Anlässlich unseres 100-jährigen Bestehens präsentieren wir – elektrotechnik AUTOMATISIERUNG – die Pioniere der industriellen Automation. In einer exklusiven Berichtserie zeigen wir deren Errungenschaften. Mit den Wegbereitern der Automation lassen wir Technologien und Entwicklungen Revue passieren, betrachten die Gegenwart und wagen einen Blick in die Zukunft!

Funkbasierte Identifikationstechnologie

Warum RFID ein mächtiges Werkzeug für smarte Produktionsprozesse ist

| Autor / Redakteur: Bernd Wieseler* / Sariana Kunze

Die funkbasierten Identifikationstechnologie RFID gilt als Schlüsseltechnologie für die smarte Fabrik, denn mit ihr sind Produkte, Werkstückträger oder Werkzeuge eindeutig identifizier- und lokalisierbar.
Die funkbasierten Identifikationstechnologie RFID gilt als Schlüsseltechnologie für die smarte Fabrik, denn mit ihr sind Produkte, Werkstückträger oder Werkzeuge eindeutig identifizier- und lokalisierbar. (Bild: Turck)

Eine vernetzte und intelligente Produktion gelingt nur dann, wenn Produkte, Werkstückträger oder Werkzeuge eindeutig identifizier- und lokalisierbar sind. Wo die optische Erkennung an ihre Grenzen stößt, funktioniert bereits heute die funkbasierte Identifikation mittels RFID. Turck hat hierfür eine RFID-Lösung mit OPC-UA-Schnittstelle entwickelt.

Eine hoch automatisierte, flexible und eng vernetzte Industrieproduktion benötigt effiziente Technologien zur Identifikation von Systemen, Werkzeugen, Werkstücken und Produkten. Die funkbasierte Identifikationstechnologie RFID nimmt dabei eine exponierte Position gegenüber alternativen Lösungen wie etwa der optischen Identifikation ein.

Mit UHF-Technik bis zu 200 Datenträger lesen

Die Implementierung von RFID in Produktionsprozessen ist heute an vielen Stellen oft noch kompliziert und zeitaufwändig. HF-Technologie ist zwar relativ einfach zu integrieren, weil die Beeinflussung durch die räumlich-physikalische Umgebung gering ist. Allerdings ist die Reichweite von HF-Technik eingeschränkt, weshalb für Applikationen, die höhere Flexibilität und Reichweiten erfordern, RFID im UHF-Band eingesetzt wird. Insbesondere wenn die Datenträger (Tags) am Produkt und nicht am Werkstückträger angebracht sind, dort verbleiben, schwer erreichbar sind oder sogar das Werksgelände verlassen, wird in der Regel UHF-Technik eingesetzt. Pulklesungen sind ein weiterer Vorteil der UHF-Technik. Das gleichzeitige Erfassen mehrerer Datenträger ist zwar auch mit HF-Technik möglich – allerdings nur bis zu ca. 20 Datenträgern pro Lesung. UHF schafft hier 200 Datenträger und mehr – je nach Anzahl der Antennen.

Die größere Flexibilität und die höheren Reichweiten der UHF-Technik bezahlen Anwender mit einer höheren Komplexität der UHF-Systeme. Im Unterschied zu HF kommuniziert UHF-Technik nicht über induktive Kopplung im magnetischen Nahfeld, sondern über die abgestrahlte elektromagnetische Welle. Das ermöglicht höhere Reichweiten, zeitigt aber auch Nebeneffekte wie Interferenzen durch gegenseitige Beeinflussung von Schreibleseköpfen oder Tags. Auch Reflexionen der Wellen an Wänden, Metallgegenständen oder wasserhaltigen Objekten stellen Anwender vor Herausforderungen. Um diese Effekte in den Griff zu bekommen, haben UHF-Schreibleseköpfe etliche Variablen, die eingestellt werden können. So ist die Leistung bei den meisten Geräten variabel regelbar. Aber auch RSSI-Filter und weitere Parameter müssen vom Anwender auf die Applikation passend eingestellt werden.

Unter Hochspannung richtig identifizieren

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Sollen mehrere Tags gleichzeitig gelesen werden? Sind der Schreib-Lese-Kopf oder die Tags in Bewegung? Muss gelesen und geschrieben werden und wenn ja, wie schnell müssen die Prozesse ablaufen? Diese Fragen sind die Grundlage einer UHF-Installation und müssen bei der Projektierung eines Systems früh beantwortet werden. Auch deshalb sind bei UHF-Projekten meistens Systemintegratoren involviert. Die Integratoren kümmern sich um die Installation einer Middleware, die aus den RFID-Daten die verwertbaren Informationen für das ERP-, SCADA oder MES-System des Kunden herausfiltert, übermittelt und gegebenenfalls darstellt.

Partner für Integration von UHF-RFID-Systemen

Für klassische Hersteller ist das Integrationsgeschäft meist Neuland – zumindest in Deutschland. Das benötigte Software-Know-how sowie IT-System- und Programmierungswissen zählen nicht unbedingt zur Kernkompetenz klassischer Automatisierungsunternehmen. Deshalb pflegt Turck schon lange Partnerschaften mit Systemintegratoren in ganz Deutschland, mit deren Unterstützung zahlreiche UHF-Projekte erfolgreich realisiert werden konnten. Die strategische Bedeutung der Integration von UHF-RFID-Systemen war für Turck einer der Gründe, die Mehrheit an einem RFID-Integrationspartner zu übernehmen. 2017 hat das Unternehmen mit Vilant einen Partner gefunden. Vilant hat mit vier Tochtergesellschaften in den 15 Jahren seines Bestehens über 1.000 RFID-Systeminstallationen in 35 Ländern realisiert und ist damit ein großer Player im industriellen RFID-Systemgeschäft. Das Unternehmen selbst strebte nach weiterer internationaler Expansion und kann mit Turck auf ein gut ausgebautes globales Vertriebsnetz zurückgreifen, das Zugang zu vielen internationalen Projekten bietet. Seit Januar 2018 ist der RFID-Turnkey-Solution-Anbieter als Turck Vilant Systems nun ein eigenständiger RFID-Integrator innerhalb der Turck-Gruppe.

Finnische Software für RFID-Lösungen

Turck Vilant Systems bedient bereits heute die typischen Fokusbranchen für RFID-Systemlösungen, wie Asset Tracking, Rail, Supply Chain sowie Pulp and Paper. Ein Schwerpunkt liegt im Softwarebereich. Im Portfolio befinden sich verschiedene Softwarelösungen, die sich für Geräte mit oder ohne Benutzeroberfläche eignen. Während für letztere die Vilant-Engine die richtige Wahl ist, stehen für Geräte mit Benutzeroberfläche die Vilant-Clients Gate-Client, Handheld-Client oder Forklift-Client zur Verfügung. Die Handheld-Clients beispielsweise eignen sich für RFID-Handgeräte zum manuellen Lesen und Schreiben der RFID-Tags, Gate-Clients werden zur automatischen Tag-Erfassung eingesetzt und Forklift-Clients auf den Bedienterminals von Gabelstaplern. Jede Geräte-Software besitzt zudem eine Richtungserkennung und Streufilterung. So hat Vilant beispielsweise dazu beigetragen, dass die Produktivität im finnischen ABB-Werk in Vaasa um 60 Prozent stieg, in dem man die interne Logistik auf RFID umgestellt hat. Auch bei dem Schweizer Einzelhändler Migros oder bei dem Autovermieter Sixt konnte Vilant eine Perfomance-Steigerung erwirken.

Digitale Produktion mit HF und UHF

Während UHF vor allem in Logistikanwendungen auf dem Vormarsch ist, wird in der Fabrikautomation die Entwicklung einer digitalen Produktion auch zukünftig mit der Installation von HF-Lösungen einhergehen – teilweise in Kombination mit der UHF-Technik. Turcks RFID-System BL Ident ist für solch hybride Applikationen geeignet, da es den Anschluss von HF- und UHF-Schreib-Lese-Köpfen an denselben Interface-Modulen erlaubt. Die Anbringung der Interfaces an die Steuerungen ist heute in vielen Fällen schon recht einfach möglich. Beispielsweise bei den RFID-Interfaces in den IP67-Block-Modulen TBEN-S oder TBEN-L, die mit dem Universal Interface (U Interface) ausgestattet sind. Mit dem Interface kann eine Steuerung die RFID-Kanäle wie einfache Eingänge verwenden. Das Programmieren eines eigenen Funktionsbausteins für die Steuerung ist an der Stelle überflüssig.

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OPC-UA-Schnittstelle für RFID-Interface

Sollen RFID-Interfaces allerdings mit Middleware-, SCADA-, ERP- oder MES-Lösungen kommunizieren, müssen die Anwender größtenteils proprietäre Lösungen akzeptieren oder gar selbst programmieren. Hier verspricht der plattformunabhängige Standard OPC UA Besserung. OPC UA schafft eine einheitliche Sprache zur Kommunikation mit Steuerungen und IT-Systemen. Turck hat eine OPC-UA-Schnittstelle direkt auf seinem IP67-RFID-Interface TBEN-L-RFID-OPC-UA integriert. Damit können die Interfaces direkt mit MES oder ERP- oder anderen Ethernet-basierten Systemen kommunizieren. Auch viele Cloud-Dienste unterstützen OPC UA und erlauben so die Übertragung von Produktions-Daten in Clouds zu Monitoring- oder Analysezwecken.

Innerhalb von OPC UA gibt es noch eine weitere Spezifikation, mit der speziell die Kommunikation von AutoID-Geräten wie Barcodelesern oder RFID-Readern standardisiert wird. Unterstützen Geräte den Companion-Standard für AutoID-Geräte, lassen sich die entsprechenden Systeme untereinander austauschen. Die Companion-Spezifikation für die AutoID-Geräte stellt auch den sogenannten Report-Mode bereit, der von Turcks Schreib-Lese-Köpfen unterstützt wird. Der Kunde kann damit die Abfrage der Datenträger dauerhaft oder zeitlich begrenzt starten und erhält die gelesenen Daten als Event-Benachrichtigung, sobald sich ein Datenträger im Feld des Schreib-Lese-Kopfes befindet. Somit benötigt der Kunde kein zusätzliches Triggersignal und der Schreib-Lese-Kopf agiert autonom, um jeden neuen Datenträger an die Clients bzw. überliegenden Systeme zu melden.

BUCHTIPPOhne eine herstellerunabhängige Vernetzung von Geräten und Anlagen ist Industrie 4.0 nicht umsetzbar. OPC UA ist genau dafür konzipiert – doch der Einstieg ist nicht immer einfach. Das Fachbuch „Praxishandbuch OPC UA“ hilft weiter.

OPC UA für sicheren Datenzugriff

Ein weiterer Vorteil von OPC UA ist, dass der Standard Sicherheitsmechanismen zur Verschlüsselung und Authentifizierung unterstützt und so Daten insbesondere bei der Übergabe in ERP- und Cloud-Systeme vor unbefugtem Zugriff schützt. Somit hat der Kunde von jedem Ort der Welt einen sicheren Zugriff auf seine Daten. Die Sicherheit der Kommunikation über OPC UA wurde auch durch das Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) geprüft und bestätigt. Das Interface bietet die entsprechende Verschlüsselung der Daten sowie die Unterstützung der Sicherheitszertifikate und Konfiguration von Zugriffsrechten über den Webserver mit entsprechend sicherer HTTPS-Verbindung.

So gelingt der Einstieg mit OPC UA

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* Bernd Wieseler, Leiter Produktmanagement RFID, Turck

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