Passive RFID-Schaltkreise für Sensoren Schaltschränke überwachen

Temperatursensor in passiven RFID-Tag sind möglich.
Temperatursensor in passiven RFID-Tag sind möglich.

Batteriebetriebene Temperatursensoren mit passivem RFID-Tag senden Messwerte und Identifikationsdaten. Damit eignen sie sich zum Condition Monitoring im industriellen Umfeld. Ein Beispiel sind Schaltschränke.

Predictive Maintenance lebt sowohl von Daten als auch einem hohen Automatisierungsgrad in der Messwerterfassung. Es geht darum, den Zustand von Maschinen oder Anlagen permanent zu überwachen und die Wartung aufbauend aus den Erkenntnissen zu optimieren. Dafür müssen die Messdaten identifizierbar sein und automatisch erfasst werden. RFID-Sensoren verbinden Identifikation und Messwerterfassung. Außerdem bauen sie auf einer vorhandenen und ausgiebig getesteten Infrastruktur auf.

Komponenten eines RFID-Systems

RFID (Radiofrequenzidentifikation) ist eine Funktechnologie, die die automatische Identifikation von Objekten ermöglicht. Deswegen wird sie auch oft als Auto-ID-Technologie bezeichnet. Die Komponenten eines solchen Systems bestehen aus RFID-Tags, Lesegeräten (Reader) und einer Middleware zum Ansteuern und Auslesen der Ergebnisse. Häufig werden RFID-Tags auch als Transponder bezeichnet, einer Wortkombination aus Transmitter und Responder. Bei Eintritt in das Feld des Readers reagiert der Tag (Response), indem er Identifikationsdaten automatisiert übermittelt (Transmission). Daten, die im Speicher der RFID-Tags hinterlegt sind, werden mithilfe magnetischer oder elektromagnetischer Wellen ausgelesen.

Der Transponder besteht aus einem integrierten Schaltkreis und einer Antenne. Die Antenne bestimmt im Wesentlichen die Baugröße der Tags und wird meist auf verschiedene Umgebungsbedingungen ausgelegt – Untergrund, umgebendes Medium, Einbausituation. Ziel ist es, die Lesedistanzen oder die Leistungsübertragung zu optimieren. Grundsätzlich ist die Auslesereichweite um so größer, je größer die Antenne ist. Durch eine integrierte Batterie wird die Reichweite maximiert. Solche Systeme werden als aktive RFID-Systeme bezeichnet. Passive Systeme beziehen die Betriebsenergie des Transponders nur aus dem Feld des Lesegeräts.

Wie leistungsfähig ein System ist, hängt neben der Antenne des Tags und der Batterieunterstützung auch vom gewählten Frequenzbereich ab. Lesedistanz, Einfluss von Störfaktoren und Leistungsübertragung sind die wesentlichen Parameter, die dadurch beeinflusst werden (Tabelle 1). Unterschieden werden drei Frequenzbereiche:

LF – Niederfrequenz (125 kHz),
HF – Hochfrequenz (13,56 MHz),
UHF – Ultrahochfrequenz (868 oder 915 MHz).

Ein vollständiges System enthält neben den Hardwarekomponenten auch Software, die Middleware. Sie stellt die Verbindung zwischen der Hardware und den übergeordneten Softwaresystemen, wie MES (Manufacturing Execution System) und ERP (Enterprise Resource Planning) zur Verfügung, ermittelt welche Daten von welchem Transponder kommen und liest diese mit den passenden Mechanismen aus. Die genutzte Hardware unterscheidet sich je nach Hersteller durch unterschiedliche Frequenzbänder, genutzte Protokolle und unterschiedliche Schnittstellen. In der Praxis existiert eine Vielzahl unterschiedlicher RFID-Komponenten, die Systemintegration gration wird dadurch häufig komplex und führt oft zur Herstellerabhängigkeit.

Zustandsdaten mit RFID-Sensoren messen

Aus RFID gewonnene Informationen können in vielfacher Hinsicht die Grundlage für IoT- und Industrie-4.0-Anwendungen bilden: Kernelement ist die eindeutige Identifikation von Objekten wie Maschinen, Komponenten, Geräten oder Werkzeugen. Damit diese Objekte Aufgaben im Rahmen von Industrie 4.0 erfüllen können, müssen sie eindeutig identifizierbar und in der Lage sein, automatisch zu kommunizieren.

Die Kombination mit Sensorik erschließt weitere Industrie-4.0-Anwendungsfelder, besonders Szenarien in der Predictive Maintenance. Informationen können so um Zustandsdaten wie Temperatur, Feuchtigkeit, Erschütterung und mehr erweitert werden. Der Betreiber erhält so tiefere Erkenntnisse über den Zustand seiner Anlage. Spezielle RFID-Schaltkreise können mit Sensorik gekoppelt werden. So ist es möglich, neben den Identifikationsdaten zugleich die Zustandsdaten der Objekte zu ermitteln und zu transferieren.

RFID-Schaltkreise für Sensoren

Herkömmliche RFID-Transponderschaltkreise erlauben den Anschluss von Sensoren allerdings nicht ohne Weiteres. Dazu müssen spezielle Schaltkreise hergestellt werden, die zum einen das Standard-RFID-Protokoll unterstützen und zum anderen Schnittstellen für Sensorelemente oder -module bereitstellen. Analoge Schnittstellen eignen sich zum Anschluss von resistiven, induktiven und kapazitiven Sensoren. Digitale Schnittstellen wie I²C oder SPI vereinfachen die Integration für den Nutzer erheblich und erweitern den Funktionsumfang. Zum Beispiel können neben dem Generieren von Messwerten noch weitere Einstellungen wie unterschiedliche Betriebsmodi des Sensors variiert werden.