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RFID hat sich als leistungsfähige Auto-ID-Technologie etabliert

Basistechnologie für moderne Industrie-4.0-Konzepte
RFID-Systeme für Produktion und Logistik

RFID (Radio Frequency Identification) erlaubt ein durchgängiges Tracking von Objekten von der Anlieferung bis zum Versand, es ermöglicht die automatische Bestätigung, dass die vorgesehenen Materialien und Werkzeuge korrekt in der Fertigung eingesetzt werden und stellt sicher, dass nur berechtigten Personen ausgewiesene Sicherheitsbereiche betreten. Mit diesen Eigenschaften hat sich RFID als leistungsfähige Auto-ID-Technologie etabliert, mit der kontaktlosen Übertragung von wenigen Bits bis zu großen Informationsmengen, auch über weite Entfernungen. Damit ist die sichere Anbindung an überlagerte Systeme von der SPS bis ERP und Cloud möglich. RFID-Technik ist damit eine Basistechnologie für moderne Industrie-4.0-Konzepte.

Die Technik basiert auf der Ausbreitung und der Reflexion elektromagnetischer Wellen. Die Entwicklung geht auf die Mitte des vergangenen Jahrhunderts zurück. Eine der ersten industriellen Lösungen wurde von Siemens zur Identifikation von Fahrzeugen und Fahrzeugteilen entwickelt. Die ersten RFID-Tags mit integrierter Logik wurden etwa 1975 eingeführt. Als erste kommerzielle Einsatzgebiete gelten Warensicherungssysteme im Handel. Neben der Kennzeichnung von Nutz- und Haustieren folgten Systeme für elektronische Schlösser, Zutrittskontrollen oder elektronische Wegfahrsperren für Fahrzeuge. Inzwischen ist die RFID-Technik in der industriellen Produktion etabliert. So ist es heute beispielsweise möglich, Transponder direkt im Druckgussverfahren in Bauteile zu integrieren. Manipulationssichere Zugangskontrollsysteme auf der Basis von RFID sind zu einer zuverlässigen Technik der Maschinensicherheit geworden.

Moderne RFID-Transponder bzw. -Tags unterscheiden sich in ihren Parametern wie der Übertragungsfrequenz oder der Reichweite. Ein Tag besteht prinzipiell aus einer Antenne, einem elektronischen Schaltkreis sowie einem digitalen Datenspeicher. Dieser Speicher enthält die Informationen über die Identität des Objekts oder Werkstücks. RFID-Transponder verfügen über einen mindestens einmal beschreibbaren Speicher, in dem die unveränderliche Identität hinterlegt ist. Werden wieder beschreibbare Speicher eingesetzt, können während der Lebensdauer zusätzliche Informationen abgelegt werden. Kriterien für die Auswahl des Tags sind die Taktfrequenz sowie die Übertragungsrate, aber auch erwartete Lebensdauer, die Stückkosten und der benötigte Speicherplatz.

RFID als zuverlässige Technik

Die Übertragung der Information erfolgt gemäß der Norm DIN/ISO 18000. Das Lesegerät bzw. der Reader erzeugt ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld. Die vom Tag über die Antenne aufgenommene Hochfrequenzenergie dient während des Kommunikationsvorganges als Stromversorgung für den integrierten Chip, wobei bei aktiven Tags auch eine Energieversorgung mittels Batterien möglich ist. Die Elektronik im RFID-Tag erkennt die vom Lesegerät gesendeten Befehle. Der RFID-Tag codiert und moduliert die Antwort in das eingestrahlte elektromagnetische Feld durch Feldschwächung im kontaktfreien Kurzschluss oder eine gegenphasige Reflexion des vom Lesegerät ausgesendeten Feldes. Der Tag erzeugt selbst also kein Feld, sondern beeinflusst lediglich das elektromagnetische Sendefeld des Readers.

Bis zu 32 Schreib-Lese-Köpfe in Reihe

HF-Tags verwenden die Lastmodulation, dabei verbrauchen sie einen Teil der Energie des magnetischen Wechselfeldes. Dies können das Lesegerät oder auch ein weiter entfernter Empfänger detektieren. Die Antennen eines HF-Tags bilden eine Induktionsspule. UHF-Tags hingegen arbeiten im elektromagnetischen Fernfeld; das Verfahren basiert auf der modulierten Rückstreuung. Die Antennen sind meist lineare, gefaltete oder spiralige Dipole, die Elektronik befindet sich in der Mitte zwischen den linearen oder mehrfach gewinkelten Dipolarmen des RFID-Tags.

Da bei RFID-Systemen die Datenübermittlung per Funk erfolgt, ist eine Umsetzung der Signale in eine höhere Frequenz erforderlich. Mit Hilfe dieser Modulation wird ein sinusförmiges Signal erzeugt. Dabei kommt es darauf an, ob das Trägersignal in seiner Amplitude, seiner Frequenz oder in der Phase verändert wird. Als digitale Modulationsverfahren gelten die Amplitudenabtastung, die Frequenzabtastung oder die Phasenabtastung, wobei die digitalen Modulationsverfahren grundsätzlich weniger störanfällig sind.

UHF- oder SHF-Technik

Damit ein Tag sowohl horizontal als auch vertikal gelesen werden kann, kommt die zirkulare Polarisation zum Einsatz, die zwar das Signal-Rausch-Verhältnis reduziert, aber eine beliebige Orientierung des Tags auf dem Objekt erlaubt. Unterschiedliche Materialien beeinflussen dabei die Ausbreitung der elektromagnetischen Felder, Wasser beispielsweise absorbiert die UHF-Energie sehr stark und Metall reflektiert elektromagnetische Wellen. Die Werkstücke selbst wiederum beeinflussen die Resonanzfrequenz der Antennen, sodass es unerlässlich ist, UHF-Tags genau auf die Applikation abzustimmen bzw. sie gegen das Objekt abzuschirmen.

Da UHF- oder SHF-Technik wesentlich komplexer ausgelegt sind als die LF- oder HF-Technik, können sie aufgrund der höheren Frequenzen erheblich mehr Daten übertragen. Ein handelsüblicher passiver UHF-Tag nach ISO/IEC 18000-6C benötigt für den Chip etwa 0,35 µA. Die Energie dafür liefert das Strahlungsfeld des Readers. Da die Intensität quadratisch mit der Entfernung abnimmt, muss der Reader entsprechend stark senden; üblicherweise verwendet man hier zwischen 0,5 und 2 W Sendeleistung. Die Lesequote einer RFID-Lösung hängt von einer Vielzahl von Einflüssen ab. So können elektromagnetische Störungen aber auch die Bewegungen des Objekts zu Lese- oder Schreibfehlern führen.

Kommerziell erhältliche Transponder bestehen aus dem Mikrochip sowie der Antenne meist in Form einer Spule. Dabei beträgt der Durchmesser der Antennen oft nur wenige Millimeter, bei größeren Reichweiten bieten größere Antennendurchmesser bessere Lese- und Schreibergebnisse. Spielt die Größe des Tags nur eine untergeordnete Rolle oder sind größere Lesedistanzen zu überwinden, empfiehlt sich der Einsatz einer Batterie. Entscheidend für die Größe des Gehäuses ist die erforderliche Antenne. Alle benötigten elektronischen Funktionen werden im Mikrochip integriert. Abhängig von der Anwendung werden unterschiedliche Bauformen, Größen und Schutzklassen als Standard-Komponenten angeboten. Die Reichweite von passiven Transpondern ist neben der Frequenz maßgeblich von der Antennen- oder Spulengröße abhängig.

Energieversorgung der RFID-Tags

Passive RFID-Transponder versorgen sich aus den Funksignalen des Lesegeräts. Mit einer Spule als Empfangsantenne wird durch Induktion ähnlich wie in einem Transformator ein Kondensator aufgeladen, der es ermöglicht, die Antwort in Unterbrechungen des Abfragesignals zu senden. Das erlaubt einen empfindlicheren Empfang des Antwortsignals ungestört von Reflexionen des Abfragesignals von anderen Objekten.

RFID-Transponder mit eigener Energieversorgung ermöglichen höhere Reichweiten, geringere Latenzen, einen größeren Funktionsumfang, etwa eine Temperaturüberwachung von Kühltransporten, verursachen dabei aber auch erheblich höhere Kosten pro Einheit. Deswegen werden sie dort eingesetzt, wo die zu identifizierenden oder zu verfolgenden Objekte selbst wertvoll sind, z.B. bei wieder verwendbaren Behältern in der Containerlogistik oder bei Lastkraftwagen im Zusammenhang mit der Mauterfassung.

Batteriebetriebene Transponder können in einen Ruhezustand versetzt und durch ein spezielles Signal aktiviert werden. Das erhöht die Lebensdauer der Energiequelle bis zu mehreren Jahren. Aktive RFID-Transponder nutzen ihre Energiequelle sowohl für die Versorgung des Mikrochips als auch für das Erzeugen des modulierten Rücksignals. Semi-aktive RFID-Transponder oder auch Semi-passive RFID-Transponder sind energieeffizienter, denn sie haben keinen eigenen Sender, sondern modulieren lediglich ihren Rückstreukoeffizienten.

Breites Frequenzspektrum verfügbar

HF-Technik (13,56 MHz) ist ein wichtiger Treiber von digitalen Produktionsverfahren, sie basiert auf magnetischer Nahfeldkommunikation. Sind höhere Reichweiten oder Pulklesungen von 200 Datenträgern und mehr gefordert, sollten Anwender hingegen auf UHF-Technik im Bereich von 865 bis 928 MHz zurückgreifen. Für den Einsatz wurden bisher verschiedene ISM-Frequenzbänder europaweit bzw. international freigegeben: Die Langwellen (LF) zwischen 30 und 500 kHz weisen eine Reichweite bis zu 1 m bei geringer Datenrate auf. Erkennungsraten von 35 Transpondern pro Sekunde für bis zu 800 Transpondern im Antennenfeld sind möglich. LF-Transponder sind etwas teurer in der Anschaffung, die Schreib-Lese-Geräte sind jedoch kostengünstiger. LF-Systeme sind dann vorteilhaft, wenn relativ wenige Transponder aber viele Schreib-Lese-Geräte benötigt werden. Die LF-Systeme werden in vielen Bauformen angeboten. Diese Eigenschaften begünstigen den Einsatz in der Industrie, sie werden jedoch auch für Zugangskontrollen und Lagerverwaltung häufig bei 125 kHz verwendet. Einige LF-Versionen sind ATEX-zertifiziert und eignen sich damit auch für den Einsatzfall in explosionsgefährdeten Bereichen.

Fraunhofer IMS entwickelt nächste RFID-Generation

Die Kurzwellen (HF) arbeiten zwischen 3 und 30 MHz und bieten eine kurze bis mittlere Reichweite sowie eine mittlere bis hohe Übertragungsgeschwindigkeit. Abhängig von der Reichweite sind auch kostengünstige Lesegeräte verfügbar. In diesem Frequenzbereich arbeiten auch die sogenannten Smart Tags mit 13,56 MHz.

Der UHF-Bereich arbeitet mit sehr hohen Frequenzen (UHF) bei 433 MHz bzw. zwischen 850 und 950 MHz. Diese Technik zeichnet sich durch eine Reichweite von 2 bis 6 m für passive Transponder gemäß /DINISO/IEC 18000-6C aus bzw. 6 bis 100 m für semiaktive Transponder bei einer hohen Lesegeschwindigkeit. Zum Einsatz kommt dieser Frequenzbereich bei der Warenverteilung mittels Paletten oder der Container-Identifikation sowie zur Kontrolle von Versandeinheiten. Typische Frequenzen sind 433 MHz und 868 MHz in Europa sowie 915 MHz in den USA und Japan. Durch ihre geringen Kosten werden de Tags auch dauerhaft auf Konsumartikeln genutzt.

SHF-Tags arbeiten mit Mikrowellen-Frequenzen im Bereich zwischen 2,4 und 2,5 GHz sowie bei 5,8 GHz und darüber. Mit semiaktiven Transpondern lassen sich Reichweiten von 0,5 m bis 6 m auch bei höheren Lesegeschwindigkeiten realisieren. Die Technik eignet sich besonders für Fahrzeuganwendungen auch bei Bewegung.

Bulk-Erkennung und Antikollision

Unter dem Begriff Bulk-Erkennung ist die Nutzung bekannter Protokolle zu verstehen, in dem einzelne RFID-Tags unmittelbar nacheinander gelesen werden, wobei sich dieser Prozess selbst organisiert. Das heißt, dass sich nicht alle Tags gleichzeitig bei dem gleichen Reader melden, und jedes Tag möglichst lediglich einmal gelesen wird, und ein einmal gelesenes Tag nach dem ersten erfolgreichen Lesen schweigt, bis es das Lesefeld verlässt oder das Lesefeld abgeschaltet wird, oder das einzelne dort bereits bekannte Tag vom Leser direkt erneut aktiviert wird. Viele Anwendungen dieser auch Singulation genannten funktechnischen Vereinzelung soll es dem Empfänger ermöglichen, die verschiedenen Identitäten der vorhandenen Tags streng nacheinander zu erkennen. Das Konzept ist in der Norm in verschiedener Ausprägung vorgesehen, aber bisher erkennbar nicht verbreitet. Weitere proprietäre Ausprägungen finden sich bei den verschiedenen Herstellern. An technischen Problemen mit passiven Tags ändert nichts, dass aktive Tags sich willkürlich bei einem Empfänger melden können.

Die Antikollision beschreibt eine Abfolge von Prozeduren, mittels derer mehrere Tags gleichzeitig kommunizieren können. Diese Antikollision regelt die Einhaltung der Reihenfolge bzw. Abstände der Antworten, beispielsweise durch zufällig verteiltes Senden dieser Responses, sodass der Empfänger jedes Tag einzeln auslesen kann. Die Leistung der Antikollisionsverfahren wird in Tags/s gemessen. Wenn im Lesevorgang kein Anti-Kollisionsverfahren und keine Stummschaltung wirken, ist die geometrische Vereinzelung außerhalb des Lesebereichs und die Beschränkung auf jeweils ein Tag im Lesebereich die Verfahrensweise mit generell besserer Erkennungsquote.

Speicherkapazität und Stromversorgung

Die Kapazität des beschreibbaren Speichers eines RFID-Chips reicht von wenigen Bit bis zu mehreren KBytes. Der Datensatz des Transponders wird bei dessen Herstellung fest in ihm als laufende eindeutige Zahl oder bei dessen Applikation als nicht einmalige Daten z. B. als Chargennummer abgelegt. Moderne Tags können auch später geändert oder mit weiteren Daten beschrieben werden. Beschreibbare Transponder verwenden derzeit meist EEPROMs als nichtflüchtige Speicher. Kommen SRAMs zum Einsatz, ist eine kontinuierliche Batterieversorgung erforderlich.

Passive Transponder entnehmen ihre Betriebsspannung dem elektromagnetischen Feld und speichern sie in der Kapazität im Chip. Dabei sollte die eingestrahlte Energie etwa Tausend Mal größer sein als die für den Antwortvorgang verfügbare Energie. Semi-passive bzw. semi-aktive Transponder nutzen eine Batterie für den flüchtigen Speicher sowie zum Betrieb angeschlossener Sensoren, in der Regel aber nicht für die Datenübertragung. Aktive Transponder nutzen Batterien für den Prozessor sowie den Datentransfer, sind mit einem eigenen Sender ausgestattet und erreichen so eine höhere Reichweite. Das Abfragesignal des Lesegeräts ist dabei etwa so gering wie das Sendesignal des Transponders.

Basistechnologie für Industrie 4.0

Die RFID-Technik eignet sich vor allem logistische Applikation im Handel, Versand sowie in der industriellen Produktion. Logistische Problemstellungen gehen dabei quer durch alle Branchen. Hier gibt es ein riesiges Rationalisierungspotential auszuschöpfen. Die RFID-Technik ist damit auch eine Basistechnologie für alle Industrie-4.0-Konzepte. Kommunikation in Logistik- und Produktionsanlagen gliedert sich heute in hierarchisch strukturierte Ebenen. RFID-Reader mit Ethernet-Schnittstelle stellen einen direkten Informationsaustausch mit den übergeordneten Systemen her, wie SPS, SCADA, MES und ERP oder der Cloud.

Der plattformunabhängige Kommunikationsstandard OPC UA erleichtert die Integration von RFID-Lösungen in SPS, MES, ERP oder Cloud-Systeme. Mit der AutoID Companion Specification ist zudem der Gerätewechsel zwischen Auto-Ident-Systemen unterschiedlicher Hersteller möglich. Mehrere Unternehmen haben an der Entwicklung des Standards mitgewirkt und bieten RFID-Interfaces mit OPC-UA-Server an. (ge)

Normen

ETSI EN: 302 208:2003: RFID-Equipment für den Bereich zwischen 865 und 868 MHz mit bis zu 2 W Sendeleistung

EN 50357: Ermittlung der Exposition von Personen gegenüber elektromagnetischen Feldern von Geräten, die in der elektronischen Artikelüberwachung, Hochfrequenz-Identifizierung und ähnlichen Anwendungen verwendet werden

ISO/IEC 18000: Radio Frequency Identification
Part 1: Generic parameters for air interface Communication
Part 2: Parameters for air interface communications below 135 kHz
Part 3: Parameters for air interface communications at 13.56 MHz
Part 4: Parameters for air interface communications at 2.45 GHz
Part 6: Parameters for air interface communications at 860 to 960 MHz
Part 7: Parameters for an active RFID air interface communications at 433 MHz

ISO/IEC TR 18046
RFID Device Performance Test Methods

ISO/IEC TR 18047
Part 2: RFID Conformance Test Methods below 135 kHz
Part 3: RFID Conformance Test Methods at 13.56 MHz
Part 4: RFID Conformance Test Methods at 2.45 GHz
Part 6: RFID Conformance Test Methods at 860 to 960 MHz
Part 7: RFID Conformance Test Methods at 433 MHz

DIN/ISO 69873: Datenträger für Werkzeuge und Spannzeuge; Maße für Datenträger und deren Einbauraum

VDI 4472: Anforderungen an Transpondersysteme zum Einsatz in der Supply Chain

Verband der Automobilindustrie (VDA)
VDA 5500: Grundlagen für den RFID-Einsatz in der Automobilindustrie
VDA 5501: RFID-Einsatz im Behältermanagement
VDA 5509: AutoID/RFID-Einsatz und Datentransfer zur Verfolgung von Bauteilen und Komponenten in der Fahrzeugentwicklung
VDA 5510: RFID zur Verfolgung von Teilen und Baugruppen
VDA 5520: RFID-Einsatz in der Fahrzeugdistribution

www.balluff.com
www.datalogic.com
www.euchner.de
www.harting.com
www.ifm.com
www.pepperl-fuchs.com
www.pilz.com
www.pizzato.com
www.schmersal.com
www.schreiner-group.com
www.sick.com
www.turck.com

Video

So war das mit den Messen vor dem Auftauchen des Coronavirus: Blicken Sie mit uns zurück auf die SPS in Nürnberg...

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