RFID RFID – Ein
RFID RFID – Ein Auto-Ident-System erobert die Welt Bild 1: Sekundenschnelles Traysealing: Der TwinStar von GEA CFS mit patentierter RFID-Werkzeugerkennung Die fortschreitende Automatisierung industrieller Produktionsprozesse fordert intelligente Kommunikations- und Identifikationssysteme. Ein speziell im industriellen Bereich besonders erfolgreiches Auto-Ident-System ist die RFID-Technologie. So sorgt es beispielsweise in Verpackungsmaschinen der Lebensmittelindustrie für einen störungsfreien Werkzeugund Formatwechsel. Wie Barcodes zum Scannen an der Supermarktkasse oder mit dem Smartphone auslesbare Datamatrix- Codes ist auch die Radio Frequency Identification (RFID) ein Auto-Ident- System. Diese Systeme dienen der berührungslosen elektronischen Identifizierung von Objekten und befinden sich jeweils direkt auf dem Objekt selbst. Mit der zunehmenden Automatisierung industrieller Prozesse steigt der Bedarf an Identifikationssystemen. Besonders der Autor: RFID-Markt profitiert in letzter Zeit besonders hiervon. RFID-Systeme bestehen aus einem Schreib/Lesekopf (SLK oder Reader) und mehreren Datenträgern (Transponder oder Tag). Beim Einschalten des Readers erzeugt die Antenne ein elektromagnetisches Feld, das konstant Signale aussendet. Die jeweiligen Sendefrequenzen unterscheiden sich in ihren Eigenschaften. Daher müssen die Vorzüge und Einschränkungen der Frequenzbereiche bei RFID-Einsätzen zu den jeweiligen Anwendungen passen. Der Datenträger funktioniert ohne Batterie (passiver Datenträger). Sein integrierter Schaltkreis erhält die notwendige Energie über den Reader, sobald er in dessen Sendebereich erscheint. Damit sind beide Komponenten in der Lage, miteinander zu kommunizieren: Der Reader kann wahlweise Daten vom Tag lesen oder ihn damit beschreiben. RFID-Systeme für den industriellen Einsatz Im industriellen Bereich haben sich vor allem zwei RFID-Systeme durchgesetzt, das 125-kHz-Niederfrequenzsystem und das 13,56-MHz- Hochfrequenzsystem. Contrinex bietet jeweils entsprechende RFID- Komponenten an: Bild 2: Verwechslung ausgeschlossen: RFID-Transponder sorgen für die eindeutige Markierung der einzelnen Formatteile Plagiatschutz) und arbeiten selbst bei Temperaturen von 125 °C dauerhaft zuverlässig. • Bei dem Hochfrequenzsystem (HF) können bis zu 253 SLK direkt an eine RS485-Feldbusleitung angeschlossen werden. Da es sich hierbei um ein genormtes System handelt (ISO 15693), können auch z.B. Transponder „von der Rolle“ eines anderen Herstellers mit den Komponenten von Contrinex kombiniert werden. Werkzeugfehler ausgeschlossen Typische Einsatzgebiete für RFID- Systeme sind automatisierte Produktionslandschaften und industrielle Prozesse, bei denen Produkte mit großer Variantenvielfalt auf derselben Maschine gefertigt werden. Dazu zählen auch moderne Verpackungsmaschinen, die auf schnelle Produktwechsel und einen reibungslosen Prozessablauf angewiesen sind. RFID-Datenträger werden hier als effiziente Lösung zur Werkzeugund Formaterkennung eingesetzt; so auch in der Verpackungsmaschine TwinStar der GEA CFS Bühl GmbH (GEA CFS). Bis zu 10.000 mit Fleisch, Käse oder Fertiggerichten gefüllte und mit Folie versiegelte Kunststoffschalen verlassen die Maschine pro Stunde. Mit rasanter Geschwindigkeit kommen die einzelnen Trays aus der Versie- Dipl.-Ing. Norbert Matthes, Produktmanager, Contrinex Sensor GmbH, Krefeld • Die Tags und Reader des sehr robusten Niederfrequenzsystems (NF) besitzen ein einteiliges Ganzmetallgehäuse aus Edelstahl; die hermetisch gekapselten Transponder (IP68 und IP69K) sind voll-bündig in Metall einbaubar (auch als Bild 3: Ganzmetall-RFID-Technologie von Contrinex: Die Informationen der Datenträger (hinten) können auch dann gelesen bzw. geschrieben werden, wenn keine direkte Sichtverbindung zum Schreiblesekopf (vorn) besteht 38 PC & Industrie 12/2014
Bild 4: Das RFID-System von Contrinex mit Schreib-/Leseköpfen sowie Tags aus Edelstahl wurde speziell für den Einsatz in rauen Umgebungsbedingungen ausgelegt gelungsanlage. Eine Störung – sei sie auch noch so klein – kann hier schnell massive Produktionsausfälle und hohe Kosten verursachen. Die TwinStar ist in der Lage, die unterschiedlichsten Produkte in ebenso vielfältigen Verpackungen zu konfektionieren. Für die schnelle Umstellung von einem Produkt auf das nächste sorgt ein zügiger Wechsel der aus vier Einzelteilen bestehenden Werkzeuge. Um hierbei Störungen auszuschließen und den reibungslosen Werkzeugwechsel sicherzustellen, wurden die Werkzeuge mit Ganzmetall-RFID-Datenträgern vom Typ RTM 2160 mit M16- Gewinde und der Schutzart IP68 und entsprechenden Ganzmetall- Schreib-/Leseköpfen ausgerüstet. Bei einem Werkzeugwechsel entfernt der Operator zunächst alle Teile des alten Werkzeugs aus der Maschine und setzt danach die neuen Werkzeuge ein. Anschließend lädt er die Maschinenparameter für das neue Produkt und startet die Maschine. Die RFID-Werkzeugerkennung (RFC) stellt sicher, dass dem Bediener hierbei keine Fehler unterlaufen. Denn die Tags enthalten alle erforderlichen Informationen über die Art des Werkzeugs, zu welchem Produkt es gehört und welche anderen Werkzeugteile zu ihm passen. Diese Daten werden von den Schreibleseköpfen ausgelesen und an die Maschinensteuerung weitergegeben. Passen alle vier Werkzeugteile zusammen, beginnt der TwinStar mit der Produktion. Wird über die RFC festgestellt, dass ein Werkzeugteil fehlt, die Werkzeuge nicht zusammen gehören oder falsche Parameter geladen wurden, informiert die Maschinensteuerung den Operator über den genauen Fehler. Erst wenn er behoben ist und die korrekten Werkzeuge eingebaut beziehungsweise die richtigen Parameter geladen wurden, gibt die Maschine den Prozess frei und startet. Die Kontrolle der Werkzeuge erfolgt dabei ohne Zeitverlust im Hintergrund – unbemerkt vom Maschinenbediener. Dadurch ist der TwinStar ausgesprochen bedienerfreundlich: Der Operator muss lediglich seine Arbeitsanweisungen abarbeiten. Die Auswertung der Daten übernimmt ein Gerät mit vier Schreibleseköpfen und serieller RS485- Schnittstelle in Kombination mit einem separaten TCP/IP-Adapter, der die Daten aus der Auswerteinheit an die Maschinensteuerung überträgt. Contrinex entwickelte diesen Adapter speziell für die TwinStar- Anwendung. Wichtigste Vorteile dieser Technik sind ein einfach zu implementierendes Protokoll und eine verlässliche Datensicherheit. Der Verlust von Datenpaketen ist ausgeschlossen. Zukunftsaussichten Die Hersteller von Readern und Tags arbeiten aktuell an der Wei- Bild 5: Trotz des Ganzmetallgehäuses aus Edelstahl erreichen die Niederfrequenz-RFID-Komponenten relativ hohe Schreib-/Leseabstände terentwicklung der Ultra-Hoch-Frequenz-Technologie (UHF) in Metallumgebungen durch eine Optimierung der Antennentechnik – die Voraussetzung für eine verbesserte Leserate. Doch auch der Einsatzbereich der RFID-Technologie wächst stetig. So können beispielsweise aktive Sensortransponder für die Überwachung von Temperatur und Vibration von Baumaschinen genutzt werden. Sie speichern die Wartungshistorie und werden vor Ort ausgelesen. Ein anderes wachsendes Einsatzgebiet sind NFC (near-field-communication)-Technologien: Mit RFID als Kommunikationsstandard wird das Smartphone zur Geldbörse und kann zur Echtheitserkennung per App genutzt werden. Zusätzlich eignet sich die Technologie als Add-on zur schnellen Freischaltung einer Bluetooth- Kommunikation. PC & Industrie 12/2014 39 M2M Eine sich ausbreitende elektromagnetische Welle wird an Metall reflektiert. Die reflektierte (zurücklaufende) Welle überlagert die ausgesendete Welle. Auf diese Weise löschen sich beide Wellen teilweise aus und produzieren Funklöcher. In diesen können (passive) Transponder nicht mit Energie versorgt werden. Dieses Phänomen tritt vor Ein weiteres breites RFID-Anwendungsfeld öffnet sich in der Kommunikation von Maschinen untereinander (Web 3.0). Mit der Umstellung auf das Internetprotokoll Version 6 (IPv6) erhalten auch Alltagsgeräte eigene IP-Adressen und können weltweit vernetzt autonom miteinander kommunizieren. Die Basis moderner Logistikprozesse der Fabrik 4.0 ist dabei der RFID-Chip. Künftig können so beispielsweise Alltagsgegenstände über AutoID-Technologien wie RFID mit Produkten oder Maschinen kommunizieren und dabei auf ein eigenes digitales Produktgedächtnis zurückgreifen. Bestandsmanagement oder Fertigungsabläufe lassen sich mithilfe solcher Systeme automatisieren und intelligenter machen. Die Anwendungsfelder reichen von der industriellen Produktion und der Instandhaltung technischer Produkte über den Handel und die Logistik bis hin zur intelligenten Produktnutzung durch den Konsumenten. • Contrinex Sensor GmbH info@contrinex.de www.contrinex.de RFID – Physikalische Grundlagen der Energieübertragung allem bei höheren Frequenzen (UHF/SUHF) im Weitfeld auf. Dieses elektrische Feld nimmt lediglich mit dem Quadrat der Entfernung ab. Das Nahfeld ist als Magnetfeld weitgehend resistent gegenüber Reflektionen, nimmt jedoch mit der dritten Potenz der Entfernung ab und senkt damit die erzielbaren Reichweiten deutlich.
