Spezifikation und Verwendung von RFID für die IIoT-Bestandsüberwachung

Bestandsüberwachung und Lieferkettenmanagement sind wichtige Aktivitäten in einer Reihe von Anwendungen des industriellen Internet der Dinge (IIoT), darunter Fertigungsanlagen, Logistik- und Vertriebszentren, Rechenzentren, Krankenhäuser und Gesundheitswesen, Landwirtschaft, Bauwesen und Transport. Die Spezifikation eines passiven RFID-Systems (Radio Frequency Identification) zur Verfolgung von Wirtschaftsgütern ist komplex. Wertvolle Güter können während des Transports und der Lagerung verschiedenen unkontrollierten Bedingungen wie Stößen und Vibrationen, Hitze, Kälte und Nässe ausgesetzt sein, und es gibt verschiedene anwendungsspezifische RFID-Standards, die berücksichtigt werden müssen.

Entwickler benötigen robuste und zuverlässige Etiketten, die den rauen Bedingungen in der Industrie, im Baugewerbe und in der Fertigung standhalten und die in verschiedenen Standardgrößen und Lesebereichen erhältlich sind, um den Anforderungen spezifischer Anlagentypen und -klassen gerecht zu werden. Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die passive RFID-Technologie und verschiedene Industrienormen im Zusammenhang mit RFID-Etiketten und -Daten. Anschließend werden RFID-Etiketten, Lesegeräte und Systemlösungen von Molex, Murata Electronics und ThingMagic vorgestellt.

Ein passives RFID-Etikett besteht aus einer Antenne und einem integrierten Schaltkreis, der ein analoges Frontend (F/E) mit Modulator, Demodulator, HF-Energiegewinnungseinheit, einen Controller mit Codierer/Decodierer, Steuerelektronik, Taktgeber und Speicher umfasst (Abbildung 1). Passive RFID-Etiketten benötigen keine Batterien. Bei den meisten passiven RFID-Etiketten kann der Speicher wiederbeschrieben werden, und RFID-Etiketten können viel größere Datenmengen austauschen als Alternativen wie Strichcodes.

Abbildung 1: Ein passives RFID-Etikett besteht aus einer Antenne und einem IC, der ein analoges Frontend (F/E), einen Controller und einen Speicher enthält. (Bildquelle: Murata)

Passive UHF-RFID-Etiketten können in Entfernungen von bis zu mehreren Metern gelesen werden, und es können mehrere Etiketten gleichzeitig gelesen werden. Im Gegensatz zu Strichcodes arbeitet RFID mit drahtloser Kommunikation, und die Etiketten können von außen gelesen werden, ohne dass der Karton geöffnet werden muss (Abbildung 2). Darüber hinaus sind RFID-Etiketten unempfindlich gegenüber Schmutz, Feuchtigkeit, Vibrationen und anderen Umweltfaktoren, die die Verwendung von Strichcodes beeinträchtigen können. RFID-Etiketten gibt es in einer Vielzahl von Formaten, die für bestimmte Anwendungen entwickelt wurden. Einige Etiketten sind für die Ortung und Verfolgung von Metallgegenständen konzipiert und nutzen die Metalloberfläche als Booster-Antenne, um die Betriebsreichweite zu erhöhen. Für passive RFID-Etiketten wurden verschiedene Kommunikations- und Datenformatstandards entwickelt.

Abbildung 2: RFID-Etiketten können über Entfernungen von bis zu mehreren Metern ausgelesen werden. In einigen Ausführungen können mehrere Etiketten gleichzeitig gelesen werden, und die Etiketten können durch Kartons und andere Verpackungen hindurch ausgelesen werden. (Bildquelle: Murata)

RAIN RFID

Die RAIN-RFID-Allianz fördert die Verwendung des Protokolls ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2. RAIN (RAdio frequency IdentificatioN) wurde entwickelt, um UHF-RFID-Etiketten mit der Cloud zu verbinden. Es ermöglicht die Speicherung, Verwaltung und gemeinsame Nutzung von RFID-Daten über das Internet. Ein System, das eine RAIN-Lösung verwendet, besteht aus einem RFID-Etikett, einem Lesegerät und einer Software, die eine Verbindung zum lokalen Netzwerk und von dort zur Cloud herstellen kann (Abbildung 3). Die RAIN-Allianz baut auf dem ISO-Nummernsystem auf, um die Codierung mit Unternehmensidentifikationsnummern (CINs) zu vereinfachen. Das ISO-basierte Nummerierungssystem wurde entwickelt, um die kollisionsfreie Identifizierung von RAIN-RFID-Tags zu unterstützen. Es soll eine störungsfreie Alternative zu bestehenden proprietären oder herstellerdefinierten Datenformaten darstellen.

Abbildung 3: RAIN RFID wird durch eine einzige globale Norm namens EPC UHF Gen2v2 oder ISO/IEC 18000-63 geregelt. (Bildquelle: RAIN Alliance)

Elektronische Produktcodes und RFID

Der von RAIN verwendete elektronische Produktcode (EPC) Gen 2v2 ist ein Luftschnittstellen-Protokollstandard für passive UHF-RFID-Tags. EPC Gen 2v2 enthält Funktionen zur Verbesserung der Sicherheit, zur Verhinderung von Fälschungen und zur Erhöhung des Datenschutzes, indem es die Authentifizierung von Etiketten und Lesegeräten ermöglicht. Der Speicher eines Gen-2v2-Etiketts kann in mehrere Dateien aufgeteilt werden, und konforme Etiketten können für die elektronische Artikelsicherung (EAS) verwendet werden.

Die EPC-Norm wurde von EPCglobal entwickelt und als ISO18000-6C-Norm genehmigt und angenommen. Neben der Festlegung eines Standards für die Kommunikation zwischen Etiketten und Lesegeräten legt eine Reihe von EPC-Normen fest, wie EPC-Daten zwischen verschiedenen Nutzern ausgetauscht werden. Ein EPC ist ein universeller Identifikator für physische Objekte. Da der EPC in RFID-Etiketten weit verbreitet ist, enthält der Datenstandard für EPC-Etiketten Anforderungen für Daten, die zusätzlich zum EPC auf einem RFID-Etikett der Generation 2 gespeichert werden können. Obwohl es erhebliche Überschneidungen zwischen EPCs und RFID-Etiketten gibt, unterscheiden sie sich doch grundlegend: RFID ist die Datenträgertechnologie, EPC ist ein Bezeichner und Datenformat.

EAS- und UDI-Vorschriften für Medizinprodukte

Ähnlich wie bei den EPCs verlangen die UDI-Vorschriften (Unique Device Identification) in vielen Ländern, dass medizinische Geräte mit individuellen Kennzeichnungen versehen werden, um die EAS bei der sicheren Verwendung und Lagerung medizinischer Geräte zu unterstützen. UDI-Systeme gelten für viele Arten von medizinischen Geräten, sind aber besonders wichtig für chirurgische Instrumente, bei denen ein erhebliches Risiko besteht, dass falsche Instrumente für einen Eingriff vorbereitet werden.

Es gibt Hunderte von verschiedenen chirurgischen Instrumenten und unerfahrenes Personal kann leicht die falschen Instrumente auswählen. Die Verwendung von UDI- und RFID-Etiketten kann diese Bedenken ausräumen. Die Verwendung von RFID-Etiketten erleichtert auch die Erfassung der Verwendungshistorie einzelner Instrumente und der Anzahl der Verwendungen innerhalb einer Gesundheitseinrichtung.

Passives RFID-Etikett für chirurgische Instrumente und Industriewerkzeuge

RFID-Systementwickler können den LXTBKZMCMG-010, ein kleines UHF-RAIN-RFID-Etikett von Murata, für die Verfolgung von chirurgischen Instrumenten, Industriewerkzeugen und ähnlichen Metallobjekten verwenden (Abbildung 4). Der LXTBKZMCMG-010 nutzt die Metalloberfläche zur Erhöhung der Lesereichweite als Booster-Antenne. Das Etikett misst 6,0 x 2,0 x 2,3 Millimeter (mm), arbeitet im gesamten UHF-Band und hat einen Betriebstemperaturbereich von -40 bis +85 Grad Celsius (°C), so dass er sich für die Verfolgung von Metallobjekten in industriellen Umgebungen und im Gesundheitswesen eignet.

Abbildung 4: Das UHF-RAIN-RFID-Etikett LXTBKZMCMG-010 ist für Metalloberflächen wie chirurgische Instrumente und Industriewerkzeuge optimiert. (Bildquelle: Murata)

Flache RFID-Etiketten für die Bestandsüberwachung

Anwendungen zur Verfolgung von Vermögenswerten und Beständen können von Etiketten profitieren, die so konzipiert sind, dass sie starken Vibrationen und Stößen sowie großen Temperaturschwankungen standhalten, wie sie in der Industrie, der Landwirtschaft, dem Baugewerbe und dem Transportwesen vorkommen. Ein kleinerer Footprint bedeutet weniger Platz, weniger Schäden und geringere Kosten. Das RFID-Etikett 0133580821 von Molex zum Beispiel ist 1,8 mm dick, hat die Schutzklasse IP68, kann in feuchten Umgebungen eingesetzt werden und funktioniert von -50°Cbis +85°C(Abbildung 5). Das 0133580821 hat eine Lesereichweite von 4,5 Metern und ist für den Einsatz auf einer Vielzahl von Materialien, einschließlich Metallen und Kunststoffen, konzipiert.

Abbildung 5: Dieses 1,8 mm dicke RFID-Etikett ist für die Verfolgung von Vermögenswerten und Beständen mit einer Lesereichweite von 4,5 Metern optimiert und kann auf verschiedenen Oberflächen, einschließlich Kunststoffen und Metallen, verwendet werden. (Bildquelle: Molex)

Plug&Play-RAIN-RFID Leser

Das RAIN-RFID-Fertiglesegerät Elara von ThingMagic verfügt über Schnittstellen- und Betriebsfunktionen, die den Entwicklungsaufwand minimieren und RFID-Implementierungen in allen Anwendungen beschleunigen, die Leseabstände von bis zu 2 Metern erfordern (Abbildung 6). Das Elara wird in zwei Modellen angeboten, dem PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB, das im Band von 865 bis 868 MegaHertz (MHz) arbeitet, und dem PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB, das im Band von 915 bis 928 MHz arbeitet. Beide Lesegeräte werden in Gehäusen aus gesundheitlich unbedenklichem Kunststoff geliefert.

Abbildung 6: Das RAIN-RFID-Fertiglesegerät Elara kann den Designaufwand minimieren und RFID-Implementierungen in allen Anwendungen beschleunigen, die Leseabstände von bis zu 2 Metern erfordern. (Bildquelle: ThingMagic)

Mit Elara können Entwickler RFID-Funktionen problemlos in Anwendungen einbauen, die von einem Plug&Play-Lesegerät für den Tisch oder die feste Montage profitieren. Es werden autonome Arbeitsabläufe unterstützt, die eine schnelle Erstellung von Lösungen ermöglichen, ohne dass der Entwickler über RFID-Kenntnisse verfügt oder Softwareentwicklungskits und Integrationswerkzeuge benötigt. Beispiele für Elara-Anwendungen sind die Umsetzung von UDI-Vorschriften in Einrichtungen des Gesundheitswesens, die Retourenbearbeitung und -verfolgung in Lagern und Vertriebszentren sowie die Inbetriebnahme von RFID-Etiketten. Zu den Fähigkeiten von Elara gehören:

• Vereinfachte Systemintegration und softwarefreier Betrieb durch die vorinstallierten autonomen Arbeitsabläufe.
• Unterstützung der RAIN-Technologie-Standards und der RAIN-Kommunikationsschnittstelle.
• Unterstützung des Protokolls EPCglobal Gen 2v2.
• Bulk-Lesung von Artikelsätzen wie chirurgischen Instrumenten oder einem Satz von Komponenten für eine Montagelinie.
• Zählen und Überprüfen von Artikeln für die Retourenbearbeitung oder Inventur.
• Inbetriebnahme von RFID-Etiketten
• Aktualisierung der Etikettendaten mit Nutzungs- und anderen Informationen.

Industrie-4.0-RFID-Lesegerät und Edge-Service-Gerät

Für Industrie-4.0-Anwendungen, die mehrere RFID-Lesegeräte und eine Verbindung zur Cloud über einen Edge-Server benötigen, können Entwickler auf den ALR-F800-X von Molex zurückgreifen, der ein passives UHF-RFID-Etikettenlesegerät mit 4 Ports der Enterprise-Klasse und einen Edge-Service-Controller umfasst (Abbildung 7). Mit dem ALR-F800-X lassen sich RFID-Daten direkt an der Quelle verarbeiten und in Echtzeit auswerten. Der ALR-F800 kann entweder über einen Gleichstromadapter oder über eine Power-over-Ethernet(PoE)-Stromquelle mit Strom versorgt werden, was den Einsatz von groß angelegten Industrie-4.0-RFID-Systemen vereinfacht.

Abbildung 7: Der ALR-F800-X umfasst ein passives 4-Port-UHF-RFID-Etikettenlesegerät der Unternehmensklasse und einen Edge-Service-Controller zur Unterstützung von Industrie 4.0-Anwendungen. (Bildquelle: Molex)

Die DSA-Technologie (Dynamic Self-Adapting, dynamisch selbstadaptierend) des ALR-F800 überwacht die HF-Umgebung in Echtzeit und steuert verschiedene Parameter, Filter und Abstimmungsmetriken, um die Lesevorgänge von RFID-Etiketten zu optimieren. Der Speicher kann mit Micro-SD-Karten erweitert werden, und ein USB-Anschluss steht für Wi-Fi- und Mobilfunkverbindungen zur Verfügung.

Die integrierte Emissary-Software ermöglicht die Unterstützung und Konfiguration zusätzlicher Leser und Lesepunkte, ohne dass ein spezieller Edge-Server erforderlich ist (Abbildung 8). Die Emissary-Software ermöglicht die Entwicklung kompletter Arbeitsabläufe mit vorgefertigten Aktivitäten (wie Etikett lesen, Licht einschalten, Daten senden usw.), die die Inbetriebnahme neuer Anwendungen vereinfachen und beschleunigen. Die Emissary-Software beinhaltet:

• Strukturierte und intuitive Visualisierung von Funktionen, Geräten und Lesepunkten.
• Verwendung sinnvoller Namenskonventionen wie „Wickelstation“, „Tür 1“ usw.
• Windows-basiertes Toolset für die Erstellung von Arbeitsabläufen.
• Einrichtung, Steuerung und Wartung aller an das Gerät angeschlossenen lokalen Leser.
• Verwendung des korrekten Etiketten-Datenstandards für eine genaue Interpretation der eingehenden Daten.
• Verwaltung von Berichten über gelesene Daten und Konsolidierung von Berichten von mehreren Lesegeräten zur Übertragung in die Cloud.

Abbildung 8: Die in den ALR-F800-X integrierte Emissary-Software ermöglicht die Konfiguration und Unterstützung zusätzlicher Leser und Lesepunkte, ohne dass ein dedizierter Edge-Server erforderlich ist. (Bildquelle: Molex)

Zusammenfassung

Passive RFID-Etiketten und -Lesegeräte können verschiedene Aktivitäten zur Bestandsüberwachung im IIoT unterstützen, darunter Fertigung, Logistik, Rechenzentren, Gesundheitswesen, Landwirtschaft, Bauwesen und Transport. Bei der Auswahl und Spezifikation von RFID-Systemen müssen die Entwickler eine Reihe von Industriestandards beachten, darunter RAIN, EPC Gen 2v2, ISO/IEC 18000-63 und UDI-Vorschriften. Verschiedene Arten von Etiketten sind für bestimmte Anwendungen optimiert, z. B. für die Installation auf Metall und für flache Designs zur Verfolgung von Anlagen. Zusätzlich zu den Etiketten sind RFID-Lesegeräte erhältlich, darunter Tischgeräte und Lesegeräte/Edge-Service-Controller auf Unternehmensebene, die die Einführung von Industrie-4.0-RFID-Anwendungen beschleunigen können.