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Prinzipieller Aufbau eines kompakten UHF-Readers mit integrierter Antenne Bild: Pepperl+Fuchs
RFID

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Reader der nächsten Generation

Text: Klaus Schmitt, Pepperl+Fuchs
Bei dem Konzept Industrie 4.0 soll letztendlich das einzelne Bauteil über Informationen verfügen, die für die folgenden Produktionsschritte relevant sind. RFID als Kommunikationstechnik bietet sich hierfür an. Doch kommen bisherige Reader, wie sie in der Logistik eingesetzt werden, dafür nicht in Frage. Hier sind neue Lösungen gefragt.

Wer glaubt, dass Industrie 4.0 oder das Internet der Dinge noch Konzepte oder Technik für eine ferne Zukunft sind, der irrt. Produktions- und Internettechnik sind im Begriff, immer stärker zu verschmelzen und schaffen so die Basis für völlig neuartige Produktionsprozesse. In vielen Unternehmen bröckelt bereits die strikte Trennung von Produktionssteuerung und Office-IT, auch weil in zunehmendem Maße die IT-Abteilungen die Verantwortung für die Produktionssteuerung und deren Netze übernehmen.

In vielen Industriebranchen ist seit Jahrzehnten Radio Frequency Identification, kurz RFID, erfolgreich in der Fertigungssteuerung mit Systemen im LF- (Low Frequency) und HF-Frequenzbereich (High Frequency) im Einsatz. In den vergangenen zehn Jahren kamen zusätzlich UHF-Systeme (Ultra High Frequency) auf den Markt, die mit ihren großen Reichweiten insbesondere die Logistikprozesse effizienter und transparenter machen. Was sich seit vielen Jahren unter anderem in der Zulieferlogistik und Fertigungssteuerung der Automobilindustrie bewährt, eignet sich nun auch gleichermaßen für die autonom mitdenkende Produktion der Zukunft.

Technikwechsel in kleinen Schritten

Industrie 4.0 geht nicht mit einem abrupten Technikwechsel einher, sondern wird sich in kleinen Schritten vollziehen. Viele Firmen arbeiten bereits an prototypischen Anlagen, die zeigen, wie künftig virtuelle und reale Produktionswelten ineinander übergehen und sich industrielle Prozesse autonom organisieren. Hierbei ermöglichen cyber-physische Produk­tionssysteme (CPPS) – sei es als intelligente Produkte oder als intelligente Betriebsmittel – eine dezentrale, reaktionsfähige und kontextadaptive Steuerung von Produktions- und Logistikprozessen.

Damit unterscheidet sich Industrie 4.0 grundlegend von früheren Ansätzen zu einer durchgängigen Automatisierung wie etwa dem Computer Integrated Manufacturing. Sie ist dezentral organisiert und verlagert so viel Intelligenz wie möglich in den eigentlichen Herstellungsprozess. Das einzelne Bauteil verfügt über Informationen, die maßgebliche Relevanz für einen oder mehrere der folgenden Produktionsschritte besitzen.

Spätestens hier kommt RFID als grundlegende Kommunika­tionstechnik ins Spiel: Der Transponder im Bauteil tauscht seine Daten mit einem Kommunikationsbaustein in einer Maschine aus. Ihr großer Vorteil gegenüber optischen Systemen wie Barcode oder Data Matrix: Mit RFID können Informationen nicht nur gelesen und gegebenenfalls beurteilt, sondern auch aktualisiert und zurückgespeichert werden. Damit ist RFID der sensorische Schlüssel zu Industrie 4.0 beziehungsweise die Sprache im Internet der Dinge.

Flexibler mit UHF

Im Gegensatz zu den induktiven LF- und HF-Systemen mit maximalen Lese- und Schreibreichweiten von einigen zehn Zentimetern bietet UHF in der Anwendung Vorteile aufgrund seiner Flexibilität bezüglich der Reichweite. Diese Flexibilität ist notwendig, wenn sich die Produktionsprozesse autonom, dezentral und anpassungsfähig organisieren sollen. Ein weiterer, entscheidender Pluspunkt der UHF-Technik ist der Preisvorteil bei Transpondern und Label gegenüber denen von induktiven Systemen. Will ein Unternehmen eine Vielzahl von Produkten und Betriebsmittel einer Anlage zu intelligenten cyber-physischen Produktionssystemen ertüchtigen, kann dies in der Praxis nur dann erfolgreich umgesetzt werden, wenn die Kosten einen sinnvollen Rahmen nicht überschreiten. Ebenso existieren UHF-Transponder in vielfältigen Bauformen. Weitere Vorteile von UHF-Systemen sind die höheren Datenübertragungsraten sowie die Multitag-Lesung im Pulk, falls erforderlich. Damit sind alle Voraussetzungen gegeben, damit sich CPPS dezentral über den Nahbereich hinaus vernetzen können.

RFID-Systeme im UHF-Frequenzbereich haben sich in der Logistik aufgrund ihrer Reichweiten von einigen Metern etabliert. Eine der wichtigsten Standardanwendungen für die Logistik ist das so genannte RFID-Gate, das aus vier großen, räumlich getrennten Antennen besteht, die mit empfindlichen HF-Kabeln mit der abgesetzten Reader-Elektronik verbunden sind. Hierbei sollen alle Produkte beim Durchfahren des Tores erfasst werden.

Im Zuge von Industrie 4.0 wird die Identifikation der Produkte aber bereits während der Produktionsprozesse notwendig. Dazu sind die in der Logistik eingesetzten großen Antennen oder Reader und deren Anordnung aus Platzgründen oftmals ungeeignet. Das gleiche Problem besteht auch bei der notwendigen Identifikation der Betriebsmittel. Der Aufbau solch eines RFID-Gates ist für die dynamischen Industrie4.0-Prozesse suboptimal. Sie verlangen nach anderen Lösungen.

Reader mit integrierter Antenne

Für solche Produktionsprozesse ist ein kompakter, kleiner Reader notwendig, der beim Einbau in Produktionsanlagen nur einen geringen Platzbedarf benötigt. Aus diesem Grund ist auch die Integration der Antenne in das Gehäuse sinnvoll. Das Design und die Integration der Antenne in das Readergehäuse stellt eine besondere Herausforderung aufgrund der beschränkten Platzverhältnisse dar. Will der Anwender zudem eine dual polarisierte Antenne verwenden, was die Flexibilität des Readers in der Applikation erhöht und die Leserate steigern kann, werden die Anforderungen an das Antennendesign noch höher.

Mit modernen Antennenkonzepten kann dies aber heutzutage realisiert werden. Aufgrund der Antennengröße und des daraus resultierenden geringeren Antennengewinns ist die Lese- und Schreibreichweite des Readers beschränkt. Die mögliche Reichweite von ein bis zwei Meter ist für eine Vielzahl von praktischen Anwendungen ausreichend. Dabei lässt sich der Arbeitsabstand durch die Auswahl der Sendeleistung nahezu stufenlos von null bis zwei Metern variieren.

Im Gegensatz zur Logistik muss der Reader beim produktionsnahen Einsatz auf harte Umgebungsbedingungen ausgelegt sein. Ein stabiles Metallgehäuse und eine vergossene Elektronik können ihn weitgehend unempfindlich gegen äußere Einwirkungen machen. Große, deutlich sichtbare LEDs, die den Betriebszustand anzeigen, helfen bei der Inbetrieb­nahme sowie im laufenden Betrieb. Intelligente Software-Algorithmen, die dazu beitragen, Störungen zu minimieren und damit Leseraten zu erhöhen oder die Möglichkeiten zur Tag-Selektion bieten, runden das Profil dieser Art von UHF-Readern ab.

Gibt es Alternativen für RFID?

Wenn Werkstücke und Fertigungssysteme oder CPPS als dezentral organisierte, intelligente Einheiten untereinander im Internet der Dinge kommunizieren sollen, gibt es zu RFID als Kommunikations-Backbone keine Alternative. Die UHF-Technik sowie die gerätetechnische Umsetzung in kleinen, kompakten Readern wird einer der Erfolgsfaktoren bei der Einführung von Industrie 4.0 sein.

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