- Dünne UHF-RFID-Antennen ermöglichen eine präzise Lesefeldsteuerung auch bei begrenztem Einbauraum und dicht beieinanderliegenden Förderbändern.
- Die Geometrie und Positionierung der Antenne sind entscheidend, um die korrekte Zuordnung von Tags zu Produktionsschritten zu gewährleisten.
- Metallumgebungen beeinflussen die Signalverteilung, weshalb Montagemöglichkeiten und Antennenkonfigurationen sorgfältig zu prüfen sind.
- Die Kombination von RFID-Daten mit Fertigungssteuerungssoftware verbessert Transparenz und Effizienz in Produktionsprozessen.
Präzise Lesebereiche, begrenzter Einbauraum und metallreiche Umgebungen stellen Herausforderungen für den Einsatz von RFID in der Fertigung dar. Dünne UHF-RFID-Antennen bieten neue Integrationsmöglichkeiten – doch eine zuverlässige Identifikation erfordert mehr als nur ein kompaktes Design.
In automatisierten Fabriken bewegen sich Werkstücke, Materialträger und Komponenten zwischen Maschinen, Fördersystemen und Bearbeitungsstationen. Um diese Prozesse zu koordinieren, benötigen Produktionssysteme zuverlässige Informationen darüber, welches Objekt an welchem Ort angekommen ist. RFID ermöglicht eine automatische Identifizierung, ohne dass Mitarbeiter jedes Einzelteil manuell scannen müssen.
Doch die Integration von RFID in bestehende Maschinen ist nicht immer einfach. Förderbänder verlaufen dicht beieinander, Metallkonstruktionen beeinträchtigen Funksignale, und der Einbauraum um Maschinen herum ist oft begrenzt. Selbst wenn ein RFID-Lesegerät einen Transponder erfolgreich erkennt, sind die Informationen möglicherweise kaum von Nutzen, wenn das System sie nicht zuverlässig dem richtigen Produktionsschritt zuordnen kann.
Die Herausforderung besteht nicht einfach darin, einen RFID-Tag zu lesen, sondern den richtigen Tag am richtigen Ort zu lesen. Dabei spielen die Geometrie und die Positionierung der Antenne eine wichtige Rolle.
Dünne, längliche UHF-RFID-Antennen, wie sie beispielsweise vom tschechischen Technologieunternehmen BARCO unter seiner Marke FlexiRay entwickelt wurden, bieten alternative Möglichkeiten, die Identifikation in Industrieanlagen zu integrieren. Ihre Entwicklung veranschaulicht, wie RFID-Hardware an die Anforderungen von Fertigungsprozessen angepasst werden kann.
Zwei Förderbänder, eine Identifikationsaufgabe
Eine frühe Anwendung in der Lebensmittelindustrie verdeutlicht, warum das Antennendesign von Bedeutung ist.
Im Jahr 2009 arbeitete FlexiRay an einem RFID-Projekt für die tschechische Bäckerei Penam, um Kunststoffkisten mit Fertigprodukten zu verfolgen. Die Produktionsumgebung stellte zwei Herausforderungen dar: begrenzter Einbauraum und dicht nebeneinander verlaufende Förderbänder.
Herkömmliche Antennen ließen sich nur schwer so positionieren, dass sie nicht gleichzeitig RFID-Tags auf benachbarten Förderlinien erfassten. Die Herausforderung bestand nicht in einer unzureichenden Lesereichweite, sondern darin, die Kisten, die sich auf benachbarten Förderbändern bewegten, zuverlässig voneinander zu unterscheiden.
„Das Penam-Projekt stellte uns vor die Herausforderung, eine besonders dünne, 3 mm starke RFID-Antenne mit einem länglichen Design zu entwickeln, die in den begrenzten Raum zwischen den Förderbändern passte und gleichzeitig die richtigen Tags zuverlässig identifizieren konnte. Indem wir die Abmessungen und Leseeigenschaften der Antenne an die Anwendung anpassten, legten wir den Grundstein für das, was später unser FlexiRay-Portfolio an ultradünnen Antennen werden sollte“, sagt Miroslav Jakšík, Geschäftsführer von FlexiRay.
Die für Penam entwickelte Antenne war der Vorläufer der heutigen SF5400. Mit einer Dicke von nur 3 mm und einer Länge von etwa einem Meter wurde sie neben dem Förderband installiert. Ihr Design schuf eine konzentrierte Lesezone, die sich etwa einen Meter entlang des Förderbandes erstreckte, wodurch sichergestellt wurde, dass mit Tags versehene Kisten erkannt wurden, während unerwünschte Querlesungen von der benachbarten Linie verhindert wurden.
Die Anwendung verdeutlicht, warum die Auswahl der RFID-Antenne von der Produktionsumgebung abhängt. Während ein Lagerportal möglicherweise einen breiten Lesebereich erfordert, erfordern eng beieinanderliegende Förderlinien eine selektivere Identifizierung. Eine Vergrößerung der Lesereichweite kann unerwünschte Erfassungen zur Folge haben, anstatt das Ergebnis zu verbessern.
Warum die Antennengeometrie wichtig ist
Bei herkömmlichen UHF-RFID-Installationen kommen häufig rechteckige Patch-Antennen zum Einsatz. Aufgrund ihrer Abmessungen und Abstrahlungseigenschaften eignen sie sich für viele industrielle Anwendungen, lassen sich jedoch in engen Maschinenkonstruktionen oder entlang von Förderbändern unter Umständen nur schwer unterbringen.
Dünne Antennen weisen einen anderen Formfaktor auf. Dank ihrer länglichen Bauweise lassen sie sich entlang von Maschinenprofilen, Förderbandrahmen, Schutzgehäusen oder anderen Bereichen mit geringer Einbautiefe positionieren.
Die Antennenfamilien SF5 und SFR5 von FlexiRay veranschaulichen die verfügbaren Ausführungen.
Die ultradünne SF5-Serie hat eine Dicke von nur 3 Millimetern und ist in Längen von 110 bis 996 Millimetern erhältlich. Die robustere SFR5-Serie zeichnet sich durch ein 14-Millimeter-Profil, Schutzart IP65 und Längen von 134 bis 1.020 Millimetern aus. Alle FlexiRay-Antennen verfügen über eine rechtsdrehende zirkulare Polarisation (RHCP).
Beide sind passive UHF-RFID-Antennen, die über Koaxialkabel an kompatible Lesegeräte angeschlossen werden. Sie benötigen keinen separaten Stromanschluss an der Antenne selbst.
Die unterschiedlichen Längen bieten Möglichkeiten, die Anordnung der Antennen an eine bestimmte Maschine oder einen bestimmten Identifikationspunkt anzupassen.
Ein schlankes Gehäuse führt jedoch nicht automatisch zu einer schmalen Lesezone. Die Antennengeometrie beeinflusst zwar die Abstrahlungseigenschaften, doch der tatsächliche Bereich, in dem Tags erkannt werden können, hängt von der gesamten RFID-Konfiguration ab.
Die Leseleistung, die Antennenausrichtung, die Transponderempfindlichkeit, die Tag-Positionierung und die umgebenden Materialien beeinflussen die Leseleistung.
Für europäische Varianten gibt FlexiRay je nach Antennenlänge Antennenverstärkungen von ca. 2 bis 7,8 dBi an. Je nach Anwendung bietet die SFR5-Serie Lesereichweiten von ca. 7 bis 11 Metern. Diese Angaben geben die Leistungsfähigkeit der Antennenfamilie wieder, stellen jedoch keine garantierte Leistung in einer Produktionsumgebung dar.
RFID in metallischen Produktionsumgebungen
Fertigungsumgebungen stellen besondere Anforderungen an Hochfrequenzsysteme.
Maschinenrahmen, Förderbandkonstruktionen, Stahlbauteile und Metallgehäuse können UHF-Signale reflektieren oder abschirmen. Die daraus resultierende Feldverteilung kann erheblich vom Verhalten einer Antenne im freien Raum abweichen.
Dünne Antennen können die Suche nach geeigneten Einbaupositionen erleichtern, insbesondere dort, wo herkömmliche Gehäuse Maschinen behindern oder bauliche Änderungen erfordern würden.
Eine direkt an Metall montierte Antenne kann sich anders verhalten als dieselbe Antenne, die auf einer nichtmetallischen Oberfläche installiert ist. FlexiRay bietet Konfigurationen für unterschiedliche Montagebedingungen an, einschließlich der Installation auf oder abseits von Metall; die Eignung einer bestimmten Anordnung muss jedoch überprüft werden.
Auch andere Faktoren beeinflussen die Zuverlässigkeit. Metallwerkstücke erfordern unter Umständen spezielle Transponder für die Montage auf Metall, während Flüssigkeiten und wasserhaltige Materialien die UHF-Ausbreitung beeinträchtigen können. Auf bewegten Förderbändern hängt die verfügbare Lesedauer von der Transportgeschwindigkeit und dem effektiven Erfassungsbereich ab.
Aus diesen Gründen sollten Antennenplatzierung, Tag-Auswahl und Lesegerätkonfiguration gemeinsam bewertet werden.
Eine flache Antenne eröffnet zusätzliche Installationsmöglichkeiten. Ob diese Positionen eine zuverlässige Identifikation gewährleisten, muss durch Tests mit den tatsächlichen Maschinen, Materialien und Betriebsbedingungen ermittelt werden.
Identifikationsdaten für Produktionsprozesse nutzen
Der Nutzen von RFID in der Fabrikautomation wird deutlich, wenn Identifikationsdaten mit den Fertigungsabläufen verknüpft werden.
An einem definierten Lesepunkt erfasst ein RFID-Lesegerät die Kennung eines mit einem Tag versehenen Werkstücks oder Materialträgers. Eine Software ordnet das Leseereignis dem entsprechenden Standort oder Prozessschritt zu und leitet die Informationen an die relevanten Systeme weiter.
Je nach Anwendung können dies speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS), Fertigungsleitsysteme (MES), Lagerverwaltungssysteme (WMS) oder Enterprise-Resource-Planning-Software (ERP) sein.
Eine solche Integration kann die Verfolgung von Materialflüssen, die Produktionsdokumentation, automatisierte Routing-Entscheidungen und die Überwachung von Arbeitsplätzen unterstützen.
Die Umsetzung bei IVECO Tschechien liefert ein praktisches Beispiel.
In der Buslackiererei des Unternehmens werden Fahrgestelle zwischen mehreren Arbeitsstationen transportiert. Zuvor identifizierten die Mitarbeiter diese durch manuelles Scannen von Barcodes, was die Verfügbarkeit und Genauigkeit von Informationen zum Produktionsstatus einschränkte.
BARCO implementierte ein UHF-RFID-System auf Basis der FlexiRay-Technologie. RFID-Transponder identifizieren einzelne Busrahmen, während an Übergabestationen installierte Lesegeräte und Antennen deren Bewegungen automatisch erfassen.
Die Identifikationsdaten werden an die Produktionsplanungs- und Visualisierungssoftware übertragen. Diese liefert Informationen über die Position jedes Rahmens, seine Bewegung zwischen den Arbeitsstationen und den Fortschritt des zugehörigen Fertigungsauftrags.
Das System überwacht zudem die Belegungszeiten der Arbeitsstationen. Verweilt ein Fahrgestell länger als geplant an einer Station, hilft eine automatische Benachrichtigung dem Produktionspersonal, potenzielle Verzögerungen zu erkennen.
„Die Einführung von RFID hat die Genauigkeit unserer Daten zum Produktionsbestand verbessert, die Transparenz der Produktionsabläufe erhöht und uns dabei geholfen, die Kapazitäten der Arbeitsstationen besser auszunutzen“, sagt Jan Beránek, Leiter der Lackiererei bei IVECO Tschechien.
Das Projekt zeigt, welchen Beitrag RFID über die reine Identifizierung hinaus leisten kann: Informationen über physische Materialbewegungen stehen für die Produktionsplanung und operative Entscheidungen zur Verfügung.
RFID in bestehende Anlagen nachrüsten
Die Nachrüstung bestehender Produktionsanlagen mit RFID erfordert die Berücksichtigung von Montagebedingungen, Kabelführung und Anbindungen an bestehende Steuerungssysteme. Selbst bei dünnen Antennen müssen Steckverbinder, Halterungen und der minimale Biegeradius von Koaxialkabeln bei der Ermittlung des erforderlichen Einbauraums berücksichtigt werden.
Die Softwarearchitektur stellt eine separate Herausforderung dar. Eine passive RFID-Antenne kommuniziert nicht direkt mit Produktionssteuerungssystemen. Sie benötigt ein kompatibles Lesegerät, das die erfassten Signale verarbeitet und Identifikationsdaten über seine Schnittstellen oder angeschlossene Middleware bereitstellt.
Protokolle wie OPC UA, MQTT oder industrielle Feldbusverbindungen hängen eher vom gewählten Lesegerät und der Software ab als von der Antenne selbst.
Welche Architektur geeignet ist, hängt von der vorhandenen Automatisierungsinfrastruktur, der erforderlichen Leseleistung und der Art der Nutzung der Identifikationsdaten ab.
Zuverlässige Identifikation beginnt bei der Anwendung
Bei der Aufrüstung einer bestehenden RFID-Anlage sollten Antennen, Transponder und Lesegeräte auf Kompatibilität und Leistung überprüft werden. Da RAIN-UHF-RFID eine standardisierte Luftschnittstelle nutzt, können bestehende Lesegeräte und Transponder oft weiterverwendet werden. Je nach Anlage kann bereits der Austausch der Antenne ausreichen, um die erforderlichen Leseeigenschaften zu erreichen.
„Dünne RFID-Antennen bieten uns mehr Flexibilität bei der Integration der Identifikation in bestehende Maschinen. Wir müssen nicht unbedingt das gesamte RFID-System austauschen. Wichtig ist, die richtige Antennenkonfiguration für die jeweilige Anwendung zu finden“, sagt Miroslav Jakšík, Geschäftsführer von FlexiRay.
