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Hoch hinaus! Bildverarbeitung in Europas größtem Versandhaus-Hochregallager

Vor den Toren der Stadt Leipzig steht das Hochregallager und Auslieferungszentrum des Traditions-Versandhauses Quelle, das von hier aus ganz Deutschland mit Konsumgütern aus dem gleichnamigen Katalog beliefert. Um den Eingang der Waren zu koordinieren, wird leistungsstarke Bildverarbeitung eingesetzt.

Abb. 1: Jeder Karton sollte auf der Vorderseite vom Hersteller mit einem von Quelle vorgegebenen Etikett versehen werden, das neben einem Barcode verschiedene Ident-Nummern in vorgegebener Schrift und Größe tragen muss.

Abb2: Vom Etikettierer wird jeder Karton mit einem Barcode versehen, der eine hausinterne fortlaufende Nummer (Karton ID oder KID) repräsentiert.

Abb. 3: Während ein Karton noch identifiziert wird, durchläuft er eine Warteschleife, von welcher er nach der Erkennung durch einen Barcode-Reader ausgeschleust wird.

Abb. 4: Nach einem ausgeklügelten System werden die Tablare von den riesigen Staplern in die Hochregale gefahren und abgestellt.

Beeindruckende Zahlen

Die gigantische Lagerhalle ist wirklich beeindruckend: Auf 185 m Breite passen 36 LKW-Tore nebeneinander (Abb. 1). In dieser Wareneingangshalle sind all die Bandsysteme untergebracht, die dafür sorgen, dass die angelieferten Waren in den Regalsystemen der Nachbarhalle nach einem bestimmten Prinzip gestapelt werden. Die 40 Regalgassen bringen es auf eine Höhe von 32 m und 120 m Tiefe. Hinter dieser beeindruckenden Hochregallagerhalle befinden sich weitere Großgebäude, in der die Verpackung und der Versand an die Endkunden abgewickelt werden. Die Wareneingangshalle verfügt über 18 Tore für je zwei LKW. Beim Eingang der Kartons wird der Vorgang der Anlieferung registriert, dann werden die LKW entladen und die Kartons der Hersteller mit den Waren auf insgesamt 18 Bandsystemen abgesetzt. Die endlosen Bänder fahren die Kartons nach ihrer Registrierung und Erfassung in das Hochregallager, wo sie unter 2,2 Mio. Kisten auf ihren Abruf in die Versandhalle warten. Es wird schnell klar, dass hier eine speziell ausgeklügelte Logistik vonnöten ist – denn wird ein Karton nicht konsequent registriert und verwaltet, ist er in den gigantischen Türmen und Fluchten unweigerlich verloren.

 

Registrierung und Identifizierung

Die Erkennung eines jeden Kartons muss daher mit höchstmöglicher Sicherheit gewährleistet sein. Die Kartons für das Leipziger Lager haben eine vorgeschriebene Mindest- und eine Maximalgröße (Länge: 250–650 mm, Breite: 250–450 mm, Höhe: 50–450 mm). Alle Waren, die nicht in diese Kartons hineinpassen, wie bspw. größere Elektrogeräte, werden von Quelle zumeist regional vertrieben, also nicht zentral über Leipzig versendet.

Jeder Karton, der in Leipzig ankommt, soll auf der Vorderseite vom Lieferanten (in der Regel der Hersteller) mit einem von Quelle vorgegebenen Etikett versehen werden, das idealer Weise eine Größe von 135 x 90 mm und festgelegte Formate und Formalien zu erfüllen hat. Nach dem Andocken eines LKW und der Registrierung des Vorgangs werden die Kartons entladen; jeder Karton läuft zuerst durch ein Lichtgitter, um seine tatsächliche Größe zu bestimmen. Anschließend wird er gewogen (Abb. 2). Dann folgt ein Etikettierer, der jeden Karton automatisch auf der Oberseite mit einem Barcode versieht, der die hausinterne fortlaufende Nummer repräsentiert (Karton ID oder KID). Sie begleitet jeden einzelnen Karton auf seinen Wegen durch das Hochregallager und ist ab jetzt mit ihm definitiv zu einer Einheit verschmolzen. Alle Kenngrößen sowie der jeweils momentane Aufenthaltsort des Kartons, der immer wieder durch Barcode-Scanner erfasst wird, werden ab jetzt über die SPS (Speicherprogrammierbare Steuerung: Siemens S5) mit dieser KID verknüpft (Abb. 3).

Das maschinelle Auslesen und Erkennen ist jedoch nicht immer möglich. Das hat verschiedene Gründe: Obgleich sich die meisten Lieferanten (einige Tausend) an die Vorgaben bezüglich der Etikettgestaltung für die Kartons halten, geschieht es immer wieder, dass einige Kartons entweder keine Etiketten haben, mit falschen Schrifttypen versehen oder handbeschriftet sind. Manche Kartons sind zerdrückt oder gepresst - mit entsprechenden Folgen für die Etiketten. Demgemäß sind längst nicht alle Verpackungen im Idealzustand - und das führt zu Schwierigkeiten beim automatischen Lesen der Etiketten.

Als erstes wird versucht, den vom Hersteller aufgedruckten EAN 128 Barcode zu erkennen. Das geschieht mit einem herkömmlichen Barcode-Reader, an dem die Bandstraße jeden Karton vorbeiführt, nachdem er mit der KID versehen wurde. Über diesen Barcode werden bereits 75% der Kartons ausgelesen. Um die Lesung und Handhabung der restlichen Kartons weitestgehend zu automatisieren, wird in einem zweiten Schritt eine intelligente Kamera der Firma Baumer eingesetzt, die ihre Leseergebnisse an die SPS sendet. Bei unklaren Leseergebnissen werden die Bilddaten zusammen mit der Position des Labels zum so genannten Videocodierserver gesendet. Dort wird entweder eine weiterführende Bildverarbeitung zur Verifizierung des Ergebnisses vorgenommen oder, falls hier kein Ergebnis erzielt werden kann, das Bild zu den Videocodierstationen übertragen, wo das Bild manuell bearbeitet wird. Die automatische Ziffernlesung durch die Kamera wurde nachträglich zusammen mit dem Videocodierserver installiert. Durch diese Investition wurde die automatische Erfassung um weitere 19% erhöht, so dass nur noch 6% aller angelieferten Kartons zur Videocodierung müssen.

Die zerstörten oder zerdrückten Kisten mit unlesbaren Etiketten müssen auch heute noch aussortiert und manuell registriert oder neu verpackt werden. Darunter fallen alle Kartons, deren Etiketten weder über den Barcode-Reader oder das Ziffernlesegerät noch über die Videocodierung erfasst werden können.

 

Einsortieren, abstellen, herausholen

Am Ende werden alle Kartons, die eindeutig identifiziert und deren Parameter mit ihrer KID verknüpft wurden, auf Tablare aus Metall geschoben, an deren Unterseite fix ein Tablar-Barcode (TID) zur Identifizierung angebracht ist. Diese TID wird wiederum mit der KID verknüpft, so dass nun nur noch das Tablar zur eindeutigen Identifizierung eines Kartons dienen kann. Ab jetzt greift das Lagerverwaltungssystem (LVS) von Siemens. Anschließend können die Tablare endgültig ins Hochregallager laufen. Nach einem ausgeklügelten System werden sie von den riesigen Staplern in die Hochregale gefahren und abgestellt (Abb. 4). Das LVS kann so jederzeit eine Kiste aus dem Hochregal holen, immer dann, wenn im eigentlichen Versandhaus im Nachbargebäude eine bestimmte Ware auszugehen droht. Ausgelöst wird dieser Vorgang durch die Kundenbestellungen, die entweder über das Internet, telefonisch oder per Post erfolgen. Wird eine bestimmte Anzahl von Stücken gebraucht, registriert das System automatisch den Bedarf und löst im Hochregal den Vorgang aus. Dann fährt der schienengebundene Regalkran, angewiesen vom LVS und gesteuert von der SPS, genau an die bestimmte Stelle, holt die Tablare aus dem Regal und stellt sie auf ein Bandsystem, das die Kartons ins benachbarte Gebäude fährt. Am Ende wird jede Ware automatisch in das richtige Fach geworfen. Der Mitarbeiter braucht die Ware jetzt nur noch für den eigentlichen Versand zu entnehmen.

 

Bildverarbeitung als logistische Herausforderung

Ziel der BV war es, die automatisierte Leserate der zu 25% nicht ausgelesenen Kartons deutlich zu erhöhen, um bei der Videocodierung und der manuellen Bearbeitung einzusparen. Es standen zwei Lösungen zur Auswahl. Einerseits konnte ein zentraler Scanner eingesetzt werden. Dieser Scanner würde aufgrund des hohen Kartondurchsatzes und der hohen Objektgeschwindigkeit eine Spezialbeleuchtung und aufwendige Rechentechnik benötigen. Andererseits bot es sich an, mit parallelen und einfach zu handhabenden intelligenten Kameras der Baumer i-Cam Serie die vorhandene Installation weitestgehend zu nutzen, die Kosten dabei geringer zu halten, und durch den Einsatz von standardisierten Komponenten einen Investitionsschutz für den Betreiber zu generieren.

Mit der Realisierung wurde die Firma Baumer Optronic aus Radeberg beauftragt. Baumer Optronic ist Komponentenhersteller von elektro-optischen Geräten für die BV und bietet intelligente Kameras an, die bereits intern mit einer OCR-Software ausgestattet sind. „Die Ziffern auf dem Lieferantenetikett mit der geforderten Lesesicherheit zu decodieren war eine große Herausforderung. Viele Unregelmäßigkeiten in der Beschriftung, Zerstörungen, Handbeschriftungen oder falsche Positionierung der Lieferanten-Etiketten und die damit verbundene große Lesefläche machten die Aufgabe anspruchsvoll. Die i-Cam von Baumer konnte die erforderliche Rechenleistung aber sehr gut aufbringen. Zur Verifizierung des Leseergebnisses wurde jedoch zusätzliche Software benötigt, die - vollkommen unabhängig - Vergleichsergebnisse zur Verfügung stellt. Der Rechenzeitaufwand ist hier allerdings nicht mehr kritisch, da die Positionen des relevanten Labels im Bild bereits vollständig durch die i-Cam erfasst wurden.“

Die an jedem der 18 Wareneingangstoren parallel installierten intelligenten Kameras i-Cam 108 arbeiten mit hardwareunterstützter Baumer OCR-Software (Ziffernlesegerät=ZLG). Das Objektiv und die zugehörigen optischen Filter stammen von Schneider-Optik. Stimmen ZLG-Ergebnis und der Lieferanten-Barcode überein, ist der Job erledigt. Haben jedoch entweder Barcode-Reader oder ZLG unterschiedliche Ergebnisse oder kein Ergebnis gebracht, wird ein zusätzlicher Schritt nachgeschaltet: Auf einem herkömmlichen PC laufen eine zusätzliche proprietäre OCR-Software von Baumer und parallel dazu die HALCON-OCR von MVTec. Erst diese Kombination der Ergebnissuche bringt für Quelle eine zufrieden stellende Lesesicherheit.

Das Bild sowie die Region of Interest (ROI), die bereits in der i-Cam erfasst und bestimmt wurden, werden an die beiden Softwarestränge auf dem PC übergeben und dort gleichzeitig verarbeitet, die beiden Ergebnisse wiederum mit dem OCR-Ergebnis aus der i-Cam verglichen. Gibt es zwei übereinstimmende Ergebnisse der drei OCR-Verarbeitungen, so gilt dies als ausreichend. Erst wenn kein zufrieden stellendes Ergebnis (also mindestens 2:1) vorliegt, wandert das Bild zur manuellen Videocodierung. „Durch die Kombination der i-Cam mit den beiden parallelen OCR-Verarbeitungen auf einem einzigen PC konnte der Automatisierungsgrad um 18% HALCON hat sich hier klar bewährt als zuverlässig, robust und leistungsfähig. Die Software konnte problemlos auf die OCR-Anforderungen hin angepasst und implementiert werden, wie Quelle und Baumer bestätigen. Die industrielle BV der Anlage läuft vollkommen wartungsfrei.

 

Fazit

Dieses Beispiel beweist, dass auch anspruchsvolle BV-Lösungen mit standardisierten Hardwarekomponenten gelöst werden können. Zusammen mit einer leistungsfähigen Software wie HALCON und etwas ingenieurtechnischer Kreativität können heute Prozesse optimiert werden, die noch vor gar nicht langer Zeit allein an den hohen Investitionskosten kundenspezifischer Projekte gescheitert wären.

 

Autoren: Dr. Lutz Kreutzer und Dr. Ralf Grieser

 

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