schoongesneden boekformaat 170 x 243 mm
[ Rugdikte nog NIET definitief ]
rug 25 mm
TECHNIEK
AU TOM AT I S E R I N G
#### NOG-NIET-DEF. TEKST###########
automatiseringstechnieken met pneu
Deze uitgave geeft inzicht in de technische
matische en elektrische componenten,
digitale automatiseringstechnieken en is
signalen, signaalgevers en sensoren;
gericht op de technische studiericht ingen werktuigbouwkunde, elektrot echniek en mechatronica en daaraan gerelateerde opleidingen, zoals autot echniek, luchtvaarttechniek, scheepvaarttechniek en industriële automatiseringstechniek van de HBO engineeringdomeinen.
exacte logica en logische besturingstechnieken; combinatorische en volgorde besturingen. PLC-technieken; Deel 2 besturingstechnieken met timers en counters;
Bij de opzet van deze uitgave is uitgegaan van een aantal doeleinden, te weten: het samenvoegen van bepaalde onderwerpen van de leerstof tot afgeronde
oplossingsmethoden met Sequential Function Charts (SFC’s) PLC-programmering met de IEC 61131-3 standaard PLC-programmering met behulp van het
delen; logische verdeling van de hoofdstukken;
computerprogramma CoDeSys;
moderne technieken door informatie
Deel 3
van en samenwerking met belangrijke automatiseringsbedrijven, zoals Festo,
inleiding in de Flexibele Productie Automatisering;
Siemens, ABB, Banner en Koning en
identificatie systemen;
Hartman;
transportsystemen, hanteringsystemen;
het hoofdstuk PLC-techniek is uit-
robotica en bustechnologie.
Industriële automatiseringstechnieken
I N D U S T R I E¨ L E A U T O M A T I S E R I N G S T E C H N I E K E N
Industriële automatiserings technieken
gewerkt met behulp aan de hand van twee type namelijk de Siemens S7en de
Naast de in dit werk opgenomen theore-
Mitsubishi Melsec PLC’s’;
tische uitleg is een website gebouwd die
de leerstof wordt aangeboden met
op bepaalde gebieden een verdieping van
behulp van een groot aantal voorbeelden,
de leerstof geeft. Dit wordt in de hoofd-
cases en, besturingsprojecten, dat ook in
stukken aangegeven met een Q-R-code in
de vragen en opdrachten is verwerkt. Het boek is in principe opgedeeld in 3 deelgebieden namelijk: Deel 1 aandrijftechnieken, mechanisering- e n
A. D rost
Eer st e druk
C.J. van Beekum A. Sa HOGER ONDERWIJS
tbv PROEFHOOFDSTUK
ZICHTPROEF 0113-11-2013
IndustriĂŤle automatiseringstechnieken
14885_Boek.indb 3
18-11-13 13:00
Inhoudsopgave
1 Inleiding tot de automatiseringstechniek 1.1 Inleiding 1.2 Digitale en analoge automatisering 1.3 Uitvoerorganen 1.3.1 Hydraulische uitvoerorganen 1.3.2 Pneumatische uitvoerorganen 1.3.3 Elektrische aandrijftechniek 1.4 Hoofdschakelelementen 1.4.1 Hoofdschakelelementen van de hydrauliek 1.4.2 Hoofdschakelelementen in de pneumatiek 1.4.3 Elektrische hoofdschakelelementen 1.5 Opgaven 2 Signalen en signaalgevers 2.1 Inleiding 2.2 Signalen 2.2.1 Signaalopbouw 2.2.2 Signaalvormen 2.3 Signaalgevers 2.3.1 Pneumatische signaalgevers 2.3.2 Elektrische signaalgevers 2.4 Sensoren 2.4.1 Inleiding 2.4.2 Pneumatische sensoren 2.4.3 Magnetische sensoren 2.4.4 Inductieve sensoren 2.4.5 Capacitieve sensoren 2.4.6 Optische sensoren 2.4.7 Druk- en krachtsensoren 2.5 Opgaven 3 Logische basisfuncties en combinatorische besturingen 3.1 Inleiding 3.2 Logische basisfuncties 3.2.1 De NIET-functie 3.2.2 De EN-functie 3.2.3 De OF-functie 3.2.4 De JA-functie 3.3 Combinatorische besturingen 3.3.1 Het toepassen van relais 3.4 Voorbeelden 3.5 Opgaven 4 Schakelalgebra 4.1 Inleiding 4.2 Talstelsels en binaire codes 4.2.1 Het decimale talstelsel 4.2.2 Het tweetallig of binaire stelsel 4.2.3 De BCD-code 4.2.4 Het achttallig of octale stelsel 4.2.5 Het zestientallig of hexa-decimale stelsel 4.2.6 Opgaven
4.3 Waarheidstabellen 4.4 Opgaven 4.5 Besturingsalgebra (axioma's, wetten en regels) 4.5.1 Axioma's 4.5.2 Wetten 4.5.3 Regels 4.5.4 Voorbeelden 4.5.5 Opgaven 4.6 Gray-code 4.7 Minimaal- en maximaaltermen 4.8 Het Karnaugh-diagram 4.8.1 Inleiding 4.8.2 Vormen van Karnaugh-diagrammen 4.8.3 Don’t care termen 4.8.4 Geïnverteerde oplossingen 4.8.5 Het vereenvoudigen van max-termen 4.8.6 Opgaven 5 Volgordebesturingen 5.1 Inleiding 5.2 De besturingsvoorwaarden 5.3 Bewegingsdiagram, signalen, commando's en formules 5.4 Primaire signalen 5.5 Schematekenregels 5.5.1 Het pneumatisch schema 5.5.2 Het elektrisch- of stroomkringschema 5.5.3 Ladderdiagrammen 5.5.4 Het logisch schema 5.6 Opgaven 6 Programmeerbare besturingen (PLC’s) 6.1 Inleiding 6.2De opbouw van een PLC 6.3 In- en Outputmodule 6.4 Signalen en adressen 6.4.1 INPUT en OUTPUT 6.4.2Adressering 6.5 Werking van de PLC 6.6 Het programmeren van een PLC 6.6.1 Inleiding 6.6.2 Het programmeren 6.6.3 programmeren in Instruction List (IL) 6.6.4 Interne geheugenadressen (merkers) 6.6.5 programmeren van min- en max-termen 6.7 Het intoetsen van een programma 6.8 Opgaven 7 Geheugens (opbouw en werking) 7.1 Inleiding 7.2 Geheugens 7.2.1 Opbouw van een geheugen 7.2.2 Elektrische geheugenschakelingen 7.2.3 Logische geheugens 7.2.4 Geheugenschakelingen in ladderdiagrammen 7.3 Geheugens in een PLC-programma
7.4 Samenvatting 7.5 Opgaven 8 Tijd- en tellerschakelingen (Timers en counters) 8.1 Inleiding 8.2 Signaal-tijd-diagrammen 8.3 Timers 8.3.1Pneumatische timers 8.3.2Elektrische timers 8.3.3 Logische schema’s van timers 8.4 Timers in PLC’s 8.4.1Inleiding 8.4.2Programmeren met timers 8.4.3Programmeren met software-timers 8.5Voorbeelden 8.6 Opgaven 9 Besturingen met tijd- en tellerschakelingen 9.1 Inleiding 9.2 Combinatorische besturingen met tijd 9.3 Volgorde-besturingen met tijd 9.4 Opgaven 9.5 Besturingen met counters 9.5.1 Inleiding 9.5.2 Besturingen met counters 9.6 Opgaven 10 Besturingen met geheugens 10.1 Inleiding 10.2 Combinatorische besturingen met geheugens 10.3 Volgorde-besturingen met geheugens 10.4 Noodstop 10.4.1 Noodstopprocedure waarbij alle uitvoerorganen naar de ruststand gaan 10.5 Opgaven 11 Besturingen met stopcycli 11.1 Inleiding 11.2 Ongelijkmaakgeheugen 11.2.1 Controletelling 11.3 Besturingsformules; regels 11.4 Opgaven 11.5 Gecontroleerde stopprocedure 11.6 Opgaven 12 Sequential Function Charts 12.1 Inleiding 12.2 Basis-instructies 12.3 Opbouw van een SFC 12.4 Voorwaardelijke herhaling 12.5 Voorwaardelijke sprong 12.6 Opgaven 12.7 Manipulaties met SFC’s 12.7.1 Inleiding 12.7.2 Gelijktijdige sequenties in een SFC
12.7.3 Vertakkingen in een SFC 12.7.4 Vrij aan te roepen sequentie (subchart) 12.7.5 Gememoriseerde acties of commando's 12.8 Tellers in een SFC 12.9 Opgaven 13 Cases 13.1 Inleiding 13.2 Cases 13.3 Opgaven 14 IEC 61131-3 standaard 14.1 Inleiding 14.2 Kenmerken van de IEC 61131-3 software standaard 14.3 Kenmerken van de IEC 61131-3 talen 14.4 Technische specificatie in een SFC 14.4.1 Actie soorten 14.4.2 Actie-qualifiers 14.4.3 Voorbeeld Actie-qualifiers 14.4.4 SFC en de PLC-cyclus 14.5 Goed ontwerpen en bouwen van een besturing 14.5.1 Aansturen vanuit een SFC-lus 14.5.2 Tellen in een SFC 14.6 Modellen en Bouwstenen in de Norm 14.6.1 Het softwaremodel 14.6.2 Het communicatiemodel 14.6.3 De programmaorganisatie 14.7 CoDeSys 14.7.1 Inleiding 14.7.2 Data typen 14.7.3 Opbouw van een PLC-programma met behulp van IEC 61131-3 14.8 Project1 Besturing Inschuifinstallatie m.b.v. IL 14.8.1 DefiniĂŤring inschuifinstallatie 14.8.2 Het bouwen van de inschuifbesturing in CoDeSys 14.8.3 Het bouwen van de visualisatie inschuifbesturing in CoDeSys 14.9 Project 2 Besturing Wisselstation m.b.v. SFC 14.10 Opgaven 15 Flexibele Productie Automatisering (FPA) 15.1 Inleiding 15.2 Apparatuur 15.3 Organisatie 15.4 Informatie 15.5 Systemen 15.5.1 Flexibele fabricagesystemen 15.5.2 Flexibele assemblagesystemen 15.6 Opgaven 16 Identificatie 16.1 Inleiding 16.2 Mechanische identificatie 16.2.1 Mechanische identificatie met vaste platen 16.2.2 Mechanische identificatie met stiften 16.3 Optische identificatie: Inleiding
16.4 Eén-dimensionale optische codes 16.4.1 Inleiding barcode-identificatie 16.4.2 Toepassingen van barcodes 16. 4.3 Opbouw van barcodes 16.4.4 Two of five codes 16.4.5 lnterleaved two of five code 16.4.6 Code 39 (Three of nine code) 16.4.7 UPC- en EAN-codes 16.4.8 Het lezen van barcodes 16.5 Twee-dimensionale optische codes 16.5.1 Inleiding 16.5.2 Dotcodes 16.5.3 DataMatrix-code. 16.5.4 QR-code 16.6 Radiofrequentie-identificatie 16.7 Machine-visionsystemen 16.7.1 Inleiding 16.7.2 Objectief en beeldopnemers 16.7.3 Belichting 16.7.4 Filters 16.7.5 Overige aandachtspunten 16.7.6 Voorbeelden 16.8 Opgaven 17 Transportsystemen 17.1 Inleiding 17.2 Automated Guided Vehicle (AGV) 17.3 Transportbanen 17.4 Transferbanen 17.5 Opgaven 18 Handlingsystemen 18.1 Inleiding 18.2 Handling met cilinders en lineaire motoren. 18.3 Opspan- en kruistafels 18.4 Trilvoeders 18.5 Pick and place units 18.5.1 Inleiding 18.5.2 Vast programmeerbare P&P -units 18.5.3 Vrij programmeerbare handling-apparatuur 18.6 Meetsystemen 18.7 Opgaven 19 Industriële robots 19.1 Inleiding 19.2 Industriële robot 19.3 Robottypen 19.4 Robot-toepassingen 19.5 Architectuur van een RRR-robot 19.6 Aandrijving van de robotassen 19.6.1 Inleiding 19.6.2 Elektromotoren 19.6.3 Cycloidal- of RV-vertraging 19.6.4 Remsysteem 19.6.5 Meetsysteem
19.6.6 Besturingssysteem 19.7 Opgaven 20 Bustechnologie 20.1 Inleiding 20.2 Datacommunicatie 20.2.1 Parallelle transmissie 20.2.2 SeriĂŤle transmissie 20.3 Bussen 20.3.1 Inleiding 20.3.2 I/O-systemen 20.3.3 Bussystemen 20.4 Opgaven
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 productstroom door een bedrijf heen en erbuiten).
14885_Boek.indb 367
18-11-13 13:01
368
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 visionsystemen 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
14885_Boek.indb 368
18-11-13 13:01
16 Identificatie 369
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 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, capacitief 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
14885_Boek.indb 369
18-11-13 13:01
370
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 16.14.
14885_Boek.indb 370
18-11-13 13:01
16 Identificatie 371
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 uitgelezen, 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 verpakkingsindustrie. 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.
14885_Boek.indb 371
18-11-13 13:01
372
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 uitlezen, 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
14885_Boek.indb 372
18-11-13 13:01
16 Identificatie 373
barcodesysteem ontwikkelden, wat tot een onwerkbare situatie leidde. Normalisatiecommissies hebben het aantal toegepaste barcodes teruggebracht tot een werkbare hoeveelheid. 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 codabarcode 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).
14885_Boek.indb 373
18-11-13 13:01
374
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
14885_Boek.indb 374
18-11-13 13:01
16 Identificatie 375
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).
14885_Boek.indb 375
18-11-13 13:01
376
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
14885_Boek.indb 376
18-11-13 13:01
16 Identificatie 377
Tabel 16.1 Two of five-code
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
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 toegepast in de transportsector, bijvoorbeeld op vliegvelden en in parkeergarages, zie figuur 16.12.
Figuur 16.11 lnterleaved two of five-code
14885_Boek.indb 377
18-11-13 13:01
378
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?
14885_Boek.indb 378
18-11-13 13:01
16 Identificatie 379
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 bitpatroon 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. Tabel 16.2 Bitpatronen
codecijfer
bitpatroon A bitpatroon B
bitpatroon C
0 1 2 3
0001101 0011001 0010011 0111101
0100111 0110011 0011011 0100001
1110010 1100110 1101100 1000010
4 5 6 7 8
0100011 0110001 0101111 0111011 0110111
0011101 0111001 0000101 0010001 0001001
1011100 1001110 1010000 1000100 1001000
9
0001011
0010111
1110100
14885_Boek.indb 379
18-11-13 13:01
380
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.
14885_Boek.indb 380
18-11-13 13:01
16 Identificatie 381
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 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 UPC-code 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.
14885_Boek.indb 381
18-11-13 13:01
382
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. Tabel 16.3 Dertiende codecijfer
Dertiende codecijfer
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
bitpatroon per positie Sserie 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
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 barcodeleesinstallatie, die bestaat uit een leesapparaat en een decoder, zie figuur 16.18.
14885_Boek.indb 382
18-11-13 13:01
16 Identificatie 383
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
14885_Boek.indb 383
18-11-13 13:01
384
de lichtbundel zich over de barcode verplaatst zal de spanning van de versterker variëren, zie figuur 16.20a. 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 6.21.
Figuur 16.21 7×7-dotcode
14885_Boek.indb 384
18-11-13 13:01
16 Identificatie 385
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 10 zwarte dots op speciale posities definiëren de leespositie (hoek en spiegeling) en 8 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.
14885_Boek.indb 385
18-11-13 13:01
386
Het foutherstelvermogen van de dotmatrix-code is goed: tot 30% van de boodschapinformatie mag beschadigd zijn in de ECC200-versie (ECC200 verwijst naar de toegepaste sterke ReedSalomonalgoritmes 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
14885_Boek.indb 386
18-11-13 13:01
16 Identificatie 387
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. Visionsystemen 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
14885_Boek.indb 387
18-11-13 13:01
388
Waar andere sensoren zich grotendeels beperken tot detectie van aanwezigheid geeft een visionsysteem 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 visionsysteem 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 fotoelektrische 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
14885_Boek.indb 388
18-11-13 13:01
16 Identificatie 389
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
Figuur 16.29 Brandpuntafstand en vervorming
14885_Boek.indb 389
18-11-13 13:01
390
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. 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
14885_Boek.indb 390
18-11-13 13:01
16 Identificatie 391
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, diffuus, geschikt voor grote te belichten oppervlakken. Nadelen: kwetsbaar, kortere levensduur, frequentie- en intensiteitdrift, gemiddelde warmteontwikkeling. • 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. •
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.
14885_Boek.indb 391
18-11-13 13:01
392
•
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
14885_Boek.indb 392
18-11-13 13:01
16 Identificatie 393
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
14885_Boek.indb 393
18-11-13 13:01
394
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 beeldconditionering wordt doorgaans geleverd door de producent van de visionhardware).
Een visionsysteem kan meebewegen met een product, een productbewerker of een handlingsysteem. 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.
14885_Boek.indb 394
18-11-13 13:01
16 Identificatie 395
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
14885_Boek.indb 395
18-11-13 13:01
396
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.
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
14885_Boek.indb 396
18-11-13 13:01
16 Identificatie 397
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. 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)
14885_Boek.indb 397
18-11-13 13:01
398
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 controller 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 16.28 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
14885_Boek.indb 398
18-11-13 13:01
16 Identificatie 399
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.
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?
14885_Boek.indb 399
18-11-13 13:01
400
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? 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.
14885_Boek.indb 400
18-11-13 13:01