Internet der Dinge – Wie RFID den Materialfluss verändern kann

Inhaltsverzeichnis:

1 Einleitung

2 Radio Frequency Identification
2.1 Funktionsweise
2.2 Klassifizierung von RFID-Systemen
2.3 Einsatzbereiche der RFID-Technologie
2.3.1 RFID im öffentlichen Nahverkehr
2.3.2 RFID in der Produktion
2.3.3 Weitere Einsatzmöglichkeiten der RFID-Technik
2.4 Standardisierung
2.4.1 ISO-Normen
2.4.2 EPCglobal Inc
2.5 Grenzen der RFID-Technologie

3 Materialflusssysteme
3.1 Materialfluss
3.2 Fördersysteme
3.3 Fahrzeugsysteme
3.4 Materialflusssteuerung
3.5 Materialflussautomatisierung

4 Der Einsatz von RFID-Technik im Materialfluss
4.1 RFID-Technik im Verpackungsmanagement
4.1.1 Anforderungen an Verpackungen
4.1.2 Geschlossene Kreislaufsysteme mit Mehrwegbehältern
4.1.3 Das Mehrwegsystem für Bierfässer der TrenStar Inc
4.2 RFID-Technik im Lagermanagement
4.2.1 Warenein- und -ausgang
4.2.2 Kommissionierung
4.2.3 Fahrzeugsteuerung mit RFID
4.2.4 Auswirkungen des RFID-Einsatzes auf das Lagermanagement
4.2.5 Der Einsatz von RFID-Technologie bei PAPSTAR
4.3 Das Internet der Dinge
4.3.1 Einführung
4.3.2 EPCglobalTM-Netzwerk
4.3.3 Das Internet der Dinge aus Sicht des Fraunhofer Instituts
4.3.4 Materialflusssteuerung im Internet der Dinge

5 Fazit

6 Literatur

Anhang

Abbildungsverzeichnis:

Abbildung 1-1: Aufbau der Arbeit

Abbildung 2-1: Leistungsmerkmale der verschiedenen Frequenzen

Abbildung 2-2: Einsatzmöglichkeiten für RFID

Abbildung 2-3: Aufbau des EPC

Abbildung 2-4: Umfrage über die Hemmnisse bei der RFID-Einführung

Abbildung 3-1: zentrale Steuerung

Abbildung 3-2: dezentrale Steuerung

Abbildung 4-1: RFID-gesteuertes FTS

Abbildung 4-2: Stapler mit RFID-Technologie

Abbildung 4-3:RFID-Label an einer Verpackungseinheit

Abbildung 4-4: Steuerungsmethoden

1 Einleitung

In dieser Arbeit wird die Vision des Internets der Dinge und der Einfluss der Radio Frequency Identification (RFID) auf den gesamten Materialflussprozess diskutiert.

Die Arbeit gliedert sich dabei in drei Themenblö>

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung1-1: Aufbau der Arbeit^[1]

Im ersten Teil werden die grundlegenden Eigenschaften und Funktionen der RFID-Technologie dargestellt. Neben den technischen Grundlagen und den aktuellen Standardisierungsbemühungen stehen vor allem die verschiedenen Einsatzbereiche und die Grenzen der Technologie im Fokus der Betrachtung.

Im zweiten Teil wird speziell auf den innerbetrieblichen Materialfluss eingegangen und die verschiedenen Förder- und Fahrzeugsysteme erläutert. Daneben wird sich näher mit den Unterschieden der zentralen und der dezentralen Materialflusssteuerung beschäftigt, sowie mit den Möglichkeiten der Automatisierung.

Der dritte Abschnitt schlägt nun den Bogen von der RFID-Technologie hin zum Materialfluss. Anhand von Beispielen wird der Einsatz von Transpondern in der Verpackung diskutiert. Der Fokus liegt hier auf dem Einsatz von Mehrwegbehältern. Im Folgenden werden die Einsatzmöglichkeiten von RFID im Lagermanagement betrachtet. Abschließend beleuchtet die Autorin die Zukunftsvision vom Internet der Dinge. Hier wird unter anderem das Thema der Materialflusssteuerung nochmals aufgegriffen und gezeigt, wie sich diese durch die RFID-Technologie verändern kann.

2 Radio Frequency Identification

2.1 Funktionsweise

Unter Radio Frequency Identification (RFID) versteht man die berührungslose Datenübertragung zwischen einem Informationsträger und einem Erfassungsgerät mittels elektromagnetischer Wellen. Bei dem Träger der Information spricht man von Transponder oder Tag. Das Erfassungsgerät kann mobil oder ortsfest sein; es handelt sich entweder um ein Lese- oder um ein Schreibgerät. Während der Datenübertragung ist kein direkter Sichtkontakt zwischen Sender und Empfänger nötig.^[2]

RFID-Systeme sind pulkfähig. Dies bedeutet, dass die Signale mehrerer Transponder simultan erfasst werden können.^[3]Um dabei eine Überschneidung der Signale zu verhindern, muss das Lesegerät mit Hilfe eines Anti-Kollisionsverfahrens die Signale der Tags selektieren.^[4]

Als Speicherplatz der Informationen auf dem Transponder dient ein Mikrochip. Dieser wird aktiviert, sobald er sich im elektromagnetischen Feld des Lese-/Schreibgerätes befindet. Mit Hilfe einer Antenne in Form einer Spule werden die Daten an den Empfänger übertragen, wodurch ein ständiger Datenaustausch entsteht.^[5]

Transponder können eine Datenmenge von wenigen Bytes bis hin zu mehreren KBytes speichern. Für einfache Überwachungsfunktionen sind sogar 1-Bit-Transponder ausreichend.^[6]Meistens enthält der Tag jedoch den 96 Bit langen Electronic Product Code EPC. Dieser Code ordnet, im Gegensatz zur European Article Number EAN, welche Codes für jeweils eine ganze Produktsorte vergibt, jedem einzelnen Produkt der Sorte eine ein-eindeutige Nummer zu.^[7]

Neben dem Tag enthält ein RFID-System außerdem ein Internet-Register (Object Naming Service ONS), eine Produktbeschreibungssprache (Physical Markup Language PML) und die für die Verarbeitung der Daten notwendige Software. Diese ermöglicht es, den Produktlebensweg über alle Stationen in einer Internet-Datenbank zu verfolgen.^[8]

2.2 Klassifizierung von RFID-Systemen

Bereits jetzt sind verschiedene Varianten von RFID-Systemen auf dem Markt. Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über einige Leistungsmerkmale, kategorisiert anhand der möglichen Betriebsfrequenzen:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung2-1: Leistungsmerkmale der verschiedenen Frequenzen^[9]

Den Frequenzbereich von bis zu 135 KHz bezeichnet man als Niedrigfrequenz, die Frequenz von 13,56 MHz als Hochfrequenz und von 868 MHz als Ultrahochfrequenz. Bei einer Frequenz von 2,45 GHz spricht man von Mikrowellen. Diese Frequenzen stehen allgemein für industrielle, wirtschaftliche und medizinische Anwendungen zur Verfügung.^[10]Die Zuteilung der Frequenzbereiche ist je nach Land unterschiedlich, so dass hier noch Entwicklungsbedarf für ein international einheitlich einsetzbares RFID-System besteht.^[11]

Neben dem Frequenzbereich ist die Art der Energieversorgung ein weiteres Unter-scheidungsmerkmal. Während passive Transponder ausschließlich über die Lese-/Schreibgeräte durch Induktion mit der notwendigen Energie versorgt werden, besitzen aktive Transponder eine eigene Energiequelle, mit Hilfe derer sie das elektro-magnetische Feld des Lesegerätes beeinflussen. Doch auch aktive Transponder sind nicht in der Lage ein eigenes Hochfrequenzsignal zu erzeugen, weshalb sie auch häufig als semi-passiv bezeichnet werden. Solange sie sich außerhalb der Reichweite eines Lesegerätes bewegen, befinden sie sich im Ruhezustand. Erst durch ein Aktivierungs-signal werden sie dazu gebracht, die gespeicherten Informationen zu senden.^[12][13]

Bezüglich der Beschreibbarkeit der Tags gibt es drei Varianten. Die einfachsten sind die Read-Only-Tags, welche eine fest gespeicherte Information beinhalten und ausschließlich gelesen werden können. Read-Write-Tags können mehrfach beschrieben und gelesen werden. WORM-Tags (write once – read many) können einmal beschrieben und dann mehrfach gelesen werden.^[14]

RFID-Systeme können geschlossen oder offen sein. Geschlossene Systeme stellen dabei momentan noch die Mehrheit dar. Das System ist hier auf eine bestimmte Anforderung zugeschnitten und nur für eine festgelegte, oftmals unternehmensinterne Personengruppe einsehbar. Ein Beispiel wäre eine firmenspezifische Produktkennzeichnung oder Zugangskontrolle. Bei offenen Systemen erstreckt sich der Benutzerkreis auf mehrere Akteure z.B. auf alle Beteiligten in einer Lieferkette. Voraussetzung ist dabei, dass alle an das System angeschlossenen Partner die eingesetzten Transponder lesen können. Durch eine allgemeine Standardisierung würde der Einsatz offener Systeme vereinfacht.^[15][16]

2.3 Einsatzbereiche der RFID-Technologie

Die Einsatzbereiche für die RFID-Technologie sind sehr vielfältig. Die folgenden Kapitel werden anhand von verschiedenen Anwendungsbeispielen in der Praxis einen Überblick darüber geben.

2.3.1 RFID im öffentlichen Nahverkehr

In der Stadt Hanau ersetzt seit 2002 das get >> in Ticket die herkömmliche Fahrkarte. Dieses persönliche Ticket enthält einen RFID-Chip, welcher beim Ein- und Aussteigen am Lesegerät vorbeigeführt wird. Dadurch wird die Fahrt automatisch gebucht. Am Ende jeden Monats erhält der Kunde eine Sammelrechnung, wobei für jede Fahrt der günstigste Tarif berechnet wird. Die Daten werden nach Verstreichen einer Aufbewahrungsfrist gelöscht und ausschließlich für die Rechnungserstellung verwendet. Die Karte kann nicht nur für die Busfahrt benutzt werden, sondern auch in Hanaus Museen und Schwimmbädern. Ausserdem läuft seit 2005 ein Projekt, bei dem das Bezahlen über ein Mobiltelefon mit eingebautem RFID-Chip getestet wird.^[17][18]

Eine andere Möglichkeit des RFID-Einsatzes im öffentlichen Nahverkehr hat Siemens Business Services entwickelt. Mit Hilfe von Transpondern, welche an jeder Haltestelle installiert sind, wird die Einfahrt der Transportfahrzeuge von eingebauten Lesegeräten erfasst und anschließend die exakte Uhrzeit der Einfahrt und die Identifikationsnummer des Fahrzeugs an die Verkehrsleitzentrale übermittelt. Dadurch können Abweichungen im Fahrplan frühzeitig erkannt und die Fahrgäste informiert werden.^[19]

2.3.2 RFID in der Produktion

In Zusammenarbeit mit der Schreiner LogiData GmbH & Co. KG startete sanofi-aventis 2003 ein Projekt zur fast vollständigen Automatisierung der Informations- und Logistikprozesse bei gleichzeitiger permanent möglicher Rückverfolgbarkeit jedes Produktionsschrittes. Dafür wurden unter anderem wieder verwendbare Kunststofftrays mit RFID-Labeln versehen. Nach dem Beladen des Tray beschreibt der Pallettier-Roboter den Transponder mit Auftragsnummer, Materialkurztext, Chargenbezeichnung, Produktzahl, Tray-Kennziffer, Datum, Uhrzeit und dem Namen des aufsichtführenden Mitarbeiters. Spätestens vor Passieren des Verpackungsautomates werden die auf dem Transponder gespeicherten Daten von Mitarbeitern mit Handheld-Geräten ausgelesen. So wird kontrolliert, ob der Tray auch wirklich das zu verpackende Produkt enthält.^[20]

2.3.3 Weitere Einsatzmöglichkeiten der RFID-Technik

Weit verbreitet ist die RFID-Technologie im Bereich des Diebstahlschutzes. Sie findet hier nicht nur in Geschäften, Kaufhäusern oder Bibliotheken Anwendung, sondern auch bei Wegfahrsperren in Kraftfahrzeugen. Hierzu wird der Autoschlüssel mit einem Transponder versehen, das Lesegerät wird in der Nähe des Zündschlosses installiert. Über ein kryptologisches Verfahren erfolg die Authentifizierung zwischen Fahrzeug und dem passenden Schlüssel. Die Aufhebung der Wegfahrsperre mit einem gefälschten Schlüssel wird so verhindert.^[21]

WieAbbildung 2-2zeigt, gibt es mittlerweile immer mehr Anwendungsgebiete im täglichen Leben. RFID-Technologie steckte unter anderem in den Tickets für die FIFA Fußball Weltmeisterschaft 2006 in Deutschland. Sie wird in Form eines Implantats zum Bezahlen im Baja-Beach Club in Barcelona unter die Haut der Stammkunden gepflanzt und zur Identifikation unter die Haut von Tieren. Ebenso soll sie in Zukunft die Euro-Banknoten fälschungssicher machen.^[22]Es gibt eine Vielfalt von Einsatzmöglichkeiten der RFID-Technik. Und diese sind noch lange nicht ausgeschöpft.^[23]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung2-2: Einsatzmöglichkeiten für RFID^[24]

2.4 Standardisierung

Die RFID-Technik basiert auf der Nutzung der Funk-Technologie. Diese wird durch landesspezifische Gesetze und postalische Bestimmungen geregelt. Um einen weltweit einheitlichen Einsatz von RFID-Technik zu ermöglichen, müssen verbindliche Standards und Normen geschaffen werden.^[25]

2.4.1 ISO-Normen

Als internationale Standardisierungsorganisation bietet die ISO eine Vielzahl von Nor-men und Standards für das Gebiet der RFID-Technik in der Logistik an. Diese können in die Bereiche Technologie-, Daten- und Anwendungsstandards unterteilt werden:^[26]

- Technologiestandards (ISO 15639, ISO 18000):

Die Technologiestandards regeln die Grundlagen der RFID-Technik. So werden neben den Frequenzen und der Übertragungsgeschwindigkeit auch Codierung, Protokolle und Antikollisionsverfahren festgelegt.^[27]

- Datenstandards (ISO 15961 bis ISO 15963, ISO 19789):

Diese Normen regeln die Aspekte der Datenorganisation. Die ISO 15963 schlägt beispielsweise ein Nummernschema vor, mit dem Identifikationsnummern eindeutig vergeben und zugeordnet werden können.^[28]

- Anwendungsstandards:

In den Anwendungsstandards werden Regelungen aus den Technologie- und Datenstandards kombiniert, um eine technische Lösung für eine bestimmte Anwendung zu finden.^[29]So entstanden z.B. Standards für die Tier-identifikation, für kontaktlose Chipkarten oder für Produktverpackungen.^[30]

2.4.2 EPCglobal Inc.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

EPCglobal Inc. ist eine Non-Profit Organisation, die internationale Standards für die Nutzung von RFID-Technologie entwickelt. Zu den Mitgliedern gehören weltweit mittlerweile circa 1.000 Unternehmen, darunter z.B. die Bayer AG, die DHL Logistics GmbH und die SAP AG. Das Kernstück der Arbeit von EPCglobal Inc. ist die Entwicklung des Electronic Product Codes EPC zur eindeutigen Objektkennzeichnung. Der EPC basiert auf den Standards der European Article Number EAN.^{[31] [32]}

Abbildung2-3: Aufbau des EPC^[33]

Bestandteil des EPC sind vier Komponenten: der Datenkopf gibt die für die Kennzeichnung benutzte EPC-Version und die Art der verschlüsselten Information an; im EPC-Manager steht die Kennzeichnungsnummer des Nummerngebers (z.B. der Hersteller); die Objektklasse beinhaltet die Objektnummer (z.B. die Artikelnummer); die Seriennummer zeigt die fortlaufende Identifikationsnummer des Objektes. Weitere Informationen über die Produkteigenschaften enthält der EPC nicht. Diese werden erst nach der Produktion am Ende der Supply Chain erzeugt.^[34]

2.5 Grenzen der RFID-Technologie

Eine vom Forschungsinstitut für Telekommunikation FTK, dem Verband für Automa-tische Identifikation, Datenerfassung und Mobile Datenkommunikation AIM Deutsch-land und dem Informationsforum RFID e.V. im Jahr 2006 durchgeführte Umfrage zeigt die derzeitigen Grenzen und die hemmenden Faktoren für die RFID-Technologie:^[35]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung2-4: Umfrage über die Hemmnisse bei der RFID-Einführung^[36]

Das momentan größte Hindernis für die Einführung der RFID-Technik sind die als zu hoch eingestuften Kosten für eine Implementierung. Diese Kosten setzen sich aus den Kosten für Transponder, Lese-/Schreibgeräte und Datenbanken zusammen. Die Preise für Transponder liegen gegenwärtig zwischen 50 Cent bis hin zu einem Euro, je nach Auflage; die Kosten für Lese-/Schreibgeräte betragen circa 1000 Euro. Für den Masseneinsatz ist die Technik also noch zu teuer, obwohl die Hersteller von RFID-Systemen aktuell hohe Rabatte gewähren, um die Verbreitung und Einführung zu beschleunigen.^[37][38]

Das Fehlen von einheitlichen Standards stellt ein weiteres Problem dar. Es existieren zwar bereits einige Normungsvorschläge, jedoch konkurrieren diese untereinander. So kann man beispielsweise zwischen nationalen und globalen Standards wählen oder zwischen denen von Technologieprovidern und denen der Logistikindustrie. Auch gibt es noch keine einheitlichen Regelungen über die erlaubten Sendestärken und die Zuordnung der Frequenzbereiche, so dass ein grenzübergreifender Einsatz von RFID-Systemen oftmals nicht realisierbar ist.^[39][40]

[...]

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^[1]Eigene Darstellung

^[2]vgl. Hompel, M. et al. (2005a), S:243

^[3]vgl. Hompel, M. et al. (2005a), S.246

^[4]vgl. o.V.: http://www.bsi.de/fachthem/rfid/RIKCHA_barrierefrei.pdf (26.02.2007), S.31

^[5]vgl. Franke, W. et al. (2006), S.8f

^[6]vgl. Finkenzeller; K. (2006), S.12

^[7]vgl. Seifert, D. (2006), S.371f

^[8]vgl. Seifert, D. (2006), S.372

^[9]Eigene Darstellung

^[10]vgl. o.V.: http://www.bsi.de/fachthem/rfid/RIKCHA_barrierefrei.pdf (26.02.2007), S.25

^[11]vgl. Schmidt, D. (2006), S.34

^[12]vgl. Finkenzeller; K. (2006), S.23f

^[13]vgl. Glasmacher, A. (2005), S.26f

^[14]vgl. Glasmacher, A. (2005), S.27f

^[15]vgl. o.V.: http://www.tu-berlin.de/fak3/cs/study.php?lang=de&pr=17&sm=1&smi=2 (22.05.2007)

^[16]vgl. o.V.: http://www.info-rfid.de/downloads/basiswissen_rfid.pdf (27.03.2007), S.6

^[17]vgl. o.V.: http://www.rfid-ready.de/83--NoName.html (22.03.2007)

^[18]vgl. o.V.: http://rfidabc.de/artikel/verkehr/016_oepnv1/index.html (22.03.2007)

^[19]vgl. o.V:: http://www.info-rfid.de/technologie/281.html (22.03.2007)

^[20]vgl. o.V.: http://www.isis-specials.de/profile_pdf/1s327_edi_rfid0206.pdf (22.03.2007)

^[21]vgl. o.V.: http://www.datenschutz.hessen.de/Tb33/K08P04.htm (22.02.2007)

^[22]vgl. o.V.: http://rfid-informationen.de/info/praxis.html (22.03.2007)

^[23]vgl. o.V.: http://rfidabc.de/artikel/basics/perspektiven/index.html (22.03.2007)

^[24]Eigene Darstellung

^[25]vgl. Franke, W. et al. (2006), S.36

^[26]vgl. Franke, W. et al. (2006), S.38ff

^[27]vgl. Franke, W. et al. (2006), S.38ff

^[28]vgl. Franke, W. et al. (2006), S.38ff

^[29]ebenda

^[30]vgl. Clasen, M.: http://www.gs1-germany.de/common/daten/epcglobal/files/zeitschriftenaufsaetze/stand_rfid_standardisierung.pdf , S.1ff (27.03.2007)

^[31]vgl. o.V.: http://www.gs1-germany.de/internet/content/produkte/epcglobal/index_ger.html (27.03.2007)

^[32]vgl. o.V.: http://www.gs1-germany.de/internet/content/e39/e52/e152/e153 (27.03.2007)

^[33]o.V:: http://www.gs1-germany.de/content/produkte/epcglobal/epc_rfid/der_epc/index_ger.html (27.03.2007)

^[34]vgl. o.V.: http://www.gs1-germany.de/internet/content/produkte/epcglobal/epc_rfid/der_epc/index_ger.html (27.03.2007)

^[35]vgl. o.V.: http://www.ftk.de/downloads/rfid/rfid-umfrage-2006.pdf (05.02.2007) S.11

^[36]o.V.: http://www.ftk.de/downloads/rfid/rfid-umfrage-2006.pdf (05.02.2007) S.6

^[37]vgl. o.V.: http://www.rfid-journal.de/rfid-kosten.html (27.03.2007)

^[38]vgl. Seifert, D. (2006), S.380f

^[39]vgl. Kämpf, R. et al.: http://www.ebz-beratungszentrum.de/organisation/themen/rfid.html (27.03.2007)

^[40]vgl. Schmidt, D. (2006), S.93