물류 추적과 물류 4.0이 공급망 중단을 관리하는 방법

당분간 계속될 것으로 예상되는 공급망 중단을 관리하기 위해 물류 추적은 점점 더 중요해지고 있습니다. 물류란 제조 시설이나 창고 또는 지리적으로 분산된 위치 사이를 물품이 한 장소에서 다른 장소로 이동하는 공정을 말합니다. 물류 추적은 실시간 공급망 상태를 제공하여 공급망 중단의 영향을 최소화하고 원활한 운영과 수익성을 보장하기 위해 필요에 따라 조정할 수 있습니다.

산업용 사물 인터넷(IoT)의 등장은 인공지능(AI)을 비롯한 스마트 공급망 관리와 물류 4.0 개발로 이어졌으며 새로운 과제를 해결하고 물류 관리에 유연성을 더했습니다. 물류 4.0을 사용하면 실시간 공급망 가시성 및 무결성 제어를 통해 정확한 시간, 장소, 수량, 조건, 비용으로 제품을 정확히 배송하는 데 필요한 정보를 사용할 수 있습니다. 물류 추적은 공급망 내의 위치에 따라 선형(1D) 바코드, 2D 바코드, 무선 주파수 식별(RFID), 근거리 무선 통신(NFC), Bluetooth, Wirepas(산업용 Bluetooth), GPS 기술 등을 포함한 다수의 기술을 사용하여 구현될 수 있습니다.

이 기사에서는 물류가 안고 있는 과제에 대한 개요를 제시하고 선택한 물류 추적 기술의 유용성과 관련 산업 표준의 유용성을 비교하며 개발 공정 속도를 높이기 위한 평가 플랫폼과 함께 Banner Engineering 및 Würth Elektronik의 추적 도구의 예를 제시하면서 마무리합니다.

인더스트리 4.0과 물류 4.0은 상호 연결되어 있으며 경제적으로 효율적인 대량 맞춤 생산이라는 목표를 달성하기 위해서는 둘 모두가 필요합니다. 물류 4.0은 네트워킹, 자동화, 저지연 통신 등을 결합한 개별 품목에 관련된 매우 세분화된 실시간 정보를 기반으로 하여 운영 중단에 대한 조기 경고를 제공하고 공급망 전반에 걸쳐 최적의 제품 흐름을 유지하기 위한 신속한 대응을 가능하게 합니다. 주어진 상황에 가장 적합한 물류 솔루션에 도달하려면 여러 기술이 필요합니다.

1D 및 2D 바코드

바코드는 개별 항목에 대한 데이터 수집을 자동화하는 저렴하고 효과적인 방법입니다. 데이터량에 따라 다음과 같은 몇 가지 바코드 형식이 있습니다.

• 1D 또는 선형 바코드는 일련번호, 모델 번호 및 항목 기록과 같은 정보를 포함할 수 있습니다.
• 스택형 선형 바코드는 밀접하게 쌓인 여러 1D 바코드를 사용하여 더 높은 데이터 밀도를 제공합니다.
• 2D 바코드는 상자 또는 셀로 구성되며 훨씬 더 많은 양의 데이터를 그리드 형식으로 저장합니다.

1D 바코드가 가장 보편적이며 바코드 정보는 흑백 막대와 공간의 폭에 포함되어 있고 사용 중인 특정 형식을 이해하는 바코드 스캐너를 사용하여 판독합니다. 특정 응용 분야에 필요한 데이터에 최적화된 여러 형식의 1D 바코드가 있습니다. 다음은 몇 가지 예입니다.

• 자재 관리용 코드 128
• 군 및 정부 기관에서 사용하는 코드 39
• 특정 산업 응용 분야용 인터리브 2of5
• 미국 소매업에서 널리 사용하는 UPC-A
• 미국 우편국(USPS)에서 사용하는 Postnet

예를 들어 코드 128 형식의 구조는 다음과 같습니다(그림1).

막대는 정보를 전달하는 검은색 선입니다. 기본 코드에는 판독기에 의해 이진 정보로 변환되는 두 가지 막대 크기(넓고 좁음)가 있습니다. 다른 코드 형식은 더 많은 세부 정보를 전달하기 위해 다양한 폭의 막대와 공백을 포함할 수 있습니다.

Quiet Zone(정적 구간)은 바코드 가장자리의 빈 공간으로, 스캐너가 코드의 처음과 끝을 식별할 수 있도록 합니다. 모든 1D 바코드 형식의 일반적인 특징입니다.

Start Code(시작 코드)와 Stop Code(중지 코드)는 바코드의 처음과 끝을 나타내는 막대와 공간의 특정 조합입니다.

Check Digit(검사 숫자)는 데이터의 정확성을 확인하고 데이터 판독 오류로부터 보호하는 역할을 합니다.

Human Readable Code(사람이 판독할 수 있는 코드)는 바코드에서 기계가 판독할 수 있는 정보에 해당하는 부분이 아닙니다.

Module Width(모듈 너비)는 바코드에서 가장 작은 셀 또는 막대의 높이/폭이며 스캐너가 코드를 정확하게 판독하는 데 필요한 최소 해상도를 결정합니다.

그림 1: 코드 128 형식을 사용하는 1D 바코드의 구조(색상은 식별용임). (이미지 출처: Banner Engineering)

2D 바코드는 더 복잡하고 더 많은 양의 데이터를 포함합니다. 일반적인 2D 바코드 중 일부 예는 다음과 같습니다.

• 자동차, 전자, USPS 애플리케이션에 사용되는 DataMatrix
• 자동차뿐만 아니라 상업 마케팅에도 사용되는 QR 코드
• 여행 티켓 및 일부 차량 등록 문서에서 발견되는 Aztec
• 자재 관리 및 United Parcel Service(UPS)에 사용되는 Maxicode

예를 들어 DataMatrix 형식의 구조는 다음과 같습니다(그림2).

Cell(셀)은 데이터가 들어 있는 2D 행렬 내부의 검은색과 흰색 정사각형 영역입니다.

Quiet zone(정적 구간)은 2D 바코드 둘레의 빈 공간으로, 스캐너가 코드의 처음과 끝을 식별할 수 있도록 합니다.

Finder(또는 'L')(파인더(또는 'L') 패턴)은 올바른 방법으로 코드를 판독할 수 있도록 판독기의 방향을 지정합니다.

Clocking pattern(클로킹 패턴)은 파인더 패턴의 반대편에 있으며 코드 내부의 셀 크기와 바코드의 행과 열 개수를 판독기에 알려줍니다.

그림 2: 2D 바코드 DataMatrix 구조(색상은 식별용임). (이미지 출처: Banner Engineering)

2D 바코드에는 오류 수정 데이터도 포함되어 있습니다. 코드에 따라 다르지만 판독기의 데이터 수집 품질 향상을 위해 오류 수정 데이터를 3회 포함할 수 있습니다.

바코드 판독

레이저 스캐너는 1D 바코드를 판독하는 간단하고 비용 효율적인 방법을 제공합니다. 레이저는 회전 거울을 통해 바코드를 가로지르는 방향을 향하게 되고 반사된 빛은 광 다이오드에 의해 측정됩니다. 그런 다음 광 측정값이 디지털 출력으로 변환됩니다. 고속 레이저 스캐너는 초당 1,300번을 스캔할 수 있지만 2D 바코드는 판독할 수 없습니다.

이미징 판독기를 사용하면 1D 및 2D 바코드를 모두 판독할 수 있습니다. 이미징 판독기는 바코드의 이미지를 캡처한 다음 이미지 처리 소프트웨어를 사용하여 분석합니다. 이 소프트웨어는 바코드의 위치를 찾고 방향을 지정하여 판독할 수 있습니다. 이미지 판독기는 레이저 스캐너에 비해 다양한 높이에서 판독할 수 있고 심도가 더 넓으며 여러 바코드를 동시에 판독할 수 있습니다. 판독 프로세스 속도는 이미징 카메라 및 처리 소프트웨어의 성능에 따라 다릅니다.

Wirepas 자가 성형 모바일 네트워크

바코드 외에도 무선 태그와 IIoT를 사용하여 공급망 전반에 걸쳐 품목을 식별하고 위치 및 상태를 제공할 수 있습니다. Wirepas는 물류 4.0 응용 제품을 지원하기 위해 필요한 규모와 밀도를 제공하도록 설계된 자율 자가 성형 무선 연결 프로토콜입니다. Bluetooth와 같은 기존 메시 네트워크는 혼잡하거나 대역폭 제한으로 인해 큰 규모를 달성하는 데 어려움을 겪을 수 있습니다. Wirepas는 네트워크 인텔리전스를 노드로 분산시켜 이러한 장벽을 제거함으로써 충돌 없는 무선 스펙트럼 사용을 통해 자가 치유 네트워크를 생성합니다.

그림 3: 관리할 품목이 많은 물류 추적 응용 분야에서 Wirepas는 Bluetooth 또는 독점 무선 프로토콜에 대한 대안을 제시할 수 있습니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

Wirepas 메시 소프트웨어는 배터리 구동 대규모 네트워크용으로 설계되었습니다. 각 노드의 특징은 다음과 같습니다.

• 네트워크 환경을 스캔하여 최적의 경로 선택
• 인접 노드의 근접성을 기준으로 전송 전력 조정
• 라우팅 노드 또는 비라우팅 노드 또는 싱크로써 작동 가능
• 저전력 모드와 저지연 모드 간 전환 가능
• 최적의 주파수 선택
• 전파 방해 내성

여러 대형 컨테이너 운송 회사가 설립한 독립 조직인 DCSA(Digital Container Shipping Association)는 운송 컨테이너에 적용할 무선 연결 인터페이스 표준을 발표했습니다. Wirepas는 DCSA의 표준을 준수합니다.

1D 및 2D 바코드 구현

설계자는 1D 또는 2D 바코드를 사용하여 물류 4.0 추적 시스템을 설계할 때 Banner Engineering의 ABR3009-WSU2 WVGA(752픽셀 × 480픽셀) 이미지 기반 바코드 판독기를 사용할 수 있습니다(그림 4). 이 판독기의 세 군데 초점 위치(45mm, 70mm, 125mm)는 공장에서 보정되며 응용 제품별로 미세 조정을 제공하기 위해 연속 초점 범위를 가집니다. ABR3009-WSU2는 초당 57프레임을 캡처할 수 있습니다.

그림 4: Banner Engineering의 ABR3009-WSU2는 1D 및 2D 바코드의 전체 라이브러리를 판독합니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

모든 표준 1D 및 2D ABR 3000 계열 판독기는 DataMatrix 바코드를 읽도록 설정되어 있으며 쉽게 다른 스타일을 읽도록 구성할 수 있습니다. 온보드 푸시 버튼을 사용하여 간단히 구성하거나 더 복잡한 구성은 PC에서 Banner의 Barcode Manager 소프트웨어를 사용합니다. 렌즈 옵션은 소프트웨어로 조정 가능한 자동 초점을 포함하며 설정 및 구성을 더 단순화할 수 있습니다. 장치 통합 및 IIoT 데이터 수집은 산업용 이더넷이나 시리얼 연결 또는 USB 연결을 통해 구성할 수 있습니다. ABR3009-WSU2 모델은 IP65 등급으로 먼지와 노즐에서 분사되는 물로부터 보호됩니다.

Wirepas 무선 통신 모듈

Würth Elektronik의 Thetis-I는 Wirepas 메시 통신 프로토콜을 지원하는 2.4GHz 무선 모듈입니다. 설계자는 가시거리 범위가 400m인 부품 번호 2611011021010을 사용하여 Wirepas를 물류 4.0 자산 추적 장치에 통합할 수 있습니다(그림 5). 전송(Tx) 전력은 6dBm, 수신 감도(Rx)는 최대 -92dBm, 전송 속도는 최대 1Mbps입니다. 2611011021010은 Tx 모드에서 18.9mA, Rx 모드에서 7.7mA, 절전 모드에서 3.16µA가 필요합니다. 크기는 8mm x 12mm x 2mm입니다.

그림 5: Wirepas 메시 프로토콜을 사용하는 2.4GHz Thetis-I 무선 통신 모듈입니다. (이미지 출처: Würth Elektronik)

설계자는 Wirepas 메시 프로토콜을 적용한 Thetis-I 무선 통신 모듈을 사용하여 물류 4.0 응용 제품의 개발 속도를 높이기 위해 미니 EV 기판, USB 무선 통신 스틱, 3개의 센서 노드가 포함된 Thetis-I EV-Kit을 사용할 수 있습니다(그림 6). 운영 중인 Wirepas 메시 프로토타입 네트워크는 몇 분 안에 설정할 수 있으며 EDV-Kit의 각 부품(미니 EV 기판, USB 무선 통신 스틱, 센서 노드)은 프로토타입 네트워크를 확장하기 위해 별도로 구입할 수 있습니다.

그림 6: Thetis-I EV 키트에는 Thetis-I Wirepas 메시 모듈이 장착되어 있으며 미니 EV 기판, USB 무선 통신 스틱, 3개의 센서 노드가 포함되어 있습니다. (이미지 출처: DigiKey)

미니 EV 기판 지지대는 응용 제품 개발을 위한 호스트 마이크로 컨트롤러와의 연결을 지원합니다. 센서 노드는 31mm x 32mm 크기의 배터리로 작동하는 기판이며 압력 센서와 습도 센서를 포함합니다. 센서 데이터는 무선 통신 모듈에서 자동으로 읽고 메시 네트워크로 전송됩니다. 또한 EV 키트에는 무선 통신 모듈과 통신, 네트워크 구성, 센서 데이터 모니터링을 지원하는 Würth의 PC 도구인 Wirepas Commander 소프트웨어도 포함되어 있습니다.

요약

물류 4.0은 공급망의 모든 품목에 대한 실시간 세부 정보를 기반으로 하여 네트워킹 시스템, 자동화, 저지연 통신을 사용하여 인더스트리 4.0과 통합되어야 공급망 중단을 조기에 경고할 수 있습니다. 성공적인 물류 시스템을 구현하려면 여러 추적 기술이 필요합니다. 이 기사에서는 물류 4.0 솔루션에서 협업할 수 있는 1D 및 2D 바코드와 확장성이 뛰어난 무선 Wirepas 네트워크에 관련된 다양한 선택 사항을 제시했습니다.