Identifikationssysteme Ist Auto-ID-Technologie im IIoT-Zeitalter noch gefragt?

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Automatische Identifikationssysteme wie 1D/2D-Code- und RFID-Lesegeräte haben sich in industriellen Produktionsprozessen und logistischen Abläufen bewährt. Verändert die Industrie 4.0 die Anforderungen an moderne Identifikationssysteme? Hat das klassische Lesegerät gar ausgedient?

Am Anfang steht der Barcode. Als optisches Identifikationssystem wurde er in den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts eingeführt. Inzwischen ist er weltweit flächendeckend in verschiedenen Ausprägungen, zum Beispiel als GS1-128, Datamatrix, QR-Code oder Aztec-Code, in Gebrauch. Die Bedeutung als wichtigstes Identifikationsmedium verdankt der Barcode – beispielsweise in Form eines gedruckten Etiketts – seiner einfachen Anwendbarkeit, seinen sehr geringen Kosten und einer durchgängigen weltweiten Standardisierung. Der Strichcode ist unser täglicher, nahezu unauffälliger Begleiter geworden – das gilt auch für industrielle Anwendungen. Doch die Konkurrenz schläft auch hier nicht und so gibt es bereits Alternativen zum klassischen Barcode. Eine davon ist RFID.

RFID kurz erklärt

Die sogenannte Radio Frequency Identification (RFID) nutzt die elektromagnetische Wechselwirkung im Radiofrequenzbereich zwischen meist passiven RFID-Datenträgern, sogenannten Tags, und einer das elektromagnetische Feld erzeugenden Antenne.

Erste Anwendungen in der Praxis kamen bereits Ende der 80er Jahre auf den Markt. Ein bekanntes Beispiel ist die elektronische Wegfahrsperre bei Fahrzeugen. Große Verbreitung erhielt die Technologie dann Anfang der 2000er Jahre mit der Verfügbarkeit neuer Frequenzbereiche, also HF und UHF). Der Aufschwung begann demnach, als die kontaktlosen Kartensysteme eingeführt wurden und kostengünstige RFID-Label vor allem im Retail-Markt neue Möglichkeiten für automatisierte Logistikprozesse zuließen.

Vorteile von RFID gegenüber Barcode

Die Vorteile von RFID gegenüber Barcode liegen auf der Hand: im Gegensatz zum Barcode ist keine direkte Sichtverbindung zwischen Datenträger und Lesegerät erforderlich. Und häufig besonders wichtig: durch das Speichern von zusätzlichen Daten auf dem RFID-Datenträger trägt jedes gekennzeichnete Objekt neben seiner einzigartigen individuellen Kennung, der Unique ID beziehungsweise dem Electronic Product Code( EPC) zusätzlich dezentral gespeicherte Zusatzinformationen. Diese betreffen seine Eigenschaften, seinen Lebenslauf oder seinen momentanen Status.

Nach vielen Jahren der gezielten technischen Weiterentwicklung und mit umfassender Erfahrung in unterschiedlichen Industriebranchen und Anwendungen in praktisch allen industriellen Produktionsprozessen und in der Supply Chain hat sich RFID zu einer etablierten zuverlässigen Identifikationstechnologie entwickelt. Sie spielt ihre Vorteile gegenüber dem Barcode dann aus, wenn die Applikationsbedingungen sowie die Kosten-Nutzen-Rechnung den Einsatz von RFID erlauben.

RFID versus Barcode: Konkurrenz oder Koexistenz?

Beide Technologien findet man heute in friedlicher Koexistenz vor allem in Track-and-Trace-Anwendungen. Beispielsweise in der Automobilindustrie, wo es darum geht, Produktionsprozesse durchgängig zu überwachen und dabei sämtliche für die Bauteilversorgung erforderlichen Materialflüsse im Blick zu haben. Damit verknüpft sind weitere Statusinformationen über den Zustand der Maschinen und Anlagen sowie die Steuerung von Behälterkreisläufen und die Lagerverwaltung. Als sogenannte Enabling Technology leisten sowohl Laser- oder Kamera-basierte optische Identifikationssysteme als auch RFID-Systeme heute einen wesentlichen Beitrag zur durchgängigen Automatisierung und Prozessverfolgung. Und mehr noch: Sie liefern die Basisdaten für ein digitales Abbild der Produktion inklusive aller beteiligten Komponenten und logistischen Prozesse.

Die durch Industrie 4.0 beziehungsweise das Industrial Internet of Things in Gang gesetzte Evolution der klassischen Produktion hin zur Smart Factory und der Logistik hin zum Smart Material Flow verlangt gleichzeitig die Anpassung etablierter Auto-ID-Systeme an die erweiterten Anforderungen digital vernetzter Systeme im Shopfloor. Die dadurch erforderlichen Entwicklungen erstrecken sich auf Funktionalität, Kommunikationsfähigkeit und Performance der Systeme. Nachfolgend sollen sie kurz erläutert werden.

Safety & Security

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Funktionalität
Ein wichtiger Schritt zur Optimierung von Auto-ID-Systemen im Hinblick auf die Digitalisierung der Produktionsprozesse ist die Zustandsüberwachung. Diese erfordert eine Integration von Sensoren in die Auto-ID-Geräte. Diese Sensoren ermöglichen ein Condition Monitoring des Lesegeräts und liefern zyklisch Informationen über den Gerätezustand, warnen bei Unregelmäßigkeiten in der Qualität des Erfassungsvorgangs und erlauben über nachgelagerte Analysen ein rechtzeitiges Eingreifen oder eine vorausschauende Wartung des Systems.

Auch die Einbindung von externen Sensoren, um neben der Objektidentifikation zeitgleich auch den aktuellen Zustand des Prozesses ermitteln und mit der auf dem Datenträger gespeicherten Objekt-ID verknüpfen zu können, bietet einen erheblichen. Nutzt man ein Auto-ID-Gerät als IO-Link-Master, kann man beispielsweise sehr einfach Daten mehrerer am Leseort installierter IO-Link-Sensoren einsammeln und an ein Steuerungssystem weiterleiten oder bei entsprechender Hardware-Ausstattung sogar über geeignete Software-Applikationen im Gerät selbst vorverarbeiten.

Gute Hilfe

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Kommunikationsfähigkeit
Die Kommunikationsfähigkeit von Auto-ID-Systemen hat zentrale Bedeutung, da sie für den digitalen Datenaustausch sowohl auf Steuerungsebene als auch mit übergeordneten Verwaltungs- und Planungsinstanzen verantwortlich ist.

Schon länger werden für die echtzeitfähige Steuerung von Prozessen typischerweise auf Ethernet basierende Feldbus-Schnittstellen wie Profinet oder Ethernet IP eingesetzt. Mit der Notwendigkeit, prozessbezogene Identifikationsvorgänge mit einem Monitoring zeitgleich ermittelter Betriebs- und Gerätezustände zu verknüpfen, steigt die Anforderung an die Kommunikationsschnittstellen von Auto-ID-Systemen. Vor allem OPC UA als offener Datenaustauschstandard hält inzwischen zunehmend Einzug in die Auto-ID-Geräte vieler Automatisierungshersteller.

Die Vernetzung zwischen den Geräten eines Netzwerks einerseits und die Kommunikation mit Steuerungs- und IT-Systemen andererseits über sogenannte OPC UA Companion Specifications ist herstellerunabhängig möglich. Insbesondere für AutoID-Systeme existiert seit 2019 die OPC UA Auto-ID Companion Specification, die Informationsmodelle für den Einsatz von optischen Identifikationssystemen und RFID zur Verfügung stellt.

Da Auto-ID-Systeme als OPC UA Server agieren können, lassen sich alle am Prozess beteiligten Systeme wie Maschinen, Roboter, Flurförderzeuge und Lagersysteme auf Basis von OPC UA interoperabel in ein einheitliches Produktions- und Intralogistiksystem einbinden. Die Steuerung des Materialflusses erfolgt dynamisch und flexibel auf Basis der Auftragsdaten aus dem Produktionsplan und den aktuellen Prozessdaten, die sich aus dem Identifikationsvorgang, also den Lese-Events, und den dabei erfassten Betriebszuständen zusammensetzen.

Performance
Für den Einsatz von RFID-Systemen im UHF-Frequenzbereich gelten bekanntlich gewisse Einschränkungen hinsichtlich der in den jeweiligen Regionen und Ländern zugelassenen Frequenzbänder. Diesbezüglich ist insbesondere die Inkompatibilität zwischen EU-Regularien und den Vorschriften in den USA ein Hemmnis für den unternehmensübergreifenden Einsatz von RFID-Systemen und damit für durchgängige Vernetzung und Transparenz einer Supply Chain. Um diesen Nachteil zu beseitigen, hat sich die Europäische Kommission 2018 darauf geeinigt, zusätzlich zu dem existierenden Frequenzband 865-868 MHz ein sogenanntes. Upper Band bei 915-921 MHz freizugeben. Neben der zumindest teilweisen Angleichung an den nordamerikanischen Frequenzbereich wurden auch die Bandbreite der Übertragungskanäle und die maximal zulässige Sendeleistung verbessert, sodass die Einsatzfähigkeit dieser Technologie insbesondere in logistischen Prozessen deutlich verbessert werden konnte.

Kleiner Wermutstropfen: in Deutschland und einigen wenigen anderen europäischen Ländern wurde der Durchführungsbeschluss der EU auf Grund nationaler Beschränkungen bisher nicht umgesetzt. Dennoch kann man EU-weit von einer positiven Entwicklung der funktionalen Einsatzfähigkeit von RFID-Systemen sprechen.

Insbesondere bei logistischen Prozessen fallen häufig große Datenmengen an. Zum Beispiel wenn der Warenfluss per Flurförderzeug erfolgt und eine mit zahlreichen Behältern beladene Palette beim Durchfahren eines RFID-Tores erfasst wird. Diese Identifikationsvorgänge dienen dazu, Materialbewegungen automatisch zu erfassen und zu verbuchen und damit vollständige Transparenz über Auftragsstatus und Materialverfügbarkeit zu schaffen. Um einem Warenwirtschaftssystem nur die essenziell notwendigen und verwertbaren Datensätze zur Verfügung zu stellen, hat sich bei RFID-Applikationen der Einsatz geeigneter Middleware-Systeme auf externen Servern beziehungsweise IPC bewährt, die die häufig umfangreichen Rohdaten aus den RFID-Lesegeräten filtern, aggregieren, bewerten, und als Business-Events über IT-kompatible Schnittstellen und Kommunikationsprotokolle weiterleiten.
Bereits heute hat sich die Hardware-Performance von Auto-ID-Geräten so weit gesteigert, dass Middleware oder andere Software-Applikationen direkt im Gerät installiert werden können, und damit eine direkte Kommunikation mit Anlagenleitsystemen und darüber hinaus in die Cloud zum Beispiel über OPC UA oder andere Netzwerkprotokolle wie MQTT ermöglicht wird.

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Die Zukunft von Auto-ID

Die Leistungsfähigkeit von Auto-ID-Systemen wird weiter zunehmen und dank moderner Netzwerkfähigkeiten für die Realisierung individueller Use Cases nutzbar sein. Damit wird Auto-ID zukünftig auch im Zusammenspiel mit anderen Technologien wie Real-time locating über Ultra-Wideband oder 5G beziehungsweise 6G eine noch entscheidendere Rolle für die Digitalisierung und Optimierung von industriellen Produktions- und Intralogistikprozessen spielen.

Zukünftige Identifikationssysteme sind intelligente, interoperable Controller, die moderne internet-fähige Kommunikationsprotokolle unterstützen, sensorische Daten erfassen, auswerten und diese in einem Netzwerk vielen Clients zur Verfügung stellen. Die Installation kundenspezifischer Apps im Gerät erlaubt die Anpassung an individuelle Anwendungsfälle und bietet damit zusätzliches Potenzial für die Optimierung industrieller Prozesse.

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Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal Industry of Things erschienen.

* Oliver Pütz-Gerbig arbeitet als Senior Market and Technology Expert Auto-ID bei Leuze.

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