MVTEC HALCON
Standardisierte Automatisierungslösungen bieten eindeutige Vorteile bei der Planung und Umsetzung von Modernisierungsprojekten. Häufig ergeben sich jedoch auch Schwierigkeiten bei der Integration von Standards in langjährig gewachsene und gereifte Infrastrukturen. An dieser Stelle ist das Knowhow von Automatisierungsfachkräften gefragt. Denn diese können gemeinsam mit der Kundschaft ein Modernisierungskonzept erarbeiten, das auf die bestehende Anlage abgestimmt ist und technischen sowie wirtschaftlichen Gesichtspunkten folgt.
Ein anschauliches Beispiel stellt die Modernisierung der automatischen Paketidentifikation im Wareneingangslager des Versandhauses WITT in Weiden dar: Bei der Implementierung der neuen Bildverarbeitung ist die Synthese aus Standardkomponenten und kundenspezifischer Entwicklung über die Anforderungen hinaus gelungen. Hier hat die beauftragte ECKELMANN AG, Wiesbaden, auf Basis der Software-Bibliothek HALCON 8.0 eine Lösung zur Handschriftenerkennung passgenau in die vorhandene Infrastruktur und das proprietäre Warenwirtschaftssystem eingebettet.
Die Josef Witt GmbH – bekannt unter dem Namen WITT WEIDEN - ist ein international operierendes Versandhaus mit Sitz in Weiden i. d. Oberpfalz. WITT WEIDEN ist eine 100%ige Tochtergesellschaft von Schwab, damit gehört das Unternehmen zum Otto-Konzern. Neben dem klassischen Versandhandel betreibt WITT WEIDEN deutschlandweit etwa 75 Fachgeschäfte.
Am Firmensitz Weiden betreibt WITT ein Lager zur zentralen Annahme eingehender Waren von über 1.100 Lieferanten (Legeware und Hängekonfektion) aus dem In- und Ausland. Die Waren werden per LKW in Kartons angeliefert, die über mehrere sogenannte Vereinnahmungslinien in ein Zwischenlager laufen. Diese Vereinahmungslinien sorgen für die automatische Identifikation, Wägung und Vermessung der einzelnen Kartons. Die ermittelten Kartondaten werden an das proprietäre Warenwirtschafts- und Lagerverwaltungssystem von WITT WEIDEN übertragen. Die Identifikation und die Vermessung der Kartonaußenmaße erfolgt durch ein Bildverarbeitungssystem. Dieses System sollte im Rahmen der Modernisierung ersetzt werden. Die Herausforderung bestand darin, dass die Kartons anhand klarschriftlicher aufgebrachter Ziffernfolgen auf einem standardisierten Etikett identifiziert werden müssen (siehe Abb.1 Paket-Etikett).
Diese klarschriftliche Auszeichnung der Kartons hat bei der großen und internationalen Lieferantenbasis von WITT WEIDEN Vorteile. Unter den Zulieferern befinden sich sehr kleine Firmen, die zu einem großen Teil im asiatischen Raum sitzen. Das Ausdrucken von Barcodes zur Kennzeichnung der Kartons wäre mit großen logistischen Problemen verbunden. Für die Ausführung der Etiketten-Beschriftung mit Artikelnummer, Artikelanzahl und Konfektionsgröße existieren daher keine Vorgaben, außer dass arabische Ziffern zu verwenden sind. Das Identifikationssystem muss also in der Lage sein, gedruckte, gestempelte und handschriftliche Ziffern zu erkennen und zu klassifizieren. Diese Funktionalität wird auch als Optical Character Recognition (OCR) bezeichnet. Pro Vereinnahmungslinie werden täglich etwa 3500 Pakete im Durchlauf (bei ca. 1 Meter pro Sekunde Fördergeschwindigkeit) mit einem Durchsatz von maximal 8 Kartons pro Minute abgefertigt. Bildverarbeitung nach Maß – die Aufgabenstellung Nachdem sich die Instandhaltung der bestehenden Systeme nach der Kündigung der Wartungsverträge durch die Herstellfirma als aufwändig und kostenintensiv erwies, drohte das vorhandene System die Verfügbarkeit und Produktivität des Wareneingangs zu beeinträchtigen. Die Fachkräfte des Bereichs Logistik bei WITT WEIDEN entschieden sich für einen Austausch des Bildverarbeitungssystems. Dadurch sollte die Performance (also die Leserate der Identifikation) gesteigert werden und eine nachhaltig zuverlässige und servicefreundliche Lösung entstehen.
Eine Evaluierung ergab, dass die am Markt angebotenen Standard-Lösungen zur Paketidentifikation durch OCR sich allesamt als zu umfangreich erwiesen und nicht unmittelbar kompatibel zur bestehenden Automations- und IT-Landschaft waren. Zum Schutz bestehender Investitionen entschied man sich bei WITT WEIDEN daher für das Angebot der ECKELMANN AG, die die Entwicklung einer passgenauen und individuellen Lösung ausschließlich für den Bereich der optischen Handschriftenerkennung angeboten hatte. Folgende grundlegenden Systemeigenschaften und Vorgaben für die Projektabwicklung wurden vereinbart:
Die ECKELMANN AG setzte die Anforderungen um, indem sie Standardkomponenten spezifisch zur Anwendung auswählte beziehungsweise konfigurierte. Verbleibende Systemlücken wurden durch Software-Entwicklung geschlossen. Der Systemaufbau der realisierten Anlage ist denkbar einfach. Als Plattform dient ein in den Betriebmittelvorschriften von WITT vorgesehene Standard-PC. Die Anbindung der Kamera erfolgt über Gigabit-Ethernet (Gigabit Ethernet uEye von IDS, Obersulm). Als Beleuchtung dient ein handelsüblicher Energiesparstrahler (ERSO Indulux HIT 150W). Auch zu den übrigen, bereits vorhandenen Komponenten der Paketanlage wie der Waage und der SPS (Siemens S5) des Fördersystems bestehen Standard-Schnittstellen. Die Kommunikation zum Warenwirtschaftssystem wird ebenfalls mittels PC-Ethernet-Schnittstelle ausgeführt. Zur Unterstützung der proprietären Software-Landschaft bei WITT WEIDEN werden dazu genau spezifizierte ASCII-Strings erzeugt, die mit der Anlage kommunizieren. Alle Komponenten sind so gewählt, dass im Störungsfall der Austausch des PCs genügt. Da WITT zusätzlich mit Festplattenspiegelung über das Netzwerk arbeitet, ist im Bedarfsfall eine Systemwiederherstellung binnen einer Stunde problemlos möglich. Basis der Bildverarbeitung (OCR und Bestimmung des Kartonvolumens) ist die Softwarebibliothek HALCON 8.0 des Münchner Unternehmens MVTec, die mit einer sehr breiten Funktionalität Werkzeuge für alle typischen Aufgaben der Bildverarbeitung bietet. Die Anwendungsentwicklung wird von HALCON mit einer integrierten Entwicklungsumgebung unterstützt.
Die zentrale Aufgabenstellung der Bildverarbeitung erwies sich dennoch als sehr komplex. Die eingehenden Pakete stammen von über 1.000 verschiedenen Zulieferern aus den unterschiedlichsten Kulturkreisen. Die entsprechende Variantenvielfalt der Schriftbilder erforderte den Einsatz modernster Klassifikationsverfahren. Außerdem kommt es auf den teils langen Transportwegen immer wieder zu Verschmutzungen und Beschädigungen der Etiketten, so dass sich bereits die Lokalisierung der Etiketten und die nachfolgende Segmentierung der einzelnen Ziffern als oft sehr aufwändig gestaltet. Die Klassifikation der separierten Ziffern erfolgt stellenweise in einem mehrstufigen Prozess, in dem unterschiedliche Verfahren – unter anderen die in HALCON angebotene ‚Support Vector Machine’ - zum Einsatz kommen. „Wir haben einige Software-Bibliotheken ausprobiert. Die Bildverarbeitungs-Implementierung, so wie wir sie uns vorstellten, wurde aber erst durch die zahlreichen Eigenschaften der jüngsten Version 8.0 von HALCON möglich“, sagt Arno Dewald, verantwortlicher Projekt-Ingenieur bei ECKELMANN. Nach einem ersten Klassifikationsdurchlauf für eine Ziffernfolge – beispielsweise unter Anwendung neuronaler Netze – erfolgt eine Plausibilitätsprüfung in Abgleich mit der Gesamtmenge zulässiger Ergebnisse. Falls notwendig folgt eine zweiter Klassifikationsdurchlauf mit einem alternativen Verfahren. Hierbei hat sich insbesondere die Methode der ‚Support Vector Machine’ als sehr leistungsfähig erwiesen. Darüber hinaus wird außerdem von der Bildverarbeitung die Kartongröße erkannt. Die 7 unterschiedlichen Versandkartons (Normgrößen) bei WITT WEIDEN kann das Bildverarbeitungssystem anhand der Vermessung lediglich einer Seite der Kartons identifizieren. Das Lagerverwaltungssystem entscheidet daraufhin, ob an einem Lagerplatz später zwei kleine Kartons oder ein großer Karton gestapelt werden wird.
Das Ergebnis übertraf die Erwartungen der Auftraggebenden. Die Leserate bei den automatisch verarbeiteten Etiketten beträgt über 96%, so dass die Lesequalität im Vergleich zum Vorgängersystem deutlich erhöht werden konnte. Eine erste Prüfung zeigte nach einem Monat sogar, dass die Leserate der unbeschädigten Etiketten 100% betrug. In übersichtlichen Bedienmasken (Abb.2) wird der Prozess der OCR sowie der Gesamtanlagenstatus visualisiert. Im Austausch mit dem Warenwirtschaftssystem finden verschiedene Plausibilitätsprüfungen statt (Vergleich mit Lieferscheinen, Prüfung auf Kongruenz von Artikel-, Größen- und Mengenangaben). In Abhängigkeit von dieser Plausibilisierung erfolgt die automatische Auszeichnung des jeweiligen Pakets mit einem neu erstellten internen Klarschrift-Etikett (Abb.3). „Wir sind mit der Projektabwicklung durch die ECKELMANN AG und auch mit der Performance der fertigen Lösung überaus zufrieden“, so fasst Sabine Schaumberger, Projektleiterin bei WITT WEIDEN, die Erfahrungen mit diesem Projekt zusammen. „Selbst im hektischen Weihnachtsgeschäft ging die Inbetriebnahme ohne Beeinträchtigung des laufenden Betriebs vonstatten.“ Auch das Wartungskonzept entspricht den hohen Anforderungen: „Durch den Einsatz von Standard-PCs können wir im Störungsfall vor Ort für eine sehr schnelle Wiederaufnahme des Betriebs sorgen. Die Fernwartung durch ECKELMANN unterstützt uns beim Service zusätzlich.“ Der von allen Verantwortlichen als sehr positiv und konstruktiv empfundene Projektverlauf und die technische Güte der fertigen Lösung dürfen als Erfolg der guten Kommunikation und Kooperation der beteiligten Partnerunternehmen gewertet werden. Im Speziellen sind hervorzuheben: 1. die genaue Erhebung der Anforderungen in der Spezifikationsphase, 2. die kompetente Unterstützung der konkreten Applikation durch den individuellen Software-Support bei MVTec und 3. die flexible Durchführung der Inbetriebnahme, bei der immer wieder Verbesserungsvorschläge der Anlagenbediener und -bedienerinnen direkt umgesetzt wurden. Aufbauend auf Standards verfügt WITT WEIDEN nun über eine wartungsfreundliche Automatisierung des Wareneingangs, die sich nahtlos in die vorhandene Prozesslandschaft einfügt.
Autoren: Dr. Lutz Kreutzer, Manager PR & Marketing. MVTec Software GmbH; Dr. Frieder Schwitzgebel, Unternehmenskommunikation der ECKELMANN AG
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Veröffentlicht am: 28. August 2013
