Specifikace a využívání RFID pro sledování majetku IIoT

Sledování majetku a řízení dodavatelského řetězce jsou důležité činnosti v celé řadě aplikací průmyslového internetu věcí („Industrial Internet of Things“, IIoT), včetně výrobních závodů, logistických a distribučních center, datových center, nemocnic a zdravotní péče, zemědělství, stavebnictví a dopravy. Stanovení systému sledování majetku pomocí pasivní radiofrekvenční identifikace (RFID) je složité. Cenná aktiva mohou být během přepravy a skladování vystavena různým nekontrolovaným podmínkám včetně otřesů a vibrací nebo horkého, mrazivého a vlhkého prostředí, přičemž je třeba vzít v úvahu různé standardy RFID specifické pro aplikace.

Konstruktéři potřebují odolné a spolehlivé tagy, které vydrží drsné podmínky průmyslového, stavebního a výrobního prostředí a které jsou k dispozici v různých standardních velikostech a čtecích rozsazích, aby vyhovovaly potřebám konkrétních typů a tříd aktiv. V tomto článku je stručně popsána pasivní technologie RFID a několik průmyslových standardů souvisejících s RFID tagy a daty. Poté jsou zde představeny RFID tagy, čtečky a systémová řešení od společností Molex, Murata Electronics a ThingMagic.

Pasivní RFID tag se skládá z antény a integrovaného obvodu, který obsahuje analogový front-end (F/E) s modulátorem, demodulátorem, jednotkou získávání RF energie, řídicí jednotkou s kodérem/dekodérem, řídicí elektronikou, hodinami a pamětí (obrázek 1). Pasivní RFID tagy nevyužívají baterie. U většiny pasivních RFID tagů lze paměť přepsat a RFID tagy si mohou vyměňovat mnohem větší množství dat než alternativy, jako jsou čárové kódy.

Obrázek 1: Pasivní RFID tag se skládá z antény a integrovaného obvodu, který obsahuje analogový front-end (F/E), řídicí jednotku a paměť. (Zdroj obrázku: společnost Murata)

Pasivní ultra-vysokofrekvenční (UHF) RFID tagy lze číst na vzdálenost až několika metrů a lze číst také více tagů najednou. Na rozdíl od čárových kódů využívá RFID bezdrátovou komunikaci a tagy lze číst z vnější strany obalových krabic, aniž by bylo nutné je otevírat (obrázek 2). RFID tagy nejsou navíc citlivé na nečistoty, vlhkost, vibrace ani další faktory prostředí, které mohou narušovat používání čárových kódů. Dodávají se v různých formátech navržených pro konkrétní aplikace. Některé tagy jsou navrženy k vyhledávání a sledování kovových předmětů a kovový povrch používají jako pomocnou anténu ke zvýšení provozního dosahu. Pro pasivní RFID tagy byly vyvinuty různé standardy komunikace a formátu dat.

Obrázek 2: RFID tagy lze číst na vzdálenost až několika metrů. V některých provedeních lze číst více tagů současně a tagy lze číst skrz krabice a jiné obaly. (Zdroj obrázku: společnost Murata)

Technologie RAIN RFID

Aliance RAIN RFID podporuje používání protokolu ISO/IEC 18000-63 GS1 UHF Gen2. Technologie RAIN („RAdio frequency IdentificatioN“) je navržena tak, aby propojovala UHF RFID tagy a cloud. Umožňuje ukládat, spravovat a sdílet RFID data pomocí internetu. Systém využívající řešení RAIN má RFID tag, čtečku a software, který může poskytnout propojení s místní sítí a odtud do cloudu (obrázek 3). Aliance RAIN je postavena na systému číslování ISO pro zjednodušení kódování pomocí firemních identifikačních čísel („company identification number“, CIN). Systém číslování založený na ISO je navržen tak, aby podporoval bezkolizní identifikaci RAIN RFID tagů. Jeho cílem je poskytnout nerušenou alternativu k existujícím proprietárním nebo dodavatelem definovaným datovým formátům.

Obrázek 3: Technologie RAIN RFID je regulována jediným globálním standardem nazvaným EPC UHF Gen2v2 nebo ISO/IEC 18000-63. (Zdroj obrázku: organizace RAIN Alliance)

Elektronické produktové kódy a RFID

Elektronický produktový kód („electronic product code“, EPC) Gen 2v2 používaný technologií RAIN je standard protokolu vzduchového rozhraní pro pasivní UHF RFID tagy. Standard EPC Gen 2v2 obsahuje funkce pro zlepšení zabezpečení, zabránění padělání a zvýšení soukromí tím, že umožňuje ověřování tagů a čteček. Paměť tagu Gen 2v2 může být rozdělena do více souborů a vyhovující tagy lze použít pro elektronickou ochranu zboží („electronic article surveillance“, EAS).

Norma EPC byla vyvinuta společností EPCglobal a byla schválena a přijata jako norma ISO 18000-6C. Kromě stanovení standardu pro to, jak tagy a čtečky komunikují, sada standardů spojených s EPC určuje, jak se data EPC sdílejí mezi různými uživateli. EPC je univerzální identifikátor pro fyzické objekty. Vzhledem k tomu, že se v RFID tagách široce používá, datový standard EPC tagů zahrnuje navíc ke standardu EPC požadavky na data, která mohou být v tagu RFID Gen 2 uložena. I když se EPC a RFID tagy významně překrývají, jsou ve své podstatě odlišné. RFID je technologie nosiče dat a EPC představuje identifikátor a datový formát.

Předpisy EAS a UDI pro lékařské přístroje

Podobně jako u EPC předpisy jedinečné identifikace prostředků („Unique Device Identification“, UDI) v mnoha zemích vyžadují, aby lékařské vybavení mělo individuální identifikátory jako podporu ochrany EAS pro bezpečné používání a skladování lékařského vybavení. Systémy UDI se vztahují na mnoho typů lékařského vybavení, ale zvláště důležité jsou u chirurgických nástrojů, kde existuje značné riziko připravení nesprávných nástrojů k danému výkonu.

Existují stovky různých chirurgických nástrojů a nezkušený personál může snadno vybrat ty nesprávné. Použití UDI a RFID tagů může tento problém eliminovat. Použití RFID tagů také usnadňuje shromažďování historie použití jednotlivých nástrojů a četnosti použití v rámci zdravotnického zařízení.

Pasivní RFID tag pro chirurgické nástroje a průmyslové nářadí

Konstruktéři systémů RFID mohou ke sledování chirurgických nástrojů, průmyslového nářadí a podobných kovových předmětů použít model LXTBKZMCMG-010, malý UHF RAIN RFID tag na kovy od společnosti Murata (obrázek 4). Tag LXTBKZMCMG-010 využívá kovový povrch jako pomocnou anténu ke zvýšení čtecího dosahu. Tento tag měří 6,0 × 2,0 × 2,3 mm, funguje v celém pásmu UHF a má rozsah provozních teplot −40 až +85 °C, díky čemuž je vhodný k vyhledávání a sledování kovových předmětů v průmyslovém prostředí i ve zdravotnických zařízeních.

Obrázek 4: UHF RAIN RFID tag LXTBKZMCMG-010 je optimalizován pro kovové povrchy, jako jsou chirurgické nástroje a průmyslové nářadí. (Zdroj obrázku: společnost Murata)

Nízkoprofilové RFID tagy pro sledování majetku

Aplikace pro sledování majetku a zásob mohou využívat výhod tagů navržených tak, aby zvládly vysoké vibrace, nárazy a velké teplotní výkyvy, které se vyskytují v průmyslových, zemědělských, stavebních a dopravních systémech. Nízký profil znamená méně místa, menší poškození a nižší náklady. Například RFID tag 0133580821 od společnosti Molex má tloušťku 1,8 mm, krytí IP68, lze jej použít ve vlhkém prostředí a funguje od −50°C až po +85°C (obrázek 5). Tag 0133580821 má dosah čtení 4,5 metru a je navržen k použití na různé materiály včetně kovů a plastů

Obrázek 5: Tento RFID tag o tloušťce 1,8 mm je optimalizován pro sledování majetku a zásob s dosahem čtení 4,5 metru a lze jej použít na více površích včetně plastů a kovů. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

RAIN RFID čtečka typu Plug and Play

Kompletní čtečka Elara RAIN RFID od společnosti ThingMagic má rozhraní a provozní funkce, které minimalizují úsilí při návrhu a urychlují implementaci RFID v jakékoli aplikaci, která vyžaduje čtecí vzdálenosti až 2 metry (obrázek 6). Čtečka Elara je nabízena ve dvou modelech – PLT-RFID-EL6-ULB-4-USB, který pracuje v pásmu 865 až 868 MHz, a PLT-RFID-EL6-UHB-4-USB, který pracuje v pásmu 915 až 928 MHz. Obě čtečky se dodávají v krytech vyrobených z plastu certifikovaného pro zdravotnictví.

Obrázek 6: Kompletní čtečka Elara RAIN RFID může minimalizovat úsilí při návrhu a urychlit implementaci RFID v jakékoli aplikaci, která vyžaduje čtecí vzdálenosti až 2 metry. (Zdroj obrázku: společnost ThingMagic)

Pomocí čtečky Elara mohou konstruktéři snadno přidat funkce RFID do aplikací, které těží ze stolního počítače nebo čtečky s pevnou montáží typu Plug-and-Play. Jsou přitom podporovány autonomní pracovní postupy, které umožňují rychlou tvorbu řešení bez expertízy RFID na straně konstruktéra nebo potřeby sad pro vývoj softwaru a integračních nástrojů. Příklady aplikací čtečky Elara zahrnují implementaci předpisů UDI ve zdravotnických zařízeních, zpracování a sledování vratek ve skladech a distribučních centrech a uvedení RFID tagů do provozu. Mezi vlastnosti čtečky Elara patří:

• Zjednodušená systémová integrace a provoz bez softwaru pomocí předem nahraných autonomních pracovních postupů
• Podpora standardů technologie RAIN a komunikačního rozhraní RAIN
• Podpora protokolu EPCglobal Gen 2v2
• Hromadné čtení sad položek, jako jsou chirurgické nástroje nebo sada komponentů pro montážní linku
• Počty položek a ověření pro zpracování vratek nebo inventarizaci
• Uvedení RFID tagů do provozu
• Aktualizace dat tagů o využití a další údaje

RFID čtečka Průmyslu 4.0 a servisní zařízení edge

Pro aplikace Průmyslu 4.0, které potřebují více RFID čteček a připojení ke cloudu prostřednictvím serveru edge, mohou konstruktéři využít model ALR-F800-X od společnosti Molex, který obsahuje 4portovou čtečku pasivních UHF RFID tagů podnikové třídy a řídicí jednotku služeb edge (obrázek 7). Použití zařízení ALR-F800-X umožňuje zpracování RFID dat u zdroje a jejich vyhodnocení v reálném čase. Zařízení ALR-F800 lze napájet pomocí stejnosměrného napájecího adaptéru nebo pomocí Power-over-Ethernet (PoE), což zjednodušuje nasazení rozsáhlých RFID systémů Průmyslu 4.0.

Obrázek 7: Zařízení ALR-F800-X obsahuje 4portovou UHF čtečku pasivních RFID tagů podnikové třídy a řídicí jednotku služeb edge pro podporu aplikací Průmyslu 4.0. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Technologie dynamického přizpůsobování („dynamic self-adapting“, DSA) v zařízení ALR-F800 monitoruje RF prostředí v reálném čase a řídí několik parametrů, filtrů a ladicích metrik pro optimalizaci čtení RFID tagů. Paměť lze přidat pomocí karet micro-SD a port USB je k dispozici pro připojení Wi-Fi a mobilního modemu.

Vestavěný software Emissary umožňuje podporu a konfiguraci dalších čteček a čtecích bodů, aniž by byl potřeba vyhrazený server edge (obrázek 8). Software Emissary umožňuje vývoj kompletních pracovních postupů pomocí předem navržených činností (jako je čtení tagu, rozsvícení světla, odesílání dat atd.), které zjednodušují a urychlují zprovoznění nových aplikací. Software Emissary zahrnuje následující funkce:

• Strukturovaná a intuitivní vizualizace funkcí, zařízení a čtecích bodů
• Použití běžných konvencí pojmenování, jako je „balicí stanice“, „dveře č. 1“ a tak dále
• Sada nástrojů na bázi systému Windows pro vytváření pracovních postupů
• Nastavení, ovládání a údržba všech lokálních čteček připojených k zařízení
• Použití správného standardu dat tagu pro přesnou interpretaci příchozích dat
• Správa datových zpráv s načtením tagů a konsolidace zpráv z více čteček pro přenos do cloudu

Obrázek 8: Software Emissary zabudovaný do zařízení ALR-F800-X umožňuje konfiguraci a podporu dalších čteček a čtecích bodů bez potřeby vyhrazeného serveru edge. (Zdroj obrázku: společnost Molex)

Shrnutí

Pasivní RFID tagy a čtečky mohou podporovat různé aktivity sledování majetku v IIoT, včetně výroby, logistiky, datových center, zdravotnictví, zemědělství, stavebnictví a dopravy. Při výběru a specifikaci RFID systémů si konstruktéři musí být vědomi řady průmyslových standardů, včetně předpisů RAIN, EPC Gen 2v2, ISO/IEC 18000-63 a UDI. Různé typy tagů jsou optimalizovány pro specifické aplikace, jako jsou montáže na kov a nízkoprofilová provedení pro aplikace sledování majetku. Kromě tagů jsou k dispozici RFID čtečky, včetně návrhů pro stolní počítače a čtečky / řídicí jednotky služeb edge na podnikové úrovni, které mohou urychlit nasazení RFID aplikací Průmyslu 4.0.