Die Ultra-Hochfrequenz-Technologie (UHF) und das Datenmanagement à la EPCglobal (Organisation zur Entwicklung von Standards zur Nutzung von RFID-Technologien) sind zu Recht als wesentlicher Schritt in Richtung Automatisierung und Verfolgbarkeit von Warenströmen in Distributionsprozessen zu sehen. Ein absoluter Lösungsanspruch für alles, was Waren- und Objektidentifikation erfordern, ist damit noch nicht erreicht. EPC-Transponder Es zeigte sich schnell, dass preisgünstige, passive RFID-Transponder, die in einer Entfernung von mehr als 5m noch erkannt werden, längst nicht alle Identifikationsaufgaben überall, zu jeder Zeit und verlässlich genug lösen können. Die RFID-Euphorie mit ihren neuen Denkanstößen blieb nicht ohne Spuren. Leitende Manager und rührige Einkäufer fragen vermehrt, wieso die kostengünstigen \’EPC-Transponder\‘ (Electronic Product Code) nicht auch in produktionsnahen Prozessen eingesetzt werden können. Führende Handelsunternehmen wollen mit RFID-Etiketten großflächig und einheitlich die Identifikation von Versandeinheiten (z.B. Palettenladungen) sowie von Verkaufs- und Handelseinheiten sicherstellen. Hierbei werden Warenlieferungen vom Ursprung über Verteilzentren bis zum Handel durchgängig gekennzeichnet und verfolgt. Warum ist das nun in der automatisierten Produktion nicht genauso einfach möglich? Folgen für Datenhaltung In der industriellen Produktion und insbesondere in automatisierten Montagelinien werden seit über zwei Jahrzehnten RFID-Systeme eingesetzt. Verwendung finden vorwiegend wiederverwendbare Umlauftransponder, die in geschlossenen Produktionskreisläufen eingesetzt werden. Meist sind die Transponder direkt auf dem Werkstückträger oder der Transportvorrichtung montiert und begleiten das Werkstück durch den jeweiligen Produktionsprozess. Die relevanten Produktionsdaten werden hierzu am Startpunkt auf den Transponder geladen und stehen bei jedem Bearbeitungsschritt auf Abruf zur Verfügung. Zum Zweck der Qualitätssicherung können aktuelle Bearbeitungsdaten während des Produktionsdurchlaufs auf den Transponder geschrieben werden und stehen am Endpunkt für die Archivierung bereit. Diese Art der Datenhantierung kann als dezentrale Datenhaltung mit lokalem, selektivem Datenzugriff beschrieben werden. Ein Vorteil besteht darin, dass bei keinem der einzelnen Bearbeitungsschritte eine weitere Interaktion mit einem Manufacturing Execution System (MES) mit Zugriffen auf eine zentrale Datenbank notwendig wird. Das Verfahren setzt jedoch einen relativ großen Datenspeicher – oft mehrere Kilobyte – auf dem Transponder voraus, denn dort wird ja das Abbild der Produktionsdaten vorgehalten. Will nun jemand für diese Art von Applikationen die kostengünstigen Transponder mit einem gängigen RFID-Chip nach EPCglobal C1G2 einsetzen, so muss mangels Speicherplatz auf dem Chip die Datenhantierung generell anders gehandhabt werden. Bei Transpondern, die nur einen Referenzcode UID (Unique Identifier) haben, wie z.B. bei der Verwendung des EPC-Codes, müssen die benötigten Produktionsdaten aus einer zentralen Datenbank abgerufen werden. Zur Adressierung des richtigen Datensatzes wird der UID des Transponders verwendet. Die Daten werden dann der Steuerung in der jeweiligen Produktionszelle zur Verfügung gestellt. Ähnliches geschieht mit den Qualitätsdaten, nur in der umgekehrten Richtung. Sie werden UID-bezogen in der Qualitätsdatenbank archiviert. Bei dieser Methode dient der RFID-Transponder nur zur Identifikation des Werkstückes und wird nicht als Datenträger für die Produktionsdaten verwendet. Aber auch hier schreitet die Entwicklung weiter voran. Schon für dieses Jahr hat ein renommierter Halbleiterhersteller einen RFID-Chip – der dem Standard EPC C1G2 entspricht – mit 64kByte Datenspeicher angekündigt. RFID-Kennzeichnung Ein weiterer Trend bei der Verfolgung und Lenkung von Werkstücken und Produkten in Produktionsprozessen ist die Reduzierung der vielen unterschiedlichen Kennzeichnungsarten. Da Werkstückträger und Transportvorrichtungen von der einen zur anderen Produktionslinie oft wechseln und die Werkstücke zwischen örtlich getrennten Werken transportiert werden, steigt der Wunsch, die Werkstücke direkt zu kennzeichnen und nicht mittelbar über den Träger oder das Transportmittel. Eine werksübergreifende und durchgängige Werkstück- bzw. Produktidentifikation wird benötigt. Das spricht für eine reine Identifikation mit UID und einer räumlich getrennten, zentralen Datenhaltung mit globalen Zugriffsmöglichkeiten auf die Produkt- und Produktionsdaten. Dies führt zu weiteren Anforderungen: – Durchgängigkeit des Datenkonzeptes – Einfache Befestigungsmöglichkeiten für den Transponder – Übertragungsreichweite nach Bedarf für wechselnde Anforderungen – Eignung für den Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen – Großer Stückzahlbedarf bei reduzierten Kosten Die Kostenerwartung und der Bedarf nach flexibler Reichweite sprechen für den Einsatz der UHF-Technologie. Da jedoch robuste, industrietaugliche Transponder mit hoher Zuverlässigkeit benötigt werden, scheiden Ausführungsformen wie billige RFID-Klebeetiketten im Regelfall aus. Öl- und Chemikalienbeständigkeit sowie ein mechanisch stabiler Aufbau sind für ein sicheres und dauerhaftes Funktionieren erforderlich. Da diese Art von Transponder ihren Preis hat, geht der Trend nicht zum Wegwerf-Label, sondern hin zum wieder verwendbaren Transponder. Lediglich die Kreisläufe werden aufgebrochen und vergrößert. Infolgedessen steigt die Umlaufzeit, die Anzahl der benötigten Transponder wird größer und die Rückführung der Transponder gestaltet sich komplex. Der Vorteil der UHF-Technologie sind die relativ großen Reichweiten – mehr als 5m sind unter guten Bedingungen erreichbar. Das ermöglicht einen flexiblen Einsatz: – Große Reichweiten (mehr als 3m) für die Pulkerfassung an der Ver- laderampe, wo ein Gabelstapler die zu erfassende Lieferung durch die Erfassungsantennen fährt. – Mittlere Reichweiten (ca. 1m) für Tracking&Tracing parallel zu Förderstecken, wo die Werkstücke bzw. Waren im Vorbeifahren erfasst werden müssen. – Geringe Reichweite (kleiner als 50cm) in Montagelinien. Hohe Selektivität und Zuverlässigkeit sind gefordert. Meist sind kurze Abstände zwischen den einzelnen Bearbeitungsstationen zu berück- sichtigen (hohe \’Reader Density\‘). Erschwerend kommt hinzu, dass in Montagelinien oft der Abstand zwischen den zu identifizierenden Objekten gering ist – oft kleiner als die geforderte Erkennungsreichweite. Große Reichweiten und hohe Selektivität stehen beim Einsatz von RFID-Systemen in einem gewissen Widerspruch. Hier werden die Grenzen von passiven RFID-Systemen erreicht. Eine Lösung ist oft nur durch Änderungen im Prozessablauf und Vereinzelung der Objekte möglich. RFID-Transponder auf Metall Die Kennzeichnung direkt am Werkstück bringt im Maschinenbau und in der Automobilproduktion fast immer die Notwendigkeit mit sich, den Transponder auf Metall oder in der Nähe von Metall zu befestigen. Metalle beeinflussen RFID-Systeme jedoch stark. Bei HF-Systemen (Hochfrequenz) führt Metall in der direkten Umgebung zu einer starken Verstimmung der Transponder-Antenne. Zudem kann durch Wirbelströme im Metall die übertragene Energie geschwächt werden. Abhilfe kann mittels Ferritfolien bzw. Abstand und einem Abgleich der Antennenresonanz geschaffen werden. Bei UHF-Systemen wird hingegen die Impedanz der Antenne verändert, sodass die übertragene Energie verloren geht und nicht mehr für den RFID-Chip genutzt werden kann. Bei einfachen UHFKlebelabels mit Dipol-Antennen, die flächig auf Metalloberflächen aufgebracht werden, kommt es zu einer kapazitiven Belastung verteilt über die Antennengeometrie, sodass die elektrische Feldstärke für den Betrieb des RFID-Chip nicht mehr ausreicht. Auch hier hilft Abstand. Jedoch werden dadurch die Abmessungen, die der Transponder benötigt, nachteilig beeinflusst. Die Anbringung wird komplizierter und die Kosten steigen. Um optimale Verhältnisse zu bekommen, ist es sinnvoll, Transponder einzusetzen, die für Anbringung auf Metall konstruiert wurden. Metallteile haben zudem bei Frequenzen im UHF-Bereich und darüber die Eigenschaft, elektromagnetische Wellen zu reflektieren. Das führt zu Verstärkungen und Auslöschungen innerhalb des RFID-Übertragungsbereichs, was Interferenzen und Überreichweiten hervorrufen kann. Das bedeutet, dass in solchen Applikationen – besonders bei UHF-Systemen – eine gewissenhafte Projektierung und Erprobung erforderlich ist. Zudem zeigt sich die Kompetenz des Anbieters, der entsprechende Auswerte-Algorithmen und Antennen-Design verwenden kann, um passende Komponenten für anspruchsvolle Applikationen anzubieten. Mit Simatic RF600 bietet Siemens ein industrietaugliches RFID-System im UHF-Band, das auch für Logistikaufgaben in der Produktion geeignet ist. Alternative zu UHF bleibt HF In automatisierten Produktionsprozessen werden heute üblicherweise die relevanten Daten im Transponder gespeichert. Speichergrößen von mehreren Kilobytes und Leseraten von mehr als tausend Zeichen pro Sekunde mit speziellen Sicherungsmechanismen sind hier gefordert, um einen reibungslosen Produktionsprozess sicherzustellen. Dabei ist es selbstverständlich, dass die Datenkommunikation fehlerfrei und zuverlässig erfolgen muss. Effizient funktioniert das in geschlossenen Kreisläufen bei automatisierten Produktionsprozessen in relativ rauer Umgebung. Simatic RF300 arbeitet auf der Frequenz 13,56MHz im HF-Bereich und hat hiermit zwar eine geringere Kommunikationsreichweite als ein UHF-System, dafür ist das Übertragungsfeld begrenzt und homogen. Das alles sorgt für eine schnelle, sichere und zuordenbare Datenkommunikation. Und schließlich werden damit auch die sichere Erkennung, Datenintegrität und hohe Verfügbarkeit sichergestellt. Darüber hinaus sind durch das klar begrenzte Kommunikationsfeld Überreichweiten und Wechselwirkungen mit anderen Readern weitgehend ausgeschlossen. Letztendlich werden das geforderte Datenhaltungskonzept und die benötigte Reichweite bestimmen, welches RFID-System in der automatisierten Produktion eingesetzt wird. Entscheidend ist jedoch, dass die Komponenten die notwendige Robustheit und Störfestigkeit aufweisen und einen sicheren und zuverlässigen Betrieb gewährleisten. Automatische Identifikation mit RFID ist und bleibt aber die Basis für automatisierte Produktionsprozesse.
Siemens AG
