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RFID in Kombination mit OPC ­Unified Architecture bilden das Rückgrat einer transparenten Produktion.

RFID in Kombination mit OPC ­Unified Architecture bilden das Rückgrat einer transparenten Produktion.Smart Factory KL

Durch die Implementierung von OPC-UA im RFID-Reader kann dieser nahtlos sowohl mit der SPS als auch mit MES/ERP-Systemen kommunizieren. Einzige Voraussetzung: Die Automatisierungskomponenten müssen OPC-UA unterstützen. Daraus resultieren geringere Integrationskosten und kürzere Implementierungszeiten. Gleichzeitig ist aufgrund der Verschlüsselung und Zertifikate von OPC UA eine sichere Kommunikation gewährleistet, sowohl in der Feldebene als auch über die gesamte Automatisierungspyramide bis ins ERP-System. Zudem können die Komponenten von verschiedenen Herstellern miteinander kommunizieren und sind bei Bedarf leicht austauschbar.

Technik im Detail

OPC Unified Architecture

Derzeit dominieren proprietäre Protokolle und spezifische Treiber die Automatisierungswelt. Dies erschwert die Integration von Komponenten und erhöht dadurch die Kosten. OPC UA bietet die Chance ohne Treiberprobleme die Kommunikation zwischen Geräten, Controllern und Anwendungen herzustellen. Die Vorteile im Überblick:

  • Senkung der Integrationskosten, indem nur eine Architektur für den Zugriff auf Informationen genutzt wird
  • Verschlüsselung / Sicherheit / Zertifikate: Zugriffe über Firewall und Internet
  • integriert bestehende OPC-Spezifikationen in eine einzige Spezifikation
  • Konfigurierbare Timeouts, Fehlererkennung
  • Plattformunabhängigkeit (Linux, Windows XP Embedded, VxWorks, Mac, Windows 7)
  • Serviceorientierte Architektur
  • Binäre Schnittstelle verfügbar für Echtzeitanwendungen

Industrie 4.0 oder Integrated Industry als ein Synonym sind derzeit in aller Munde, zumal es Leitthema der Hannover Messe 2013 ist. Integrated Industry hat sehr viele verschiedene Aspekte: Von der Maschine-Maschine-Kommunikation (M2M), über Produkte, die selbst ihre Produktion steuern – die Umkehrung der bisherigen Produktionssteuerung –, bis zu der Vision vieler Unternehmen, Produkte kostengünstig in Losgröße 1 fertigen zu können. Solch flexible, sich selbst organisierende Fertigungsanlagen setzen rekonfigurierbare Produktionssysteme voraus.

Aber wie erkennt ein Produktionssystem, welche Arbeitsschritte es an dem vorliegenden Produkt erledigen soll? Hier kommen Auto-ID Technologien ins Spiel, beispielsweise Bilderkennung, Barcode oder RFID.

Der Vorteil von RFID: Es ist die einzige Technologie, die Informationen direkt am Produkt speichern und im Laufe des Produktionsprozesses ändern kann. Interpretiert man die Einheit physikalisches Produkt und RFID-Transponder als ‚Cyber Physical System‘ ist man bereits im Herzen der Integrated Industry angekommen.

OPC-UA und EPCglobal sorgen für eine einheitliche Kommunikation auf allen Ebenen.

OPC-UA und EPCglobal sorgen für eine einheitliche Kommunikation auf allen Ebenen.Harting

Erste Ansätze sind in der Smart Factory des DFKI in Kaiserslautern abgebildet, die den Produktionsablauf auf Basis von ‚Cyber Physical Systems‘ anhand einer Fertigungsanlage für Seifenspender skizziert: Dabei kommunizieren Seifenspender und Produktionsanlage über RFID. Die Produktionsanlage schickt eine Anfrage an den RFID-Reader. Dieser identifiziert das zu bearbeitende Produkt und meldet dessen ID-Nummer sowie eventuell vorhandene Zusatzinformationen, etwa welche Prozessschritte das Produkt bereits durchlaufen hat an die Steuerung. Die Produktionsanlage fragt im MES-/ERP-System nach, was mit dem identifizierten Gut zu tun ist. Anschließend erhält die SPS die entsprechenden Auftragsinformationen für die folgenden Arbeitsschritte. Nachdem ein Arbeitsvorgang, zum Beispiel die Befüllung des Seifenspenders, abgeschlossen ist, meldet das die SPS dem RFID-Reader. Auf dem Transponder des Produkts wird vermerkt, dass der Prozessschritt erfolgreich ausgeführt wurde. Dieser Ansatz funktioniert mit existierenden Mitteln.

In Zukunft wird man noch weiter gehen mit einer vollständig auf Services setzenden Architektur. Der zu befüllende Seifenspender hat dann einen RFID-Transponder und meldet bei einem Servicebroker seinen Bedarf an: „Ich möchte befüllt werden.“ Daraufhin fragt der Broker alle verfügbaren Serviceprovider – Maschinen, die Seifenspender befüllen können – an und ermittelt den am besten geeigneten und verfügbaren Provider. Anschließend wird der Seifenspender dorthin transportiert.

Herausforderung angenommen: Interoperabilität über alle Ebenen

Der Prozessablauf zeigt die Herausforderung einer integrierten Industrie auf: die Kommunikation und Interoperabilität von der Feldebene (RFID-Reader), über die SPS bis in die ERP-Systeme und dies mit Systemen verschiedener Hersteller. Die Daten müssen in jeder Ebene durchgängig und für alle beteiligten Systeme verständlich verfügbar sein. Da viele Hersteller derzeit aber proprietäre Protokolle nutzen, ist immer ein spezieller Treiber notwendig. Dies erhöht die Kosten der Systemintegration sowie für Wartung und Betrieb, da bestehende Komponenten schlecht ausgetauscht werden können. Diese Problematik gilt es zu lösen.

OPC-UA bietet einen standardisierten Kommunikationskanal sowohl zwischen Maschinen untereinander (M2M) als auch mit IT-Systemen (MES/ERP). Damit erfüllt es eine der wesentlichsten Kriterien für ‚Integrated Industry‘: Die Durchgängigkeit von Informationen ohne spezielle Treiber für Endgeräte. Und RFID als zweite Komponente erlaubt die automatische Identifikation von Objekten sowie die Anpassung der Informationen entsprechend des Produktionsfortschritts.

Für RFID gibt es zwei grundsätzliche Integrationsstrategien, abhängig von der Anzahl der Reader in der Applikation und der Masse an RFID-Transpondern. Für Anwendungen mit vielen RFID-Readern und einem hohen Aufkommen an zu lesenden Transpondern, zum Beispiel der Warenausgang eines Logistikunternehmens, empfiehlt sich der Einsatz einer Middleware. Diese Software bereitet die eingehenden Daten von verschiedensten Auto-ID-Geräten auf und liefert die Informationen im gewünschten Format und Umfang aus – nach oben in Richtung MES/ERP. Die als Serveranwendung ausgelegte Middleware Harting Ha-VIS erlaubt die Verarbeitung von bis zu 20.000 Events pro Sekunde. Individuell konfigurieren lässt sich, welche Daten an wen, wann und in welchem Umfang reportet werden sollen – ganz ohne den für diese Applikationen typischen Programmieraufwand. Die Grundlage bildet der EPCglobal-Standard ALE 1.1. (EPC: Electronic Product Code, ALE: Application Level Events), den Harting als einer der ersten weltweit in einer Middleware umsetzt.

Der RFID-Reader Ha-VIS RF-R500 kann über das integrierte OPC UA Interface mit Steuerungen, Scada- bis hin zu MES/ERP-Systemen Daten austauschen.

Der RFID-Reader Ha-VIS RF-R500 kann über das integrierte OPC UA Interface mit Steuerungen, Scada- bis hin zu MES/ERP-Systemen Daten austauschen.Harting

In vielen Applikationen, insbesondere im Bereich Maschinenbau und Automatisierungstechnik, besteht das Problem aber nicht in der hohen Anzahl der RFID-Reader oder der zulesenden Tags, sondern in der Vielzahl an unterschiedlichen Geräten und Software, die auf die RFID-Daten zugreifen sollen, wie es etwa in der Smart  Factory umgesetzt wurde. Hier muss der RFID-Reader sowohl mit der SPS kommunizieren als auch mit dem MES. In solchen Anwendungsfällen spielt OPC UA seinen Vorteil aus: die Interoperabilität. Durch die Implementierung von OPC UA auf dem RFID-Reader kann dieser ohne proprietäre Treiber direkt mit der SPS oder dem MES kommunizieren – immer vorausgesetzt, dass diese einen OPC UA Client mitbringen. Somit reduzieren sich die Kosten und der zeitliche Aufwand für die Integration. Da der RFID-Reader dem Standard EPCglobal Class 1 Gen 2 genügt, ist das Ergebnis eine auf Standards setzende Lösung – auch in einem heterogenen Umfeld wie der Fabrikautomation.

Die RFID-Reader sind für den Einsatz im rauen Industrieumfeld entwickelt. Korrespondierend dazu erschließen die von Harting entwickelten Transponder bislang für nicht realisierbare Applikationen. Beispielsweise gibt es Transponder für metallische Oberflächen, die typischerweise für die Zustandsüberwachung von Werkzeugen zum Einsatz kommen. Ein Beispiel dafür ist ein Spritzgusswerkzeug: Die Spritzgussmaschine erkennt beim Rüsten, welches Werkzeug eingesetzt wird. Nach zum Beispiel 100.000 produzierten Teilen, meldet die Maschine automatisch, dass das Werkzeug zur Überholung gewechselt werden muss. Der Transponder speichert die Anzahl der mit dem Spritzgusswerkzeug produzierten Teile und protokolliert die Anzahl Überholungen. Ebenso weiß die Arbeitsvorbereitung jederzeit, wo sich das Werkzeug gerade befindet,  in der Werkstatt, im Lager oder in welcher Maschine. Dies ist ein klassisches Beispiel dafür, wo überall die Informationen des RFID-Readers benötigt werden beziehungsweise sinnvoll sind: Auf der Steuerungsebene wie auch im ERP-System.

Beispiel 2: RFID-Transponder in Betonbauteilen. Große Gebäude und Bauwerke, wie Brücken oder Fundamente für Windkraftanlagen, werden zunehmend in Betonwerken fertig gegossen und dann zur Baustelle gebracht. Das hat den Vorteil, dass auf der Baustelle alles schnell geht. Allerdings muss der Polier wissen, für welche Position das Bauteil gefertigt wurde. Papier und Barcode scheiden unter den gegebenen Bedingungen auf Baustellen zur sicheren Identifikation und Rückverfolgung aus. Und RFID kann seine Vorteile ausspielen. Harting bietet RFID-Transponder, die speziell für das Vergießen in Beton entwickelt wurden. In diesem Fall kommuniziert der RFID-Reader während der Herstellung der Betonfertigteile direkt mit dem entsprechenden MES/ERP-System.

Technik im Detail

EPC: Der elektronische Barcode für RFID

Der EAN Barcode begegnet uns überall, auf dem Joghurtbecher oder Versandpäckchen. Bei den Codes handelt es sich um weltweit eindeutige Identifikationsnummern. Der Vorteil liegt in der weltweit lesbaren und verständlichen Codierung. Analog zum EAN für Barcode gibt es für RFID den EPC (Electronic Product Code), um genau diese Eindeutigkeit auch für RFID sicherzustellen. Im Rahmen des EPC sind Produkte auch kategorisierbar, zum Beispiel als verkaufbares Gut (SGTIN: Serialized Global Trade Item) oder Palette (GRAI: Global Returnable Asset Identifier).

Für RFID werden verschiedene Frequenzbänder genutzt, etwa UHF (Ultra High Frequency, ­­­­­­­865 Hz das Lesereichweiten von 1 cm bis über 10 m erlaubt. Die Kommunikation zwischen RFID-Transponder (Tag) und RFID-Reader ist weltweit standardisiert (EPCglobal Class 1 Gen 2 – EPC C1G2).

RFID bietet eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber anderen Auto-ID Technologien:

  • Keine Sichtverbindung erforderlich
  • (Lesen und Schreiben durch Folie oder ­Kartonage möglich)
  • Keine spezielle Ausrichtung des RFID-Transponders auf die Leseantenne notwendig
  • Große Bandbreite bei Lesereichweiten von 1 cm bis über 10 m einstellbar
  • Informationen im RFID-Tag können geändert und geschützt werden
  • Beschreiben der RFID-Transponder von 1 cm bis mehrere Meter
  • RFID ICs in verschiedenen Speichergrößen verfügbar
  • Bis zu 300 Transponder pro Sekunde können parallel erfasst werden (Bulk Reading)
  • Transponder für schwierigste Umgebungen erhältlich (auf Metall, in Beton, für hohe Temperaturen, autoklavierbar)

Vom Reader in Richtung Unternehmenssoftware gibt es auch einen Standard von der EPCglobal: ALE 1.1 (Application Level Events). ALE spezifiziert ein Interface für das Lesen von RFID-Transpondern, Schreiben und auch die Administration. Allerdings fehlen bislang die Verbreitung und wichtige Funktionalitäten wie Verschlüsselung.

Dr. Jan Regtmeier

ist Produktmanager RFID Reader bei der Harting Electric GmbH & Co. KG in Espelkamp.

(sk)

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