Systemy wizyjne i technologia RFID
Zidentyfikowanie części i podzespołów na produkcji, rozpoznawanie elementów do montażu na potrzeby wewnętrznej logistyki oraz kontrola jakości komponentów i gotowych produktów to obecnie jedne z najważniejszych zadań realizowanych w ramach automatyzacji procesu produkcji, i szerzej, inteligentnej fabryki. Obecnie do tych zadań coraz częściej wykorzystuje się systemy wizualne i technologię identyfikacji RFID. Co prawda, technicznie i funkcjonalnie są to odrębne rozwiązania, niemniej wzajemnie się uzupełniają.
Według encyklopedycznej definicji, system wizyjny służy do zobrazowania otoczenia, tak jak zmysł wzroku u człowieka. Na podstawie pozyskanego obrazu następuje jego przetworzenie i przesłanie informacji zwrotnej, która ma wesprzeć proces podejmowania decyzji lub sczytywania danych. System wizyjny składa się z dwóch podstawowych podzespołów, które w zależności od zapotrzebowanie są rozbudowywane lub wspierane przez inne dodatkowe elementy, np. oświetlenie, czy wskaźniki laserowe. W skład każdego systemu wizyjnego wchodzą:
- kamera lub zestaw kamer,
- procesor z elementami pomocniczymi, w tym oprogramowaniem sterującym i odpowiedzialnym za przetwarzanie obrazu, zintegrowany układ SoC (System on Chip) lub zewnętrzny komputer z odpowiednim oprogramowaniem.
W przemyśle systemy wizyjne, nazywane też systemami rozpoznawania obrazu, wykorzystywane są przede wszystkim do sczytywania danych oraz informacji zawartych np. w kodach kreskowych i kodach QR, wykrywania wad produktów, identyfikacji części, monitorowania procesu produkcyjnego oraz do sterowania robotami lub manipulatorami. Główne cele, które realizowane są dzięki systemom wizyjnym to: poprawa jakości produkcyjnej, eliminacja błędów w ciągu produkcyjnym oraz zmniejszenie kosztów produkcji.
Zastosowania
Jak widać, systemy wizyjne odgrywają istotną rolę logistyce, w tym w logistyce produkcji. Pozwalają one bowiem na automatyczną identyfikację komponentów, półproduktów czy części i śledzenie tych elementów na wszystkich etapach procesu produkcyjnego, jak również magazynowego. Dodatkowo dzięki możliwości rozpoznawania kształtów, kodów jedno- i dwuwymiarowych oraz znaków alfanumerycznych potrafią bezbłędnie identyfikować elementy i narzędzia wykorzystywane w procesie produkcji.
Co więcej, możliwa jest nie tylko sama identyfikacja, ale dzięki połączeniu systemu wizyjnego z systemami automatyki przemysłowej i infrastrukturą IT przedsiębiorstwa, możliwe staje się automatyczne dostarczanie elementów i narzędzi do gniazd produkcyjnych, sterowanie przepływem produkcji, automatyczne przezbrajanie urządzeń zgodnie z aktualnym zapotrzebowaniem i zamówieniami – zgodnie z założeniami inteligentnej fabryki lub szerzej, Przemysłu 4.0.
Systemy wizyjne oferują też ogromną funkcjonalność, która związana jest z kontrolą procesów przemysłowych. Łącząc system rozpoznawania obrazu ze sterownikiem PLC lub komputerem przemysłowym można uzyskać w czasie rzeczywistym informacje o przebiegu i charakterystyce procesu produkcyjnego, a co za tym idzie, kierować procesem produkcji, eliminując na bieżąco błędy, wychwytując nieprawidłowości czy wadliwe elementy. Taką technologię łączącą system wizyjny z elementami sterowania systemu automatyki określa się też mianem widzenia maszynowego.
Technologia widzenia maszynowego odgrywa istotną rolę przy współpracy systemów wizyjnych z robotami przemysłowymi. Dzięki nim robot zyskuje orientację przestrzenną, a także możliwość rozpoznawania obiektów. W aplikacjach przemysłowych systemy rozpoznawania obrazu wykorzystywane są przede wszystkim do określenia rodzaju części czy podzespołu oraz położenia elementu w układzie współrzędnych robota.
Najczęściej z tego typu rozwiązaniami spotkać się można w aplikacjach typu pick-and-place, w których to elementy spełniające bądź niespełniające określonych wymagań pobierane są przez robota bezpośrednio z systemu transportowego i przekazywane do następnego etapu procesu produkcji lub są eliminowane z dalszej obróbki, gdyż stanowią braki. Istotne jest to, że element wizyjny może być tutaj zamontowany zarówno na układzie transportowym, w miejscu montażu produktu lub na ramieniu bądź korpusie robota.
Jeżeli chodzi orientację robota w przestrzeni, to w tym przypadku system wizyjny najpierw rejestruje obraz i na podstawie jego analizy określa pozycję (bezwzględne współrzędne X, Y, Z, lub współrzędne względne w układzie wektorowym) obiektu względem manipulatora robota. Na podstawie tych danych sterownik robota określa kierunek oraz odległość, jaką ramię robota powinno pokonać, by zbliżyć lub oddalić się od obiektu. Wszystkie te informacje porównywane są w czasie rzeczywistym z danymi pochodzącymi z enkoderów, dzięki czemu zawsze znane jest dokładne położenie elementów ramienia robota oraz odległość względem omijanego lub przechwytywanego obiektu.
Biorąc pod uwagę wyżej wymienione możliwości zastosowania systemów rozpoznawania obrazu, możemy rozróżnić trzy główne typy systemów wizyjnych: proste czujniki wizyjne, inteligentne kamery oraz systemy wizyjne wspomagane komputerowo. Pierwsze z nich – czujniki wizyjne – jak sama nazwa wskazuje, wykorzystywane są w prostszych zadaniach, np. czytanie kodów kreskowych i kodów QR i charakteryzują się stosunkowo małą rozdzielczością rzędu 640 × 480 pikseli lub co najwyżej rozdzielczością 720 × 576 punktów.
Z kolei inteligentne kamery, to kamery wykorzystywane do zadań, które wymagają większej mocy obliczeniowej i większej rozdzielczości. Charakteryzują się rozdzielczością rzędu Full HD (1920 × 1080), SXGA (128 × 1024), 2K (2560 × 1440), a nawet 4K (3840 × 2160) pikseli. Kamery te wyposażone są zwykle we własny procesor lub częściej układ SoC, w którym zawarto wszystkie niezbędne do działania systemu wizyjnego elementy w tym kodek obrazu pozwalający na kompresję i transmisję sygnału, np. w obecnie najpopularniejszym formacie H.264. Tego typu czujniki obrazu wykorzystuje się przede wszystkim do lokalizacji elementów, nadzoru nad pakowaniem, kontroli montażu oraz przede wszystkim do odczytu kodów kreskowych, kodów 2D, znaków itp. Inteligentne kamery wyposażone są w różne interfejsy komunikacyjne, najczęściej Ethernet, rzadziej EtherCAT, Modbus czy CANopen, które umożliwiają swobodną komunikację z systemem automatyki przemysłowej. W wielu wypadkach możliwe jest również ich samodzielne programowanie.
Najbardziej rozbudowane są systemy wizyjne składające się z kamery i zintegrowanego lub zewnętrznego komputera przemysłowego lub komputera PC. Te pierwsze określane są mianem zintegrowanych systemów wizyjnych (embedded vision systems), drugie systemami wizyjnymi współpracującymi z komputerami PC (PC based vision systems). Wykorzystywane są w telewizji przemysłowej, zaawansowanych systemach wizyjnych do sterowania robotami w systemach rozpoznawania obrazu (np. w systemach rozpoznawania twarzy, identyfikacji ruchomych obiektów w systemach automatycznego transportu, autonomicznych pojazdach itp.), systemach wizyjnych wykorzystywanych na potrzeby uczenia maszynowego i innych aplikacjach, w których istotna jest ogromna prędkość przetwarzania obrazu oraz jego dokładność. Często umożliwiają one również nie tylko komunikację z innymi elementami systemu automatyki, ale też mogą samodzielne sterować elementami wykonawczymi. W systemach tych wykorzystuje się dowolną, dostosowaną do potrzeb aplikacji kamerę, a wszystkie obliczenia mogą być realizowane nie tylko lokalnie, ale również w chmurze.
Na rynku dostępne są setki różnych rozwiązań, które różnią się konstrukcją, zintegrowanymi systemami układu optycznego z oświetleniem, oprogramowaniem, prędkością przetwarzania obrazu. Dostawcy wraz z systemem wizyjnym oferują szeroką gamę akcesoriów takich jak: kable, złącza, monitory, zasilacze, oświetlacze, obiektywy, osłony, filtry, oprogramowanie itp., które dostosowane jest do różnych aplikacji i celów. Pierwszym z nich jest identyfikacja kodów kreskowych i kodów QR.
Skanowanie kodów, technologie identyfikacji
Czytniki kodów 1D/2D, czyli kodów kreskowych, kodów QR kodów i innych stosowanych w przemyśle kodów typu Data Matrix, podzielić można na czytniki diodowe CCD, laserowe i wizyjne. Tutaj zajmiemy się tymi ostatnimi. Czytniki te wyposażone są w sensor obrazu, czyli kamerę wizyjną VOS (video optical senson), która pozwala w przeciwieństwie do czytników laserowych i diodowych na odczyt kodów 1D i 2D z dowolnej powierzchni, w tym ekranów LCD, a także na odczyt kodów uszkodzonych czy źle wydrukowanych bądź nieprawidłowo naniesionych/przyklejonych. Skanery wizyjne dedykowane są przede wszystkim dla branży transportowej, logistycznej, magazynowej i do przemysłu ciężkiego i maszynowego. Mogą być wykonane w postaci skanerów ręcznych lub do montażu stacjonarnego.
Dla przykładu, stacjonarne czytniki Pepperl+Fuchs VOS-I przystosowane są do odczytu wszystkich powszechnie stosowanych kodów 1D lub 2D z odległości do 2 m, przy zewnętrznym oświetleniu z odległości większej niż 1 m, w tym kodów wykonywanych laserowo lub igłowo (tzw. kody DPM). Z kolei czytniki kodów z serii OPC120 tego producenta przeznaczone do pracy na małych odległościach do 180 mm zapewniają niezwykłą wydajność odczytu kodów z poruszających się, np. na przenośniku taśmowym elementów czy z części ruchomych, nawet w najtrudniejszych warunkach związanych m.in. z zapyleniem. Z kolei ręczny czytnik kodów DataMan 8072ER z serii Extended Range firmy Cognex jest przeznaczony do zastosowań logistycznych i magazynowych. DMR-8072ER korzysta z najnowszych algorytmów rozpoznawania obrazu i technologii ciekłych soczewek. Wyposażony jest w oświetlenie LED o dużej mocy i laserowy celownik, co gwarantuje niezawodny odczyt kodów 1D/ 2D z odległości do 8 metrów.
Proste systemy wizyjne
Kolejnym, wartym omówienia segmentem czytników wizyjnych są proste systemy wizyjne, które stosowane są najczęściej do tzw. inspekcji wizyjnej, zarówno do kontroli położenia, jak i jakości montażu czy poprawności operacji technologicznej, np. spawania. Prosty system wizyjny możemy wykorzystać do:
- automatyzacji procesów kontroli jakości,
- ciągłej weryfikacji produktów na liniach produkcyjnych,
- ograniczenia kosztów związanych z reklamacjami,
- weryfikacji kształtu, wymiarów i kolorów,
- kontrola lokalizacji elementu,
- rejestracja w bazie danych wyników inspekcji.
Jeśli chodzi o rozwiązania wykorzystywane do kontroli jakości, to znajdują one zastosowanie zarówno na produkcji, jak i w gospodarce magazynowej i pozwalają na automatyczną inspekcję jakości produktów poruszających się na liniach produkcyjnych czy podajnikach taśmowych. Systemy oparte są na wysokiej jakości dostosowanych do aplikacji kamerach oraz oprogramowaniu, które wykonuje analizę obrazu 2D lub 3D w sposób powtarzalny. Obraz kontrolowanych elementów porównywany jest z zapisanymi wzorcami i wartościami odchyleń. W zależności od potrzeb i wymagań projektowych można tu skorzystać z tradycyjnych algorytmów lub technologii głębokiego uczenia maszynowego. Mogą również wykrywać obecność, typy i położenie obiektów oraz badać niejednorodność powierzchni, obecność ciągu znaków czy jasność i szerokość obszarów świadczących o poprawności obróbki. Systemy tego typu projektowane są pod potrzeby konkretnej aplikacji.
W przemyśle samochodowym i elektronicznym systemy wizyjne są używane przy sprawdzaniu obecności i położenia elementów po montażu. Wykorzystuje się je też do kontrolowania poprawności wykonania otworów, montażu gniazd, nałożenia pasty termoprzewodzącej, kleju czy nałożenia past uszczelniających. W systemach magazynowo-logistycznych systemy wizyjne wykorzystywane są do sprawdzania znaków na nadrukach bądź etykietach, a także do odczytu oznaczeń – wówczas współpracują z oprogramowaniem OCR. Ważne jest, że za pomocą jednego systemu wizyjnego kontrolować można położenie i jakość kilku elementów jednocześnie.
Sterowniki w systemach wizyjnych pozwalają też realizować funkcję kompensacji położenia w czasie rzeczywistym. Chodzi o to, żeby podczas pomiaru wizyjnego przedmiot znajdował się w ściśle określonym położeniu (np. kod na butelce nie był z drugiej strony). Obraz z kamery poddawany jest analizie i w razie wystąpienia błędów w pozycjonowaniu przedmiotu można było skompensować położenie przez translację. Przy tworzeniu własnego systemu wizyjnego przydatna jest możliwość tworzenia makropoleceń i niestandardowych schematów przebiegu operacji.
Z reguły proste systemy wizyjne mają budowę modułową, co pozwala na łatwą ich rozbudowę. Wykorzystać tu można kamery 2D lub 3D o wymaganej do aplikacji rozdzielczości i jasności obiektywów, systemy wielokamerowe czy specjalne techniki oświetlenia dostosowane do specyfiki projektu. Zwykle otwarta architektura systemu pozwala zaimplementować dowolną logikę działania systemu i realizować dowolnie skomplikowane procesy weryfikacji, kontroli czy inspekcji. Oczywiście można tu użyć zarówno kamer zintegrowanych, jak i systemów połączonych ze sterownikami PLC, jak i podłączonych do przemysłowego peceta czy sytemu IT firmy.
Oświetlacze
W systemach wizyjnych wykorzystuje się kilka rodzajów oświetlaczy. Podświetlenie od dołu to tzw. oświetlenie typu backlight. Ten rodzaj oświetlenia sprawia, że rejestrowany obraz widoczny jest dla kamery w postaci zaczernionego pola o kształcie badanego obiektu. Oświetlacze tego typu znajdują zastosowanie w procesach wykrywania obecności obiektów, a także pomiaru gabarytów elementów i detekcji otworów. W aplikacjach wymagających dokładnego pomiaru krawędzi są stosowane do podświetlenia od spodu światłem spolaryzowanym, eliminującym zjawisko rozmywania krawędzi.
Obecnie najczęściej wykorzystuje się oświetlacze typu pierścieniowego (Ring Light). Są to świecące, zainstalowane na kamerze diody tworzące coś na kształt pierścienia wokół obiektywu. Stosowane są tu dwa rozwiązania – oświetlacze pola jasnego (bright field) oraz oświetlacze pola ciemnego (dark field). Dzięki tym pierwszym uzyskuje się równomierne i stabilne oświetlenie obiektu, ale żadna z cech przedmiotu nie jest eksponowana. Oświetlacze pola ciemnego montuje się tak, aby padające światło tworzyło niewielki kąt w stosunku do obiektu. Dzięki temu uzyskuje się efekt przyciemnienia oświetlanych powierzchni płaskich i jednocześnie eksponowania krawędzi kontrolowanego obiektu.
Z kolei oświetlacze dyfuzyjne, diffuselite oraz axial diffuselite, to oświetlacze będące źródłem światła rozproszonego. Urządzenia typu diffuselite mają kopuły umieszczane nad badanym obiektem. Tym sposobem światło rozchodzi się równomiernie w każdym kierunku, oświetlając równomiernie i miękko cały przedmiot. Z kolei oświetlacze axial diffuselite mają najczęściej kształt prostopadłościanu z umieszczonym wewnątrz półprzepuszczalnym lustrem, które kieruje światło wzdłuż osi optycznej kamery. Oświetlacze diffuselite oraz axial diffuselite eliminują refleksy świetlne na oświetlanych powierzchniach. Rozwiązania tego typu najczęściej stosuje się w aplikacjach wymagających oświetlania dużych, odblaskowych powierzchni.
Widzenie maszynowe
Kolejnym poziomem zaawansowania systemów wizyjnych są systemy widzenia maszynowego (machine vision). Technologia widzenia maszynowego daje urządzeniom przemysłowym możliwość „zobaczenia”, co robią i szybkiego podejmowania decyzji w oparciu o uzyskane dane. Oprócz wykorzystania widzenia maszynowego do kontroli wizualnej i wykrywania wad produktów, podstawowym celem wprowadzenia systemów widzenia maszynowego jest pozycjonowanie elementów wykonawczych maszyn, dokładny pomiar obrabianych części, orientacja w przestrzeni, identyfikacja, sortowanie i śledzenie produktów. Dzięki widzeniu maszynowemu możliwe jest uzyskanie geometrycznego, pełnego lub częściowego, opisu sceny otaczającej maszynę, a co za tym idzie bezpiecznego planowania i realizowania sterowania jej ruchem. Najczęściej takie widzenie maszynowe realizowane jest w sterowaniu robotami przemysłowymi. Obecnie technologia ta łączona jest z algorytmami sztucznej inteligencji, co pozwala realizować założenia koncepcji Przemysłu 4.0.
Sztuczna inteligencja rozszerza dotychczasowe zastosowania technologii widzenia maszynowego. Dzięki inteligentnym maszynowym systemom wizyjnym roboty mogą widzieć w trzech wymiarach, przekazywać między sobą części i wzajemnie sprawdzać swoją pracę. Mogą nawet wchodzić w interakcję z pracownikami, aby zapewnić bezpieczną współpracę. Maszyny z inteligentnymi systemami wizyjnymi mogą korzystać z przetwarzania języka naturalnego, aby odczytywać etykiety i interpretować znaki. Roboty z inteligentnymi systemami wizyjnymi mogą rozpoznawać kształty, zliczać produkty i idealnie pakować pudełka, samochody ciężarowe, a nawet kontenery, nie pozostawiając pustych przestrzeni.
Zautomatyzowane sterowanie
W większości aplikacji przemysłowych robot wymaga jednoznacznego zdefiniowania swojej pozycji w przestrzeni, zdefiniowania danych o niezmiennym otoczeniu, informacji o pojawieniu się przedmiotu oraz zdefiniowania danych o pozycji obiektu, który ma zostać przetworzony przez robota. Innymi słowy warunki pracy robota muszą być ściśle zdefiniowane i niezmienne. Wyposażenie robota w system wizyjny, który sprzężony jest z jego układem sterującym, umożliwia robotowi pracę w niezdefiniowanym wcześniej środowisku. Niezależnie, w jaki sposób pojawiają się przedmioty czy przeszkody robot może je zidentyfikować, rozpoznać i podjąć decyzję co do dalszego przetwarzania. W przypadku robota mobilnego możliwe staje się przemieszczanie w nieznanym otoczeniu.
Standardowym przykładem integracji robota z urządzeniami wizyjnymi do określenia typu produktu oraz jego pozycji w układzie współrzędnych robota są aplikacje typu pick-and-place. W tego typu zastosowaniach elementy pobierane są bezpośrednio z transportu i przekazywane do następnego etapu procesu produkcji, a każdy z nich kontrolowany jest przez system wizyjny korzystający z jednej lub kilku kamer. Drugim typem aplikacji jest użycie systemu lub czujnika wizyjnego do kontroli cech obiektu podczas jego przetwarzania przez robota przemysłowego. W tego typu aplikacjach kamera może być zamontowana na układzie transportowym, w miejscu montażu produktu oraz, co ma coraz częściej miejsce, na samym ramieniu robota.
System wizyjny rozpoznawania obrazu 3D, w tym specjalne kamery 3D mogą też służyć do dynamicznego wyboru i wyznaczania trajektorii ruchu robota. Dzięki temu ramię robota nie musi poruszać się ściśle po uprzednio wyznaczonej przez inżynierów trajektorii, ale ruch ten może być optymalizowany, np. względem pojawiających się w przypadkowy sposób ułożonych na taśmie transportowej przedmiotów. Wizyjne systemy 3D coraz częściej pojawiają się również w zrobotyzowanych aplikacjach spawalniczych. Wyposażony w nie robot może wówczas sam kontrolować powstającą spoinę, a także reagować na nierównomierności szczeliny spawalniczej lub na złe ułożenie spawanych elementów. Może też sam wykrywać położenie otworów czy znaczników na spawanych elementach.
Niestety systemy wizyjne nie są tanie. Dlatego ich zastosowanie, zwłaszcza w systemach sterujących musi zostać poprzedzone dokładną analizą kosztów, planowanych wyników oraz szacunkami czasu zwrotu z inwestycji. Zastosowanie tego typu rozwiązań do sterowania produkcją jest najbardziej efektywne w produkcji wielkoseryjnej i masowej. Eliminujemy wówczas możliwość wystąpienia nieplanowanego błędu, który mógł wystąpić z winy człowieka. Tak więc z biznesowego punktu widzenia system wizyjny może być potraktowany jako zaawansowane technicznie narzędzie do redukcji kosztów.
Systemy RFID
Kolejną technologią wykorzystywaną w ramach automatyzacji procesu produkcji do poprawy jej jakości, zmniejszenia i optymalizacji procesów magazynowania jest RFID (Radio Frequency IDentification). RFID pozwala na zdalne, autonomiczne i bezkontaktowe odczytywanie drogą radiową danych ze specjalnych układów określanych mianem etykiet RFID. Etykiety RFID, nazywane też tagami, transponderami, nalepkami RFID, układami identyfikacji radiowej, znacznikami radiowymi bądź inteligentnymi etykietami, są niewielkimi elektronicznymi elementami występującymi najczęściej w formie naklejek lub przyczepianych do znakowanych przedmiotów etykiet bądź metek. Tagi RFID mogą bez problemu być umieszczane zarówno na powierzchni, jak i wewnątrz przedmiotów ułatwiając np. późniejsze serwisowanie wyrobu.
Etykiety RFID mogą mieć w zasadzie dowolną wielkość i kształt. Najmniejsze z nich mają wymiary rzędu zaledwie 0,05 × 0,05 mm i przez to nazywane są pudrem RFID. Ze względów praktycznych tagi RFID mają jednak wielkość kilku centymetrów. Wprowadzenie radiowych identyfikatorów RFID pozwala zarówno w przemyśle, jak i w handlu niemal całkowicie zautomatyzować procesy logistyczne. O ile w wypadku omówionego wcześniej wizyjnego odczytu identyfikatorów z kodem paskowym czy QR kodem, wymagane jest odpowiednie ustawienia czytnika względem etykiety, o tyle w przypadku tagów RFID nie jest wymagany optyczny kontakt między czytnikiem a etykietą – stąd możliwość ich montażu wewnątrz produktu czy cześci. Co więcej, informacja może być sczytywana nawet z odległości kilku metrów.
Budowa i działanie systemu RFID
Działanie systemów RFID bazuje na bezprzewodowej, radiowej komunikacji między etykietą a czytnikiem RFID. Tag RFID składa się z układu scalonego z niewielką, zwykle kilkukilobajtową pamięcią oraz niedużą zintegrowaną z chipem anteną, pozwalają odbierać sygnały z czytnika i odpowiadać na nie za pomocą fal radiowych. Czytnik składa się z anteny czytnika, modułu nadawczego komunikacji radiowej RF (Radio Frequency), sterownika anteny oraz układu mikroprocesorowego odpowiedzialnego za bezpośrednie przetwarzanie otrzymanych danych lub interfejsu komunikacyjnego, np. złącza USB, modułu Wi-Fi czy karty sieciowej Ethernet, przekazującej otrzymane dane do systemu IT.
Etykiety RFID dzieli się na dwie grupy: tagi aktywne i pasywne. Pierwsze z nich wyposażone są we własne źródło zasilenia i stosunkowo dużą pamięć od 32 do 64 kB. Mają też zastosowanie wszędzie tam gdzie od etykiety RFID oczekuje się większej „inteligencji”, np. możliwości samodzielnego wykonywania operacji na danych, a nie tylko ich przesyłania. Takie etykiety wykorzystywane są zwykle w żegludze towarowej czy transporcie lotniczym, gdzie przytwierdza się je do palet lub kontenerów. Mogą one rejestrować m.in. informacje o załadowanych lub wyładowanych z kontenerów paczkach podczas wszystkich etapów podróży. Inteligentne etykiety przydają się również w zaawansowanych automatycznych systemach sterowania ruchem towarów, zwłaszcza w firmach logistycznych obracających wieloma różnymi produktami. Etykiety aktywne są zwykle nieco większe niż pasywne – ich wielkość to obecnie rozmiar małej monety, a uzyskiwany zasięg dochodzi do kilkudziesięciu metrów. Żywotność wbudowanych w nie źródeł zasilania, w zależności od ich typu, wynosi od kilku do kilkunastu lat. Niektóre modele są dodatkowo wyposażone w baterię fotowoltaicznych ogniw słonecznych.
W przypadku etykiet pasywnych, do ich zasilania wykorzystuje się zjawisko indukcji elektromagnetycznej. Energia na rozruch i pracę tagu przekazywana jest tutaj z czytnika za pośrednictwem fali radiowej. Jeśli etykieta ma również możliwość odbierania sygnałów, wówczas można jej przekazać dane do zapamiętania. Informacje te pobierane są z tej samej wiązki fal radiowych, która uruchomiła pasywną etykietę RFID. Jak można się domyślić, operacja odczytu i zapisu w pasywnych etykietach RFID może się odbywać na niewielkich odległościach, maksymalnie do kilku metrów.
Funkcja zapisywania danych w tagach przydaje się w przemyśle, np. przy sterowaniu przepływem komponentów na zautomatyzowanych liniach produkcyjnych i w handlu detalicznym. Możliwość przynajmniej jednokrotnej zmiany zawartości etykiety RFID jest również przydatna do jej trwałej dezaktywacji – po odpowiednim przeprogramowaniu nie będzie odpowiadać na wezwania czytnika lub będzie przesyłać ciąg zer. Najczęściej dezaktywacja etykiety polega jednak nie na wyzerowaniu danych ale na wydaniu etykiecie polecenia „kill”, które fizycznie uszkadza układ tagu. Ze względu na redukcję kosztów tagi pasywne wyposażone są w niewielką pamięć rzędu 64 bajtów, pozwalającą na wysyłanie tylko zaprogramowanego uprzednio numeru ID (tzw. GUID). Najtańsze etykiety RFID kosztują zaledwie kilka centów, a najprostszy czytnik kilkaset dolarów. Zakres temperaturowy pracy etykiet RFID mieści się w przedziale od –25 °C do +70 °C, choć są również produkowane etykiety wytrzymujące temperaturę rzędu 200 °C.
Transmisja danych i zastosowania
Obecnie w systemach RFID wykorzystuje się cztery pasma częstotliwości. Są to:
- systemy pracujące w zakresie niskich częstotliwości (od 125 kHz do 134,2 kHz, a niekiedy nawet do 500 kHz), nazywane też systemami LF (Low Frequency),
- systemy wysokich częstotliwości czyli systemy HF (High Frequency), działające w zakresie 10–15 MHz (najczęściej 13,56 MHz),
- systemy działające w paśmie UHF (866–960 MHz),
- oraz systemy mikrofalowe pracujące w zakresie 2,54–5,8 GHz.
Systemy LF używane są powszechnie w systemach kontroli dostępu, rejestracji czasu pracy, systemach biletowych i do znakowania zwierząt. Z kolei technologia HF pozwala na jednoczesny odczyt wielu etykiet, pod warunkiem zachowania minimalnej, wynoszącej ok. 2–3 cm odległości między tagami. Systemy HF wykorzystywane są do identyfikacji bagażu na lotniskach, książek w bibliotekach, odzieży w pralniach. Obie technologie nie znalazły jednak szerszego zastosowania w logistyce i przemyśle ze względu na niewielki zasięg odczytu. W przypadku technologii LF zasięg wynosi ok. 50 cm, dla HF jest to maksymalnie 1,5 m.
Systemy RFID wykorzystujące pasmo UHF mają największy zasięg spośród wszystkich innych typów tagów pasywnych. Technologia ta jest też najbardziej optymalna do zastosowań w szeroko pojętej logistyce przy zarządzaniu łańcuchem dostaw oraz w logistyce i automatyzacji produkcji. Maksymalny zasięg odczytu systemów UHF wynosi obecnie 6 m. W Europie ze względu na mniejsze, dopuszczone przepisami moce, zasięg ten jest mniejszy i ograniczony jest do 3 metrów.
Z kolei pasmo mikrofalowe wykorzystywane jest przede wszystkim w systemach etykiet aktywnych. Pozwala ono na transmisję sygnałów na odległości ponad 10 metrów, a także odczyt danych z etykiet znajdujących się na poruszających się z dużą prędkością (nawet powyżej 100 km/h), obiektach. Oprócz szeroko rozumianej logistyki, systemy mikrofalowe wykorzystuje się w zarządzaniu komunikacją miejską, do rejestracji przejazdu wagonów, palet czy kontenerów.
W praktyce przemysłowej, oprócz szeroko rozumianej logistyki, etykiety RFID pozwalają na precyzyjne śledzenie i kontrolę poszczególnych etapów produkcji. W systemach automatycznej identyfikacji radiowej każdy element procesu produkcyjnego jest identyfikowany w jednoznaczny sposób, a każda operacja technologiczna, podzespół oraz pracownik mają przydzielony swój indywidualny kod. System taki pozwala na automatyczne odczytanie informacji o całej historii wytworzenia danego urządzenia, użytych do tego celu podzespołach i osobach odpowiedzialnych za poszczególne etapy. Innym, ciekawym obszarem zastosowań technologii RFID jest kontrola przepływu i autoryzacji dokumentów. Wiadomo wtedy dokładnie gdzie znajduje się konkretny dokument w firmie, czy ktoś go nie wyniósł oraz można szybko sprawdzić na jakim etapie jest „dana sprawa”.
Na koniec trzeba wspomnieć o jeszcze jednej technologii wywodzącej się z systemów RFID, a mianowicie NFC (Near Field Communication). Wykorzystywana jest m.in. do transakcji elektronicznych, w których płatność realizowana jest za pomocą smartfonu, a nie za pomoca karty płatniczej. Co ważne, pozwala na obustronny zapis (tj. na czytniku i w tagu) informacji. W technologii NFC zasięg skutecznej komunikacji ograniczony jest do kilkunastu centymetrów, a maksymalna szybkość transmisji wynosi 424 kbit/s, co w połączeniu z dużymi pojemnościami pamięci, rzędu megabajtów, stosowanymi w etykietach pozwala na dość wygodną wymianę informacji. Dzięki temu, oraz za sprawą rozpowszechnienia smartfonów, coraz częściej wykorzystywana jest ona do rejestracji przyjęcia towaru czy innych operacji logistyczno-magazynowych.
| Korzyści wynikające ze stosowania etykiet RFID w przemyśle
|
source: Automatyka 3/2022