Industrielle Rückverfolgbarkeit: Technologie und Anwendungen

Was ist Rückverfolgbarkeit?

Rückverfolgbarkeit bedeutet, die Herkunft, die Verwendung, den Einsatz und den Standort eines Objekts oder seiner Eigenschaften anhand erfasster Identifikationsdaten nachvollziehen zu können.

Welche Funktionen erfüllt die industrielle Rückverfolgbarkeit?

In der Industrie kann eine schlecht organisierte Verwaltung von Betriebsmitteln (Werkzeugverfolgung, Ersatzteile, Behälter usw.) zu erheblichen Produktivitätsverlusten führen: Suche nach verlorenen Betriebsmitteln, Zeitaufwand für Inventuren, unzureichende Wartungsüberwachung usw.

Lösungen zur Rückverfolgbarkeit in der Fertigung tragen dazu bei, die Qualität, Sicherheit und Konformität industrieller Produkte entlang der gesamten Produktions- und Lieferkette zu gewährleisten. Die Rückverfolgbarkeit ermöglicht es außerdem, Produktions- und Wartungsprozesse zu optimieren.

Die wichtigsten Ziele der industriellen Rückverfolgbarkeit sind:

• Qualität sichern: Moderne Rückverfolgbarkeitslösungen ermöglichen es, die Historie jedes Werkzeugs und Produkts zu verfolgen. Das erleichtert die Erkennung von Qualitätsproblemen und die Umsetzung geeigneter Korrekturmaßnahmen
• Bestandsmanagement verbessern: Die Echtzeit-Kenntnis der Werkzeugverfügbarkeit erleichtert die Lagerverwaltung und ermöglicht eine bessere Planung von Einkäufen und Ersatzbeschaffungen
• Kosten senken: Die Überwachung der Werkzeughistorie ermöglicht die Planung von Wartungs- und Reparaturarbeiten und steigert so die betriebliche Effizienz
• Sicherheit erhöhen: Die Rückverfolgbarkeit stellt sicher, dass die verwendeten Werkzeuge den geltenden Sicherheitsnormen entsprechen, und verringert Werkzeugverluste, wodurch betriebliche Risiken minimiert werden

Zusammenfassend ist die Rückverfolgbarkeit von Werkzeugen in einem Produktionswerk ein entscheidender Faktor für Produktqualität und -sicherheit und optimiert zugleich die Lagerverwaltung sowie Produktions- und Wartungsabläufe.

Technologie als Antwort

Die Einführung industrieller Rückverfolgbarkeitssysteme erfordert häufig den Einsatz fortschrittlicher Technologien. Heute stehen mehrere Technologien zur Verfügung, mit denen Hersteller Produkte, Materialien und Werkzeuge während des gesamten Produktionsprozesses verfolgen können.

Gedruckte Symbole wie Barcodes, Data-Matrix- oder QR-Codes können gescannt werden, um Produktinformationen abzurufen. Sie werden in der Industrie häufig zur Rückverfolgbarkeit eingesetzt, bieten jedoch keinen Echtzeit-Überblick. Diese kostengünstige Technologie hat zwei große Nachteile: Sie kann nicht viele Objekte gleichzeitig erfassen, und die Etiketten nutzen sich leicht ab. Daher ist sie für die meisten Anforderungen an die Rückverfolgbarkeit im industriellen Umfeld ungeeignet.

Optische Systeme basieren auf Bilderkennung. Kameras nehmen Bilder der Produkte auf und können so deren Standort verfolgen. Diese Lösung ist relativ flexibel und ermöglicht eine Überwachung in Echtzeit. Sie erlaubt jedoch keine eindeutige Identifizierung und bleibt kostspielig. Zudem unterliegt sie technischen Einschränkungen in Bezug auf Beleuchtung und Blickwinkel der Kameras.

Das Global Positioning System (GPS) ist eine Ortungstechnologie, mit der Objekte während des Transports verfolgt werden können. Auch sie ermöglicht eine präzise Echtzeitverfolgung, setzt aber voraus, dass jeder GPS-Chip über eine Batterie oder Stromquelle verfügt. Außerdem sind GPS-basierte Rückverfolgbarkeitssysteme anfällig für Störungen des GPS-Signals, was Sicherheitsrisiken birgt.

RFID (Radio Frequency Identification) nutzt elektronische Chips, die mit Objekten verbunden sind und von RFID-Lesegeräten berührungslos ausgelesen werden können. Das RFID-System wird durch die Übertragung elektromagnetischer Energie zwischen einem Funketikett (auch Transponder genannt) und einem RFID-Sender (dem RFID-Lesegerät) aktiviert. Das Funketikett besteht aus einem elektronischen Chip und einer Antenne und empfängt das vom Lesegerät gesendete Funksignal. Die Komponenten können Signale sowohl lesen als auch beantworten. Mit dieser innovativen IoT-Lösung lassen sich zahlreiche Objekte gleichzeitig erfassen, und sie bietet eine hohe Genauigkeit, da jedes Objekt mit einem eigenen, eindeutigen Chip verbunden ist. RFID ist als industrielle IoT-Lösung in besonders anspruchsvollen Branchen wie Verteidigung, Luftfahrt, Transport, Gesundheitswesen und Energie weit verbreitet.

Damit ein RFID-System Anlagegüter zuverlässig verfolgen kann, muss es alle folgenden Komponenten umfassen:

• Ein Lesegerät: ein Sende-Empfangsgerät mit einem Decoder zur Interpretation der Daten.
• Ein Transponder (oder Tag): das RFID-Etikett, das mit bestimmten Informationen programmiert wurde.
• Eine Antenne: Sie sendet ein Signal vom Lesegerät aus und empfängt die Antwort eines oder mehrerer Transponder.

Diese Technologie gibt es in drei Varianten:

• Passive RFID: Passive RFID funktioniert im reinen Lesemodus, da der Chip keine Batterie besitzt und dem Lesegerät vorgehalten werden muss, um gelesen zu werden. Dabei wird ein starkes elektromagnetisches Signal an ihn gesendet, das den RFID-Chip aktiviert und das Auslesen der gespeicherten Informationen ermöglicht.
• Aktive RFID: Aktive RFID arbeitet mit einer Energiequelle (z. B. einer kleinen Zelle oder Batterie), sodass die Karte aus größerer Entfernung gelesen werden kann. Diese Technik wird vor allem für die Fahrzeugverfolgung oder die Rückverfolgbarkeit in der Logistik eingesetzt.
• Semi-passive RFID: Wie aktive RFID wird auch semi-passive RFID von einer Energiequelle gespeist. Die Batterie versorgt den RFID-Chip jedoch nur in regelmäßigen Abständen. Er sendet kein Signal aus. Diese Technologie eignet sich für die Rückverfolgbarkeit von Lebensmitteln, insbesondere zur Aufzeichnung von Temperaturschwankungen während des Transports.

Die Frequenz ist die Eigenschaft, über die die Kommunikation zwischen Chip und Antenne hergestellt wird. Chips unterscheiden sich vor allem durch ihre Betriebsfrequenz und ihre Lesereichweite.

Für RFID-Chips werden drei Frequenzbereiche verwendet:

• Niederfrequenz (125 kHz) (LF)
• Hochfrequenz (13,56 MHz) (HF)
• Ultrahochfrequenz (UHF).

LF/HF eignet sich bevorzugt für Anwendungen, bei denen große Datenmengen gezielt auf kurze Distanz gelesen und geschrieben werden. UHF ist am besten für das Lesen und Schreiben über große Entfernungen geeignet.

Vernetzte Objekte und das Internet der Dinge

Das Internet der Dinge (IoT) ist ein technologisches Konzept, bei dem physische Objekte mit dem Internet verbunden werden, um Daten über diese Objekte und ihre Nutzung zu erzeugen.
Das Grundprinzip des IoT besteht darin, physische Objekte mit Systemen auszustatten, die es ihnen ermöglichen, über standardisierte Kommunikationsprotokolle wie WLAN, Bluetooth, NFC, UHF usw. online zu „kommunizieren“.

Diese Objekte werden dadurch „vernetzt“. Sie senden zahlreiche Daten, mit denen sich der Zustand des Objekts überwachen, Informationen über seinen Standort und seine Umgebung liefern oder unter bestimmten Bedingungen Aktionen auslösen lassen. Diese Daten können anschließend gesammelt und analysiert werden, etwa zur Optimierung, Prognose, Personalisierung und Verbesserung.

IoT-Plattformlösungen

Mit der Verbreitung vernetzter Objekte entsteht die Notwendigkeit, die erfassten Informationen zu integrieren und zu bündeln. Genau das ist die Aufgabe der IoT-Plattform.

Eine IoT-Plattform ist eine Gesamtheit aus Software und Diensten, mit der sich Objekte verwalten und mit dem Internet verbinden lassen. Diese Plattformen sollen die Bereitstellung und Verwaltung vernetzter Objekte erleichtern.

Sie bieten Funktionen zur Erfassung, Analyse und Visualisierung der von diesen Objekten erzeugten Daten in Echtzeit.
Sie bieten einen hohen Mehrwert, da sie es den nutzenden Unternehmen ermöglichen, Prozesse zu automatisieren, Abläufe zu optimieren und die für Entscheidungen erforderlichen Daten zu nutzen.

Es gibt drei Haupttypen von IoT-Plattformlösungen: Cloud-Plattformen, Entwicklungsplattformen und Standardplattformen.
Cloud-Plattformen sind offen und bieten Funktionsbausteine, auf deren Grundlage der Nutzer mit Unterstützung eines Entwicklers vollständige Funktionen erstellen kann.

Entwicklungsplattformen für vernetzte Objekte ermöglichen es technischen Integratoren, schnell industrielle IoT-Lösungen zu entwickeln.

Standard-IoT-Plattformen, die von Produktanbietern angeboten werden, stellen dem Betriebspersonal schlüsselfertige Systeme zur Verfügung, die einfach einzurichten sind, sich aber mitunter als schwer anpassbar und unflexibel erweisen. Sie lassen sich jedoch durch Plug-ins an einen Endkunden mit besonderen Anforderungen anpassen.

Quellen

1. A systematic review of RFID applications and diffusion: key areas and public policy issues – Journal of Open Innovation: Technology, Market, and Complexity – 2015
2. Who will win the IoT Platform Wars? – BCG – Juni 2017
   https://www.bcg.com/publications/2017/technology-industries-technology-digital-who-will-win-the-iot-platform-wars
3. Les technologies RFID – Techno Sans Frontière – Januar/Februar 2015
4. The current state of RFID – Teknologisk Institute – 2016
5. Winning in IoP: It’s all about the business processes – BCG – Januar 2017
   https://www.bcg.com/publications/2017/hardware-software-energy-environment-winning-in-iot-all-about-winning-processes