Barcode-Etiketten, mechanische Codierungen, Sender- und Empfängersysteme, die mit Funk oder Mikrowellen arbeiten, sowie induktive Identifikationssysteme sind Verfahren, die täglich zum Einsatz kommen. Vorteil der RFID-Technologie ist, dass sie berührungslos und damit verschleißfrei arbeitet und dies je nach Ausführung auch über größere Distanzen.
Mit dem neuen Industrial RFID-System BIS U ergänzt der Sensorspezialist und Connectivity-Anbieter Balluff seine bewährte Palette robuster RFID-Systeme mit induktiver Kopplung (BIS C, BIS L, BIS M, BIS S) und Lesebereichsweiten von maximal 300 mm um eine UHF-Lösung (868-870 MHz) für Reichweiten von bis zu 6 Metern. Frequenz-angepasste Varianten für den Betrieb außerhalb der EU sind ebenfalls verfügbar.
Hauptbestandteile des Industrial RFID-Systems BIS U sind neben der Auswerteeinheit bis zu vier UHF-Richtantennen mit zirkulärer Polarisation sowie Transponder für die Objektkennzeichnung und übergeordnete Systeme wie eine SPS und ein PC mit der Parametriersoftware „BIS UHF-Manager“.
Das UHF-System nutzt Backscattering-Technologie und setzt auf RFID-Tags nach dem internationalen EPC Gen2 Standard. Die EEPROM-Speichertechnologie sorgt dabei für eine flexible und schnelle Kommunikation auch bei hochdynamischen Anwendungen. Ideale Einsatzgebiete sind unter anderem die Fördertechnik und Intralogistik, die Automobilindustrie und ihre Autozulieferer.
Der besondere Clou: Bei hoher Geschwindigkeit lassen sich im dynamischen Betrieb mit BIS U sowohl einzeln als auch im Pulk die Informationen der Tags dank zirkulär polarisierter Antennen in der Regel unabhängig von ihrer räumlichen Ausrichtung auslesen. Und eine weitere Besonderheit: Im Gegensatz zum Barcode ist keine Sichtverbindung zwischen Lesegerät und RFID-Transponder nötig ist. Dies erlaubt es, die Transponder in Objekte einzubetten, ohne dass sie äußerlich sichtbar sind, um beispielsweise den Einsatz unter extremen Bedingungen wie Schmutz oder Hitze zu ermöglichen.
Standardisierte Transponder mit elektronischem Produktcode
So unterschiedlich wie die Applikationen sind auch die verfügbaren Labels. Wie
bereits erwähnt, kann man alle Transponder, die den EPC Gen2- (V1.2.0)
bzw. den ISO/IEC 18000-6C-Standard erfüllen, nutzen. Der Anwender hat
hier die Wahl zwischen preisgünstigen Label-Tags für den
„Einmalgebrauch“ und speziellen, besonders robusten, eingekapselten
Transpondern von hoher Schutzart für den Langzeiteinsatz in
Closed-Loop-Anwendungen, etwa an Warenstückträgern in der Produktion und
an Paletten. Erhältlich sind die Label-Tags in verschiedenen
Long-Range- und Hybrid-Antennenausführungen und auch als Converted
Labels Tags mit zusätzlichen aufgedruckten Klartextformen, etwa einem
Barcode, Versanddaten etc.. Dabei ist allerdings zu beachten, dass sich
die UHF-Tags hinsichtlich ihrer Anprechempfindlichkeit, der
Lesebereichsweite und in ihrem maximalen Arbeitsbereich unterscheiden.
Wahre Spezialisten für den Einsatz in rauer Umgebung
mit starken Schock- und Vibrationsbelastungen wie in der Logistik oder
auch in der industriellen Fertigung sind eingekapselte Hard-Tags in der
Schutzklasse IP 67, wie sie Balluff beispielsweise mit dem Transponder
BIS U 100 anbietet. Er ist für eine Arbeitstemperatur von – 40°C bis +
85° C ausgelegt und kann mit dem dazugehörigen Abstandhalter oder
mittels Magnetfüßen auch direkt auf Metall befestigt werden.
Herzstück eines jeden Transponders bei BIS U ist der
Elektronische Produkt-Code – kurz EPC genannt. Mit dieser nur einmal
vergebenen Identifikationsnummer lassen sich weltweit beliebige Objekte,
z.B. Produkte und logistische Einheiten, eindeutig an jedem Punkt
innerhalb der Supply-Chain-Kette identifizieren. Die Zuordnung erfolgt
über eine übergeordnete Datenbank und funktioniert selbst über
Unternehmensgrenzen hinweg.
Autark ohne eigene Stromversorgung
Das Besondere: Die passiven Datenträger benötigen keine
eigene Stromversorgung. Sie entnehmen die für den Betrieb notwendige
Energie aus dem elektromagnetischen Feld. Der weitaus größere Teil der
eingestrahlten Leistung wird jedoch reflektiert. Eine zeitlich
gesteuerte Änderung des Reflexionsverhaltens der Dipolantenne führt zu
einer zurückgestreuten und in seiner Amplitude (Intensität) modulierten
elektromagnetischen Welle. Diese wird von der Antenne der
Auswerteeinheit detektiert und anschließend demoduliert. Diese Form des
Infomationsaustauschs wird als Backscattering bezeichnet.
Während im Außenbereich, unter Idealbedingungen ohne
Hindernisse, die elektrische Feldstärke annähernd reziprok zur
Entfernung abnimmt, sieht dies unter realen Bedingungen gänzlich anders
aus. So werden die elektromagnetischen Wellen, die vom Lesegerät
ausgesandt werden, nicht nur von den RFID-Transpondern reflektiert,
sondern auch von allen anderen Objekten in der Umgebung, wie z.B. den
Wänden, Fußböden und abgestellten Transportbehältern. Die reflektierten
Wellen überlagern sich mit der vom Lesegerät ausgesandten Primärwelle
und führen einerseits zur lokalen Dämpfung bis hin zur Auslöschung,
andererseits aber auch zur Verstärkung.
Dieses Verhalten der elektromagnetischen Wellen erlaubt
dann auch nur bedingt eine Vorhersage der Lesereichweite. Durch die
Nutzung mehrerer Antennen, die maßgeschneiderte Justierung der
Antennenleistung und das Bewegen der Objekte beim Scannen im
elektromagnetischen Feld lassen sich jedoch diese Schwierigkeiten aus
dem Weg räumen und das System an die jeweiligen, spezifischen
Gegebenheiten optimal anpassen.
Antikollisionsverfahren für die Highspeed-Identifikation
Ein besonders rationelles und kostensparendes Verfahren ist
die Pulkerfassung von mehreren Tags ohne die Vereinzelung der zu
erfassenden Objekte. So kann man beispielsweise eine Palette mit
Kartons, an denen die Tags befestigt sind, durch ein Antennenfeld z.B.
einen Gate-Reader, führen und alle Datenträger aus größerer Entfernung
unabhängig von ihrer Orientierung quasi auf einen Rutsch auslesen.
Dies ist eine besondere Herausforderung: Ein UHF-System registriert, wenn ein Datenträger im Funkfeld ist, aber
nur, wenn Interferenzen, Abschirmeffekte oder ungünstige Ausrichtung
zur Antenne nicht verhindern, dass er erkannt wird. Außerdem kann es
ungewollt auch zu Datenkollisionen kommen, wenn mehrere Tags
gleichzeitig antworten. Aber auch dafür gibt es eine Lösung: So wird mit
ALOHA ein spezielles Pulk-Erfassungsverfahren bzw.
Antikollisionsprotokoll eingesetzt, das den Datenstrom der Tags
sequenzialisiert, Kollisionen vermeidet, so dass die Tags auch auf
kleinstem Raum sicher erkannt werden. Theoretisch lassen sich so ca. 250
Transponder pro Sekunde erfassen. Und das geht so: Es
geht eine Aufforderung an alle Transponder eine Zufallszahl zwischen 0
und n zu generieren, um damit eine Warteschlangenhierachie zu bilden.
Üblicherweise wird die Zahl n auf die Anzahl der zu erwartenden
Transponder abgestimmt (n = 2Q).
Nur der Transponder, der eine
0 gewürfelt hat, darf mit der Übertragung seines EPC-Codes antworten,
während die anderen wiederum den nächsten Befehl abwarten.
Das Lesegerät empfängt die
Antwort des Transponders und sendet anschließend ein Kommando, wonach
alle noch verbliebenen Transponder ihre generierte Zufallszahl um eins
erniedrigen.
Nur der Transponder, dessen
Zufallszahl jetzt 0 aufweist, darf mit der Übertragung seines EPC-Codes
antworten, während die anderen wiederum den nächsten Befehl abwarten.
Antworten zwei Transponder
gleichzeitig, so wird der initiale Würfel- und Anforderungsfall mit
einem geänderten Q-Fakter neu begonnen.
Erhält die Auswerteeinheit
jedoch mehrmals keine Antwort, weil der Q-Faktor zu hoch gewählt war, so
wird der initiale Würfel- und Anforderungsfall ebenfalls mit einem
geänderten Q-Fakter neu begonnen.
Ist der Rekursionsvorgang für
die Zufallszahl ohne Datenkollisionen abgeschlossen, ist davon
auszugehen, dass alle Transponder im Lesebereich der Antenne
angesprochen wurden.
Arbeitsschutz
Beim Betrieb eines solchen Systems muss natürlich auch
damit gerechnet werden, dass sich Menschen für kurze oder auch längere
Zeit im Strahlungsbereich aufhalten. Da das System die verbindlichen
Grenzwerte der internationalen Strahlenschutzkommission für
elektromagnetische Felder mühelos einhält, ist nahezu überall ein
sicherer Betrieb des Systems möglich.
Nutzt man eine gebräuchliche Long-Range-Antenne, deren abgestrahlte Leistung in Hauptstrahlrichtung 2 WERP beträgt, wird der Grenzwert für Arbeitsumgebungen von 40,51 V/M für
Abstände größer als 24 cm zur Antenne bereits unterschritten. Bei
geringeren Sendeleistungen verringert sich sogar der Sicherheitsabstand
entsprechend.