Maximale Erkennung, minimale Fehler Algorithmen erhöhen Betriebssicherheit von UHF-RFID-Systemen

Ein \’Radio Frequency Identification (RFID)\‘-System besteht grundsätzlich aus zwei Elementen, dem Datenträger (Transponder oder SmartLabel) und dem Schreib-Lesegerät (Reader). Die Informationsübertragung zwischen Reader und Transponder erfolgt bei UHF-Systemen (UHF-RFID) über Funkwellen, genau wie beim Radio oder bei Mobiltelefonen. Aufgrund der hohen Sendereichweite von mehreren Metern wurden UHF-Systeme bislang typischerweise in Logistikanwendungen eingesetzt. Zunehmend finden diese Systeme jedoch auch in industriellen Produktionsanlagen Einzug. Gründe für diesen Trend sind die durchgängige Identifikation der Objekte im gesamten Produktionsprozess und die Verfügbarkeit von kostengünstigen Einweg-Transpondern (Labels), die am Ende des Produktionsprozesses entsorgt werden. Da die Notwendigkeit entfällt, die wiederverwendbaren Transponder zu überwachen und zu pflegen, reduziert dies den Wartungsaufwand erheblich. Bei der Fahrzeugfertigung ist beispielsweise das Entlacken von Transpondern ein teurer Arbeitsschritt, welcher beim Umstieg auf UHF-RFID mit Einweg-Labels eingespart werden kann. Schwierige Funkbedingungen im Produktionsumfeld Industrielle Produktionsanlagen stellen jedoch für funkbasierte Systeme eine besondere Herausforderung dar. Typischerweise stehen die Lesegeräte an der Fördertechnik oder den Produktionsmaschinen sehr eng zusammen, sodass eine gegenseitige funktechnische Beeinflussung nicht ausgeschlossen werden kann. Auch der räumliche Abstand zwischen den zu fertigenden Objekten, wie z.B. Motoren, ist gering. Parallele Produktionslinien erschweren die Unterscheidung zwischen dem Objekt vor Ort und dem Objekt auf der Nachbarlinie. Erschwerend kommen die funktechnischen Probleme durch die metallische Umgebung hinzu. Das vom Reader ausgesendete Signal wird dabei (mehrfach) von metallischen Objekten wie Maschinen-Einhausungen, Stahlträgern, Gittern oder dem eigentlichen Erfassungsobjekt wie Kurbelgehäusen oder Karossen reflektiert. Diese Reflektionen können dazu führen, dass sich die Funkwellen auf verschiedenen Wegen ausbreiten und überlagern, was zu unerwünschten Effekten führt. Das Ergebnis sind Funklöcher, die durch gegenseitige Auslöschung der Wellen entstehen, und Überreichweiten, d.h. eine ungewünschte Vergrößerung der Sendereichweite. So kann es passieren, dass ein Transponder nicht erfasst werden kann, obwohl er sich im Erfassungsbereich des Lesegeräts befindet. Im Gegenzug kann es vorkommen, dass überraschenderweise ein Transponder, der sich eigentlich außerhalb des Erfassungsbereiches bewegt, ausgelesen wird. Funklöcher lassen sich zwar in der Regel durch eine Erhöhung der Sendeleistung kompensieren, dadurch steigt aber die Gefahr von Überreichweiten. Umgekehrt werden nach einer Reduzierung der Sendeleistung weniger ungewünschte Transponder gelesen, aber unter Umständen wird auch die Erkennungsrate gesenkt. Um die Produktionssicherheit zu gewährleisten, muss das RFID-System diesen Konflikt intelligent auflösen und zuverlässig nur genau das Objekt identifizieren, welches sich im vorgesehenen, zulässigen Lesebereich befindet. Neue Funktionen für eine zuverlässige Identifikation Dieses Ziel wird durch neue Funktionen in den Geräten RF620R und RF630R der Simatic-RF600-Reihe erreicht. Diese neuen Funktionen können in zwei Gruppen unterteilt werden: automatische Anpassung der Sendeleistung und Filterung der Leseergebnisse per Software. Grob gesagt sorgt die adaptive Sendeleistung für eine hohe Erkennungsrate, wohingegen die intelligenten Filter automatisch die Überreichweiten eliminieren. Die Sendeleistung ist die Schlüsseleigenschaft für eine gute Erkennungsrate. Denn wenn die Leistung nicht ausreicht, um mit dem Transponder zu kommunizieren, kann keine Identifikation stattfinden. Üblicherweise wird während der Inbetriebnahme von RFID-Lesegeräten die Sendeleistung so eingestellt, dass im Test alle Transponder erkannt werden. Um auf Nummer sicher zu gehen und mögliche Schwankungen im Prozess auszugleichen, wird dabei gerne mal eine Leistungsstufe höher als notwendig gewählt. Die neue adaptive Sendeleistung löst dieses Problem, indem der Reader automatisch innerhalb vorgegebenen Grenzen die Leistung solange schrittweise erhöht bis er mindestens einen Transponder klar im Funkfeld erkennt. Dadurch, dass nicht mehr Leistung als notwendig verwendet wird, reduziert sich das funktechnische Störpotenzial. Andererseits kann der Reader eigenständig Funklöcher ausgleichen und somit die Prozesssicherheit deutlich erhöhen. Falls nun aufgrund von Überreichweiten zu viele Transponder erkannt werden, müssen diese zuverlässig und ohne manuelles Eingreifen herausgefiltert werden. Hierfür bietet die neue Firmware ein mehrstufiges Filterkonzept, welches anhand der Funkeigenschaften der Transponder im Feld entscheiden kann, welche Transponder direkt vor der Antenne des Readers stehen und welche nur aufgrund von Überreichweiten erkannt werden. Schlüsseleigenschaften sind hier Werte wie zum Beispiel der \’Received Signal Strength Indicator (RSSI)\‘, d.h. die Feldstärke der Transponderantwort, die Lesehäufigkeit oder die notwendige Sendeleistung. Insbesondere der RSSI-Wert hat eine hohe Bedeutung für die Filteralgorithmen. Ein einfacher Vergleich von RSSI-Werten zweier Transponder ist aber nicht sinnvoll, da die Werte durch ein inhomogenes Funkfeld beeinflusst werden. So kommt es vor, dass ein näher bei der RFID-Antenne positionierter Transponder einen niedrigeren RSSI-Wert aufweist als ein weit entfernter Transponder. Je nach Anforderungen lassen sich daher verschiedene Mechanismen aktivieren, angefangen von einfachen Grenzwerten bis hin zu komplexen statistischen Filtern. In besonders schwierigen Fällen, also wenn die Funkeigenschaften des erwünschten Transponders und der Überreichweiten zu nahe beieinander liegen, um nach einer Messung bereits klar filtern zu können, kommt der \’Inventory Threshold Filter\‘ zum Einsatz. Dieser entscheidet nicht sofort, sondern beobachtet die Transponder eine vorgegebene Zeit lang. Die statistische Auswertung am Ende der Messphase filtert dann anhand verschiedener parametrierbarer Kriterien auch die letzte Überreichweite noch erfolgreich aus. Wurde ein Transponder einmal klar erkannt, sorgt die Funktion \’Tag Hold\‘ dafür, dass der Reader innerhalb seiner physikalischen Grenzen alle Register zieht, um die Kommunikation mit dem Transponder aufrecht zu halten. Somit kann das Lesegerät den Zugriff auf den Transponder auch in hochdynamischen Umgebungen sicherstellen, wenn sich zum Beispiel durch die Bewegung des Objekts der Transponder in ein Funkloch bewegt. Auch das Beschreiben der Transponder kann damit besonders abgesichert werden. Umgekehrt verhindert die \’Black List\‘, dass fälschlicherweise Transponder gemeldet werden, die bereits abgearbeitet wurden. Insbesondere in Anwendungen wie z.B. Fertigungsstraßen, an denen sich Objekte hintereinander am Reader vorbei bewegen, zeigen diese Funktionen ihre Stärken. Ein typischer Ablauf in einer Fertigung kann dann wie folgt aussehen: Die zu identifizierenden Objekte (z.B. Fahrzeugkarossen) werden wie an der Perlenschnur dicht hintereinander auf einer Transportstrecke an den Bearbeitungszellen vorbeigefahren. Durch einen Näherungssensor wird der RFID-Reader getriggert, worauf dieser automatisch die Sendeleistung solange anpasst, bis er mindestens einen Transponder erkennt. Durch die integrierten Filter stellt das Lesegerät sicher, dass es sich bei den erkannten Transpondern nicht um Überreichweiten handelt. Nur genau das gewünschte Label wird an die Steuerung gemeldet. Der \’Tag Hold\‘ ermöglicht nun, dass das Lesen und Schreiben der Nutzdaten trotz einer dynamisch veränderlichen Umgebung prozesssicher stattfinden kann. Nach Abschluss der Bearbeitung wird die Identifikationsnummer des Labels in die Blacklist aufgenommen, damit diese bei der Identifikation des nächsten Objekts gleich als Überreichweite herausgefiltert wird. Die richtige Antenne für die Anwendung Bei der Auswahl der Komponenten für das RFID-System ist die Wahl der Antenne mindestens genauso wichtig wie die Wahl des Readers. Bauform und technische Eigenschaften wie der sog. Antennengewinn entscheiden über die Ausbreitung des elektromagnetischen Feldes. Der Antennengewinn ist ein Maß für den Wirkungsgrad der Antenne und damit ein wichtiges Stellglied für die Stärke bzw. Größe des Feldes. Eine weitere wichtige Eigenschaft der Antenne ist deren Polarisierung, d.h. deren Feldausrichtung. Es hat sich gezeigt, dass linear und zirkular polarisierte Antennen jeweils in unterschiedlichen Umgebungen geeignet sind. Insbesondere der Einsatz in stark metallischen Umgebungen kann eine individuelle Antennenauswahl erfordern. Das Simatic-RF600-Portfolio bietet daher mit den Antennen RF620A, RF640A, RF642A und RF660A die Möglichkeit die Geräte mit der geeigneten Größe, Antennengewinn und Polarisation für die Lesestellen zu finden. Industrietaugliche Datenträger Für einen zuverlässigen Betrieb ist die Robustheit des Datenträgers von entscheidender Bedeutung. Er begleitet schließlich das Objekt während der gesamten Fertigung und soll auch beim letzten Arbeitsschritt die gespeicherten Daten noch stabil wiedergeben. Technisch sind dieser Anforderung praktisch keine Grenzen gesetzt. Je nach Anforderung sind Transponder auch in hohen IP-Schutzarten verfügbar (z.B. RF680T), sogar SmartLabels wie z.B. das Simatic RF680L sind mittlerweile in hitzefesten Varianten erhältlich. Spezielle Transponder sind auf oder sogar bündig in Metall montierbar. Ist eine besonders hohe Verfügbarkeit gefordert, kann auf testierte Labels zurückgegriffen werden. Hierbei werden die Labels aufwändig geprüft und nur minimale Fertigungsschwankungen weit unterhalb der üblichen Grenzen zugelassen. Simulieren und Testen Um die optimale Konfiguration von Transponder und physikalischer Anbringung zu ermitteln, kann vorab eine Simulation der elektromagnetischen Felder durchgeführt werden. Hierdurch können bereits zu einem frühen Zeitpunkt Probleme wie zum Beispiel Funklöcher festgestellt und entsprechende Abhilfe-Maßnahmen getroffen werden. Bei der Simulation müssen möglichst alle Randbedingungen berücksichtigt werden, die zur Beeinflussung des Funkfeldes führen – zum Beispiel Form und Material der Objekte selbst, der Objektträger, Fördertechnik-Elemente usw. Vorhandene CAD-Daten können in das Simulationsprogramm importiert werden. Eine Simulation ist aber immer nur eine Annäherung an die realen Bedingungen und ersetzt keinen Praxistest. Made for Industry Welcher Funktionen-Mix in der jeweiligen Applikation der \’richtige\‘ ist, muss nach wie vor vor Ort ermittelt werden. Die neue Firmware 2.0 für die UHF-Reader RF620R und RF630R bietet nun einen vielseitigen Werkzeugkoffer, der in anspruchsvollen Umgebungen für eine hohe Prozesssicherheit sorgt. Damit ist UHF-RFID nun auch in solchen industriellen Produktionsumgebungen einsetzbar, die bislang als zu schwierig für RFID galten. Alle Ziele zur Lesesicherheit und automatischen Anpassung wurden von der Firmware in einem ersten Großprojekt bereits weit übertroffen.