Индустриални приложения на ултрависокочестотната RFID технология

АвтоматизацияСп. Инженеринг ревю - брой 8/2018 • 29.11.2018

Индустриални приложения на ултрависокочестотната RFID технология
Индустриални приложения на ултрависокочестотната RFID технология

Радиочестотната идентификация е традиционен метод за автоматично проследяване и инвентаризация на стоки и материални активи. Използва се в търговията и в широк набор от промишлени отрасли, включително в машиностроенето, металообработката, опаковъчната индустрия, металургията, енергетиката, минното дело, както и в транспорта, логистиката и складовите стопанства.

Основните приложения на технологията са при събирането на данни, етикетирането и разпознаването на мобилни обекти и стоки в производства, организирани в поточни линии, както и за контрол на положението на подвижни съоръжения, транспортни ленти и др. Благодарение на автоматични радиочестотни системи за идентификация се валидират разнородни процеси и операции, документират се отделните производствени етапи, осъществява се контрол на качеството и се управляват разнообразни производствени асортименти в редица съвременни фабрики. Проследяването на части и компоненти, продукти и материали се извършва посредством RFID етикети и съответните стационарни или портативни четци.

Много промишлени предприятия инвестират в модерни RFID платформи с цел подобряване на ефективността, увеличаване на прозрачността и проследимостта и повишаване на интелигентността на производството. Сред технологиите в областта, които добиват все по-голяма популярност в динамично развиващата се глобална индустрия днес, е ултрависокочестотната RFID идентификация (UHF RFID).

Особености на технологията
Все повече индустриални производители преминават от широко използваната в миналото нискочестотна RFID технология (от 30 kHz до 300 kHz), която обикновено работи на честота 125 kHz с максимален обхват на разчитане около 10 см, относително защитена е от радиосмущения, но RFID етикетите са скъпи, към високочестотно RFID идентифициране.

При него типичната работната честота е 13,56 MHz (при честотен обхват от 3 до 30 MHz), максималният обхват на разчитане е малко над 1 м, чувствителността към радиосмущения е малко по-голяма, а цената на RFID маркерите остава сравнително висока.

Редица предимства пред тези две популярни технологии предлага най-новият метод в областта – ултрависокочестотната RFID идентификация (от 300 MHz до 3 GHz). При нея четците оперират при честота от порядъка на 900-915 MHz, което позволява много по-голям работен обхват на системите от порядъка на 12 м, както и многократно по-бърз трансфер на данни.

Методът се доказва като достатъчно гъвкаво и мощно решение за радиочестотна идентификация, което е в състояние да покрие нарастващите изисквания на съвременната промишленост в условията на Четвърта индустриална революция. В допълнение, цената на радиочестотните идентификатори при UHF RFID технологията е значително по-ниска.

Макар да е позната вече повече от десетилетие, ултрависокочестотната идентификация навлиза по-масово в съвременните производства едва през последните няколко години. Тя е най-податлива на смущения, но производителите на продукти в сегмента са разработили богат асортимент от RFID етикети, антени и четци, подходящи дори за тежки индустриални среди. Основно предизвикателство пред технологията е специфичната организация на промишлените обекти (включваща множество метални обекти и конструкции, машини, роботизирани системи, подемна техника и др.), тъй като радиовълните се отразяват от метални повърхности.

Избор на RFID система за индустриални приложения
Системите за нискочестотна радиоидентификация обикновено са стационарни. Етикетите биват маркирани и разчитани в конкретна точка от процеса. LF RFID платформите са от т. нар. “read-only” тип, който позволява само събиране на данни и проследяване. Такъв тип система обикновено разчита индивидуален сериен номер, който е с размер не повече от 40 бита.

Тези данни се използват от контролна система за проследяване на транспортни устройства като палети например. LF идентификаторите, които позволяват разчитане и запис на данни, са ограничени до около 200 B.

Повечето системи за LF идентификация се основават на принципа на индуктивното свързване (базиран на Закона на Фарадей). При тях разчитането на блок данни с размер 4 B отнема до 180 ms, а записът на същия блок – над 300 ms. Ето защо тези системи обикновено не се използват за мобилна радиочестотна идентификация.
Платформите за високочестотна RFID идентификация, които се основават на същия принцип, са базирани на стандартите ISO 14443 или ISO 15693.

Те позволяват оперативна съвместимост между етикети и хардуерни средства за разчитане/запис от различни производители. В резултат, цената на RFID маркерите при HF системите е сравнима с тази на LF идентификаторите. Подобно на LF RFID платформите и тези за високочестотна идентификация традиционно са стационарни. Разчитането на блок данни от 16 или 128 бита отнема около 30 милисекунди, а записът на същото количество информация – около 60.

Работният обхват е до 150 мм при монтирането им на неметални повърхности. По-високият трансфер на данни позволява използването на HF RFID системи в идентификацията на мобилни обекти, движещи се непрекъснато със скорост от порядъка на 3 m/sec и повече.

Системите за ултрависокочестотна радиоидентификация са базирани на принцип, познат като “свързване с обратно разсейване” (backscatter coupling), при който разпространението на електромагнитни вълни се използва за предаване на данни и захранване на етикетите, което прави самите етикети пасивни.

За разлика от индуктивните системи, тук сигналът може да създаде “мъртва зона”, където даден етикет да не бъде захранен и/или идентифициран.
Повечето UHF системи днес са базирани на хардуер от второ поколение (“Gen 2”), който позволява работа при много различни честоти и ги прави гъвкаво решение за приложения, подлежащи на различни международни ограничения за използването на радиочестотния спектър.

Предимства на UHF RFID технологията
Ултрависокочестотната идентификация се използва надеждно в практиката за приложения, които изискват разчитане на етикети на разстояния от порядъка на 4-5 и повече метра в зависимост от средата и дизайна на антената и идентификатора. Поради естеството на метода за предаване на вълни, UHF сигналът може да бъде отразен от изцяло или частично проводими повърхности като метал, вода или бетон.

Това отразяване може да бъде полезно, правейки възможно пренасочването на вълните около дадени обекти и позволявайки по-голяма гъвкавост. Но то може да бъде и недостатък, когато е необходимо идентифицирането на конкретен RFID маркер при наличието на голям брой етикети в работното поле. Най-новите UHF решения на пазара от типа NFC (комуникация в близкото поле – near field communication) в зависимост от производителя могат да осигурят от 20 до 1000 разчитания в секунда.

Надеждността им обаче може да бъде компрометирана от множество фактори в индустриална среда. Експертите препоръчват провеждане на тестове на избраната система в реални условия преди фактическото й внедряване в производството.
Предвид същността и особеностите на инфраструктурата, необходима за внедряването дори и на по-малка RFID платформа, изборът на неподходяща система може да коства на производителите множество разходи и негативни ефекти във връзка с ненадеждно събиране на данни. Сред съображенията при избор на решение неминуемо са възможностите на платформата надеждно да пренася и съхранява данни.

UHF идентификаторите се отличават с ниска цена, тъй като имат много малка памет. Един бюджетен UHF етикет обикновено разполага с 64 байта, достатъчни да съхранят сериен номер. Данните, свързани с него, се съхраняват в информационна база, достъпна чрез интернет. В UHF приложенията етикетът се използва в най-базовата му роля – като средство за идентифициране, подобно на регистрационен номер на автомобил.

По-подробна информация за обекта може да бъде получена чрез комуникация посредством индустриална мрежа към съответното устройство, което разполага с нея. Ниската цена на идентификаторите ги превръща в продукт за еднократна употреба, който може да бъде поставен директно върху обекта, независимо от неговия вид и предназначение.

Най-нискобюджетните етикети, предназначени за складови дейности, не са подходящи за по-взискателни промишлени приложения, в които би им се наложило да оцелеят на бояджийска, монтажна линия или пък в пещ. Индустриалният дизайн съответно увеличава и цената на идентификаторите.
Все повече производители предлагат UHF RFID етикети с повече памет – до 4 или 7 kB, позволяваща съхранение на много повече информация от обикновен сериен номер. При тях логично цените са доста по-високи, а приложенията им – по-специфични и ограничени.

Технологични достижения при четците
При четците за радиочестотна идентификация се наблюдава сериозен технологичен напредък през последните години – както при продуктите за високочестотни приложения, така и при решенията за UHF RFID системи, отбелязват експертите. Докато четците за складови стопанства и логистични центрове обикновено са оборудвани за комуникация с персонален компютър, продуктите за индустриални приложения (като линии за асемблиране например) са предназначени да комуникират с програмируеми контролери.

В резултат тези четци могат да бъдат конфигурирани за работа с всяка индустриална мрежа, включително Ethernet IP, Profinet, Modbus, CANopen или IO-Link. Четците могат да бъдат конструирани така, че да включват и повече от една антена (до 16), което намалява цялостните разходи за внедряване на платформата.
Наличието на множество точки за разчитане, осъществяващи обратна връзка към един и същи контролер, допълнително намалява разходите.

Повечето на брой антени позволяват покриването на значително по-голям работен обхват, например вход на пристанище или цял цех.
Сред технологичните достижения при UHF RFID четците е и възможността за по-лесно позициониране на антената, което позволява по-прецизно насочване на портативния четец, благодарение на цифров индикатор за сила на сигнала в различни положения на устройството в пространството.

Друго предимство на съвременните четци е възможността им автоматично да определят мощността на сигнала, който антената излъчва, необходима за разчитането на даден идентификатор, като започват от нула и постепенно я увеличават. Предварително зададените по-мощни стойности биха създали излишно отразяване на вълни, което може да влоши качеството на събиране и обработка на данните, допълват специалистите.

Възможности и приложения
При избора на UHF RFID система за дадено приложение е необходимо внимателно предварително планиране и проучване на особеностите и изискванията на средата. Експертите препоръчват съставяне на въпросник, който включва всички практически аспекти от експлоатацията на бъдещата система, включително каква задача точно ще се изпълнява, какви обекти ще бъдат идентифицирани, какво е досегашното решение.

Важно е да се отчетат всички релевантни фактори на средата, включително наличието на електрически шум, екстремни температури, висока влажност, химически агенти и т. н. Препоръчително е предварително да се планира колко на брой мобилни и/или стационарни четци, както и колко идентификатори ще бъдат необходими, колко бързо ще се движат RFID етикетите, на какво разстояние ще преминават от четеца, както и един от друг.

Добре е да се вземе решение към персонален компютър или логически контролер ще изпраща отчетите си системата, както и какъв комуникационен протокол ще се използва. Важен фактор за избора и проектирането на решение е какъв обем информация ще се разчита от/записва на идентификаторите, както и колко често ще се осъществяват тези операции. Друго важно съображение е дали приложението изисква разчитането на повече от един етикет наведнъж, а също и има ли ограничения по отношение на размера му.

UHF RFID системите все по-масово се доказват в практиката като надеждно и ефективно решение за инвентаризация на материални активи, включително продукти на поточни линии и палетизирани единици. Значително нараства броят на приложенията на технологията в производства, позволяващи мобилно разчитане, както и такива, изискващи по-голям обхват на разпознаване. Ултрависокочестотната идентификация пести усилия на операторите на портативни устройства, спестявайки им няколко допълнителни крачки или движения.

С помощта на метода RFID системите за индустриални приложения стават по-гъвкави, което позволява прилагането им и в Industry 4.0 среда, както и в Industrial Internet of Things платформи за по-прецизна, надеждна и рентабилна идентификация и на най-малките обекти в мащабни монтажни и производствени линии. Проследяването и разпознаването на всеки компонент в даден възел и на всяка част от монтажната сглобка прави възможно събирането на големи обеми разнородни данни за операциите по изработка и асемблиране, както и обработката на тази информация и използването на резултатите от анализа за оптимизиране на производството в бъдеще.

Top