Czwartek, 26 lipca 2012

RFID w przemyśle

Technologia RFID (Radio Frequency Identification) używana jest w zdalnej identyfikacji oraz śledzeniu przepływu różnych obiektów. Jej popularność stale rośnie, a obszarów zastosowania ciągle przybywa. Jest ona obecnie wykorzystywana m.in. do znakowania towarów w sklepach, paczek w magazynach, zwierząt domowych i hodowlanych oraz w systemach kontroli dostępu i płatniczych - na przykład w bramkach na autostradach. W artykule przedstawiamy główne komponenty systemów RFID oraz przykłady ich przemysłowych wdrożeń.

RFID w przemyśle

System RFID tworzą znaczniki (tagi, transpondery) oraz czytniki (patrz rys. 1). Te pierwsze zbudowane są z układu elektronicznego z pamięcią, w której zapisywane są informacje identyfikujące dany produkt oraz anteny nadającej i odbierającej sygnały radiowe.

Komponenty te są przytwierdzane do wykonanej z tworzywa sztucznego płytki lub taśmy montowanej na lub wbudowywanej w monitorowany obiekt (na przykład opakowanie, paletę, kartę zbliżeniową).

Informacje ze znaczników są prezentowane na ekranie czytnika lub za jego pośrednictwem są przesyłane do centralnego systemu. Następnie, w zależności od zastosowania, są na przykład zapisywane w bazie danych lub dalej analizowane z wykorzystaniem specjalistycznego oprogramowania.

ZNACZNIKI PASYWNE

Rys. 1. Komponenty systemu RFID

Znaczniki RFID dzieli się na grupy ze względu na sposób zasilania, częstotliwość transmisji oraz funkcjonalność. W pierwszym przypadku wyróżnia się trzy rodzaje tagów - pasywne, pasywno-aktywne oraz aktywne (patrz tabela 1). Znaczniki pasywne nie mają baterii.

W zamian energię do zasilania układu scalonego i przesyłania informacji zwrotnej czerpią z pola elektromagnetycznego wytwarzanego przez czytnik. Ma to ogromny wpływ na właściwości transponderów tego typu. Tagi pasywne działają wyłącznie w obecności czytnika i tylko wówczas, gdy emituje on wystarczająco silny sygnał.

Z tego powodu do nawiązania transmisji wymagana jest odpowiednia odległość między znacznikiem i czytnikiem. Dlatego tagi tego typu w porównaniu do pozostałych mają mały zasięg, a w warunkach niekorzystnych (interferencje, sąsiedztwo wody, metali) mogą działać nieprawidłowo.

Ponadto zwykle mają pamięć o małej pojemności. Jednocześnie transpondery pasywne są lekkie, łatwo można je też wbudować w znakowany obiekt. Są też tanie. Ponieważ nie wymagają wymiany zużytej baterii, charakteryzuje je bardzo długa żywotność.

Z tych powodów są wykorzystywane głównie do znakowania pojedynczych produktów występujących w dużych ilościach, na przykład towarów w sklepach. Niski koszt tych znaczników sprawia też, że są one używane częściej niż pozostałe.

RFID w kopalni

Jednym z etapów wydobycia kopalin jest umieszczenie ładunków wybuchowych w otworach w ścianie chodnika. Po eksplozji skały należy przewieźć do miejsca składowania z użyciem specjalistycznego sprzętu. W celu poprawy wydajności tego procesu w pewnej kopalni w Skandynawii wdrożono system RFID.

Składa się on z tagów zamontowanych w chodnikach, w miejscach, z których maszyny wywożą skały. Znaczniki są również zainstalowane w szybach, przy których skały są wyładowywane. W transponderach zapisane są unikalne numery identyfikujące poszczególne chodniki oraz szyby.

Każda z maszyn jest wyposażona w czytnik RFID, który skanuje znaczniki w chodnikach i szybach w celu uzyskania informacji o swojej aktualnej lokalizacji. Po otrzymaniu instrukcji od pokładowego komputera przesyłanej z centralnego systemu kierujący maszyną wjeżdża w odpowiedni tunel, mijając kolejne znaczniki RFID.

Informacja o tym jest zapisywana w komputerze. Po skończonej pracy i opuszczeniu chodnika dane z pokładowego komputera są przesyłane do centralnego systemu. Dzięki temu wiadomo, gdzie skały już zostały zebrane. Pozwala to oszacować wydajność wydobycia oraz lepiej rozplanować dalsze prace.

W kopalni tej początkowo działał system wykorzystujący tagi aktywne. Niedawno jednak zastąpiono je znacznikami pasywnymi EPC Gen 2 działającymi w paśmie UHF. Zdecydowano się na tę zmianę, ponieważ nowe znaczniki są tańsze w eksploatacji oraz zgodne z międzynarodowym standardem.

TAGI AKTYWNE I PASYWNO-AKTYWNE

Tabela 1. Wybrane właściwości znaczników aktywnych, pasywnych i aktywno-pasywnych

Znaczniki aktywne wyposażone są w baterie. Dzięki temu mogą nawiązywać łączność z czytnikiem lub innymi tagami, mają też większy zasięg niż te pasywne. Jest to przydatne m.in. w znakowaniu obiektów, które mogą się zgubić, na przykład w czasie transportu.

Znaczniki aktywne ponadto są odporniejsze na interferencje, mają też zwykle pamięć o większej pojemności oraz mikroprocesor o większej mocy obliczeniowej. To ostatnie pozwala zrealizować szybszą transmisję oraz zastosować szyfrowanie danych.

Transpondery aktywne są też często wyposażane na przykład w czujniki. Niestety są droższe niż pasywne, a wszelkie dodatkowe funkcje jeszcze zwiększają ich cenę. W związku z koniecznością wymiany baterii mają również ograniczoną żywotność. Zalety oraz wady znaczników obu typów łączą w sobie transpondery pasywno-aktywne.

Tagi tego rodzaju są wyposażone w baterię, która jest wykorzystywana tylko do zasilania układu scalonego. Energię potrzebną do nawiązania łączności znaczniki pobierają z czytnika.

Tagi RFID klasyfikuje się również pod względem zakresu częstotliwości nadawanego i odbieranego sygnału radiowego. Parametr ten wpływa na jakość transmisji, zwłaszcza w warunkach niesprzyjających propagacji fal radiowych oraz na konstrukcję anteny, a przez to na wymiary znacznika.

RFID w samolotach

Jeden z producentów samolotów pracuje nad systemem RFID do identyfikacji podzespołów tych pojazdów. Jego głównym komponentem będą znaczniki zgodne ze standardem EPC Gen 2, w których zapisywane będą najważniejsze dane na temat każdej części.

Mogą to być m.in. informacje o tym, kiedy ostatnio i dlaczego była ona naprawiana oraz jak długo jest już eksploatowana. W czasie rutynowych przeglądów dane te będą odczytywane oraz aktualizowane przez obsługę naziemną. Usprawni to proces konserwacji podzespołów oraz ograniczy błędy, które występują, gdy analogiczne informacje są rejestrowane manualnie.

Wykorzystywane będą dwa rodzaje znaczników: "zwykłe" o pojemności do 64 kB oraz specjalne, o wymiarach umożliwiających ich zamocowanie na komponentach małych lub o kształcie niepozwalającym na zamontowanie standardowych tagów.

Obsługa wyposażona będzie natomiast w podręczne czytniki z możliwością odczytu i zapisu danych, które bezprzewodowo będą przesyłać dane ze znaczników do centralnego systemu. W tym ostatnim zainstalowane zostanie specjalne oprogramowanie. Posłuży ono do opracowania wizualizacji danych z transponderów na ekranie czytnika.

Przykładowo wyświetlany może być plan samolotu z podświetlonymi na czerwono częściami, które wymagają natychmiastowej wymiany, przeglądu lub naprawy. Obecnie system, którym objęto komponenty silnika oraz elementy wirujące, wyposażenia kokpitu i podwozia, jest w fazie testów. Sprawdzany jest głównie wpływ na bezpieczeństwo lotów oraz wytrzymałość znaczników na ekstremalne warunki, w jakich będą eksploatowane.

ZNACZNIKI LFID, HFID, UHF I MIKROFALOWE

Rys. 2. Wartość rynku związanego z RFID w roku 2010 i prognoza na 2015

Transpondery RFID mogą pracować w przedziale niskich częstotliwości - od 125 do 135 kHz (tagi LFID), wysokich częstotliwości -13,56 MHz (tagi HFID), w paśmie UHF - 433 MHz oraz 860 - 960 MHz oraz mikrofalowym, czyli 2,45 GHz lub 5,8 GHz.

Im większa jest częstotliwość, tym większy zasięg oraz prędkość transmisji. W przypadku LFID jest to odpowiednio poniżej 0,5 m (zwykle od 10 do 20 cm) i poniżej 1 kb/s, w HFID do 1,5 m i około 25 kb/s, w wypadku transmisji UHF i mikrofalowej do kilkudziesięciu metrów oraz do 100 kb/s (patrz tabela 2).

Transpondery LFID to zwykle tagi pasywne. Znaczniki tego typu sprawdzają się w trudnych warunkach otoczenia, mogą na przykład pracować w pobliżu metali oraz wody. Dlatego są używane m.in. w implantach wszczepianych zwierzętom i do znakowania narzędzi lub pojazdów, a także tam, gdzie nie jest wymagany duży zasięg, na przykład w systemach kontroli dostępu.

Z kolei znaczniki w paśmie UHF są ze względu na zasięg najczęściej używane do śledzenia obiektów w logistyce. Nie sprawdzają się one natomiast, podobnie jak znaczniki HFID, w zastosowaniach wymagających pracy w sąsiedztwie metali. Mogą też zakłócać pracę innych urządzeń elektronicznych.

Znaczniki działające w paśmie mikrofalowym to natomiast z reguły tagi aktywne oraz pasywno-aktywne. Są one zwykle droższe, ale też mniejsze niż pozostałe. Zużywają również więcej energii. Dodatkowo problemem w ich przypadku mogą być interferencje z sieciami bezprzewodowymi, na przykład Wi-Fi.

Gdzie wykorzystuje się identyfikację radiową, w szczególności w przemyśle? W jakich aplikacjach dominuje RFID, a w jakich stosowane są kody 1D, 2D i inne?

Sławomir Bieńkowski, Kathrein Poland
Jednym z najdynamiczniej rozwijających się obszarów wykorzystywania RFID jest identyfikacja pojazdów. Daleki zasięg odczytu (do 10 metrów dla UHF) pozwala na stosowanie tej technologii w wielu aplikacjach, takich jak np. automatyczna kontrola wjazdów i wyjazdów.

Dzięki RFID pojazd nie musi każdorazowo zatrzymywać się przed szlabanem - czytnik automatycznie go identyfikuje i umożliwia przejazd. Kolejnym sektorem, który od wielu lat korzysta z dobrodziejstwa technologii RFID, jest logistyka.

Olbrzymia liczba transponderów wykorzystywanych w tej branży wymaga, aby proces radiowej identyfikacji był zintegrowany z wydajnymi systemami informatycznymi zapewniającymi przechowywanie i szybkie przetwarzanie danych. RFID jest coraz częściej wykorzystywane również do automatyzacji przemysłu w celu kontroli i optymalizacji procesów produkcyjnych.

Specyfika zastosowań przemysłowych wiąże się często z koniecznością stosowania czytników RFID wyposażonych w algorytmy antykolizyjne zapobiegające zakłóceniom pochodzącym od sąsiednich czytników bądź transponderów nieznajdujących się w polu działania danego czytnika.

W ograniczaniu tych zakłóceń istotne jest również precyzyjne dostosowanie zakresu odczytu w różnych punktach, które uzyskuje się dzięki wykorzystaniu odpowiednich anten (bliskiego, średniego lub dalekiego zasięgu).

Piotr Żukowski, HARTING
Niepodważalną zaletą systemów RFID jest możliwość zdalnego odczytu bez konieczności bezpośredniego "widzenia" kodu przez czytnik. Pozwala to na wykluczenie popełnienia przez operatora błędu.

Jednocześnie w niektórych aplikacjach stosowanie kodów 1D lub 2D jest niepraktyczne lub wręcz niemożliwe. Naniesione kody łatwo jest uszkodzić, często są one nieodporne na wysokie temperatury i, przede wszystkim, nie można na nich swobodnie i wielokrotnie zapisywać danych.

Tomasz Dzideczek, Motorola Solutions
Kody kreskowe 1D i 2D znane są na rynku od około 30 lat. W porównaniu z nimi technologia RFID, której rzeczywista obecność na rynku to ostatnie 5 lat, to rozwiązanie stosunkowo nowe, które obecnie trudno jeszcze uznać za dominujące w branży przemysłowej.

Liczba wdrożeń RFID w tym sektorze jest bowiem nadal niewielka. Warto wiedzieć, czym różnią się rozwiązania RFID od tych opartych na kodach kreskowych. Te pierwsze są całkowicie zautomatyzowane, wszystkie czynności odbywają się w czasie rzeczywistym i bez udziału człowieka.

Z kolei aplikacje oparte na kodach 1D i 2D są półautomatyczne i do ich prawidłowego funkcjonowania niezbędny jest operator, który odpowiednio skanuje dane. W kwestii implementacji RFID należy wymienić dwa przypadki.

Pierwszy z nich - mniej skomplikowane wdrożenie, co ma miejsce wtedy, gdy mamy do czynienia z nowa fabryką, zakładem, w którym trzeba zbudować infrastrukturę IT od początku (tzw. inwestycja green field).

Drugi rodzaj wdrożenia to takie, w którym zmieniamy istniejące rozwiązania oparte na kodach kreskowych na RFID. Jest to o wiele większe wyzwanie, gdyż wymusza przeprojektowanie procesów biznesowych - od wdrożenia nowego oprogramowania, modułów, na sprzęcie kończąc.

Sławomir Demianiuk, Sick
Od kilkudziesięciu lat działamy w branży optycznych układów automatycznej identyfikacji. Czytniki laserowe kodów kreskowych z czasem uzupełnione zostały o linię czytników przetwarzania obrazu, głównie pod kątem kodów 2D.

W ostatnich latach uznaliśmy, że czas poważnie zainwestować w trzeci filar, którym jest RFID w wykonaniu przemysłowym. Dziś mamy pełny asortyment tego typu produktów, dzięki czemu każde wyzwanie jest dla nas osiągalne.

Flagowymi aplikacjami stały się hybrydowe systemy lotniskowe o stuprocentowej skuteczności odczytu oraz identyfikacja karoserii samochodowych w procesie montażu, tzw. body ID.

Daniel Oszczęda, Balluff
Balluff przemysłowe systemy RFID oferuje już od ponad 25 lat, co pozwala nam efektywnie doradzać naszym klientom w zakresie doboru i wdrażania rozwiązań opartych na systemach identyfikacji RFID. Obecnie systemy te znajdują zastosowanie w bardzo wielu obszarach przemysłu.

Jednym z nich jest śledzenie przepływu materiałów - m.in. w zautomatyzowanych procesach montażu, które jest często określane bardzo dobrze znanym z logistyki pojęciem - tracebility. Jest to nic innego jak śledzenie i, co najważniejsze, dokumentowanie każdego kroku w procesie - od dostawy do zakończenia produkcji.

Wdrożenie systemów identyfikacji w takich obszarach pozwala na ciągły nadzór nad procesem wytwarzania i bardzo szybką reakcję na ewentualne błędy. W wielu aplikacjach, które wdrażaliśmy wraz z naszymi klientami, cały przebieg procesu dokumentowany jest na nośniku danych RFID, co jest bardzo istotne m.in. z punktu widzenia kontroli jakości.

W tym obszarze przewaga RFID nad kodami 1D lub 2D związana jest przede wszystkim z możliwością przenoszenia informacji wraz z produktem. Pozwala to na uniknięcie tworzenia rozbudowanych centralnych baz danych. Kolejnym obszarem jest zarządzanie narzędziami, formami i całym oprzyrządowaniem wykorzystywanym w procesie produkcji.

Użycie systemów RFID pozwala w tym przypadku na lepsze wykorzystywanie zasobów. Przykładowo identyfikacja radiowa zapewnia znaczące usprawnienie pracy systemów zarządzania narzędziami dzięki wprowadzeniu elektronicznego obiegu informacji pomiędzy maszynami pomiarowymi a obrabiarkami.

RFID to jednak nie tylko skomplikowane systemy wykorzystywane w zarządzaniu produkcją. Seria rozwiązań EasyID pozwala na stosowanie systemów RFID do prostego kodowania w miejscach, gdzie poprzednio użytkownicy stosowali np. kodowanie mechaniczne.

Warto dodać, że kody kreskowe oraz 2D są ciągle bardzo popularne przy znakowaniu produktów końcowych. Wynika to przede wszystkim z dwóch powodów - oczywiście kosztów, oraz standaryzacji, a raczej jej braku, w przypadku systemów RFID. W tym obszarze dopiero technologia UHF wprowadza uniwersalny standard danych w postaci kodu EPC.

Prezentacje firmowe

Polecane

Nowe produkty

Zobacz również