Identifikationssysteme UHF - die Sprache im Internet der Dinge

Im technologischen Wettstreit mit nieder- und hochfrequenten RFID-Systemen gewinnt die UHF-Technologie immer mehr an Bedeutung. Denn sie bietet in der Anwendung entscheidende Vorteile.

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Zufrieden beobachtet der Produktionsleiter die Fertigungsstrecke. Der Umstieg auf UHF-Technik hat sich doch gelohnt, denn die gestiegene Flexibilität spart Zeit – und er ist überzeugt, dass es sich rechnen wird. Außerdem fühlt er sich hier schon einmal gut gerüstet für die Herausforderungen der nächsten Jahre, wenn die Produktion der Zukunft immer mehr „mitdenken soll“. „Denn wer glaubt, dass Industrie 4.0 oder das Internet der Dinge noch Konzepte oder Technologien für eine ferne Zukunft sind, irrt gewaltig“, ist Dr.-Ing. Klaus Schmitt, Produktmanager RFID im Geschäftsbereich Fabrikautomation bei Pepperl+Fuchs überzeugt. Der Grund: Produktions- und Internettechnologie sind im Begriff, immer stärker zu verschmelzen und schaffen so die Basis für völlig neuartige Produktionsprozesse.

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Dabei „wagen“ immer mehr Unternehmen den ersten Schritt, zum Beispiel durch die Integration einzelner Maschinen in automatische Identifikationsprozesse. Es existieren bereits sogenannte „Schaufensterfabriken“, 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 folgende Produktionsschritte besitzt.

„An dieser Stelle – spätestens – kommt RFID als grundsätzliche Kommunikationstechnologie ins Spiel“, vertritt Dr. Schmitt seine klare Meinung. Hierbei tauscht der Transponder im Bauteil 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 ggf. beurteilt, sondern auch aktualisiert und zurückgespeichert werden. „Damit ist RFID der sensorische Schlüssel zu Industrie 4.0 bzw. die ‚Sprache im Internet der Dinge“, verdeutlicht der Produktmanager.

LF, HF, UHF – Technologiestandards im Wettstreit

Und: „Im Internet der Dinge ist RFID nicht nur eine Master-, sondern sogar eine ‚must have‘-Technologie, weil alleine sie die Kommunikation von CPPS untereinander sowie mit übergeordneten Netzwerken und Diensten ermöglicht.“

Mit LF, HF, UHF stehen dabei 3 Technologiestandards im Wettstreit: Bei niederfrequenten LF-Systemen (low frequency) gibt es einen weit verbreiteten Marktstandard mit 125 kHz. LF-Reader kommunizieren im Nahfeld, bieten Reichweiten bis zu einigen zehn Zentimetern und typischerweise Übertragungsraten von wenigen kbit. Die Transponder können sehr klein sein und lassen sich in bestimmten Ausführungen auch bündig in Metall einbauen.

Im hochfrequenten HF-Frequenzbereich (high frequency) mit höheren Übertragungsraten als bei LF-Systemen dominieren weltweit standardisierte 13,56 MHz-Datenträger. Auch hier erfolgt die Energie- und Datenübertragung zwischen Antenne und Transponder im Nahfeld. Die Transponder sind in vielfältigen und applikationsgerechten Bauformen verfügbar.

RFID-Systeme im ultrahochfrequenten UHF-Bereich (Ultra-Hoch-Frequenz) arbeiten in der Regel im Fernfeld mit „abgelösten“ Wellen bei knapp 1 GHz. Sie werden seit vielen Jahren erfolgreich in industrieller Umgebung eingesetzt und haben dort u.a. in Hochtemperaturanwendungen Mikrowellensysteme mit Batterie-unterstützten Transpondern abgelöst. „Entscheidend für den Siegeszug der UHF-Technologie ist sicherlich auch, dass die zumeist passiven Transponder mittlerweile sehr preisgünstig und in den verschiedensten Bauformen verfügbar sind“, glaubt Dr. Schmitt.

UHF: Die Kommunikationsplattform für das Internet der Dinge

Das UHF-Funktionsprinzip bringt verschiedene Eigenschaften mit sich, auf die es für den Experten im Umfeld von Industrie 4.0 auf besondere Weise ankommt: Hohe Reichweiten, hohe Datenübertragungsraten und – wo erforderlich – Multitag-Lesung im Pulk.

Damit sich CPPS dezentral vernetzen können, müssen sie in der Lage sein, nicht nur im Nahbereich Daten untereinander auszutauschen. Klaus Schmitt: „UHF-Systeme wie das von Pepperl+Fuchs bieten Lesebereiche von 1,5 m, die dieses interaktive Kommunikationsverhalten auf effiziente Weise unterstützen.“ Durchsatzleistung – und damit die Geschwindigkeit von CPPS – sei in vielen Produktions- und Logistikprozessen ein entscheidender Erfolgsfaktor. Hier gilt es, Datenträger dynamisch auszulesen und ggf. zu aktualisieren. Die hohen Datenübertragungsraten von UHF-Systemen meistern diese Herausforderung. „Dort, wo Produkte per Transponder mit datentechnischer Intelligenz ausgestattet sind und dadurch zu CPPS im Sinne von Industrie 4.0 werden, ist häufig die Möglichkeit zur Pulkerfassung ein entscheidender Vorteil von UHF.“

Schmitt zählt hierfür konkrete Beispiele auf: die Artikelerfassung auf beladenen Paletten oder die simultane Abfrage von allen Artikeln auf einem Pufferstellplatz im Lager oder in der Fertigung. Hierzu werden häufig Staplerfahrzeuge mit einem UHF-Reader an Bord eingesetzt, die ihrerseits ebenfalls intelligente Betriebsmittel darstellen.

UHF-Schreib-/Lesekopf F190: „ideal für Industrie 4.0“

Doch den generellen Nutzenpotenzialen von UHF-Systemen für die automatische Identifikation stehen in einzelnen Fällen in der Technologie bedingte Restriktionen gegenüber: In bestimmten Applikationen und Situationen kann es beispielsweise durch Reflektionen zu ungewünschten Signalüberhöhungen und daraus resultierenden Überreichweiten kommen, die die Kommunikation beeinträchtigen. Auch ist das gleichzeitige Erfassen mehrerer Objekte nicht immer im Sinn reibungsloser Prozesse.

Hier präsentiert Dr. Schmitt den UHF-Reader F190, mit dem sich diese Herausforderungen auf effiziente und elegante Weise meistern lassen. Der Arbeitsabstand ist stufenlos zwischen 0,2 m und 1,5 m einstellbar. Die Stärke des Empfangsfeldes lässt sich mit Hilfe des RSSI-Wertes (Received Signal Strength Indication) überwachen und anpassen. Im Betrieb erlauben die Power-Sweep-Funktion zur automatischen Variation der Sendeleistung, parametrierbare Filterfunktionen sowie eine horizontal, vertikal oder zirkular umschaltbare Antennenpolarisation ein selektives Lesen von Transpondern.

„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“, fasst Dr. Schmitt zusammen. „Die UHF-Technologie sowie die gerätetechnische Umsetzung im F190 von Pepperl+Fuchs sind nicht nur theoretisch ideal für Industrie 4.0 – sondern bewähren sich bei namhaften Unternehmen auch in der Praxis.“

Quelle:

[1] http://www.projekt-cypros.de/definition-cps.html

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