk te maken. In april 1973 werd deze code de industriële standaard voor de VS. De UPC-code is continu en werkt met zowel de strepen als de tussenruimten. De symbolen zijn kleur-gecodeerd (1 = zwart, 0 = wit). Ieder karakter is opgebouwd uit zeven bits. Ieder bit is één module breed. Drie nullen naast elkaar geeft dus een witte streep van drie modules breed. Ieder karakter bevat zeven bits, dus ieder karakter is zeven modules breed (zie figuur 16.15). Als extra ­controlemogelijkheid op fouten bestaat ieder karakter uit twee zwarte en twee witte velden. In tegenstelling tot de eerder behandelde codes, waarbij ieder karakter door een enkel eenduidig bit­ patroon voorgesteld wordt, wordt ieder karakter in de UPC-code gerepresenteerd door twee bitpatronen die elkaars complement zijn. In tabel 16.2 zien we deze bitpatronen, waarbij bitpatroon A een oneven en bitpatroon C een even pariteit heeft (bitpatroon B komt aan de orde bij de EANcode).

In figuur 16.15 zijn de beide UPC-codes van het getal 7 in bitpatroon A en C weergegeven. De twee strepen en twee tussenruimten zijn opgedeeld in zeven modules. codecijfer

bitpatroon A

bitpatroon B

bitpatroon C

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

0001101 0011001 0010011 0111101 0100011 0110001 0101111 0111011 0110111 0001011

0100111 0110011 0011011 0100001 0011101 0111001 0000101 0010001 0001001 0010111

1110010 1100110 1101100 1000010 1011100 1001110 1010000 1000100 1001000 1110100

Tabel 16.2 Bitpatronen

951806_ BOEK.indb 383

1/04/15 15:04

384

Figuur 16.15 Opdeling in modules

In figuur 16.16 zien we een voorbeeld van een UPC-code waarin ‘1234567890’ is opgenomen.

Figuur 16.16 UPC-code

De code wordt gesplitst in een rechter- en een linkerhelft door scheidingsstrepen in het midden, die iets langer zijn dan de codestrepen. Het linker gedeelte bestaat uit een linker grenscode met daarnaast een systeemnummer en vervolgens vijf leverancierskarakters.

De systeemcode en de leverancierscode worden weergegeven in de oneven pariteit en bitpatroon A. De rechterhelft bestaat achtereenvolgens uit vijf artikelkarakters, een controlekarakter en de rechter grenscode. De artikelcodes en de controlecode zijn weergegeven in de even pariteit en bitpatroon C. De totale code bestaat dus uit twaalf karakters die informatie bevatten. Ondanks het feit dat de

951806_ BOEK.indb 384

1/04/15 15:04

16 Identificatie 385

start- en de stopcode identiek zijn, weet de uitleesapparatuur of er van voor naar achter of van ­achter naar voren gelezen wordt. Heeft de eerste karaktercode een even pariteit, dan wordt van achter naar voor gelezen.

De EAN-code In Europa introduceerde de EAN (European Article Numbering) in 1976 de EAN-code, die is gebaseerd op de UPC-code. De UPC- en de EAN-code hebben dezelfde symboliek en zijn in een groot aantal gevallen door dezelfde apparatuur leesbaar. Een verschil is dat bij de EAN-code een landencode van twee karakters is opgenomen. Een EAN-codescanner kan zonder problemen een UPCcode lezen. Het omgekeerde is echter niet in alle gevallen waar. Het tweede verschil tussen UPC en EAN is dat bij de EAN-code de linkerhelft is getekend met bitpatroon A en B en de rechterhelft met bitpatroon C.

Figuur 16.17 EAN-13-code

De EAN-code heeft twee versies: EAN-13 en EAN-8. In figuur 16.17 zien we een EAN-13-code. De EAN-13-code bevat dertien numerieke karakters, maar daarvan worden er slechts twaalf direct in bars weergegeven.

In plaats van het UPC-systeemnummer zien we in figuur 16.17 op positie 12 (van rechts af geteld) alleen het tweede cijfer (7) van het tweecijferige landennummer (87) weergegeven in bars, terwijl het eerste cijfer daarvan alleen als een decimaal getal (8) vóór de code aan de linker onderzijde staat en dus niet direct uitgelezen kan worden door een uitleesapparaat dat alleen bars herkent. Dit karakter wordt na uitlezing van de 12 wel in bars weergegeven karakters softwarematig bepaald uit de combinatie van bitpatronen in de linkerhelft (de karakters 7 t/m 12) van de code, zie tabel 16.3.

951806_ BOEK.indb 385

1/04/15 15:04

386

Dertiende codecijfer

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

bitpatroon per positie serie A of B 12 A A A A A A A A A A

11 A A A A B B B B B B

10 A B B B A B B A A B

9 A A B B A A B B B A

8 A B A B B A A A B B

7 A B B A B B A B A A

Tabel 16.3 Dertiende codecijfer

Het controlekarakter (6 in figuur 16.17) wordt voor de UPC- en de EAN-code op dezelfde manier samengesteld: • Aan elk karakter wordt een positie toegekend, lopend van rechts naar links. Het controlekarakter staat dus op positie 1 en het samengestelde karakter op positie 13.

• Op basis van een formule wordt een getal samengesteld. Getal = som van de karakters op de oneven posities exclusief het controlekarakter en inclusief het samengestelde karakter + drie maal de som van de karakters op de even posities.

Getal = (9 + 7 + 5 + 3 + 1 + 8) + 3 × (0 + 8 + 6 + 4 + 2 + 7) = 114.

• Het controlekarakter wordt gevonden door het getal af te trekken van het eerstvolgende tiental, in dit geval 120. Het controlekarakter wordt dan: 120 − 114 = 6.

Het controlekarakter bij de UPC- en de EAN-code is gelijk aan het 10-complement van de modulus (10) van de som van de oneven gepositioneerde karakters plus drie maal de som van de even gepositioneerde karakters. Deze methode van controlekarakterbepaling wordt bij veel barcodes toegepast (ook bij de uitgebreide two of five-codes).

De UPC- en EAN-codes zijn zo opgezet dat bij een maximum aan beschadigingen en/of leesfouten van de bars de computer toch nog de juiste code kan genereren zonder herhaling van de uitleesprocedure. Bij een fout-uitleespercentage van 1% is de kans op een fout in de codebepaling kleiner dan een op een miljoen.

Het lezen van barcodes Het uitlezen van de gegevens die in een barcode zijn opgeslagen gebeurt met een barcode-lees­ installatie, die bestaat uit een leesapparaat en een decoder, zie figuur 16.18.

951806_ BOEK.indb 386

1/04/15 15:04

16 Identificatie 387

Figuur 16.18 Schematische voorstelling van een leeseenheid

De lezer is een apparaat dat met elektronisch-optische technieken de barcode aftast. De beweging die voor dit scannen nodig is, kan worden gerealiseerd door: • een handscanapparaat, bijvoorbeeld een leespen; • een automatisch aftastsysteem; • een beweging van de barcode langs de lezer.

De output van de lezer is gebaseerd op de reflectie die op het afgetaste punt optreedt. In figuur 16.19 zien we een voorbeeld van het aftasten van een barcode weergegeven.

Figuur 16.19 Aftasten van een barcode

a Ruw signaal uit fotodiode

b Signaal na bewerking

Fig 16.20 Ruw en geconditioneerd signaal

Een lezer is meestal een actief systeem dat de barcode met lichtenergie verlicht en daarna de hoeveelheid gereflecteerd licht opvangt met behulp van een fotodiode. Deze fotodiode genereert een kleine spanning die recht evenredig is met het geretourneerde licht. Hierna zal een versterker in de lezer de spanning van het signaal verhogen naar een voor de decoder bruikbaar niveau. Als de lichtbundel zich over de barcode verplaatst zal de spanning van de versterker variëren, zie figuur 16.20a.

951806_ BOEK.indb 387

1/04/15 15:04

388

Dit analoge signaal wordt aan een signaalconditioneerder of decoder toegevoerd, die het omzet in een digitaal signaal, zie figuur 16.20b. Deze datastroom kan worden ingevoerd in een computer, ter plaatse worden opgeslagen voor latere bewerking, of verwerkt worden in een eigen toepassingsprogramma van de leeseenheid als stand alone-apparaat.

16.3.2 Tweedimensionale optische codes Omdat de hoeveelheid informatie die een barcode kan bevatten beperkt is, is gezocht naar manieren om meer data in optische vorm weer te geven zonder dat de code daardoor langer wordt. In eerste instantie werd de gestapelde code ontwikkeld, in feite niet meer dan een aantal boven elkaar geplaatste barcodes met de start- en stopkarakters over de volledige hoogte van de code. Als de informatie echter niet alleen in rijen wordt weergegeven, maar ook in kolommen, kunnen veel meer data opgeslagen worden zonder het oppervlak van de code te vergroten. Zo ontstonden de eerste matrixcodes, zie figuur 16.5b.

Enige kenmerken van matrixcodes: • hoge informatiedichtheid; • hoge betrouwbaarheid (onder meer door sterke ingebouwde controlemechanismen); • relatief klein bevestigingsoppervlak; • uitleesbaar in iedere stand; • uitleesbaar bij lage contrastverhoudingen.

Waar de eendimensionale codes een redelijk zelfherstellend vermogen hebben, onder andere door toepassing van controlegetallen, gaan de matrixcodes nog een stap verder door gebruik te maken van overlaptechnieken (redundantie). Dat betekent dat de informatie meermaals in de code opgenomen is. Ook zijn de data zodanig gecodeerd dat deze bij foutieve uitlezing met behulp van wiskundige algoritmes verder gecorrigeerd kunnen worden.

Typen matrixcode Hierna worden drie verschillende matrixcodes behandeld: de dotcode, de datamatrixcode en de QR-code.

Dotcode Al in een vroeg stadium werden matrixcodes ontwikkeld om producten met weinig beschikbaar bevestigingsoppervlak voor een code toch te kunnen herkennen, bijvoorbeeld de assen van elektromotoren, waar alleen op de radiale oppervlakken van de asuiteinden plaats is. Een voorbeeld van zo’n vroege matrixcode is de 7×7-dotcode, zie figuur 16.21.

Figuur 16.21 7×7-dotcode

951806_ BOEK.indb 388

1/04/15 15:04

16 Identificatie 389

De posities in de matrix met zwarte dots worden gelezen als ‘enen’, de posities in de matrix zonder dots (oftewel de ‘witte’ dots) worden gelezen als nullen. Van de 49 beschikbare dots zijn er 31 beschikbaar voor de eigenlijke informatieopslag, want tien zwarte dots op speciale posities definiëren de leespositie (hoek en spiegeling) en acht zwarte en witte dots op speciale posities definiëren de controlecode, de 8 CRC-check (8-bits cyclic redundancy check). Naast de 7×7-code bestaan ook 6×6-, 8×8-, 10×10- en 12×12-codes.

De dotcode wordt door fabrikanten nog wel gebruikt op ruwe plaatsen, maar voor andere toepassingen is hij overvleugeld door modernere en internationaal genormaliseerde matrixcodes als de datamatrix- en QR-code. Bij die codes wordt niet meer van ‘dots’ maar van ‘cellen’ of ‘modulen’ gesproken. In nieuwere uitvoeringen van matrixcodes mogen cellen ook rechthoekig zijn in plaats van vierkant of zelfs vrijere vormen hebben, maar de vierkante celvorm zorgt nog wel voor een betere leesbaarheid.

Datamatrix-code De datamatrix-code is ontwikkeld voor zeer brede toepassing in de industrie- en transportsector.

Inmiddels hebben (delen van) de luchtvaart-, de elektronische en de farmaceutische industrie deze code als standaard voorgeschreven. De code komt voor in verschillende formats, alle genormaliseerd in ISO/IEC 16022. Voorbeelden van de data-matrixcode zijn weergegeven in figuur 6.22

a

b

c

Figuur 16.22 Voorbeelden van datamatrix-codes

Herkenbaar in deze code is altijd: • de linker- en onderzijde bestaan geheel uit zwarte cellen; • de rechter- en bovenzijde bestaan uit afwisselend zwarte en witte cellen.

Deze L-patronen zijn nodig voor het bepalen van de soort code, de afmetingen van de code en de cellen en voor de bepaling van de mate van vervorming. Als de L-patronen beschadigd zijn is de code niet te lezen.

Gebruikelijk is om zwarte cellen als ‘enen’ te gebruiken en witte als ‘nullen’, maar de normen staan ook de inverse notatie en het gebruik van andere kleuren toe. De code is in zeer kleine uitvoeringen (vijftig symbolen op enkele vierkante millimeters) nog toepasbaar, maar de grootte van de cellen ligt meestal tussen de 0,1 en 1 mm. Rondom de code moet zich een vrije ruimte van minimaal één celbreedte of -hoogte bevinden. De code omvat matrices van 10×10 tot 144×144 cellen. Als de code meer dan 32×32 cellen bevat, worden uitlijnpatronen toegepast. Dit is weergegeven in figuur 6.22.c.

951806_ BOEK.indb 389

1/04/15 15:04

390

Het foutherstelvermogen van de datamatrixcode is goed: tot 30% van de boodschap­informatie mag beschadigd zijn in de ECC200-versie (ECC200 verwijst naar de toegepaste sterke Reed-­ Salomonalgoritmes voor foutcorrecties).

QR-code In 1994 werd door de firma Denso Wave de QR-code (QR = Quick Response) geïntroduceerd voor de snelle identificatie van auto-onderdelen van Toyota en Isuzu. Inmiddels is deze code volledig ingeburgerd, mede door de opkomst van apps voor QR-codes ten behoeve van smartphones en tablets, waar een camera vrijwel altijd standaard ingebouwd is. De oorspronkelijke uitlezing, eerst een foto nemen en die daarna analyseren, wordt snel achterhaald door een generatie apparatuur die de code real time scant. De code duikt op in advertenties, op producten, op etalageruiten, op tickets, in de horeca, enzovoort. Een QR-code kan rechtstreeks informatie aan de gebruiker (door) geven, bijvoorbeeld e-mailadressen, contactinformatie en GEO-informatie, maar omdat de hoeveelheid data in de code beperkt is (maximaal 7089 tekens in een standaard QR-code) wordt hij ook veel gebruikt voor het geven van directe links naar een website, waar dan veel meer informatie beschikbaar is.

Denso Wave heeft de QR-code vrijgegeven, wat betekent dat iedereen niet alleen de code mag lezen, maar ook zelf mag genereren, al dan niet met hulp van bedrijven die zich hiertoe volop aanbieden.

a QR

b QR

c iQR

d iQR

Figuur 16.23 Voorbeelden van QR-codes

In figuur 16.23a en b zijn twee normale QR-codes weergegeven. Van de QR-code zijn inmiddels ook (nog) niet-genormaliseerde varianten verschenen, zoals de kleine vierkante m(icro)QR-code.

Een andere variant is de iQR-code (zie figuur 16.23.c en d), die afwijkende vormen en de weergave van artistieke beelden, zoals logo’s, toestaat.

De QR-code is genormaliseerd in ISO/IEC 18004. De grootte van de code varieert van 21×21 tot 177×177 modulen, oplopend met 4×4. De grootste code kan maximaal 7089 numerieke of 4296 alfanumerieke karakters bevatten, afhankelijk van het ingestelde niveau van de foutcorrectie (7, 15, 25 of 30%). De standaardindeling van de code is voor alle groottes vrijwel identiek, zie figuur 16.24, alleen het aantal modulen voor de uitlijnpatronen neemt toe met de codegrootte.

Figuur 16.24 Indeling van QR-code

951806_ BOEK.indb 390

1/04/15 15:04

16 Identificatie 391

16.3.3 Visionsystemen In geautomatiseerde productieprocessen is het zinvol of zelfs noodzakelijk om geometrie- en kwaliteitscontroles automatisch te laten uitvoeren. Bij complexe controles en handelingen kunnen sensoren en signaalgevers te ingewikkelde configuraties vergen, of zelfs geheel tekortschieten.

Voorbeelden waarbij automatische controle zinvol is, zijn: • Controle van barcodes op een groot aantal snel bewegende producten in niet gedefinieerde posities met een optisch systeem dat, ongeacht de productpositie, de aanwezigheid van de barcode signaleert en de bars parallel uitleest (en niet serieel).

• Controle van meer-dimensionale codes en alfanumerieke of met figuren bedrukte etiketten.

• Controle van producten waarop geen codes aangebracht kunnen worden omdat het aantal te groot is, of omdat de geometrie of de aard van het product het aanbrengen van codes niet toelaat, of omdat de waarde van het product zo laag is dat codering te duur wordt.

• Controle van meerdere grootheden, zoals geometrie, kleuren en oppervlaktegesteldheden, door slechts één enkele sensor.

In deze gevallen kunnen we gebruikmaken van optische systemen die een compleet beeld kunnen detecteren, bewerken en verwerken, de zogenoemde beeldherkenning- of visionsystemen. Vision­ systemen kennen veel meer toepassingen dan inzet in productie-omgevingen, denk bijvoorbeeld aan camera’s met gezichtsherkenning. Al die toepassingen stellen hun eigen specifieke eisen en vragen speciale uitvoering van de benodigde hard- en software. De uitvoeringen en opstellingen die specifiek zijn voor industriële (productie)doeleinden worden aangeduid als Machine Vision Systemen. Het principe en de uitvoering van dit systeem wordt in figuur 16.25 weergegeven.

a Principeschema

b Opstellingschema

c Uitvoering

Figuur 16.25 Eenvoudig visionsysteem

951806_ BOEK.indb 391

1/04/15 15:04

392

Waar andere sensoren zich grotendeels beperken tot detectie van aanwezigheid geeft een vision­ systeem meer mogelijkheden, zoals vormherkenning, montagecontrole, verdergaande maatcontrole dan alleen goedkeur/afkeur, kleurcontrole, positiebepaling voor handlingssystemen, zoeken van producten in een vlak of een ruimte, 3D-scannen voor geautomatiseerde productreproductie en inzet in veiligheidssystemen. Tegenover deze voordelen staan echter ook nadelen, zoals een hogere kostprijs, een langere opstarttijd en grotere afmetingen. Het oorspronkelijke nadeel van een lagere handelingssnelheid wordt steeds minder relevant door voortdurende verbeteringen in de hard- en software.

Een machine-visionsysteem is in hoofdlijnen opgebouwd uit vijf componenten: beeldopnemer, belichter, computer, software voor beeldconditionering en software die op basis van vergelijking met een gewenst beeld de uiteindelijke signalen of de commando’s voor een besturing genereert.

Voor de meest gangbare en eenvoudige toepassingen zijn al die componenten en functies vaak in een enkele behuizing ondergebracht. Voor systemen die onder moeilijker omstandigheden moeten werken worden de componenten gescheiden, bijvoorbeeld een separate belichtingsunit als specifieke kenmerken van een product duidelijker zichtbaar gemaakt moeten worden of een separaat computersysteem bij complexe beeldvergelijkingen.

Een visionsysteem benadert het menselijke proces van zien, analyseren en determineren, maar mist momenteel nog de uitgebreide fuzzy eigenschappen waarover de mens zelf in een dergelijk proces beschikt, al zijn er wel duidelijke ontwikkelingen op dat gebied. Daar tegenover staat dat een vision­ systeem zijn taak continu zonder menselijke vermoeidheidsverschijnselen kan uitvoeren en op plaatsen kan opereren die voor mensen gevaarlijk zijn.

Objectief en beeldopnemers Het front end van een visionsysteem is de camera. In tegenstelling tot de eerder besproken foto-elektrische sensoren (fotocellen), die slechts een enkel gevoelig beeldpunt bezitten (en daarmee slechts het verschil tussen licht en donker kunnen detecteren) is de beeldopnemer van een visionsysteem uitgevoerd met een groot aantal beeldpunten (pixels), waarmee zowel de vorm als de afmetingen (en eventueel de kleuren en de oppervlaktegesteldheid) van een product gedetecteerd kunnen worden, zie figuur 16.26.

a Foto-elektrische sensor

b Visionsensor

Figuur 16.26 Visionsensor en fotosensor

951806_ BOEK.indb 392

1/04/15 15:04

16 Identificatie 393

a Configuratie en aantal pixels

b Resolutie

Figuur 16.27 Pixels en resolutie

Voor de nauwkeurigheid waarmee een productgeometrie gedetecteerd moet worden zijn zowel de sensorresolutie (= aantal pixels of fotodioden, zie figuur 16.27) als de kwaliteit van het objectief belangrijk. Met de huidige stand van de techniek zijn sensoren tot vijftig megapixels al mogelijk.

Door softwarematige interpolatietechnieken kan de resolutie van een visionsysteem verder verhoogd worden, maar dergelijke aantallen pixels zijn alleen zinvol voor geometriebepalingen als zeer hoge eisen gesteld worden aan de kwaliteit van het cameraobjectief (vooral wat de vervorming betreft).

Een tweede aandachtspunt voor het cameraobjectief is de brandpuntsafstand. Deze bepaalt de zogenoemde kijkhoek van de camera; bij een korte brandpuntsafstand hoort een grote kijkhoek, in welk geval een relatief korte afstand tussen de camera en het te detecteren product nodig is, zie figuur 16.28.

Figuur 16.28 Brandpuntsafstand en kijkhoek

a Lange brandpuntafstand

b Korte brandpuntafstand

Figuur 16.29 Brandpuntafstand en vervorming

951806_ BOEK.indb 393

1/04/15 15:04

394

Figuur 16.30 Scherptediepte

Bij een kleinere brandpuntsafstand neemt wel de beeldvervorming toe (zie figuur 16.29) en ook vermindert de scherptediepte (de afstand tussen de grenzen waarbinnen een objectief scherp ziet), zie figuur 16.30. Een goed objectief met grotere brandpuntsafstand is echter weer aanzienlijk duurder.

Het softwarematig corrigeren van afwijkingen in het objectief is technisch wel mogelijk, maar is ook kostbaar, vergt aandacht, kan nieuwe problemen introduceren en wordt voor normaal gebruik afgeraden.

Relatief goede camera’s met lage resolutie zijn goedkoop, maar goede camera’s met hoge resolutie zijn duur; een goede keuze is dan ook van belang. Voor eenvoudige vormdetectie kan met een simpele camera met lage resolutie volstaan worden, voor nauwkeurige vorm- en/of maatdetectie zijn hoogwaardige camera’s vereist.

Een aandachtspunt bij opnamen met een camera is beeldruis, die de nauwkeurigheid negatief beïnvloedt. Ruis kan binnen de camera geïnitieerd worden, bijvoorbeeld door een hoge versterking van de sensor om een hoge lichtgevoeligheid te verkrijgen, maar ook erbuiten, bijvoorbeeld door stofdeeltjes of door een niet goed gekozen productbelichting.

Belichting Naast de kwaliteit en resolutie van de camera beïnvloedt de zichtbaarheid van de te detecteren producteigenschap(pen) de nauwkeurigheid van het visionproces. Productkenmerken die de zichtbaarheid bepalen, zijn: • vorm; • structuur (vooral van het oppervlak); • kleur; • transparantie (doorlichtend, doorschijnend, opaak).

Of deze kenmerken goed worden gedetecteerd in een visionproces staat of valt met de belichting van het product. Bij de belichting moet niet alleen gekeken worden naar het licht van de lichtbron zelf, maar ook naar het optreden van parasitaire lichteffecten, zoals ruimteverlichting, reflectie van de werkvloer en passerende vorkheftrucks.

951806_ BOEK.indb 394

1/04/15 15:04

16 Identificatie 395

Een eenduidig, overal toepasbaar belichtingsplan is niet te geven, aangezien enerzijds de optische eigenschappen van producten (zoals reflectie, absorptie, emissie en diffusie) zeer sterk verschillen en anderzijds in verschillende situaties verschillende kenmerken van een product gedetecteerd worden. Als vuistregels kunnen we wel hanteren: • Verwijder alle objecten uit de te belichten ruimte die niets te maken hebben met het product, scherm ze af waar verwijdering niet mogelijk is.

• Kies een lichtbron en een belichtingstechniek die toegespitst zijn op het te belichten product en op de te meten hoedanigheid.

• Gebruik constante belichting zonder schaduweffecten.

• Maak het product optisch los van zijn achtergrond door verhoging van het contrast door middel van de juiste lichtbronkeuze en lichtbronopstelling.

• Kies de juiste afstand tussen de lichtbron en het product. Kies de beste belichtingstijd van de camera.

Veelgebruikte lichtbronnen zijn: • Led (Light Emitting Diode) Voordelen: monochromatisch licht, in een groot aantal frequenties verkrijgbaar, lange frequentiestabiliteit, lange levensduur, robuust, hoog rendement, geschikt voor kleine producten.

Nadeel: lage lichtintensiteit (al verbetert dat snel).

• Fluorescentie (zoals tl) Voordelen: goedkoop, in veel vormen verkrijgbaar, breed zichtbaar wit- en uv-spectrum, dif­ fuus, geschikt voor grote te belichten oppervlakken.

Nadelen: kwetsbaar, kortere levensduur, frequentie- en intensiteitdrift, gemiddelde warmte­ ontwikkeling.

• Halogeen Voordelen: wit licht, hoge lichtintensiteit, voor grote en kleine oppervlakken, lichtpatroon met fiberoptica eenvoudig aanpasbaar.

Nadelen: duur (door vereiste fiberoptica), korte levensduur, grote warmteontwikkeling.

Led, fluorescentie en halogeen worden toegepast als continue belichting voor algemeen gebruik.

Waar een hoge lichtsterkte slechts een kort moment vereist is, zoals bij snel bewegende, onregelmatig verdeeld verschijnende producten, wordt gebruikgemaakt van flits- of stroboscoopbelichting.

In dat geval wordt meestal een xenon-lichtbron ingezet, al zijn leds inmiddels ook op dit gebied in opkomst.

Positie van de lichtbron De positie van de lichtbron ten opzichte van het product en ten opzichte van de camera is eveneens van groot belang. Deze bepaalt de zichtbaarheid van de verschillende eigenschappen van een product. We onderscheiden frontaalbelichting (camera en lichtbron aan de voorzijde van het product) en tegenbelichting (camera aan de voorzijde van het product en de lichtbron aan de achterzijde).

Frontaalbelichting (proximity lighting) Frontaalbelichting kent twee hoofdvarianten: donkergebiedbelichting en heldergebiedbelichting, ieder met hun specifieke eigenschappen.

951806_ BOEK.indb 395

1/04/15 15:04

396

•

•

Donkergebiedbelichting (dark-field lighting) De lichtbron staat onder een relatief kleine hoek met het productoppervlak (indirect of invallend licht) en de camera staat eveneens onder een hoek (meestal 90 graden), zie figuur 16.31.

Kenmerken: donker lijkend product, versterkte contrastweergave van oppervlaktereliëf en ‑structuur, reduceert glanswerking, hoogtemeting mogelijk door schaduwmeting. Deze kenmerken kunnen nog verder versterkt worden door de wijze van inval van de lichtstralen op het product. Zo kunnen we bij donkergebiedbelichting gebruikmaken van gebiedbelichting (een lichtbron met groot oppervlak waarvan de lichtstralen allen onder dezelfde hoek op het product vallen), kleinehoekbelichting (een lichtbron waarbij de lichtstralen vanuit verschillende richtingen onder dezelfde kleine hoek met het oppervlak van het product op dat product vallen) en koepelbelichting (een koepelvormige lichtbron die het licht vanuit verschillende richtingen onder verschillende hoeken op product laat vallen).

Heldergebiedbelichting (bright-field lighting) De lichtbron staat onder een hoek van 90 graden met het productoppervlak (direct of opvallend licht) en de camera staat eveneens onder een hoek van 90 graden, zie figuur 16.32.

Kenmerken: er wordt extra versterking gegeven aan de helderheid van productoppervlakken, maar de contrastwerking vermindert.

Ook hier kunnen deze kenmerken nog verder versterkt worden door aanpassing van de inval van de lichtstralen op het product. Zo kunnen we bij heldergebiedbelichting gebruikmaken van ringbelichting (een ringvormige lichtbron waarvan de lichtstralen uit verschillende richtingen alle onder dezelfde grote hoek op het product vallen), axiaalbelichting (een puntlichtbron waarbij de lichtstralen haaks op het oppervlak van het product vallen) en koepelbelichting (reeds genoemd bij donkergebiedbelichting).

a Gebiedbelichting

b Kleinehoekbelichting

c Koepelbelichting

Figuur 16.31 Donkergebiedbelichting

951806_ BOEK.indb 396

1/04/15 15:04

16 Identificatie 397

a Ringbelichting

b Axiaalbelichting

c Koepelbelichting

Figuur 16.32 Heldergebiedbelichting

Tegenbelichting (back lighting) De camera staat onder een hoek van 90 graden met het productoppervlak aan de voorzijde van het product en de lichtbron recht daartegenover aan de achterzijde van het product, zie figuur 16.33.

Kenmerken: extra versterking van productcontouren (silhouet), geschikt voor transparante producten, geen beïnvloeding door kleuren of oppervlaktestructuren, detectie van doorgaande gaten mogelijk.

Figuur 16.33 Tegenbelichting

951806_ BOEK.indb 397

1/04/15 15:04

398

Filters In situaties waar externe storende invloeden optreden, zoals ruimteverlichting, en in situaties waar specifieke beeldeigenschappen verzwakt moeten worden, kan gebruikgemaakt worden van optische filters. Deze worden geplaatst tussen de belichting en het product en tussen het product en de camera. Het is ook mogelijk om ongewenste effecten later met behulp van software voor de beeldconditionering digitaal te filteren, maar optische filtering heeft voordelen omdat deze vooraan in de signaalketen plaatsvindt en ongewenste effecten dus niet door de hele keten meelopen.

Tegenover de voordelen van filtering staan de nadelen van signaalverzwakking en een mogelijke introductie van beeldvervorming en ruis.

De belangrijkste filtertypen zijn: • Banddoorlaatfilters voor het verzwakken van storende effecten. Een filter tussen de lichtbron en het product is vaak niet nodig als een lichtbron gekozen wordt die alleen licht in de juiste frequentieband(en) uitzendt. De keuze voor een filterband vraagt een goede analyse, in veel toepassingen worden infraroodfilters ingezet.

• Polarisatiefilters worden gebruikt voor de onderdrukking van ongewenste glanseffecten van productoppervlakken.

In figuur 16.34 wordt een mogelijke opstelling met polarisatiefilters weergegeven.

Figuur 16.34 Polarisatiefilters

Aandachtspunten Bij het ontwikkelen van een goed visionsysteem zijn, naast resolutie, objectief, brandpuntafstand, belichting en filters, een aantal zaken van belang: • voorkomen van te veel mechanische trillingen van het te detecteren product, de lichtbron en de camera; • bescherming tegen ruw bedrijf; • inbouwconfiguraties (productie-installaties hebben vaak geen goede inbouwruimte voor bepaalde belichtingssystemen, met name bij backlight-configuraties); • softwareontwikkeling voor de commandobeslissingen (de software voor de eigenlijke beeld­ conditionering wordt doorgaans geleverd door de producent van de visionhardware).

Een visionsysteem kan meebewegen met een product, een productbewerker of een handling­ systeem. Vaak wordt dan gebruikgemaakt van een enkele behuizing waar alle visioncomponenten (hard- en software) in zijn ondergebracht. Toepassingsvoorbeelden: • een visionsysteem als robotoog, gemonteerd bij de grijper; • een visionsysteem gemonteerd op een 3D-beeldscanner die rondom een product roteert en langs het product transleert.

951806_ BOEK.indb 398

1/04/15 15:04

16 Identificatie 399

Dezelfde resultaten zijn vaak ook te behalen met meerdere stationair in een ruimte opgestelde ­visionsystemen: minder kwetsbaar, maar wel duurder.

Voorbeeld 16.2 Machineonderdeel (metaal) In figuur 16.35 wordt een product op twee manieren belicht: beeld a is geschikt voor maatherkenning, beeld b is geschikt voor vormherkenning. Oppervlaktedetails (beschadigingen, structuren) zijn met geen van beide belichtingen zichtbaar.

a Tegenbelichting (diffuus licht)

b Heldergebiedbelichting (diffuus licht)

Figuur 16.35 Effect van belichting op een machineonderdeel

Voorbeeld 16.3 Etiket (opdruk in reliëf) In figuur 16.36 is duidelijk zichtbaar dat voor deze toepassing donkergebiedbelichting een veel beter resultaat geeft dan heldergebiedbelichting.

a Donkergebiedbelichting (kleinehoekbelichting)

b Heldergebiedbelichting (koepelbelichting)

Figuur 16.36 Effect van belichting op een etiket met reliëfopdruk

Voorbeeld 16.4 Etiket (oppervlak glanzend, opdruk vlak) Een vergelijking van de figuren 16.36 en 16.37 toont dat een belichtingsmethodiek die bij het ene etikettype goed werkt bij een ander etikettype juist averechts werkt.

a Donkergebiedbelichting (kleinehoekbelichting)

b Heldergebiedbelichting (koepelbelichting)

Figuur 16.37 Effect van belichting op een glanzend etiket met vlakke opdruk

De keuze van de juiste belichting wordt nog essentiëler als van een product meerdere eigenschappen tegelijk zichtbaar gemaakt moeten worden. In figuur 16.38 wordt een voorbeeld gegeven van een IC, waarvan zowel de geometrie als de opdruk herkenbaar moeten zijn.

951806_ BOEK.indb 399

1/04/15 15:04

400

a Donkergebiedbelichting (kleinehoekbelichting)

b Heldergebiedbelichting (koepelbelichting)

Figuur 16.38 Effect van belichting gericht op zichtbaarheid van product en opdruk

16.4 Radiofrequentie-identificatie In bedrijven waar wordt geproduceerd volgens de continue productiemethode moet vaak een vergaande standaardisatie worden toegepast. De producten zullen allemaal hetzelfde zijn en kunnen niet, of alleen met heel veel moeite, aangepast worden aan de wensen van een klant. Om te voorkomen dat de productielijn moet worden gestopt door een tekort aan onderdelen, moeten buffervoorraden worden aangelegd, wat kapitaalvernietiging met zich meebrengt. Door gebruik te maken van computer- en robotsystemen kan men deze nadelen deels ondervangen. Dit betekent dat er centraal moet worden bestuurd, met veel datatransmissie tot gevolg, zie figuur 16.39. Ook wordt het systeem kwetsbaar voor uitval van de centrale besturing, waardoor de hele productie tot stilstand zal komen.

Figuur 16.39 Centraal gestuurde productie

Figuur 16.40 Decentraal gestuurde productie

Wanneer aan een product speciale aanpassingen moeten worden uitgevoerd, geeft de centrale computer hiertoe opdracht aan de bewerkingscel die het product in behandeling heeft. Wanneer we meer flexibiliteit in de productie willen, maar toch gebruik willen maken van de voordelen van continue productie, moeten de producten niet centraal worden gevolgd, maar moet ieder product zijn eigen informatie met zich meenemen. We spreken dan van een decentraal gestuurde productie. Een groot deel van de datatransmissie tussen de centrale computer en de cell controllers wordt hierdoor overbodig, zie figuur 16.40.

951806_ BOEK.indb 400

1/04/15 15:04

16 Identificatie 401

Voor decentraal gestuurde productie is een codesysteem nodig waarmee grote hoeveelheden informatie kunnen worden opgeslagen. Mechanische en optische identificatiesystemen zijn dan niet geschikt, maar de zogenoemde radiofrequentie-identificatiemethode, ook wel elektronische identificatie genoemd, is dat wel.

De basis van radiofrequentie-identificatie (RFID) is een communicatiesysteem dat wordt uitgevoerd met tags (programmeerbare transponders, elektronische labels of ID-platen), die worden geladen met de productie-informatie van een specifiek product. Bij ieder station wordt deze informatie radiografisch uitgelezen door de cell controllers, waarna een aantal specifieke acties wordt uitgevoerd en de informatie waar nodig wordt bijgesteld. Er is dus geen communicatie nodig tussen de cell controllers en de centrale computer. Wanneer een storing optreedt in het centrale computersysteem kan de productie gewoon doorgaan.

Tags zijn er in twee uitvoeringen: • actief (voorzien van een eigen batterij, kunnen zelfstandig contact zoeken en onderhouden); • passief (geen eigen energiebron, kunnen alleen zenden en ontvangen door gebruik te maken van de energie van de radiogolven van de uitleesapparatuur).

Tags zijn er in twee soorten: • Eenmalig programmeerbaar. Dit read-only type leent zich voor detectie van aanwezigheid en wordt ander andere toegepast voor productherkenning in het handelsverkeer en voor identificatie van dieren (de injecteerbare huisdierenchip). De eenvoudigste uitvoering bevat alleen een vast codegetal.

• Herprogrammeerbaar. Dit type is geschikt voor detectie én voor het direct op een product of productcarrier bijhouden van de actuele status in een productieproces. Herprogrammeren werd mogelijk door de ontwikkeling van de micro-elektronica en geheugens als EEPROM ­(Electrical Erasable Programmable Read Only Memory). De kosten van deze uitvoering zijn hoger dan die van een eenmalig programmeerbare tag.

Naast uitvoering en soort moet een zendfrequentie gekozen worden: hogere frequenties geven een groter afstandsbereik, maar zijn gevoeliger voor de storende aanwezigheid van vocht en metaal.

Figuur 16.41 Transponders (tags)

In de flexibele productieautomatisering is het mogelijk om alle gegevens over het productieproces op te slaan op een tag, zodat een soort logboek ontstaat van de productiegeschiedenis. De tag kan communiceren met een cell controller via een communicatie-eenheid die bestaat uit een remote transceiver (antenne) en een controller (central unit). De remote transceiver bestaat uit een zender en een ontvanger voor de data-uitwisseling en als er passieve tags in de ID-plaat toegepast worden bevat de transceiver ook een zender voor de energievoorziening van die tags. De CPU in de

951806_ BOEK.indb 401

1/04/15 15:04

402

c­ ontroller vertaalt de informatie uit de remote transceiver in data die voor de cell controller begrijpelijk zijn, of omgekeerd. Hiermee is het mogelijk om informatie zowel in de tag te laden als op te vragen. De controller is ook aangesloten op de cell controller, die zorgt voor de verdere bewerking van de producten. In figuur 16.42 zien we dit schematisch weergegeven.

Figuur 16.42  Principe van dataoverdracht tussen de ID-plaat (tag) en de cell controller

Vooral het coderen van gereedschappen voor machinecentra gaf voorheen grote problemen, omdat vroeger eigenlijk alleen de bar- of de matrixcodes toegepast konden worden. Gedurende de bewerkingen raken etiketten echter beschadigd of vuil, zodat ze niet meer gelezen kunnen worden.

De passieve read-only tag was hiervoor de oplossing.

a

b

Figuur 16.43  Tags voor gereedschapbeheer

Omdat de code van tevoren is vastgelegd, moet van het gereedschap wel een referentielijst worden aangelegd (en door een computer worden bijgehouden), waarin alle specifieke gegevens van dit gereedschap staan. Dit is uit oogpunt van gereedschapsbeheer duur en bovendien zijn dergelijke systemen erg kwetsbaar, omdat het gehele systeem afhankelijk is van een centrale computer. Een aantal nadelen van dit alleen leesbare systeem zouden worden ondervangen wanneer alle benodigde informatie direct aan een tag op het gereedschap wordt meegegeven. Inmiddels worden tags grootschalig in het gereedschapsbeheer toegepast, vaak in een passieve, compacte en gesealde uitvoering vanwege de meestal beperkte bevestigingsmogelijkheden en de vaak ruwe werkomstandigheden, zie figuur 16.43.

Andere voordelen van RFID-technieken ten opzichte van optische identificatie zijn tot slot de hogere uitleessnelheden over grotere afstanden, het niet nodig zijn van zichtlijnen en een betere bestendigheid tegen vervalsing.

951806_ BOEK.indb 402

1/04/15 15:04

16 Identificatie 403

16.5 Opgaven Vragen 1. Wat verstaan we onder keyboard data entry?

2. Wat verstaan we onder een lees- en schrijfbare identificatiemethode?

3. Welke identificatiesystemen worden veelvuldig toegepast?

4. Is identificatie belangrijk voor FPA? Waarom wel/niet?

5. Hoe worden mechanische labels uitgelezen?

6. Geef twee voorbeelden van mechanische labels.

7. Hoe werkt de optische codeherkenning?

8. Wat is het verschil tussen een discrete en een continue code?

9. Noem drie verschillende barcodes.

10. Hoe wordt de informatie in een two of five-code opgeslagen?

11. Wat verstaan we onder een interleaved two of five-code?

12. Hoe wordt bij de two of five-code gecontroleerd of de juiste code is uitgelezen?

13. Geef de specifieke eigenschappen van de code 39 en de UPC-code.

14. Wat zijn de voor- en nadelen van de toepassing van barcodes?

15. Hoe kan een barcodelezer bepalen of hij een EAN-code in de juiste richting leest?

16. Waardoor kunnen matrixcodes in iedere stand uitgelezen worden?

17. Waardoor hebben matrixcodes gemiddeld een hoger foutherstellend vermogen dan barcodes?

18. Hoe werken tags?

19. Waar worden tags veelvuldig toegepast?

20. Waarom is bij visionsystemen een eigen belichting nodig?

21. Waarom worden separate foto-elektrische sensoren nog steeds toegepast, terwijl visionsystemen steeds goedkoper worden?

951806_ BOEK.indb 403

1/04/15 15:04

404

22. Door welke factoren wordt de nominale afstand tussen een camera en het te detecteren product bepaald?

23. Welke nadelen heeft het inzetten van een camera met een te groot aantal pixels voor het uiteindelijke doel?

Opdrachten 1. Een EAN-13-code wordt uitgelezen, waarbij de computer vindt: Waarde Positie Karakterset

?

13 –

7 12 A

4 11 B

3 10 A

3 9 A

1 8 B

5 7 B

0 6

2 5

?

4

1 3

0 2

4 1

a. Welke waarde hoort op positie 13 te staan? b. Teken de barcode van positie 4.

2. In een UPC-code zijn twee bars in een karakter verminkt uitgelezen met als resultaat ??01011 a. Geef de volledige code en het bijbehorende karakter. b. Waar staat dit karakter in de code (links of rechts)?

3. Maak een analyse van het feit dat de invoering van de tweedimensionale optische codes niet meteen het einde betekende van de eendimensionale codes.

4. Beredeneer wat er gebeurt als een visionsysteem met een door 50 Hz wisselspanning gevoede belichting ongeveer vijftig producten per seconde moet detecteren.

5. Maak een schets van de opstelling van een visionsysteem voor de detectie van transparante flessen op een transportband op de eigenschappen: vorm, afmetingen, kleur en beschadigingen. Motiveer de keuze van de verschillende componenten.

951806_ BOEK.indb 404

1/04/15 15:04