Was Sie über Einsatz, Funktion, Vorteile und die Wahl der für Sie passenden RFID-Systeme wissen müssen. Lesen Sie außerdem Fachkenntnisse über RFID-Reader, Transponder und Antennen.

Was ist RFID und wie funktioniert es?

RFID steht für „Radio Frequency Identification“ – die kontaktlose Identifikation von Objekten und Lebewesen mittels Radio- bzw. Funkwellen. Grundsätzlich gibt es weltweit drei relevante RFID-Frequenzbereiche und die dazugehörigen Standards:

• LF RFID 125 KHz
• HF RFID 13,56 MHz
• UHF RFID 865 – 928 MHz

Eine RFID-Lesestelle besteht im Wesentlichen aus drei Komponenten:

• einem RFID-Transponder am zu erfassenden Objekt mit integrierter Antenne und RFID-Speicherchip, auf dem die jeweiligen Daten geschrieben bzw. gelesen werden können.
• einer RFID-Antenne, die das elektromagnetische Funkfeld für die Energie- und Datenübertragung erzeugt.
• einem RFID-Schreib-/Lesegerät, dem sogenannten RFID-Reader, mit dem digitale Daten auf dem RFID-Chip des Transponders entweder nur gelesen bzw. auch geschrieben werden können. Intelligente RFID Reader können zusätzlich die Daten filtern und an übergeordnete IT-Systeme weiterleiten.

Sobald der RFID-Transponder innerhalb der Reichweite eines Lesegerätes ist, baut der RFID Reader mit seiner(n) internen oder auch externen Antenne(n) ein elektromagnetisches Feld auf, das den RFID-Transponder mit Energie versorgt und aktiviert, sodass Daten drahtlos und bidirektional übertragen werden können.

 

RFID ist eine der Basistechnologien für die Digitalisierung von Material- und Produktionsflussprozessen, für die Erfassung von Fahrzeugen in Mautsystemen, Steuerung von Zugangssystemen in Parkhäusern oder als elektronisches Typenschild an Maschinen und Anlagen. Durch eine intelligente Konzeption ermöglicht RFID eine vollautomatische Datengenerierung, was zu einer Steigerung der Effizienz, einer Minimierung von Fehlern und einer Kostenersparnis führt.

Folgende Anwendungsbeispiele sind industrie- und branchenunabhängig anwendbar. Die genannten Beispielszenarien zeigen anschaulich, welche RFID-Potenziale erschlossen werden können.

Intralogistik und Supply Chain Management

Sowohl im internen wie im externen Materialfluss schafft die RFID-Technologie Transparenz in Bezug auf Waren, Assets und Rohstoffe sowie ihren Weg in Lieferketten – vom Lager bis in die Produktion, vom Versender bis zum Kunden. Zudem gewährleistet die Warenidentifikation per RFID eine lückenlose Rückverfolgbarkeit. Auch als Fahrerassistenzsystem auf Staplerfahrzeugen kommen RFID-Systeme zum Einsatz.

RFID-Ladungsträger-Management

 

Folgende Ladungsträgerinformationen sind für ein effizientes und transparentes, digitalisiertes Ladungsträger-Management zwingend erforderlich:

• Anzahl der Ladungsträger insgesamt
• Position der Ladungsträger
• Status der Ladungsträger: voll, leer, defekt, im Service, u. a.
• Verfügbarkeit der Ladungsträger

Welche Ladungsträger können mittels RFID lückenlos und transparent getrackt werden? Im Prinzip jeder Ladungsträger, wenn in Abhängigkeit der von außen einwirkenden Umweltbedingungen ein geeigneter RFID-Transponder gewählt wurde, der thermischen, chemischen oder mechanischen Beanspruchungen standhält.

Die mit RFID gekennzeichneten Ladungsträger wie Europaletten, Kleinladungsträger KLT, Galvanik- oder Pulverbeschichtungsgestelle werden mittels entsprechender RFID-Lesestellen in Logistik oder Produktion zonenweise erfassbar. Die zu generierenden Daten bestimmen dann die zonengenaue Position der RFID-Lesestellen – z. B. Leergutlagerein- und -ausgang, Übergang von Produktion ins Lager, Bereitstellung vor oder nach einer Produktionslinie oder von bestimmten Prozessschritten.

Die Erfassungspunkte der Ladungsträger generieren nicht nur Ortsinformationen, sondern geben Rückschluss auf den Status des Ladungsträgers wie befüllt, geleert, verfügbar oder gesperrt. Auch werden Historiendaten generiert wie beispielsweise die Anzahl von Durchläufen eines Ladungsträger, um diese rechtzeitig einer Revision zuzuführen.

Bestandsmanagement und Lokalisierung

Die RFID-Technologie eignet sich, um Waren automatisch zu erfassen – auch ohne direkten Sichtkontakt. Die Assets können einzeln oder auch im Pulk auf einer Palette oder in einem anderen Gebinde erfasst und verwaltet werden. Dadurch verbessert sich die Bestandsgenauigkeit, der Inventuraufwand wird geringer. Als Objektkennzeichnung tragen RFID-Transponder in Echtzeit-Lokalisierungssystemen wie dem RTLS (Real-Time Location System) von Kathrein Solutions zu Transparenz im produktionsnahen und intralogistischen Materialfluss und dem Asset Management bei.

Lesen Sie hier mehr zum Kathrein Solutions RTLS-System oder lesen Sie unseren RTLS Ratgeber.

 

RFID-eKanBan

Folgende Potenziale bietet eKanBan beim Einsatz RFID-gekennzeichneter Behälter:

• Verfügbarkeit von C-Teilen an Produktionslinien oder Produktionsinseln
• Automatischer Nachschub bzw. Replenishment
• Bestandssicherheit mittels automatischer Materialflussbuchungen
• Arbeitszeitersparnis durch automatische Materialfluss- bzw. Behälterbuchungen

Die mit RFID gekennzeichneten, digitalisierten Behälter transportieren physische Einheiten und Daten. Diese sind im RFID-Transponder gespeichert und/oder können mit der RFID-Behälter-ID im führenden System mit Informationen wie Artikelnummer, Chargennummer, Produktionsdaten oder Zielkoordinaten verheiratet werden.
Die Daten werden von RFID-Erfassungspunkten generiert, um Einlagerungen in C-Teileregalen automatisch zu buchen und zu plausibilieren.
Der automatische Anstoß des Nachschubs erfolgt durch die RFID-Erfassung bzw. Detektion der Entnahme leerer Behälter aus dem C-Teileregal. Die RFID-ID des Behälters gibt Auskunft über die nachzuliefernde Artikelnummer.
Vorteile des RFID eKanBan:

• Einsparung der Mitarbeiterzeit für Nachschubbuchungen
• Fehlerminimierung durch automatische, korrekte RFID-Teilenummererfassungen
• Zeitgerechter Anstoß des Nachschubprozesses: “Regal bestellt selber nach”
• Bestandsminimierung aufgrund präziser Mengenerfassung
• Echtzeit-Erfassung des Verbrauchs am Produktionsband
• Verringerung des gebundenen Kapitals durch geringere Pufferbestände

Lesen Sie hier die eKanBan Success Story.

Produktionssteuerung, Handhabungs- und Montagetechnik

RFID-Systeme werden in der Fertigung eingesetzt, um die Verfolgung von Rohstoffen, Teilen und Baugruppen sowie die Steuerung von Produktionsprozessen zu automatisieren. In Montageanlagen ermöglicht RFID eine automatisierte Handhabung und Zielsteuerung von Behältern. In Werkzeugmaschinen werden Werkzeuge per RFID-Chip gekennzeichnet und automatisch passend zum Bearbeitungsauftrag eingesetzt.

RFID-Produktionsstatus- und Materialflussbuchungen in der Produktion

RFID-gekennzeichnete Fertigteile, Halbfertigteile oder Rohstoffe melden sich automatisch an Fertigungsstufen bzw. Fertigungsmaschinen an. RFID-Erfassungspunkte scannen automatisch angeliefertes Material, Fertig- oder Halbfertigteile oder auch Behälter mit entsprechendem Schüttgut oder Kleinteilen.
Die vom RFID-System erfassten Daten werden einer gründlichen Plausibilitätsprüfung unterzogen. Diese Überprüfung gewährleistet beispielsweise, dass das richtige Material für den anstehenden Produktionsauftrag bereitsteht. Zudem wird sichergestellt, dass die korrekte Fertigungsstufe erreicht ist und keine Schritte im Produktionsprozess ausgelassen wurden. Außerdem wird überprüft, ob das gelieferte Teil oder Material die Qualitätsprüfung erfolgreich durchlaufen hat und die entsprechende Freigabe erhalten hat.
Die Materialfluss- und Auftragsstatusbuchung erfolgt nach positiver Plausibilisierung automatisch. Der beschriebene Prozess wiederholt sich pro Fertigungsstufe.

Zutrittskontrolle und Ticketing

Die RFID-Technologie kann zur Zugangskontrolle für Gebäude, als Ausfahrkontrolle von bewirtschafteten oder reservierten Parkflächen sowie als elektronisches Bezahlticket für Anwendungen der unterschiedlichsten Art eingesetzt werden.

RFID als eine der global führenden Technologien für Erfassung von Fahrzeugen in Maut und Parksystemen

RFID UHF Systeme nach dem ISO 18000-6b und 6c Standard bilden den technischen Rahmen für nahezu 60% aller weltweiten Mautsysteme. Mittels passiver RFID Transponder, die innen an der Fahrzeug Frontscheibe bzw. als sog. Head Lamp Tags außen an einem Motorrad Schweinwerfer angebracht werden, lassen sich mit in die Straßeninfrastruktur integrierten Lesestationen Fahrzeuge mit Geschwindigkeiten von bis zu 200 km/h sicher und schnell erfassen.

Integrierte Zahlungssysteme erlauben eine sichere Transaktion der Mautgebühren, spezielle RFID Chips mit AES 128 Bit Verschlüsselung verhindern Manipulationen des Systemes.

RFID Reader mit integrierten 4G/5G Interfaces lassen sich zudem kostengünstig in bestehende Energie-Infrastruktur einbinden und ermöglichen schnelle Implementierungszeiten.

Je nach integriertem UHF RFID-Chip können unterschiedliche Datenmengen auf unterschiedlichen Speicherbereichen der RFID-Transponder gespeichert werden. Die Speicherkapazitäten von RFID-Transpondern hängen vom verwendeten Transponderchiptyp ab.

Bei der Wahl der Transponder sind unbedingt die Speicheranforderungen zu beachten, welche die geplante Applikation benötigt. Dies erfolgt üblicherweise im Rahmen einer RFID-Machbarkeitsstudie (RFID-Proof-of-Concept).

Mehr Informationen zum RFID-Proof-of-Concept

TID Memory (TID-Speicherbereich):
Alle RAIN RFID UHF-Transponder verfügen auch über einen sog. TID Speicherbereich (Tag unique ID), der nur gelesen werden kann und spezielle Herstellerinformationen über den Typ des Transponder enthält. Der TID Speicher ist meist nur 32bit groß.

Grundsätzliche Unterscheidungsmerkmale von RFID-Transpondern sind die Art des Kommunikationsstandards (LF, HF, UHF) sowie die Auslegung der Bauform des Transponders – also der Verpackung der RFID-Antenne und des RFID Transponderchips im Transpondergehäuse.

Es existieren zwei Grundtypen von RFID-Transpondern – aktive und passive. Aktive RFID-Transponder besitzen eine eigene Stromquelle, wie zum Beispiel eine eingebaute Batterie. Passive RFID-Transponder hingegen ziehen ihre Energie für die Datenübertragung ausschließlich aus dem elektromagnetischen Feld des RFID-Lese bzw. Schreibgeräts.

Aktive RFID-Transponder

Aktive Transponder benötigen keine Induzierung von Energie durch Radiowellen, denn sie verfügen über eine eigene Energieversorgung – in der Regel in Form einer integrierten Batterie. Dies ermöglicht es, Daten über große RFID-Reichweiten bis zu 100 Meter zu übertragen – in mancher Applikation ein entscheidendes Kriterium.

BAUFORMEN VON RFID-TRANSPONDERN

Ausgehend von einem grundsätzlich gleichen Innenleben von RFID-Transpondern mit Chip, Antenne und ggf. Batterie unterscheiden sich diese elektronischen Datenträger in der Art ihrer Verpackung – und damit der mechanischen, thermischen und chemischen Widerstandsfähigkeit.

RFID Hardtags (robustes Gehäuse)

In vielen, insbesondere industriellen und logistischen Anwendungen werden RFID-Chip und Antenne in robusten Kunststoff- oder Metallgehäusen unterschiedlichster Art und Größe integriert und/oder vergossen, um durch ein Höchstmaß an mechanischer, thermischer und chemischer Belastungsfähigkeit möglichst lange Standzeiten des RFID-Tags zu gewährleisten. Diese Bauform wird im Allgemeinen auch als RFID-Hart-Tag bezeichnet.

RFID- Windshield Transponder

Speziell für den Einsatz im Bereich der Mauterfassung gibt es sog. Windschutzscheiben Transponder, die für die Befestigung innen an einer Fahrzeug-Frontscheibe / Windschutzscheibe optimiert sind. Mit geeigneter Leseinfrastruktur lassen sich hier Lesereichweiten von bis zu 20 Meter erreichen.

Für diese Art der Transponder-Etiketten sind zusätzlich viele Sicherheitsfunktionen (Tamper Evident / Tamper Proofed) möglich. Diese reichen von sog. Pre-Cuts an den Enden des Etiketts bis hin zu Hologramm Einlagen oder Fragile Antennen Strukturen, die eine definierte Zerstörung beim Ablösen hervorrufen.

Hauptbestandteil eines RFID-Lesepunktes ist das RFID-Schreib-/Lesegerät, welches meist als RFID-Reader bezeichnet wird.

Der RFID-Reader erzeugt mittels einer RFID-Antenne ein elektromagnetisches Feld. Die elektromagnetischen Wellen werden von der Antenne des RFID-Transponder empfangen. Die dabei induzierte elektrische Energie wird an den RFID-Chip des Transponders weitergeleitet. Der Transponder ist dadurch in der Lage, seine Daten über die RFID-Transponderantenne an die Antenne des RFID-Readers zu senden. Protokolle, welche auf dem RFID-Reader im Betriebssystem eingebettet sind, regeln auf der sogenannten RFID-Luftschnittstelle den Datenaustausch, um den RFID-Transponder auszulesen oder zu beschreiben.

Anwendern stehen sowohl mobile RFID-Lesegeräte als auch stationäre RFID-Lesegeräte zur Verfügung. Je nach Art der Anwendung empfehlen sich entsprechend der abzubildenden Prozesse wahlweise mobile oder stationäre RFID-Lesesysteme (RFID-Reader).

Hohe RFID-Leseperformance durch Multiport-RFID-Reader

Jede RFID-Reader-Variante bietet spezifische Eigenschaften. Multiport-RFID-Reader werden eingesetzt, wenn schwierige RFID-Lesebedingungen gegeben sind bzw. wenn eine hohe Anzahl von RFID Transpondern gelesen werden muss. Hier nutzt man die Möglichkeit, durch den Einsatz von mehreren RFID-Antennen pro RFID-Reader die zu erfassenden RFID-Transponder zeitlich versetzt aus verschiedenen Winkeln mit elektromagnetischen Wellen zu erreichen, um den Transponder mit Energie zu versorgen und den Leseprozess zu starten. Intelligente RFID Antennen verfügen zudem über die Möglichkeit, unterschiedliche Antennenpolarisationen zu nutzen und somit ebenfalls die Leserate in schwierigen Umgebungen zu erhöhen. Das Umschalten der Polarisation erfolgt mittels Steuersignal auf der Antennenleitung. Mehrfache Antennenkombinationen werden in erste Linie im Bereich der Logistik eingesetzt, um z.B. die Buchung von Lade- und Verladeprozesse mittels RFID zu automatisieren.

RFID-Frequenzen

RFID-Systeme unterscheiden sich in ihren Sendefrequenzen. Eingeteilt werden sie in folgende Frequenzbereiche:

• LF (Low Frequency, 125 kHz)
• HF (High Frequency, 13,56 MHz)
• UHF (Ultra High Frequency, 865 MHz bis 928 MHz)

RFID im LF-Band

Bei RFID-Systemen im LF-Band erfolgt der Datenaustausch im 125KHz-Frequenzbereich. Die weltweiten Standards lauten ISO/IEC 11784/85. Charakteristisch für LF RFID sind die sehr geringe Leserweichweite von wenigen Zentimetern, die sehr gute Durchdringung von Gewebe und Feuchtigkeit und die hohen Speichergrößen in den Transpondern von bis zu 2048 Bit. Im LF Bereich ist das sog. Pulklesen von mehreren Transpondern mit einer Lesestelle nicht möglich. Die LF-RFID-Technologie ist im Anwendungsfeld der Tieridentifikation, der Abfallwirtschaft und im Bereich Automotive für die Anwendung Keyless Entry sehr verbreitet.

RFID im HF-Band

RFID Systeme sind auch im HF Frequenzbereich bei 13,56 MHz zu finden, die weltweiten Standards hierfür sind ISO/IEC 14443 und ISO/IEC 15693. HF RFID Systeme haben eine sehr weite Verbreitung in vielen unterschiedlichen Anwendungen. Der größte Anteil fällt hier auf das sog. NFC NearField Communication System in mobilen Endgeräten. Weitere Felder sind die Bereiche Automastisierungstechnik zu Erfassung von Werkstückträgern bzw. Werkzeugen. Die Lesereichweite bei HF Systemen kann bis zu 70 cm betragen, eine Pulklesung ist bei HF Systemen der neueren Generation mittlerweile möglich.

RFID im UHF-Band

Die neueste RFID Technologie arbeitet je nach Weltregionen im UHF Frequenzbereich zwischen 865 – 928 MHz. Der globale Kommunikationsstandard ist in der ISO 18000-6C / EPC Gen2 V2 festgelegt und lässt eine weltweite Interoperabilität zu. RFID UHF weist einige herausragende technische Möglichkeiten auf: so können passive UHF RFID Transponder über große Reichweiten von bis zu 20 Metern erfasst werden, in Pulkanwendungen können bis zu 500 Transponder pro Sekunde gelesen werden und auf Autobahnen mit Geschwindigkeiten von bis zu 200 km/h sicher erfasst werden. Die UHF Technologie findet breite Anwendung im den Bereichen Logistik und Retail sowie auch vermehrt in den Bereichen Fahrzeugerfassung und Mautsysteme. Im Gesundheitsbereich wird RFID UHF zur Überwachung von sterilen Kleidungsstücken oder der Lokalisierung von speziellen mobilen Geräten und Anlagen im Innenbereich verwendet. Speziell für sicherheitsrelevante Anwendungen sind Transponder und Reader mit hohen Verschlüsselungs-Algorithmen auf der Luftschnittstelle verfügbar.

RFID: Einheitlichkeit durch Normen und Standards

Die RFID-Technologie unterliegt einer Reihe von Normen, die eine weltweite und herstellerübergreifende Kompatibilität und Interoperabilität von RFID-Systemen gewährleisten.

• IEC 18000
  Diese Normenreihe beschreibt verschiedene RFID-Technologien und -Protokolle für die drahtlose Kommunikation zwischen Transpondern und Readern.
• ISO/IEC 15693
  Diese Norm beschreibt ein HF-RFID-System für die Identifikation von Gegenständen auf kurze Distanzen.
• ISO/IEC 14443
  Diese Norm befasst sich mit kontaktlosen RFID-Transpondern und RFID-Lesegeräten, die für den drahtlosen Datenaustausch über kurze Distanzen eingesetzt werden.
• GS1
  GS1 ist ein Netzwerk von Not-for-Profit-Organisationen, die weltweit Standards für unternehmensübergreifende Prozesse entwickeln, aushandeln und pflegen.
• EPCglobal
  EPCglobal ist ein industrielles Konsortium, das sich auf die Entwicklung von Standards für die Verwendung von Electronic Product Code (EPC) konzentriert. Der EPC (Electronic Product Code) ist ein weltweit eindeutiger Identifikationsschlüssel, mit dessen Hilfe Objekte eindeutig gekennzeichnet werden können. Er besteht stets aus der GS1 Basisnummer, einem Objekttyp sowie einer Seriennummer.

Normen für spezielle Anwendungen
Für eine Reihe von Anwendungen der RFID-Technologie sind zudem spezielle Normen zu beachten, beispielsweise der weltweiten IATA-Standards RP1740C für die Identifikation von Fluggepäck, VDA 5500 für den RFID-Einsatz in der Automobilindustrie, ISO 10374 für die Container-Identifikation im Logistikbereich oder die ISO-Norm 11784 für die Kennzeichnung und Identifikation von Nutztieren.