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Digitale Fabrik

RFID-Tags: Auf dem Weg zum Minicomputer

RFID-Systeme werden zunehmend zur Steuerung der Produktion eingesetzt. Ihr Vorteil: Der Transponder kann in das Erzeugnis integriert werden.

Intelligente Tags mit RFID-(Radio Frequency Identification)-Technologie könnten bald wie Minicomputer Produkte auf ihrem Weg durch Fabriken, Länder oder Geschäfte steuern. In der Corporate Technology (CT) von Siemens arbeiten die Forscher daran, diese neuen Einsatzmöglichkeiten auf dem Feld der Industrie 4.0 zu erschließen.

RFID-Tags kleben bereits an vielen Dingen. Ob Jeans, Medikamente oder gar Autos – diese und viele andere Waren werden mit einem Tag versehen, damit man sie während ihres Transportwegs zweifelsfrei identifizieren kann. Das Prinzip ist einfach: Kommt ein Objekt mit einem RFID-Tag, einem so genannten Transponder, an einem passenden Lesegerät vorbei, wird der Tag aktiviert und gibt die Informationen preis, die er in seinem Speicher trägt. So weiß der Hersteller genau, wann welches Produkt seine Fabrikhalle verlassen hat, der Zwischenhändler kann den weiteren Weg der Waren verfolgen und am Bestimmungsort kann die weiterverarbeitende Fabrik die Waren mit dem Status „empfangen“ versehen.

RFID-Tags werden „Augen und Ohren der IT“

Wie es der Name Radio Frequency Identification bereits vermittelt, kommunizieren bei RFID-Systemen Transponder und Lesegeräte über Funk miteinander. Je nach Anwendung verwenden RFID-Systeme verschiedene Trägerfrequenzen. So erzielen beispielsweise die neuesten Systeme im Ultrahochfrequenzbereich (UHF) mehrere Meter Reichweite, verfügen bisher aber mit gerade mal 64 Byte über eine relativ geringe Speicherkapazität. Außer der bloßen Standortbestimmung lässt diese Technik somit nicht viel Spielraum für neue Anwendungsfelder zu. So bleibt es bisher lediglich der Theorie vorbehalten aufzuzeigen, wozu RFID-Chips ansonsten fähig wären.

Vielfältige Anwendungsgebiete: RFID-Transponder - hier zu sehen auf einem Klebeetikett.

Jetzt steht der RFID-Technologie voraussichtlich ein neuer Boom bevor: „RFID-Systeme können als ‚Augen und Ohren der IT‘ einen großen Beitrag zur Verwirklichung der Industrie 4.0 leisten“, sagt Markus Weinländer, Leiter Product Management in der Siemens Division Process Industry and Drives.

„Siemens hat jetzt einen UHF-Transponder mit 4 Kilobyte entwickelt“, erklärt Weinländer. Damit biete die RFID-Technologie ganz neue Einsatzmöglichkeiten für die Industrie der Zukunft: „Zum ersten Mal können Transponder zusätzliche Informationen wie Produktionsanforderungen samt Bauplan tragen und über größere Entfernungen ausgelesen werden.“ Der Nutzen für die Fertigung mit diesen gespeicherten Informationen liegt auf der Hand: Sie machen die so genannte Mass Customization, also die individualisierte Massenfertigung, noch wirtschaftlicher. „Um im heutigen globalen Marktumfeld wettbewerbsfähig zu bleiben, müssen viele Unternehmen heute kleinste Stückzahlen ohne erhöhte Kosten produzieren können“, erklärt Weinländer. Ob Turnschuhe, Kleidung oder gar Müslisorten: Individualisierte Massenprodukte haben in vielen Branchen bereits heute die standardisierte Massenware verdrängt.

In seinem Elektronikwerk Amberg setzt Siemens auf RFIDs zur umfassenden Produktionssteuerung und Qualitätssicherung.

Und zukünftig könnte dieser Trend dank der neuen RFID-Technik noch wesentlich stärker verfolgt werden: Dann würden Werkstückträger – und künftig auch die Werkstücke selbst – mit Funkchips ausgerüstet werden, die alle produktionsrelevanten Daten mit dem jeweiligen Objekt durch die Fertigung tragen. RFID-Lesestellen an Maschinen oder Verzweigungen der Förderbänder lesen die Daten und steuern entsprechend die Roboter oder die Logistikeinrichtungen.

In der Entwicklungsschmiede von Siemens, der Corporate Technology (CT), arbeiten die Forscher bereits an neuen Einsatzmöglichkeiten: „RFID-Systeme werden in der Produktion und im Handel noch viele weitere Funktionen erfüllen können“, prophezeit Andreas Ziroff, Leiter der Forschungseinheit RF Technologies Germany bei der CT.  Mithilfe von Sensoren können speicherfähige Transponder Daten sammeln, etwa über Temperatur, Erschütterung, Energieverbrauch oder Entfernungen. So lässt sich leicht überprüfen, ob beispielsweise die Kühlkette bei temperaturempfindlichen Waren eingehalten wurde oder ob zerbrechliche Waren bereits auf halbem Weg kaputtgegangen sind, weil sie zu starken Erschütterungen ausgesetzt waren. Darüber könnte der Zulieferer dann beispielsweise das weiterverarbeitende Unternehmen informieren, damit dieses sich rechtzeitig auf die ungeplante Situation einstellen kann und etwa die Produkte auf anderem Weg bestellt.

Die dauerhafte Kennzeichnung von Objekten aller Art erlaubt eine automatische Identifikation über alle Stationen der Wertschöpfungskette, z.B. auch in der Lieferlogistik.

Elektromagnetische Felder für die Stromversorgung

„Für all das braucht der Transponder allerdings Energie“, erklärt Ziroff. Und die erhält er nach dem heutigen Stand der Technik nur dann, wenn er sich im elektromagnetischen Feld des Lesegerätes befindet oder wenn er eine Batterie trägt. Doch das wäre für die angedachten, beschriebenen Einsatzfelder bei weitem nicht ausreichend. Ziroff und seine Kollegen verfolgen daher die Idee, über das Funkfeld Energie in den Transponder zu bringen, und zwar auch dann, wenn er sich außerhalb des Lesegerätes befindet. „Dies funktioniert mittels elektromagnetischer Feldsynthese“, erklärt Ziroff. Ausgangspunkt sind die RFID-Antennen, wie sie auch in den Lesegeräten stecken. „Ordnet man mehrere Antennen über einen Raum verteilt an, kann man ihre elektromagnetische Strahlung so bündeln, dass sie an einem Punkt genügend Energie erzeugt, um den Transponder zu versorgen“, sagt Ziroff.

Dass diese Idee funktioniert, haben Ziroff und seine Kollegen bereits in einem Versuchsaufbau in München-Perlach bewiesen, der so auch in einer Fabrikhalle denkbar wäre: In einem Labor hängen vier Antennen direkt unter der Decke. Mittels einer speziellen Software wird ihre Strahlung so überlappt, dass an dem Punkt mit der größten Interferenz genug Energie entsteht, um eine LED, die im Raum hängt, zum Leuchten zu bringen. Der Clou: Das Interferenzfeld kann dem Transponder auf seinem Weg durch die Fabrikhalle folgen, ihn also auch in Bewegung mit Energie versorgen.

Die Industrie braucht Standards

Bis so ein intelligentes, sich selbst mit Energie versorgendes RFID-System jedoch marktreif ist, vergehen noch etwa sechs Jahre, schätzt Ziroff. Eine große Hürde sei es, einen einheitlichen Funkstandard durchzusetzen. Werkstücke, die  mit so einem System ausgestattet sind, könnten sich dann aber selbst durch die Produktionslandschaft steuern und den Maschinen mitteilen, welche Arbeitsschritte sie ausführen müssen – ein weiterer großer Schritt auf dem Weg zur Industrie 4.0. Und mehr: „Der Transponder der Zukunft wird papierdünn und sehr viel kleiner als heute sein“, sagt Ziroff. Auch daraus ergeben sich neue Geschäftsmodelle: beispielsweise ein elektronisches Ticket, das beim Einsteigen in den Zug oder Bus aktiviert wird und erfasst, zu welcher Zeit der Fahrgast welche Strecke zurücklegt, und dann selbstständig die Fahrtkosten errechnet und weiterleitet.

RFID-Transponder könnten also nicht nur die Welt der Fertigung revolutionieren, sondern auch unseren Alltag nachhaltig verändern, sagt Weinländer voraus: „Die Entwicklung wird vielleicht ähnlich wie die der mobilen Kommunikation via Smart Phone verlaufen: Nicht eine einzelne Neuheit, sondern immer neue Apps haben unsere täglichen Abläufe verändert.“

Katrin Nikolaus