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Identifikationssysteme Viel Potenzial für die Optimierung industrieller Prozesse

Von Oliver Pütz-Gerbig 6 min Lesedauer

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Leuze electronic GmbH & Co. KG
Lenord, Bauer & Co. GmbH
TURCK GmbH
ISG Industrielle Steuerungstechnik GmbH

Automatische Identifikationssysteme wie 1D/2D-Code- und RFID-Lesegeräte bewähren sich seit langem etwa bei der Steuerung industrieller Produktionsprozesse. Mit Industrie 4.0 ist die Digitalisierung in den Fokus der Automatisierung gerückt. Welche Anforderungen sind damit für moderne Identifikationssysteme verbunden?

Frontseitige Behälteridentifikation unter extremen Neigungswinkeln mit dem Barcodeleser BCL 300i von Leuze.(Bild: Leuze Electronic GmbH + Co. KG)
Frontseitige Behälteridentifikation unter extremen Neigungswinkeln mit dem Barcodeleser BCL 300i von Leuze.
(Bild: Leuze Electronic GmbH + Co. KG)

Längst den Kinderschuhen entwachsen: Der klassische Barcode als optisches Identifikationssystem wurde in den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts eingeführt. Inzwischen ist er weltweit flächendeckend in verschiedenen Ausprägungen (z. B. GS1-128, Datamatrix, QR-Code, 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 ein alltäglicher Begleiter in unserem persönlichen Umfeld geworden – und in industriellen Anwendungen.

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Eine weitere bewährte Identifikationstechnologie: Radio Frequency Identification (RFID). Diese Technologie 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 (zum Beispiel die elektronische Wegfahrsperre).

Große Verbreitung erhielt die Technologie dann Anfang der 2000er Jahre mit der Verfügbarkeit neuer Frequenzbereiche (HF und UHF), 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 Speichern zusätzlicher Daten auf dem RFID-Datenträger trägt jedes gekennzeichnete Objekt neben seiner einzigartigen individuellen Kennung (die sogenannte Unique ID bzw. der Electronic Product Code – EPC) zusätzlich dezentral gespeicherte Zusatzinformationen über 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 aus wenn die Applikationsbedingungen sowie die Kosten-Nutzen-Rechnung den Einsatz von RFID erlauben.

RFID kontra Barcode?

Beide Technologien findet man heute in friedlicher Koexistenz vor allem in Track-&-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.

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Als „Enabling Technology“ leisten sowohl laser- oder kamerabasierte 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.

Erforderliche Entwicklungen für Auto-ID-Systeme

Die durch Industrie 4.0 bzw. Industrial IoT 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
  • Performance

1. Funktionalität

Ein wichtiger Schritt zur Optimierung von AutoID-Systemen im Hinblick auf die Digitalisierung der Produktionsprozesse ist die Zustandsüberwachung. Diese erfordert eine Integration von Sensoren in die AutoID-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 das Einbinden 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 Nutzen für die Optimierung der Prozesstransparenz. Über die Funktion als IO-Link-Master kann ein Auto-ID-Gerät beispielsweise sehr einfach Daten mehrerer am Leseort installierter IO-Link-Sensoren einsammeln und – entweder an ein Steuerungssystem weiterleiten – oder bei entsprechender Hardware-Ausstattung sogar über geeignete Software-Applikationen im Gerät selbst vorverarbeiten.

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2. 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 Ethernet-basierte Feldbusschnittstellen 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.

Für Auto-ID-Systeme existiert seit 2019 die OPC UA AutoID-Companion Specification, die Informationsmodelle für den Einsatz von optischen Identifikationssystemen und RFID zur Verfügung stellt.

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 Auto-ID-Systeme existiert seit 2019 die OPC UA AutoID-Companion Specification, die Informationsmodelle für den Einsatz von optischen Identifikationssystemen und RFID zur Verfügung stellt.

Mit der Fähigkeit von Auto-ID-Systemen als OPC-UA-Server zu agieren, 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 (den „Lese-Events“) und den dabei erfassten Betriebszuständen zusammensetzen.

3. Performance

Für den Einsatz von RFID-Systemen im UHF-Frequenzbereich gelten gewisse Einschränkungen hinsichtlich in den jeweiligen Regionen und Ländern zugelassener 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 bis 868 MHz ein sogenanntes Upper Band bei 915 bis 921 MHz freizugeben. Neben der zumindest teilweisen Angleichung an den nordamerikanischen Frequenzbereich wurden auch die Bandbreite der Übertragungskanäle und die maximal zulässige Sendeleistung verbessert, so dass 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.

Große Datenmengen handhaben

Insbesondere bei logistischen Prozessen fallen häufig große Datenmengen an, z. B. 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 bzw. IPCs 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 z. B. über OPC UA oder andere Netzwerkprotokolle wie MQTT ermöglicht wird.

Intelligent, interoperabel, internet-fähig

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 RTLS (UWB) oder 5G bzw. 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 Use-Cases und bietet damit zusätzliches Potenzial für die Optimierung industrieller Prozesse.

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