UHF-RFID-Systeme in der Fabrik der Zukunft

– eine Grundvoraussetzung für dezentrale Produktionsprozesse.

Derzeit ist RFID wieder in aller Munde. Das war schon einmal so – vor mehr als zehn Jahren, als sich ein richtiger RFID-Hype ausbildete. Es folgte die Ernüchterung. Die Technik war für die hochgesteckten Erwartungen noch nicht ausgereift. Mit der Diskussion um Industrie 4.0, dem Internet der Dinge, bekommt RFID nun seine zweite Chance für den Massenmarkt. Noch steht die Verschmelzung zwischen Produktions- und Internettechnologie am Anfang – eine engere Vernetzung zwischen der Fertigung und der logistischen Beschaffungs- und Lieferkette ist in weiten Bereichen der Industrie noch nicht etabliert.

Die meisten Experten sind sich einig, dass die Vision von Industrie 4.0 nicht über Nacht umgesetzt werden wird. Vielmehr werden die Firmen ihre Prozesse in kleinen Schritten anpassen und geeignete Anwendungen mit den entsprechenden Technologien nach und nach ausstatten. Hierbei kommt RFID eine Schlüsselrolle zu. In den letzten zehn Jahren hat sich die RFID-Technik deutlich weiterentwickelt und ist ein fester Bestandteil in vielen Branchen geworden, sei es im Fahrzeugbau, im Maschinen- und Anlagenbau oder in der Logistik. Auf diese Weise kann die Technik nun auch gleichermaßen für die autonom mitdenkende Produktion in der Fabrik der Zukunft zum Einsatz kommen.

Im Zuge der Diskussion um Industrie 4.0 sind RFID-Systeme im UHF-Frequenzbereich weiter in den Fokus gerückt. Die Systeme sind in den vergangenen zehn Jahren immer weiterentwickelt worden und machen mit ihren großen Reichweiten insbesondere Logistikprozesse effizienter und transparenter.

Im Gegensatz zu induktiven LF- und HF-Systemen mit maximalen Lese- und Schreibreichweiten von einigen zehn Zentimetern bietet UHF in der Anwendung große Vorteile aufgrund seiner deutlich höheren Flexibilität bezüglich der Reichweite.

Diese Flexibilität ist zwingend notwendig, wenn sich Produktionsprozesse autonom, dezentral und anpassungsfähig organisieren sollen. Ein weiterer, entscheidender Pluspunkt der UHF-Technologie ist der Preisvorteil bei Transpondern und Label gegenüber denen von induktiven Systemen. Will man eine Vielzahl von Produkten und Betriebsmitteln einer Anlage mit Transpondern ausstatten, um ihnen so die notwendige Intelligenz zu geben, 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. Damit sind alle Voraussetzungen gegeben, um die einzelnen Komponenten der Fabrik der Zukunft dezentral über den Nahbereich hinaus vernetzen zu können.

Bedeutet dies nun, dass die seit Jahrzehnten in vielen Industriebranchen erfolgreich in der Fertigungssteuerung eingesetzten Systeme im LF- und HF-Frequenzbereich überholt oder sogar veraltet und unnötig sind? Pepperl + Fuchs meint nein.

Das Unternehmen setzt auch weiterhin auf diese Systeme und betrachtet UHF als sinnvolle und selbstverständlich notwendige Ergänzung, trifft also weniger eine Entweder-Oder-Entscheidung, sondern beschreitet vielmehr den Sowohl-Als-Auch-Weg. UHF ist durch die aktuelle Industrie-4.0-Diskussion zwar derzeit in aller Munde. Dies ändert jedoch nichts an der Physik und den unwidersprochenen Vorteilen der induktiven Systeme, wenn die Kerneigenschaften von UHF wie hohe Lesereichweiten und die Pulklesung für die Applikation nicht vonnöten sind.

LF- und HF-Systeme haben sich über drei Jahrzehnte hinweg insbesondere im rauen Industrieeinsatz durch ihre Störunempfindlichkeit in stark metallischen Umgebungen bewährt und dies wird auch weiterhin so bleiben. Es macht darum Sinn, zunächst die jeweilige Applikation und ihre Anforderungen zu analysieren und dann die geeignete Frequenz und den entsprechenden Schreib-/Lesekopf auszuwählen. Daher werden im RFID-Portfolio von Pepperl + Fuchs auch in Zukunft alle drei Frequenzbereiche gleichberechtigt vertreten sein.

Insbesondere im Bereich der Logistik haben sich RFID-Systeme im UHF-Frequenzbereich wegen ihrer großen Lesereichweite von einigen Metern am Markt etabliert. Eine der wichtigsten Standardanwendungen für die Logistik ist das sogenannte RFID-Gate, bei dem alle Produkte beim Durchfahren des Tores erfasst werden sollen.

Es besteht aus vier großen, räumlich getrennten Antennen, die durch empfindliche HF-Kabel mit der abgesetzten Reader-Elektronik verbunden sind. Will man aber nun einzelne Produkte und Betriebsmittel bereits während der gesamten Produktionskette identifizieren, sind die in der Logistik eingesetzten großen Antennen und Reader sowie deren Anordnung aus Platzgründen oftmals ungeeignet und verlangen nach anderen Lösungen.

Für solche Produktionsprozesse hat Pepperl + Fuchs die F190-Baureihe entwickelt. Der kompakte, kleine Reader benötigt beim Einbau in Produktionsanlagen nur wenig Platz. Aus diesem Grunde wurde auch die Antenne in das Gehäuse integriert. Wegen der beschränkten Platzverhältnisse stellen das Design und die Integration der Antenne in das Readergehäuse eine besondere Herausforderung dar.

Trotz der Restriktionen ist es Pepperl + Fuchs gelungen, eine dual polarisierte Antenne zu verwenden, was die Flexibilität des Readers in der Applikation erhöht und die Leserate steigert. Aufgrund der Antennengröße und des daraus resultierenden geringeren Antennengewinns ist die Lese- und Schreibereichweite des Readers beschränkt. Die mögliche Reichweite von einem bis zwei Metern ist für eine Vielzahl von praktischen Anwendungen jedoch vollkommen ausreichend.

Wird eine größere Reichweite benötigt, steht dem Anwender nun die neue F192-Baureihe zur Verfügung. Der F192 knüpft an den RFID-Schreib-/Lesekopf F190 an. Mit einer Reichweite von bis zu sechs Metern ist der F192 besonders für Anwendungen mit großer Entfernung, wie beispielsweise in der Logistik, geeignet. Dabei kann er bis zu 200 Tags gleichzeitig auslesen und beschreiben. Das erlaubt einen besonders schnellen Durchsatz und erhöht die Produktivität.

Beide Baureihen besitzen die Schutzart IP67, haben ein stabiles Metallunterteil und eine vergossene Elektronik. Ein weiterer wichtiger Pluspunkt ist die Möglichkeit, die Schreib-/Leseköpfe in jedem Land weltweit zuzulassen. Die Geräte sind mit den jeweiligen landesspezifischen Parametern, wie maximale Sendeleistung oder verwendete Frequenzbänder, ausgestattet. Das vereinfacht die Systemintegration wesentlich.

Beide Geräte besitzen eine gut sichtbare LED Anzeige, welche die Statuskontrolle im Feld erleichtert. Intelligente Softwarealgorithmen, die zur Minimierung von Störungen und damit zur Erhöhung von Leseraten beitragen oder die Möglichkeiten zur Tagselektion bieten, runden das Profil dieser Art von UHF-Readern ab. bf

Drei Fragen an Dr. Klaus Schmitt, Pepperl + Fuchs

• Wie preisgünstig sind UHF-Transponder im Gegensatz zu Barcode oder Data Matrix und wo liegen Kosten-Nutzen-Vorteile?

Die Preisspanne bei UHF-Transpondern ist groß. Hat man aufgrund der Vielzahl der zu identifizierenden Objekte einen hohen Transponderbedarf, muss man ein Standardprodukt eines Herstellers auswählen, das in hohen Stückzahlen läuft. Für UHF-Standardlabel sind bei entsprechenden Abnahmemengen Preise deutlich unter zehn Cent möglich. Für einen sehr guten Hochtemerpatur-Hard-Tag muss man allerdings tiefer in die Tasche greifen.

Die Art der Anwendung und die Abnahmemenge bestimmt den Preis. Der höhere Preis des UHF-Transponders rechtfertigt sich durch die Möglichkeit, Daten auf den Transponder zu schreiben oder zu aktualisieren. Dies ist notwendig bei Wartungsaufgaben oder der Zustandsüberwachung und mit optischen Systemen schlicht nicht möglich.

• Haben Sie ein Pepperl + Fuchs-Beispiel für eine erfolgreiche UHF-Anwendung?

Pepperl+Fuchs hat mit seiner UHF-RFID-Technologie den Automatisierungsspezialisten Phoenix Contact darin unterstützt, einen Demonstrator seiner ClipX-Maschine zu entwickeln, die es dem Anwender erlaubt, individuell konfigurierte Klemmenleisten automatisch herzustellen, bis hin zu Losgröße eins.

Dabei trägt der in der Klemmleiste integrierte Transponder während des ganzen Produktionsprozesses den Bauplan sowie den aktuellen Fertigungsstand. Im Feld steht dem Anwender die ganze Fertigungshistorie der Klemmleiste zur Verfügung. Dies ist sicherlich noch nicht die Fabrik der Zukunft, aber ein Schritt in Richtung Industrie 4.0.

• Mit welchen Kommunikationsbarrieren hat die Fabrik der Zukunft noch zu kämpfen?

Bei der Umsetzung der Fabrik der Zukunft wird es noch etliche Kommunikationsbarrieren geben, einige sind uns vielleicht heute noch gar nicht wirklich bewusst. Standardisierte Schnittstellen und IT-Sicherheit sind mit Sicherheit zwei wichtige aktuelle Themen. Ein Kommunikationsstandard ist notwendig und wird auch von den Anwendern erwartet, damit die vielen Geräte und Softwareprodukte der unterschiedlichen Hersteller miteinander verknüpft werden können.

Proprietäre Lösungen führen in eine Sackgasse. OPC UA als Kommunikationsstandard war auf der diesjährigen Hannover Messe in aller Munde. Ob er sich durchsetzt, wird uns die Zukunft zeigen. Ein zweites großes Thema ist die Sicherheit. Auch hier müssen Konzepte entwickelt werden, damit die Fabrik der Zukunft vor Cyberattacken und Viren geschützt wird.             

Das Interview führte Florian Blum, Redaktion