Basisprincipes RFID
Botlek – groep 27 september 2012 1
The Turck Group
Basisprincipes RFID – Agenda
1. 2. 3. 4. 5. 6.
2
Voorstellen Wat is RFID Waar uit bestaat een RFID installatie Normen en Concepten Praktijk voorbeelden Ook voor Ex toepassingen
Grundlagen RFID
Basisprincipes RFiD - Voorstellen
Turck B.V. Ruiterlaan 7 8019BN Zwolle Tel. +31 (0)38 4227750 Fax +31 (0)38 4227751 Email
[email protected] internet www.turck.nl Uw contact voor de Krohne Academy Rolf Drijver Technisch adviseur
The Turck Group
3
Basispríncipes RFiD Na het behandelen van de techniek, maakt de presentatie de brug naar de voordelen van RFID in vergelijking tot andere identificatiesystemen. Ook de grenzen van gebruik in de praktijk worden behandeld, zoals de invloed van de afstand op de data-overdrachtssnelheid.
4
Grundlagen RFID
Basispríncipes RFiD • Vragen van het publiek • Vraag: Effect van magneten op een TAG? • Antwoord: de TAG reageert alleen op wisselende elektromagnetische velden, en zal niet reageren op een statisch veld. De gekozen componenten zijn industrieel geschikt. Per TAG kan er worden uitgezocht wat de grenswaarden in veldsterkten zijn van de onderdelen. • Vraag: Zijn er SIL oplossingen voorhanden? • Antwoord: er bestaan oplossingen geschikt voor toepassing in SIL applicaties ook kunnen er gegevens zoals MTBF worden verstrekt waarmee het risico is te benaderen • Vraag: wordt voor diefstal preventie dezelfde techniek gebruikt? • Antwoord: er wordt gebruik gemaakt van soort gelijke techniek maar met specifieke frequenties en protocollen. • Vraag:kunnen TAG’s beveiligd worden tegen uitlezen • Antwoord: in F-Ram Tag kunnen blokken van informatie permanent worden gemaakt niet meer te wijzigen, ook kan er informatie met encryptie worden geschreven. De tag is echter altijd leesbaar!
5
Grundlagen RFID
Wat is RFiD RFID = Radio Frequency IDentification • Doel RFID is om objecten, voorwerpen en personen of dieren te identificeren en te lokaliseren. • Hiervoor gebruiken we de kennis en de werking van elektromagnetische velden (magnetische wisselvelden) of radio golven. • Als eerste ontwikkeld voor het registreren van onderdelen tijdens de productie is het doel tegenwoordig een volledige samenvoeging van informatie en product in de TAG. • Identificatie technologie vindt u tegenwoordig overal terug in uw dagelijks leven. 6
Grundlagen RFID
Identificeren maar hoe? Oplossingen naast RFID: • Barcode
• Data-Matrix-Code (2D)
• Biometrisch Methode
• Sensor codering
7
Grundlagen RFID
Identificatie methode uit de openbareruimte • Toegangscontrole bij bedrijven of de skilift
• Legitimatie Paspoort – Rijbewijs – ID kaart • Kenteken registratie voor tol in Londen, of voor een overtreding • Tank card / Lease / Wagenpark beheer voor de registratie van voertuig en bestuurder • Sport- en vrijetijd tijdregistratie wedstrijden 8
Grundlagen RFID
Industriële RFID applicaties • Productie automatisering Automotive
• Kwaliteitsborging Autoclaven • Voorkomen van gevaren kenmerken gevaarlijke stoffen • Magazijnbeheer en Logistiek Identificeren van producten, hoeveelheden en positie • Veiligheidstoepassingen Koppelstations, voor controle van de juiste aansluiting 9
Grundlagen RFID
RFID - Geschiedenis • Eerste gebruik aan het einde van de tweede wereldoorlog, secundaire radar voor herkenning van vriend en vijand. • 1948 heeft Harry Stockman als eerste de basisprincipes van RFID beschreven in zijn publicatie „Communication by means of Reflected power“ • Eind 1960 heeft Siemens de eerste properietarie oplossing ontwikkeld met een resonator (geschikt tot 12 Bit). • Vanaf 1970 komen de eerste 1 Bit RFID oplossingen op de markt, die voornamelijk in het voorraadbeheer worden toegepast • Omstreeks 1980 volgen de eerste applicaties voor dier identificatie • Sinds 1980 wordt RFID voor de meest uit een lopende zaken ingezet
10
Grundlagen RFID
Waaruit bestaat een RFID oplossing? Fieldbus (b.v. Profibus, DeviceNet, Profinet, Ethernet, etc)
Interface IP67
SchrijfLeeskop
Contactloze informatie uitwisseling
Tag 11
Grundlagen RFID
Werking volgens ISO 18000-1 • De Schrijf / leeskop (Reader) genereert een elektrisch magnetisch wisselveld . De transponder (Tag) die in het veld komt kan de energie van dit veld gebruiken als voeding (passieve TAG). • De Reader zendt de bevelen die door de chip van de TAG worden geïnterpreteerd, daarna beantwoord de TAG de Reader met de gewenste informatie (serienummer, speciale data) • De informatieoverdracht van de TAG naar de Reader geschiedt doormiddel van veldsterkte wisselingen of reflectie in tegenfase. De TAG zelf zendt hier dus niet!
12
Grundlagen RFID
Frequentiespectrum De frequentie gebieden waarmee de meest voorkomende RFID systemen werken beïnvloeden het gebruik en de applicatie. • De belangrijkste factoren zijn: - afstand - opbouw van de antenne velden - data overdragingssnelheid - Reflectie LF (Low Frequency) HF (High Frequency) UHF (1) UHF (2) UHF (3)
100..135kHz (per Land / Regio) 13,56 MHz 433 MHz 840..955 MHz (per Land / Regio) 2400..2483 MHz (Microgolf)
De gebruikte frequenties zijn ingedeeld volgens de ISM-frequentiebanden ISM = Industrial, Scientific and Medical Band, wereldwijd door ITU (International Telecommunication Union) geregeld
13
Grundlagen RFID
Eigenschappen van de frequentiegebieden Schreiblesekopf-Antenne Verlauf der Übertragungszone
UHF
HF
14
HF 13,56 MHz
UHF 865-868 MHz (Europa)
Internationale Normen
ISO 15693
ISO 18000-6C/ Gen2 ETSI EN 302208
Übertragungsprinzip
Induktive Kopplung im elektromagnetischen Nahfeld
Abgestrahlte elektromagnetische Welle im Fernfeld
Reichweite (Größe der Übertragungszone)
mittel, bis ca. 0,5 m
hoch, bis ca. 3 m
Größe der Übertragungszone für einen Schreiblesekopf
fest
parametrierbar
Daten-Übertragungsgeschwindigkeit
hoch
sehr hoch
Erfassung mehrerer Datenträger (Pulk) innerhalb einer Übertragungszone
einige
sehr viele
Grundlagen RFID
Voor en Nadelen van RFID Voordelen • De TAG‟s kunnen “bijna” onbeperkt gelezen en geschreven worden • RFID-TAG‟s kunnen veel informatie opslaan, hebben een relatief groot opslagvolume. • Het is mogelijk meerdere TAG‟s tegelijk te lezen / schrijven • Een zichtlijn is niet noodzakelijk tussen Reader en TAG • Tegenwoordig geschikt voor veeleisende applicaties • Efficiënt door hergebruik van de TAG‟s Nadelen • Prijs van de TAG UHF • Korte afstanden door het inductieve koppelingsprincipe HF • Praktische limitering door metalen en vloeistoffen- lastig als het op metaal moet maar niet onmogelijk
15
Grundlagen RFID
Normen en concepten ITU = International Telecommunication Union Bijzondere organisatie van Verenigde Naties, verantwoordelijk voor de technische aspecten van telecommunicatie wereldwijd. Stelt o.a. internationale regels voor gebruik van frequenties. ISM = Industrial, Scientific and Medical Band De ISM band legt het frequentiebereik vast die door de industrie en huishoudelijk gebruikt kunnen worden. Vastgelegd in de ISM-R (radiocommunicatie)
EPC = Elektronische Product Code Wereldwijde eenduidige en niet overlappende cijferreeks voor productidentificatie (TAG´s). Toewijzing GS1 in Amsterdam
16
Grundlagen RFID
Normen en concepten ISO18000 ff. algemeen Internationale standaard, waarin het CCI-interface protocol voor RFID wordt beschreven (Contactless Chipcard Interface). 18000-1 … 18000-7 Beschrijving en bepalen van de Air-Interface voor de wereldwijd in gebruik zijnde frequenties (135kHz, 13,56MHZ, 2,45 GHz, 868 MHz, 433,92 MHz). Vastlegging van de standaard voor verschillende toepassingen bijvoorbeeld paspoorten, toegangscontrole, lever-etiketten, dieridentificatie, etc.
17
Grundlagen RFID
UID – Unique Identifier De UID zorgt er voor dat de TAG een eenduidig identificatie nummer heeft!
Die UID wordt wereldwijd 1x vergeven per TAG. Daardoor is de TAG en het verbonden voorwerp eenduidig te identificeren. Voor de UID zijn minimaal 96Bit voorhanden. Dit kan worden uitgebreid tot 496 Bit. De UID kan bij de leverancier van de TAG, vast en niet te overschrijven worden opgeslagen op de TAG. De gebruiker kan echter ook TAG„s verkrijgen zonder UID.
18
Grundlagen RFID
AFI – Application Family Identifier In bepaalde gevallen kan het zinvol zijn om op de TAG meer informatie op te slaan, die de beoordeling of de handhaving van de informatie bevorderd. Hiermee kunnen verschillende voorwerpen met TAG van verschillende applicaties worden onderscheiden.
voorbeeld: - AFI 01010000 Farmacie - AFI 10000000 Magazijn en logistiek - AFI 00100000 Betalingsverkeer
19
Grundlagen RFID
TAG EEPROM • EEPROM-Technologie • 100.000 schrijfcyclussen • Onbeperkte leescyclussen • Informatiedrager 128 Byte • Prijsgunstig
Speicherplatz 8 Byte UID = unique identifier (unveränderbar)
112 Byte Nutzdaten
nicht nutzbar
20
Grundlagen RFID
TAG FRAM • FRAM-Technologie • 1010 schrijfcyclusen • Onberkte leescyclusen • Informatiedrager 2 kByte
Speicherplatz 8 Byte UID = unique identifier (unveränderbar)
ca. 2.000 Byte Nutzdaten
nicht nutzbar
21
Grundlagen RFID
Praktijkvoorbeeld chocolademallen • Schrijf Leeskop in M30 behuizing • Mal identificatie in de productie • Wash-Down-Version • • • •
Hoogwaardige behuizing Chemisch resistent FDA-conform bescherming IP69K
• Schrijf Leeskop kunststof rechthoekig • Mal identificatie in de wasinstallatie • Zekere herkenning van mallen met verschillende afmeting
22
Grundlagen RFID
Waar slaan we de informatie op?
Datenbank
23
UID = unique identifier Anzahl der Reinigungszyklen Anzahl der Produktionszyklen produzierte Menge [kg/Form] Lebensdauer der Form [Tage] Artikelnummer Produktname Nummer der Form Produktionsdatum Gießprogramm Reinigungsprogramm
834A9D0135F3468A 225 1400 1344 655 Agathon 11111/0 100g bar 267/1000 07.2007 Solid 100g Hildebrand 4
Grundlagen RFID
Opslagmogelijkheid 1
Datenbank
nur UID lesen
24
UID = unique identifier Anzahl der Reinigungszyklen Anzahl der Produktionszyklen produzierte Menge [kg/Form] Lebensdauer der Form [Tage] Artikelnummer Produktname Nummer der Form Produktionsdatum Gießprogramm Reinigungsprogramm
834A9D0135F3468A 225 1400 1344 655 Agathon 11111/0 100g bar 267/1000 07.2007 Solid 100g Hildebrand 4
Grundlagen RFID
Opslagmogelijkheid 1 • Voordelen • Makkelijk op of om te bouwen • EEPROM Technologie te gebruiken • TAG’s alleen lezen • Nadelen • Zonder toegang tot database geen informatie • Veel bandbreedte (verkeer) nodig voor uitwisseling informatie • Machine besturingsopgave lastig te realiseren
• De installaties moeten onderling verbonden zijn
25
Grundlagen RFID
Opslagmogelijkheid 2
Datenbank alle Daten schreiben und lesen
26
UID = unique identifier Anzahl der Reinigungszyklen Anzahl der Produktionszyklen produzierte Menge [kg/Form] Lebensdauer der Form [Tage] Artikelnummer Produktname Nummer der Form Produktionsdatum Gießprogramm Reinigungsprogramm
834A9D0135F3468A 225 1400 1344 655 Agathon 11111/0 100g bar 267/1000 07.2007 Solid 100g Hildebrand 4
Grundlagen RFID
Opslagmogelijkheid 2 • Voordelen • Installatie verbinding niet nodig • De mal informatie kan op ieder gewenst moment op de mal worden gelezen • Er is geen database nodig • Nadelen • FRAM-Technologie voor TAG’s noodzakelijk • Zonder database verlies je enkele voordelen • Permanente registratie van de mallen • Eenvoudige traceerbaarheid
27
Grundlagen RFID
RFID gebruik in een productiecyclus
Wareneingang
Material Handling
Vorverarbeitung
Produktion
Test
Fertigware
Auslieferung
RFID (Nahbereich)
28
Grundlagen RFID
RFID voor identificatie van mallen
Identificatie mallen
29
Controle transport
Grundlagen RFID
RFID in de chocoladeproductie
Ontnesten en invoeren in productie
Vullen van chocolade vormen
Detecteren chocolade resten 30
Grundlagen RFID
RFID in de logistiek voor mallen • Standaard mallenrek • Eenvoudig bij logistiek • Geschikt voor hoogbouw magazijnen • RFID voor mallenrek • Vereenvoudigd inname en uitgifte magazijn • Transparant door verbinding informatie van het rek en die van de losse mallen • Opslag locatie en informatie in ERP systeem
31
Extra TAG op mallenrek
Grundlagen RFID
Afwegingen bij toepassing RFID RFID-Gateway • Bepalen communicatieprotocol tussen besturing en RFID module • Inbouwwijze in de installatie • Uitvoering van de Gateway (beschermingsgraad en toevoeging van standaard I/O, etc.) Fysieke parameters • leesafstand tussen TAG en Reader • hoeveelheid informatie (bits en bytes) • snelheid (m/s) van de TAG Hiermee bepaald (of beperkt) men de keuze van de Reader en de TAG 32
Grundlagen RFID
Schrijf leeskoppen (Readers) Compacte schrijf leeskoppen (Compact Reader) Geschikt voor lezen en schrijven van informatie. De antenne en de schrijf lees onderdelen vormen een apparaat. Bedoeld voor kleine afstanden en vaste omstandigheden. Antenne-Reader Voor het detecteren van objecten op grote afstanden. Vaak in combinatie met meerdere antennes. Positie van de TAG kan en mag wijzigen ten opzichte van de antenne. Handheld (mobile Reader) Voor handmatig uitlezen of schrijven van de TAG. In gebruik met tijdelijk opslag van de informatie of met een directe WLAN verbinding naar de besturing.
33
Grundlagen RFID
Schrijf leeskoppen behuizingen Cylindrisch
Vierkant
Handheld Ring
Vlakke antenne
UHF Antenne
34
Grundlagen RFID
TAG - onderdelen TAG´s de basisonderdelen • Antenne • Microchip • Behuizing • Optioneel energievoorziening bijvoorbeeld batterij De bouwvorm en grote van een TAG zijn afhankelijk van • Gebruik en installatiewijze • De geïntegreerde antenne en dus van de golflengte en frequentie • Uitvoering actief of passief (energievoorziening)
35
Grundlagen RFID
TAG – Energievoorziening Passieve TAG´s • Voeding uit zendenergie geïntegreerde antenne spoel zorgt voor een lading van een hulp condensator. De TAG antwoord als de condensator voldoende geladen is (latentietijd) • Passieve TAG„s zijn normaal gesproken beperkt in het vermogen. Daardoor zijn de afstanden niet groot maar genoeg voor industriële veel applicaties • Voordeel is de lage kost prijs, voor de overwegend eenvoudige opbouw van de TAG
36
Grundlagen RFID
TAG – Energievoorziening Semi Actieve TAG„s • Zijn voorzien van een voeding (accu) die de niet permanente opslag voorziet van energie • Communicatie is gelijk aan de passieve TAG • Deze TAG„s kunnen ook worden verbonden met bijvoorbeeld temperatuur opnemers • Toepassingen zijn dan bijvoorbeeld het zonder onderbreken registreren van temperatuur in koeltransport, voeding van de accu
37
Grundlagen RFID
TAG – Energievoorziening Aktieve TAG´s • Voorzien van voeding (accu) voor de interne besturing (controller en geheugen) en voor mogelijk aangesloten sensoren. • Actieve TAG´s produceren zelf het gemoduleerde antwoord signaal dit komt dus niet uit de zendenergie van de Reader • Hiermee worden zeer grote afstanden mogelijk, tot kilometers • De meeste actieve TAG„s worden door een triggersignaal van uit rust in actieve mode gezet. Afhankelijk van de accu kunnen stand tijden mogelijk zijn van meerdere jaren. • Actieve TAG„s zijn relatief groot, complex en in verhouding duur.
38
Grundlagen RFID
TAG‘s tegelijk lezen schrijven In de situatie dat er meerdere TAG„s tegelijk gelezen en geschreven moeten worden gebeurt dit in werkelijkheid achter elkaar De TAG´s zijn binnen communicatie afstand met de reader (lees schrijfbereik)
De basis regels hiervoor zijn • Iedere TAG mag maar 1x gelezen worden • Na het lezen mag de TAG zich niet meer opnieuw melden • De TAG„s moeten zich niet allemaal tegelijk melden
39
Grundlagen RFID
TAG – behuizing schijf
insteek
Met Clip
Hoogtemperatuur
hoogtemperatuur Voor op metaal inschroef
Bondig inschroef
Mobiel uiwisselbaar
40
Smart Label
Bijna alles is mogelijk, om te voldoen aan de klant Specificaties (op rekening van de klant). Grundlagen RFID
De relatie tussen de fysieke parameters • Afstand van de Schrijf leeskop en TAG • Hoeveelheid informatie • Snelheid (door het zend veld) van de TAG
Simulator 41
Grundlagen RFID
Gebruik in Ex Zone •Pharmazie/ Chemie
Wareneingang
Material Handling
•Zone 0 : selten •Zone 1 / 2 : häufig
Vorverarbeitung
Produktion
Test
•Zone 2 : selten •Sicher : häufig
Fertigware
Auslieferung
RFID (Nahbereich) •Petrochemie/ •Zone 0 : selten ÖL / Gas •Zone 1 / 2 : häufig
42
•Zone 2 : häufig •Sicher : selten
Grundlagen RFID
Wat we daarvoor moeten oplossen… • De zend energie kan tot ongewenste opwarming van onderdelen leiden.
• Er moeten dus maatregelen worden genomen bij de Reader en bij de TAG om deze opwarming te voorkomen of begrenzen.
43
Grundlagen RFID
Ex Certificering voor TAG‘s Voorwaarden voor veilig gebruik van passieve TAG‘s Zone 1 en 2 Categorie 2 en 3 G/D • Veldsterkte van 1 A/m respectievelijk < 3 V/m* • Alleen voor normale productie omgevingen, magazijnen etc. met toegang voor personeel, geen speciale installatie zoals installaties voor chloorelektrolyse • T6 temperatuur klasse Tamb 40°C buitenkant TAG„s • Frequentie > 10 MHz • Statische elektriciteit volgens normale installatie voorschriften Er zijn veiligheid technisch geen bezwaren voor het gebruik van TAG‘s indien voldaan wordt aan de bovengenoemde voorwaarden * Magnetische Feldstärke eines S-L-Kopfes ca. 25 A/m Quelle: NAMUR-AK 4.16 RFID
44
Grundlagen RFID
Ex certificering voor TAGs Transponder met batterij • TAG„s met batterijen zijn elektrische bedrijfsmiddelen en moeten gecertificeerd worden conform de ATEX
45
Grundlagen RFID
Ex Certificering interface module en reader Interface Module en schrijf lees kop zijn elektrische bedrijfsmiddelen. Hiervoor geldt dan ook dat voor gebruik in EX zone, de producten gecertificeerd moeten worden.
Methode voor Ex certificering • Intrinsieke veiligheid „EEx i“ • Druk vaste behuizing „EEx d“ • afgegoten „EEx m“
46
Grundlagen RFID
Onderdelen voor Zone 2
Datenträger HF oder UHF
Schreib-/Lesekopf HF oder UHF
Datenträger HF oder UHF
Dateninterface
Schnittstelle zwischen Schreib-/Lesekopf und Steuerung
47
Schreib-/Lesekopf HF oder UHF
Grundlagen RFID
Onderdelen voor Zone 1
HF-S/L-Kopf in druckfest gekapseltem Gehäuse
Dateninterface
Schnittstelle zwischen Schreib-/Lesekopf und Steuerung
UHF-Antenne in druckfest gekapseltem Gehäuse
Reichweiten mit HF bis ca. 20cm Reichweiten mit UHF bis ca. 4m 48
Grundlagen RFID
Basisprincipes RFID
Bedankt voor uw aandacht!
Tijd voor uw vragen.
49
Grundlagen RFID