RFID um Messfunktion erweitert Sensorik und Identifikation

Die RFID-Technik mit Funktionserweiterung ermöglicht eine Abfrage über die OPC-UA-Schnittstelle.
Die RFID-Technik lässt sich erweitern um eine Abfrage über die OPC-UA-Schnittstelle zu ermöglichen.

Statt nur Daten zur Identifikation oder Prozesssteuerung auszulesen kann die RFID-Technik auch genutzt werden, um Messwerte von Sensoren per Funk abzufragen. Mit einer neuen Middleware ist diese Funktionserweiterung sogar über die OPC-UA-Schnittstelle möglich.

Bereits seit einigen Jahren beschäftigt das Thema Industrie 4.0 Industrieunternehmen und Forschungseinrichtungen gleichermaßen. Hinter dem Begriff verstecken sich zahlreiche Anwendungen, die zur Digitalisierung der industriellen Fertigung beitragen.

Ob die Verringerung der Stillstandszeiten erreicht wird durch vorausschauende Wartungskonzepte (Predictive Maintenance), vernetzte Lieferketten oder Produktionslinien, die von Werkstücken dezentral gesteuert werden – all diese Anwendungen haben eines gemeinsam: Ohne eine eindeutige Objekt-Identifikation lassen sich die Anforderungen nicht erfüllen. RFID (Radio-Frequency Identification) bietet großes Potenzial für viele Industrie-4.0-Anwendungen. Die Erweiterung der RFID-Technik um das Erfassen von Sensor-Messwerten per Funkkommunikation verstärkt das Potenzial.

Einsatzfelder von RFID-Systemen

Die RFID-Technik wird eingesetzt, wo eine automatisierte Kennzeichnung und Identifikation von Objekten notwendig oder von Vorteil ist. Vor allem in logistischen Prozessen hat sich RFID als Möglichkeit zur automatisierten Nachverfolgung von Waren und Produkten über die gesamte Lieferkette durchgesetzt.

Auch in der Fertigung ermöglicht RFID heute automatisierte und dezentralisierte Prozesse. Werkstücke werden mit RFID-Transpondern ausgestattet, um nicht nur die Identifikationsdaten, sondern auch Produktionsdaten zu transportieren, um autarke Fertigungszellen zu schaffen, die unabhängig von zentralen Einheiten den Materialfluss durch die Fertigung steuern können.

Auch in alltäglichen Gebrauchsgegenständen ist die RFID-Technik zu finden. In Schlüsseltranspondern, zur Kennzeichnung von Haustieren und vielem mehr wird heute RFID bereits ausgiebig genutzt.

Komponenten und Funktionsweise eines RFID-Systems

Die Funkidentifikation RFID ist eine ID-Technik, die eine kontaktlose sowie automatisierte Identifikation von Objekten ermöglicht. Die Daten werden über magnetische oder elektromagnetische Felder ausgelesen.

Die Hardware eines RFID-Systems besteht aus einem bzw. mehreren Identifikations-Transpondern, die auch Tags genannt werden, sowie einem oder mehreren Lesegeräten, die mitunter auch als Reader bezeichnet werden. Ein Lesegerät besteht im Regelfall aus einer Steuerungseinheit, einem Hochfrequenzmodul und einer Antenne.

Ein RFID-Transponder reagiert bei Eintritt in das HF-Feld eines Lesegeräts (engl. response), indem er seine ID-Daten übermittelt (engl. transmission).

Bestandteile eines RFID-Transponders sind ein integrierter Schaltkreis und die Antenne, die sowohl die Baugröße des Transponders als auch die erreichbaren Lesedistanzen maßgeblich bestimmt. Als Grundsatz gilt: Je größer die Antennengeometrie, desto größere Reichweiten sind möglich.

Unterschieden werden RFID-Transponder außerdem nach der Art der Energiequelle in aktive, semi-passive und passive Transponder. Passive Transponder beziehen die Betriebsenergie ausschließlich aus dem HF-Feld des Lesegeräts. Semi-passive und auch aktive Transponder hingegen werden mit einer Batterie betrieben bzw. durch eine Batterie unterstützt.

Ein weiteres wichtiges Unterscheidungskriterium eines RFID-Systems ist die Frequenz. Sie hat einen entscheidenden Einfluss auf Leistungsfähigkeit, Reichweite und Störfaktoren (Bild 1). Drei Frequenzbereiche werden unterschieden:

  • Langwelle (LF – Low Frequency), 125 kHz
  • Kurzwelle (HF – High Frequency), 13,56 MHz
  • UHF (Ultra High Frequency), 868 oder 915 MHz

Außerdem unterscheiden sich die Frequenzen im Kopplungsverfahren. In den unteren Frequenzbändern LF und HF kommt die induktive Kopplung zum Einsatz, in den höheren Frequenzbändern hingegen kommt die Strahlungsrückkopplung zum Einsatz, das sogenannte Backscatter-Verfahren.

Ein RFID-System benötigt auch eine spezielle Software, um mit Leit- und Produktionssystemen kommunizieren zu können. Sie stellt die Verbindung zwischen Lesegeräten unterschiedlicher Hersteller her und erkennt, welcher Transponder welche Daten liefert und liest diese dann mit passenden Mechanismen aus.

Was sind RFID-Sensoren?

RFID-Transponder können auch mit Sensoren ausgestattet werden. Wie bei einem konventionellen RFID-System können damit die ID-Daten abgerufen werden. Zusätzlich können aber auch physikalische Messgrößen wie Feuchtigkeit, Druck, Temperatur, Beschleunigung und einiges mehr erfasst werden. Klassische RFID-Transponder-ICs lassen eine Anbindung von Sensoren nicht ohne weiteres zu.

Für Sensoren sind spezielle Schaltkreise nötig, die sowohl ein Standard-RFID-Protokoll als auch eine Schnittstelle für Sensorelemente beinhalten. Analoge Schnittstellen eignen sich für induktive, resistive und kapazitive Sensoren, digitale Schnittstellen wie I²C oder SPI vereinfachen den Anschluss von Sensormodulen.

Die Messwerterfassung mittels RFID hat einige Vorteile. Passive RFID-Sensoren beziehen ihre Energie zur Erfassung des Messwerts als auch zur Übertragung der Daten komplett aus dem Feld des Lesegeräts und benötigen daher keine Kabel und keine Batterie. Das spart Bauraum und erhöht die Lebensdauer enorm.

Gleichzeitig sind solche Sensorknoten wartungsfrei und weniger störanfällig. Die Leistungsaufnahme des jeweiligen Sensors nimmt allerdings Einfluss auf den Energiebedarf des Transponders und damit auch auf die maximal mögliche Übertragungsdistanz zwischen Transponder und Lesegerät (Tabelle).