RFID schlägt Barcode

Die schweizerische Ferag AG setzt bei der Kennzeichnung der Shuttles im Skyfall-Fördersystem auf RFID-Technik. Das System ermöglicht nicht nur eine lückenlose Dokumentation der Abläufe, sondern liefert auch in Echtzeit die Daten zur Steuerung und Automatisierung des kompletten Materialflusses.

16. Juli 2019
RFID schlägt Barcode
Selbstklebende On-Metal RFID-Tags erlauben eine flache Kennzeichnung der Shuttles. (Bild: Balluff)

Barcodes sind zwar eine kostengünstige und vielseitig nutzbare Lösung, wenn Güter zu kennzeichnen und zweifelsfrei zu identifizieren sind. Das optische Erkennungsverfahren stößt jedoch schnell an seine Grenzen, wenn die Etiketten im Verlauf des Prozesses verschmutzen oder beschädigt werden und dann kaum oder gar nicht mehr abzulesen sind. Dies gilt auch für die ansonsten sehr fehlertoleranten 2D-Barcodes. Abhilfe kann hier der Einsatz von RFID (radio frequency identification) schaffen, wie die Ferag AG aus Hinwil im Züricher Oberland anhand einer speziellen Variante ihres Skyfall-Fördersystems für das Abfüllen, Sortieren und Verpacken von Silikon-Kartuschen erfolgreich zeigt. Das Schweizer Familienunternehmen, spezialisiert auf die Entwicklung und Herstellung von Förder- und Verarbeitungssystemen, setzt auf Industrial RFID-Technik von Balluff.

Das Fördersystem ist quasi ein Multitalent. Es überwindet in der Intralogistik längere Wegstrecken und Höhenunterschiede, verbindet oder entkoppelt Arbeitsstationen und integriert auf kleinstem Raum Abfüll-, Kommissionier- und Verpackungsfunktionen gleichzeitig.

Dabei nutzt das System auf intelligente Weise die Schwerkraft und bewegt sich auf Freifallstrecken ohne eigenen Antrieb. Dies spart Energie und reduziert die Anzahl der erforderlichen Antriebe. Dank einer zulässigen Linienführung mit Streckenradien von 500 mm und beachtlichen Neigungswinkeln von bis 6° benötigt die Anlage vergleichsweise wenig Raum und so bleibt dann auch vergleichsweise viel Platz am Boden für Freiflächen und die Abfüll- und Verpackungsanlage.

Mit Skyfall den Ausstoß verdoppeln

Dabei erfüllt die Anlage auch eine besondere Anforderung des Anwenders: den bisher bestehenden betriebsbedingten Flaschenhals zwischen Abfüllstation und Sammelpackern zu beseitigen. Erreicht wird dies indem Skyfall nicht nur für den Transport der Kartuschen sorgt, sondern auch als deren Zwischenspeicher arbeitet. »Auf diese Weise«, so Roberto Fenile, Development Manager bei Ferag, »können die voneinander abweichenden Geschwindigkeiten des Abfüll- und Verpackungsprozesses ausgeglichen und ein kontinuierlich hoher Ausstoß der Anlage gewährleistet werden. Im Vergleich zu einer früheren Lösung konnte so eine Verdoppelung der Produktionskapazität erreicht werden«.

Das Fördersystem arbeitet mit einer Leistung von 12.000 Kartuschen pro Stunde auch noch extrem schnell und zwar so flott, dass der staunende Betrachter den in der Anlage dahinsausenden Kartuschen kaum folgen kann. Herzstück der in Überkopfbauweise ausgeführten Anlage ist ein robustes Schienensystem mit dreidimensionaler Kinetik und Rollkörpern, den Shuttles.

Sie sind mit den Bausilikon-Kartuschen beladen, die sich nicht nur äußerlich, sondern auch in ihren Volumina unterscheiden. Zugeführt werden die leeren Kartuschen aus einem Vorratsbunker, um am Ende des Förder- und Sortierprozesses mit spezifischen Mengen an Bausilikon befüllt und einem Sammelpacker zugeführt zu werden.

Die zuverlässige Identifizierung jedes einzelnen Shuttles ist für den Prozessablauf ein absolutes Muss und so hatte sich Ferag für ein Identifikationsverfahren auf RFID-Basis entschieden. »Es arbeitet selbst dann noch zuverlässig, wenn die Datenträger durch Silikonreste verschmutzt sind«, unterstreicht Rolf Werner, Balluff Vertriebsingenieur.

Die Art des Transportguts ist bei Skyfall nicht auf die Kartuschen beschränkt, denn die Adapter der Shuttles lassen sich individuell konfigurieren und flexibel an die jeweilige Anwendung anpassen. Außerdem kann das modular aufgebaute System jederzeit bei Bedarf mit vorgegebenen Standardelementen wie Umlaufförderern, Steig- und Senkförderern, Be- und Entladestationen, Ein- und Auslaufweichen problemlos erweitert und an neue Gegebenheiten angepasst werden.

Mit hoher Taktrate sicher identifizieren

Die eingesetzte Industrial RFID-Lösung BIS M arbeitet mit einer Frequenz von 13,56 MHz. »Sie bedient nicht nur die besonders hohen Anforderungen hinsichtlich Taktrate und Robustheit, sondern kann auch in schwieriger metallischer Umgebung ihre Aufgabe zuverlässig erfüllen«, erläutert Rolf Werner die Besonderheiten des Systems. In Kombination mit passiven Datenträgern bietet die HF-Lösung mittlere Reichweiten von 20 mm. Damit eignet sich BIS M bestens für die Teileverfolgung im Nahbereich oder Anwendungen in der Produktionssteuerung oder zur Rückverfolgung im Qualitätsmanagement. Bei Ferag ermöglicht das System so nicht nur eine lückenlose Dokumentation der Abläufe, sondern liefert so auch in Echtzeit die Daten zur Steuerung und Automatisierung des kompletten Materialflusses einschließlich des Abfüll- und Verpackungsprozesses.

Art und momentaner Aufenthaltsort jeder einzelnen Kartusche sind während des gesamten Prozesses bekannt. Die Datenverwaltung erfolgt im zentralen Rechner der Anlage. Selbstklebende On-Metal RFID-Tags mit kompakten Abmessungen von 36 mm x 8 mm x 5 mm – ähnlich einem Typenschild – erlauben eine sehr flache Kennzeichnung der Shuttles.

Da die Datenträger eine fest im Speicher verankerte Seriennummer tragen, den sogenannten UID-Code (Unique Identification), können die Shuttles so jederzeit zweifelsfrei erkannt werden. Die Datenträger entsprechen der internationalen ISO-Norm 15693 und bieten auch auf metallischen Untergründen eine große Lesereichweite von 10 mm. Das war auch eine der wesentlichen Anforderungen von Ferag. Somit ist über den gesamten Materialfluss eine lückenlose Erfassung der Rollkörper gesichert.

Ausgelesen wird die UID von zylindrischen M16-Schreib-Leseköpfen des Industrial RFID-Systems BIS0140, die sich an allen relevanten Stellen der Transportstrecke, etwa an Weichen, befinden. Die Datenträger benötigen dabei keine eigene Stromversorgung, denn sie beziehen ihre Energie von den Schreib-/ Leseeinheiten. Batterien sind somit unnötig. Elektronik und Antenne sind im Tag integriert.

Die richtige Lösung finden

»Die große Kunst ist es, das richtige System und die optimale Kombination von Tag, Lesekopf und Controller auszuwählen. Kompetente Unterstützung bei der Auswahl bekamen wir vom Schweizer Balluff TecSupport in der Person von Herrn Willi Brändli«, so Roberto Fenile. »Die Größe des Datenträgers und die Geometrie des Schreib-/Lesekopfes spielen eine wichtige Rolle«, erläutert Willi Brändli.

Und er fährt fort: »Das generierte HF-Feld in der Applikation muss so groß sein, dass das Tag lange genug im Feld bleibt, um die Identität auch bei hoher Geschwindigkeit auslesen zu können. Gleichzeitig sollte es aber auch so klein sein, dass es beim Erfassungsprozess nicht zu Überlappungen mit dem folgenden Etikett kommt. Dafür braucht es viel Erfahrung«.

Und Roberto Fenile führt weiter aus: »Wir hatten zuerst versucht, die Lösung mit einem anderen RFID Anbieter zu realisieren, was aber unter diesen komplexen Anforderungen nicht gelang. Wir haben dann die Systeme verschiedener Hersteller verglichen und uns letztendlich für Balluff entschieden, weil das Unternehmen als Entwickler und Hersteller seine Produkte wie aus dem FF kennt und auch nicht davor zurückscheut, über die Standardprodukte aus dem Katalog hinaus auch mal kundenspezifische Varianten zu entwickeln«. Erfreulicherweise konnte die Lösung aber schon mit Standardkomponenten aus dem Balluff Programm ohne Wenn und Aber umgesetzt werden.

Clevere »All-in-One«-Lösung für Identifikation und Sensorik

Mit dem RFID-Controller BIS V ist in der Anlage eine »All-in-One«- Einheit verbaut, an die sich bis zu vier Schreib-/Leseköpfe anschließen lassen. Sie bietet in Kombination mit den Leseköpfen die erforderliche hohe Lese-Geschwindigkeit. Dank der vier Ports reduziert sich die Anzahl der erforderlichen Controller, was Ferag bares Geld spart. Der besondere Clou, es können Leseköpfe unterschiedlicher Technologie (LF, HF und UHF) angeschlossen werden, was in der Skyfall-Anlage derzeit aber keine Rolle spielt.

Die Inbetriebnahme des RFID-Systems und das Handling des Controllers sind per Plug & Play kinderleicht. Die Schreib-/Leseköpfe müssen lediglich frontseitig mit Steckverbindern an den Controller angeschlossen werden, um sofort automatisch erkannt zu werden.

Zwei LEDs an jedem Port signalisieren dem Anwender ihren Status und Betriebszustand. Da der Controller die Nutzung standardisierter Frequenzen unterstützt, steht einem globalen Einsatz der Ferag-Anlage nichts entgegen. Darüber hinaus ist der Kombi-Controller im kompakten Metallgehäuse für alle weltweit gängigen Bussysteme (Profibus, EtherCAT, CC-Link, Ethernet/IP und Profinet) verfügbar. Ferag setzt in der vorgestellten Anlage auf EtherCAT (Ethernet for Control Automation Technology). Das in IEC-Standard 61158 offengelegte Protokoll eignet sich für harte wie weiche Echtzeitanforderungen in der Automatisierungstechnik.

Ein USB-Anschluss am Controller dient als Service-Schnittstelle, z.B. für Softwareupdates und zur schnellen Inbetriebnahme ohne PLC bzw. Steuerung. Der »intelligente« Kombi-Controller hat darüber hinaus aber noch mehr zu bieten: Zusätzliche Sensorik oder Aktorik lässt sich ebenfalls an der RFID-Auswerteeinheit anschließen. Letzteres wird über eine integrierte IO-Link-Master-Funktionalität realisiert. Damit ist es möglich, neben der Identifikation von Objekten auch weitere Prozessinformationen über den Controller zu ermitteln, z.B. die Signale von Trigger-Lichtschranken, von induktiven oder kapazitiven Näherungsschaltern sowie von Distanz- oder Vision-Sensoren mit IO-Link-Schnittstelle. Auch wenn es derzeit dafür noch keinen Bedarf gibt, so ist die Anlage damit auch für kommende Herausforderungen gut gerüstet.