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Industrielle Identifikation

Meilenstein der Automation: Mit RFID wissen, was kommt

| Autor/ Redakteur: Bernd Wieseler* / Karin Pfeiffer

Auf dem Weg zur smarten Produktion ist die funkbasierte Identifikation mittels RFID ein wichtiges Werkzeug. Nur wenn sich Produkte, Werkstückträger oder Werkzeuge eindeutig identifizieren und zuordnen lassen, kann die Fabrik der Zukunft Realität werden. Mit seinem robusten IP67-RFID-System BL Ident will Turck seinen Teil zur Industrie 4.0 beitragen.

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Logistik und Intraglogistik setzten bei RFID-Identifikationslösungen auf die UHF-Technologie, die im Vergeich zu HF höhere Reichweiten erzielt.
Logistik und Intraglogistik setzten bei RFID-Identifikationslösungen auf die UHF-Technologie, die im Vergeich zu HF höhere Reichweiten erzielt.
(Bild: Turck )

Am Anfang der industriellen Produktion steht die von Dampf- und Wasserkraft unterstützte mechanische Fertigung. Es folgen die ersten Fließbandfertigungen, auch als zweite industrielle Revolution bezeichnet, und schließlich der Einsatz von Elektronik und IT. Spätestens ab diesem Zeitpunkt, der Mitte der 60er Jahre den Beginn der dritten industriellen Revolution darstellt, wird der Ruf nach Automatisierung immer lauter. Genau in diese Phase fällt auch die Gründung der Hans Turck GmbH & Co. KG, die seither die Entwicklung der elektrischen Automatisierungstechnik erfolgreich begleitet.

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Als Hans Turck 1965 sein erstes Produkt in eigenem Namen verkauft, ist er 40 Jahre alt und hat die Entwicklung der industriellen Produktion fast seit ihren Anfängen verfolgen können. Dabei steht seit jeher die Reduktion von Komplexität im Vordergrund. Schon Henry Ford verspricht in den 1920er Jahren: „Jeder Kunde kann ein Auto in jeder gewünschten Farbe haben, solange es schwarz ist.“ Die „Wunschfarbe“ ist der Fließbandfertigung geschuldet, da nur Schwarz schnell genug trocknet, um im Takt des Bandes weiterverarbeitet werden zu können.

Industrielle Fertigungstechnik muss zur Bewältigung von Komplexität in Produktionsprozessen also zunächst weiterentwickelt werden. Um unterschiedliche Produkteigenschaften in der Produktion abzubilden, setzt man zunächst schriftliche Verfahren wie Typen- und Auftragsnummern sowie Auftragsscheine und andere Listen ein. Die papierbasierten manuellen Identifikations-Verfahren sind heute noch verbreitet, obwohl sie die Aufmerksamkeit und Sorgfalt der Mitarbeiter erfordern.

Von der Auftragsnummer zum maschinenlesbaren Barcode

Einfacher wird das Thema Identifikation mit der industriellen Nutzung von Barcodes. Die Technologie für maschinenlesbare Strichcodes wird 1974 erstmals im Handel eingesetzt – als Produktaufdruck einer Kaugummipackung. Auch in der Industrie hält der Barcode danach Einzug. So können erstmals Materialien und Aufträge maschinengestützt identifiziert werden. Die Identifikation mit Barcodes oder ihren 2D-Derivaten wie etwa Data-Matrix- oder QR-Code erlaubt zwar die Automatisierung von Prozessen, ist aber auch anfällig für Fehler. Nachteile wie Leseprobleme durch Verschmutzungen und Kratzer, geringe Lesereichweiten, schwer umzusetzende Schreibprozesse sowie die Abhängigkeit von einer übergeordneten Datenbank verhelfen daher später der funkbasierten RFID-Technologie in der Industrie zum Durchbruch.

Erkennungsmerkmale: Woher kommt RFID?

Die Ursprünge der Identifikation über Funkfrequenzen (RFID) liegen in der Militärtechnik. Seit den 50er Jahren wird die Technologie stetig weiterentwickelt und auch außerhalb militärischer Berichte genutzt. Dennoch kommt der erste kommerzielle Einsatz in einer Massenanwendung erst in den 80er Jahren, als RFID zur Fahrzeugidentifikation in Mautsystemen, zur Identifika­tion von Tieren oder in Zugangs­kontroll-Systemen genutzt wird. Bis in die späten 90er ist RFID in der industriellen Produktion nur vereinzelt zu finden, heute ist die berührungslose Identifikationstechnologie für viele Anwendungen Stand der Technik. Erheblich dazu beigetragen hat die Entwicklung unterschiedlicher Technologien und Standards. Während zu Beginn neben proprietären Lösungen (Frequenzen um die 1,5 MHz) nur Systeme mit 125 bzw. 250 kHz als offener Standard eingesetzt werden, hat der Anwender heute die Wahl zwischen zahlreichen Frequenzen. Jede hat dabei ihre spezifischen Stärken für bestimmte Anwendungen.

In der Warenidentifikation bietet sich der Einsatz von RFID besonders dann an, wenn großer Durchsatz bei kurzen Taktzeiten und hohem Automatisierungsgrad gefahren wird. Es gibt Anwendungsfelder, in denen diese Technologie deutlich leistungsfähiger ist als etwa der Barcode, zum Beispiel in einem Kühlhaus oder einer Mühle, wo die optische Erkennung erschwert ist.

Applikation entscheidet: Diverse Frequenzbereiche

Heute arbeiten die meisten industriellen RFID-Systeme im Hochfrequenz(HF)-Bereich von 13,56 MHz oder im Bereich von 865…928 MHz (UHF), gemäß ISO 18000-6C/EPCglobal Class 1 Gen 2. Für die Auswahl der richtigen Technologie spielt die konkrete Applikation eine Rolle. Betrachtet man zunächst das Verhältnis der maximalen Sendeleistung zu möglichen Störgrößen, punktet UHF, weil die hohen Frequ­enzen einer gegenseitigen Beeinflussung entgegenwirken und Reichweiten von mehreren Metern erzielbar sind. Bei bestimmten Applikationen führen hohe Frequenzen allerdings zu erheblichen Schwierigkeiten: So ist die Absorption der Energie durch Flüssigkeiten wie etwa Wasser umso größer, je höher die Frequenz ist. Genau deshalb eignet sich etwa ein Mikro­wellenherd zum Erhitzen. Damit ist der Einsatz von UHF in der Lebensmittel- oder Getränkeproduktion – oder besser gesagt, überall dort, wo Feuchtigkeit auftritt – erheblich eingeschränkt oder sogar unmöglich.

Die Wahl eines passenden RFID-Systems für bestimmte Anwendungen ist damals wie heute nicht trivial. Sollen verschiedene Anforderungen kombiniert werden, muss sich der Anwender lange mit Kompromissen zufriedengeben.

Turck präsentiert mit BL Ident das erste RFID-System in IP67

Um die steigende Nachfrage nach RFID in industriellen Prozessen und Logistiksystemen bedienen zu können, entwickelt Turck das RFID-System BL Ident, das zur Hannover Messe 2006 Premiere hat.

In die Entwicklung kann der Sensor- und Feldbusspezialist nicht nur sein einschlägiges Know-how einbringen, sondern auch viele Gehäusebauformen und I/O-Lösungen. So werden die HF-Schreib-Lese-Köpfe in den gleichen Gehäusebauformen angeboten wir Sensoren. Für die I/O-Ebene nutzt Turck sein modulares I/O-System BL67 in Schutzart IP67, das mit RFID-Interfaces ergänzt wird. Das System bringt zahlreiche Schnittstellen für industrielle Feldbusse und Ethernet-Netzwerke mit.

Schon kurz nach der Markteinführung von BL Ident wird die HF-Technologie um UHF erweitert. Damit ist das System das einzige am Markt, das sowohl in HF- als auch in UHF-Frequenzbereichen arbeiten kann. Die Nachfrage nach UHF-Lösungen steigt vor allem in den letzten Jahren überdurchschnittlich an. Grund dafür ist die zunehmende Vernetzung von Zuliefer-, Produktions- und Logistikketten, die eine Identifikation und Nachverfolgung von Produkten auch über Werksgrenzen hinweg ermöglicht. Hier stößt die HF-Technologie an ihre Grenzen. Die kurzen Reichweiten bieten nicht die notwendige Flexibilität, um in unterschiedlichen Produktionsstrecken zuverlässig zu identifizieren. In der Logistik ist daher UHF-Technik seit langem weiter verbreitet als HF.

Industrie 4.0 erfordert Systeme mit UHF-RFID

UHF-RFID gilt lange als Diva der industriellen Identifikationstechnik. Eigentlich zu sehr großem befähigt und unerreichbar, wenn alles läuft, aber im Umgang oft schwierig. Wenn das Umfeld nicht stimmt, wird die Technik unzuverlässig. Im schlimmsten Fall lesen UHF-Systeme nur zu 99 % zuverlässig. Das sieht gut aus, bedeutet aber, dass in einer Applikation mit 1.000 Lesevorgängen täglich zehn Fehllesungen vorkommen – für ein Tracking-System deutlich zu viel. In der Produktion wird heute das sogenannte „Item-level-Tagging“, also die Identifikation einzelner Bauteile anstatt der Werkstückträger, in immer stärkerem Maß eingesetzt. Insbesondere die Automobilindustrie lässt nur noch wenige Bauteile ohne Datenträger durch ihre Produktionshallen ziehen.

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Turck-Geschäftsführer Christian Wolf: „Ohne RFID keine smarte Produktion“

Christian Wolf, Geschäftsführer Turck: „Wir unterstützen die Basistechnologien für Industrie 4.0.“
Christian Wolf, Geschäftsführer Turck: „Wir unterstützen die Basistechnologien für Industrie 4.0.“
( Bild: Turck )

Herr Wolf, Sie bezeichnen Turck als Wegbereiter für Industrie 4.0. Was tun Sie für die smarte Fabrik?

Mit unserem Portfolio, von der Sensorik über Anschluss- und Feldbustechnik bis hin zu RFID und Steuerungstechnik, sind wir ideal aufgestellt, um unsere Kunden auf dem Weg zur Smart Factory bestmöglich zu unterstützen. Dabei setzen wir auf offene Standards wie IO-Link oder OPC UA und unterstützen mit Ethernet und RFID weitere Basistechnologien für Industrie 4.0.

Welchen Stellenwert hat RFID-Technologie aus Ihrer Sicht für die smarte Fabrik?

RFID ist die wichtigste Basistechnologie für Industrie 4.0 beziehungsweise das Internet of Things. Smarte Fabriken können nur dann entstehen, wenn Produkte, Werkstückträger oder Werkzeuge eindeutig identifizier- und lokalisierbar sind. Mit diesen Daten lassen sich nicht nur Produktionsprozesse optimieren, sondern auch deren Rückverfolgbarkeit oder die Qualitätssicherung. In vielen Anwendungsfeldern sind der optischen Erkennung Grenzen gesetzt, sodass dann nur die funkbasierten RFID-Lösungen funktionieren.

Mit Turck Vilant Systems haben Sie seit einem Jahr einen RFID-Turnkey-Lösungsanbieter in der Gruppe. Warum gehen Sie den Weg ins Lösungsgeschäft?

Neben unserem produktorientierten RFID-Lösungsangebot, das wir seit über zehn Jahren kontinuierlich ausbauen, gehen wir mit unserer Tochter Turck Vilant Systems einen Schritt weiter und können nun auch schlüsselfertige RFID-Komplettlösungen anbieten. Unsere Kunden benötigen meist nicht nur exzellente Hardwareprodukte, sondern zunehmend komplette Systemlösungen inklusive Software, Integra​tion und Wartung, vor allem im RFID-Geschäft. Mit den erfahrenen Spezialisten von Vilant, die schon über 1.000 Projekte erfolgreich realisiert haben, können wir diese Anforderungen jetzt wesentlich besser erfüllen.

Die Forderung, entfernte Datenträger zu identifizieren, die aber auch im Nahfeld erkennbar sein müssen, gleicht damit in etwa dem Wunsch nach der eierlegenden Wollmilchsau. UHF bringt die nötigen Reichweiten mit, eignet sich aber nicht wie HF zur Nahfelderkennung. Diese Herausforderung haben Turcks Entwickler angenommen und zur SPS IPC Drives 2018 in Nürnberg ihre Lösung präsentiert: den Q300.

Q300-UHF-Reader bringt UHF-RFID in HF-Domänen

Turcks neue UHF-Reader-Familie Q300 verwischt die Grenzen zwischen UHF- und HF-Applikationen. Mit der Option, externe Nahfeldantennen direkt an den UHF-Reader anzuschließen, kann der Q300 auch klassische HF-Domänen wie die Erfassung von Bauteilen oder Werkstückträgern erobern. Viele der Probleme, die üblicherweise mit UHF einhergehen, lassen sich durch den Anschluss spezieller Nahfeld-Antennen vermeiden. Klassische UHF-Reader sind in der Regel zu groß und vom Abstrahlverhalten zu breit angelegt, als dass sie in der Nahdistanz gut eingesetzt werden könnten. Die Anbindung von Sensoren als Trigger oder Aktoren wie Signalleuchten zur Statusrückmeldung erfolgt zudem über I/Os direkt am Q300-Gehäuse. Ein separates I/O-Modul wird nicht benötigt, da der Reader vier universelle Ein- oder Ausgänge in M12 bietet.

Um UHF auch im Maschinenbau und der steuerungsnahen Produktionsumgebung stärker zum Einsatz zu bringen, präsentiert Turck zunächst eine Codesys-Variante seiner neuen UHF-Schreib-Lese-Kopf-Familie. Die dritte Version der offenen Steuerungssprache Codesys ist insbesondere im Maschinenbau und bei SPS-Programmierern weit verbreitet. Der Q300-CDS ist der einzige UHF-Reader mit direktem Anschluss für Ethernet und externe Antennen, der mit Codesys programmiert werden kann.

Der Q300-CDS hat das U-Interface bereits integriert. U steht für universelles Interface und wird üblicherweise auf Turcks RFID-Block-I/O-Interfaces TBEN-L und TBEN-S eingesetzt. Das Interface ermöglicht die einfache Einstellung aller notwendigen Parameter für HF- und für UHF-Geräte. Anwender, die das U-Interface bereits aus den TBEN-L- und TBEN-S-RFID-Interfaces kennen, müssen sich nicht umstellen. Alle anderen haben die intuitive Bedienung schnell im Griff.

RFID ist eine Industrie-4.0-Schlüsseltechnologie für die Vernetzung von Maschinen, Prozessen und Daten. Folgerichtig bringt Turck Im Lauf des Jahres 2019 auch ein Q300-Modell mit OPC-UA-Schnittstelle zur direkten Kommunikation mit OPC-UA-Clients auf den Markt. OPC UA erhöht neben der Anschlussfähigkeit der RFID-Lösung auch die Zukunftssicherheit der eigenen Investition. Die Unabhängigkeit des Protokolls von Betriebssystemen lässt auch Änderungen an der Unternehmens-IT zu.

Umschaltbare Polarisation für mehr Lesesicherheit

Ob in der Automobilindustrie, in Intralogistik- oder in Logistik-Anwendungen, mit 2W Leistung erzielt der Q300 maximale Reichweiten. Die hohe Leistung sorgt aber auch für Herausforderungen. Die Wellen werden von Wänden und metallischen oder wasserhaltigen Objekten reflektiert, überlagern sich und führen so zu Überreichweiten oder auch Leselöchern. Um dies zu vermeiden, lässt sich die Polarisation der Antenne umschalten, so dass auf unterschiedlichen Polarisationsebenen Datenträger erkannt werden.

Insbesondere Gate-Applikationen vereinfacht der Q300 mit seinem integrierten Multiplexmodus, der die externen Antennen abwechselnd ansteuert. Datenträger, die das Gate passieren, werden so zuverlässig und schnell gelesen, ohne dass Geschwindigkeiten verzögert werden müssten.

Auch in der in der Automobilindustrie ist die Polarisationsumschaltung und die resultierende maximale Erfassungsrate hilfreich. Metallische Objekte sorgen dort häufig für Reflektionen. Generell ist UHF dort schon weiter verbreitet als in anderen produzierenden Industrien, da auch schon Tier-X-Zulieferer einzelne Bauteile erfassen, um die nahtlose Just-in-Sequence-Produktion zu realisieren. Die Datenträger sind ohnehin an den meisten Fahrzeugteilen und der Karosserie selbst angebracht. Der Q300 ist also ein robuster IP67-Reader, der die gesamte RFID- und I/O-Technik in einem Gehäuse vereint.

ID-Lösung in Bestandsanlagen leicht gemacht

Das erleichtert auch die Erweiterung von bestehenden Anlagen, da weder im Feld noch auf der IT-Seite zusätzliche Schaltschränke oder andere aufwendige Installationen und Verkabelungen notwendig sind. Alles, was zur Identifikation von Items notwendig ist, ist im Gehäuse des Q300 integriert. Allein das Ethernet-Kabel reicht aus, um die Daten in überlagerte Steuerungen oder andere IT-Systeme zu liefern. Reduzierter und prozessfreundlicher kann man eine ID-Lösung kaum gestalten.

Mit seiner Vielfalt an Ethernet-Schnittstellen (Profinet, Ethernet/IP, Modbus TCP) und Plattformen (Codesys, Linux, Windows, OPC UA) sowie den externen Antennen ist Turcks neuer UHF-Schreib-Lese-Kopf am Markt wohl einzigartig. So kann der Q300 Applikationen in UHF-Domänen wie der Logistik ebenso punkten wie in klassischen HF-Domänen wie dem steuerungsnahen Produktionsumfeld.

* Bernd Wieseler, Leiter Produktmanagement RFID-Systeme, Hans Turck GmbH & Co. KG

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