Potenciál RFID v průmyslové automatizaci

Potenciál RFID v průmyslové automatizaci

Se znovuobjevením a stále častějším používáním metody radiofrekvenční identifikace (Radio Frequency Identification – RFID) v posledních několika letech je důležité ne­ustále připomínat, že při použití RFID se není třeba omezovat jen na úlohy typu identifikace a sledování pohybu nejrůznějších položek. Třebaže tyto úlohy mohou v současné době skutečně představovat nejefektivnější využití dané metody, je zde další potenciál přínosů RFID při řízení spojitých technologických procesů, v diskrétní výrobě, při provozu infrastrukturních sítí i v mnoha dalších situacích v průmyslu. Stejně jako jakákoliv jiná technika nemůže ovšem RFID existovat ve vakuu. Má-li být systém RFID efektivně použit v jakékoliv úloze, musí být integrovaný, tj. musí komunikovat a efektivně spolupracovat s okolními technickými prostředky a programovými systémy. Článek ukazuje, co tento požadavek znamená v praxi, včetně několika příkladů již realizované integrace RFID do výrobních linek.

Princip a současné využití RFID

Předpokládáme, že čtenářům časopisu Automa není třeba metodu RFID na tomto místě nijak zvlášť představovat. Připomeňme pouze, že jde o metodu vyžívající k přenosu dat elektromagnetické vlnění na rádiových frekvencích. Systém RFID se skládá z radiofrek­venčního transceiveru (transmitter/receiver – vysílač/přijímač) komunikujícího s miniaturním odpovídačem, zpravidla v podobě tzv. štítku RFID (RFID tag). Štítek obsahuje rádiovou anténu a čip s radiofrekvenčními obvody a daty určenými k přenosu. Funkčně je RFID obdobou nyní obecně používaného čárového kódu, avšak s tím zásadním rozdílem, že nevyžaduje přímou viditelnost mezi čtecím a „čteným„ zařízením a že do odpovídače lze obecně data na dálku také zapisovat. Obě metody se rovněž liší dosahem, který u RFID může být až asi 30 m.

Metoda RFID není tak úplně nová. Poprvé byla použita během druhé světové války k rozlišení vlastních a nepřátelských letadel. V šedesátých a sedmdesátých letech minulého století se s RFID experimentovalo v oblasti zabezpečení přepravy a použití jaderných materiálů a dále všude možně od řízení přístupu po sledování hospodářských zvířat.

Obr. 1. Pasivní brána RFID v logistickém centru armády USA v New Cumberlandu (foto: DLA)

V současné době se RFID nejčastěji po­užívá v úlohách spjatých s identifikací, sledováním a správou nejrůznějších hmotných objektů zejména v obchodních a dodavatelských řetězcích, ale i při výrobě a montáži, k identifikaci objektů při řízení přístupu a výběru mýtného apod. Co se týče detailů, odkazujeme zde zájemce např. na články [1] a [2] i na další příspěvky na téma RFID publikované v časopise Automa.

Řečeno stručně, zavedením RFID jako kompletního systému transceiverů a štítků lze dosáhnout zviditelnění jakéhokoliv objektu nacházejícího se v dosahu rádiových vln a následně posbíraná data zpracovávat, agregovat a využívat téměř všemi myslitelnými způsoby, což je jistě zajímavé. Ale snad ještě zajímavější je, že jsou-li systémy RFID dostatečně šikovně provázány s řídicími a informačními prostředky v podniku, tyto prostředky mohou (do jisté míry) téměř nezávisle jednat na základě informací, které dostávají prostřednictvím RFID. Takto nahlíženo je RFID důležitou součástí sílícího pohybu směrem ke komunikaci typu M2M (Machine-to-Machine). I zde však všechno záleží na schopnosti systému RFID správně spolupracovat s ostatním hardwarem i softwarem spolutvořícím prostředí, v němž je systém RFID použit. V oboru průmyslové automatizace tvoří toto prostředí zařízení typu programovatelných automatů (PLC), systémů I/O a programovatelných řídicích automatů (PAC).

Proč je RFID tak populární

Obvykle uváděnými příčinami rychlého růstu zájmu o RFID v dodavatelských řetězcích, výrobních závodech atd. jsou především poměrná láce a až neuvěřitelná přizpůsobivost těchto systémů. Náklady na ně stále rychle klesají díky malým rozměrům a nízkým cenám štítků. Další výhodou je relativní spolehlivost a jednoduchost rádia jako prostředku komunikace. Pro tyto dvě vlastnosti, láci a spolehlivost, najde RFID využití jak při hledání ztraceného domácího zvířete, tak při třídění součástí na montážní lince.

Avšak patrně nejvýznamnější příčinou šíření metody RFID, zejména v oboru automatizace technologických procesů, je standardizace. Standardizovány jsou frekvence, na nichž systémy RFID pracují, i používané kódy a protokoly. Například v maloobchodu je nyní jako de facto standard používán kód EPC (Electronic Product Code), který vznikl z UPC (Universal Product Code). Dále je patrná snaha sjednotit standardy EPC a ISO. Pokračující standardizace rozhodně dále posílí postavení metody RFID jako vhodné pro průmyslovou praxi.

Hlavním přínosem metody RFID, vedle technických parametrů příslušných systémů, ovšem zůstává její již uvedená schopnost zatím nejefektivněji zajistit sběr, přenos a sdílení informací použitelných k řízení a zdokonalování mnoha různých podnikových i mezipodnikových procesů. Tato efektivita je také důvodem, proč společnost Wal-Mart spustila svůj známý projekt, v němž od svých předních dodavatelů (včetně firem jako Gillette, Hewlett-Packard, Johnson & Johnson a Kraft) vyžaduje štítky RFID na schránách a paletách s dodávaným zbožím (opět viz [1], [2]).

Více než jen dodavatelské řetězce

Mají-li se uplatnit i mimo úlohy typu sprá­vy aktiv, skladů a dodavatelských řetězců a plně dokázat svou cenu v průmyslovém prostředí, potřebují systémy RFID spolupracovat se širokou škálou snímačů, programovatelných řídicích systémů, systémů I/O, kabelových i bezdrátových datových sítí, přenosových protokolů a programových produktů používaných v průmyslových podnicích. K tomu je však především třeba najít vhodný způsob komunikace mezi příslušnými technologickými zařízeními a transceivery (čtečkami) systémů RFID.

Snaha vyřešit problémy s komunikací přivedla mnoho výrobců transceiverů pro RFID k přechodu od rozhraní USB a Bluetooth k Ethernetu – z mnoha lze uvést např. firmy Intermec (http://intermec.com), Alien Technology (http://alientechnology.com) a Symbol Technologies (http://symbol.com). Velký přínos komunikace prostřednictvím Ethernetu zde spočívá v tom, že umožňuje velmi snadno přenášet data ze systému RFID do podnikových aplikačních programů a databází provozovaných na PC. Podobně dokážou řídicí stanice a systémy I/O připojené přes Ethernet dodávat do těchže PC důležité údaje o výrobním zařízení, podpůrných systémech apod.

Takže nyní v průmyslovém podniku potenciálně existuje štítek RFID komunikující s transceivery RFID, které přenášejí data do počítače. Současně existuje technologické zařízení (výrobní, podpůrné), řízené a sledované i komunikující s příslušnými řídicími jednotkami a systémy I/O a sběru dat, které rovněž předávají data do příslušných počítačů. Co zde chybí, je přímé spojení mezi systémem RFID a technologickým zařízením. Zřídit takové spojení je přitom všestranně výhodné.

Štítky RFID mohou např. obsahovat data a instrukce určené ke zpracování v řídicí jednotce, inteligentním systému I/O či jiném zařízení. Ve scénářích tohoto typu je realizováno pravé spojení M2M, kde stroje „hovoří„ jeden s druhým a jednají nezávisle, bez rozhraní směrem k lidské obsluze. Jestliže tedy např. štítek RFID obsahuje informaci týkající se určitého výrobního postupu nebo operace, čtečka RFID může přečíst obsah štítku, systém I/O se může dotázat čtečky, tím získat informaci a na jejím základě vydat příslušné povely technologickému zařízení, které řídí.

V reálu může jít např. o štítek RFID upevněný k jednotlivé součásti procházející montážní linkou. Štítek součást jednoznačně identifikuje, odlišuje ji od ostatních podobných součástí a dále jako specifický údaj týkající se dalšího montážního úkonu obsahuje hodnotu utahovacího momentu. Čtečka RFID získá ze štítku tento údaj. Systém I/O, PLC nebo jiné inteligentní zařízení se dotáže čtečky, provede potřebné logické operace a dá příslušné instrukce technologickému zařízení, které řídí – v daném případě se nastaví požadovaná hodnota krouticího momentu robotického šroubováku a ten se spustí a provede úkon na součásti.

V následujících odstavcích jsou popsány další dva příklady skutečného použití RFID v průmyslové praxi [3].

RFID v reálném světě montážní linky

Brazilská společnost Flextronics (http://www.flextronics.com) konstruuje, vyrábí a dodává spotřební elektroniku a výpočetní, lékařskou a automobilní techniku zákazníkům z řad finálních výrobců (OEM) z celého světa. Jsou mezi nimi firmy jako Motorola, Dell, Microsoft, Xerox a Hewlett-Packard Company (HP), které se často starají jen o zabalení produktů ve skutečnosti sestavených společností Flextronics (na rozdíl od všeobecné představy je tomu tak i se známými tiskárnami HP, které ve skutečnosti montuje a poté dodává do skladů jednotlivých prodejců značky HP společnost Flextronics).

V dané situaci musela společnost Flextronics do svých skladových a dodavatelských operací zavést RFID (svou váhu přitom nepochybně měla přání jejích zákazníků z řad OEM, kteří také museli reagovat na již zmíněné požadavky na použití RFID vznesené společností Wal-Mart a dalšími významnými prodejci). Mezi společností Flextronics a mnoha ostatními podobně „postiženými„ podniky je ovšem jeden velký rozdíl, spočívající v tom, že RFID má hlavní roli také při montážních procesech ve společnosti. Vnější pouzdra všech montovaných tiskáren jsou opatřena štítky RFID (výrobky firmy UPM Rafsec; http://www.rafsec.com) obsahujícími základní údaje o tiskárně jako např. identifikační označení, datum výroby atd. Při jejich průchodu montážními linkami jsou do pouzder instalovány rozličné komponenty (kazety, zásobníky papíru, kladky atd.). Po nainstalování každé komponenty nebo ukončení jednotlivé procedury provede transceiver RFID (značka Samsys; http://www.samsys.com) záznam do štítku, tj. doplní do paměti štítku data indikující, že byla vložena komponenta, provedeno seřízení nebo úspěšně absolvována zkouška. Ve čtyřech různých fázích montáže (z nichž poslední je závěrečná zkouška výrobku před jeho odesláním) transceiver RFID přečte štítek a pošle data po Ethernetu do zařízení SNAP Ultimate I/O (výrobce Opto 22; http://opto22.com.). Zařízení SNAP Ultimate I/O je inteligentní průmyslová řídicí jednotka komunikující přes příslušná rozhraní s mnoha mechanickými i elektronickými ovládacími prvky a systémy podél dané montážní linky. Jestliže data přečtená ze štítku ukazují, že daná komponenta je správně naistalována či že zkouška na lince byla úspěšná, systém SNAP potvrdí správný aktuální stav tiskárny vysláním povelů dopravníkům a dalším systémům, které přemístí rozpracovaný výrobek na další stanoviště linky k dalšímu montážnímu úkonu. Jestliže naopak data přijatá systémem SNAP indikují, že komponenta chybí nebo zkouška byla neúspěšná či vůbec nebyla provedena, systém SNAP nasměruje tiskárnu zpět na začátek procesu montáže. Pro případ výskytu závažného problému je systém SNAP naprogramován tak, že tiskárnu zcela odmítne a vydá povely, které zajistí její přesun na místo určené pro vadné kusy.

RFID a validace

Nyní se podle [3] ještě podívejme na další z možných způsobů využití RFID ve výrobním závodě – tentokrát v oblasti validace a dokládání shody s požadavky zákonných předpisů. V mnoha průmyslových odvětvích – při těžbě ropy a zemního plynu, ve farmacii, automobilovém průmyslu a mnoha dalších – se výrobní či zpracovatelské operace řídí poměrně striktními požadavky a směrnicemi (zčásti dobrovolně přijatými, zčásti uloženými zákonnými předpisy). Federální úřad pro léčiva USA (FDA) např. požaduje od výrobců léčiv, aby uchovávali nezpochybnitelné elektronické záznamy prokazující, že léky i suroviny použité k jejich výrobě jsou neustále skladovány při předepsaných teplotách. To znamená, že teplotu těchto ingrediencí je třeba neustále sledovat a zaznamenávat ji v systému na způsob databáze. To lze snadno zařídit přidáním štítku RFID k určitému balení léku (jeho ingrediencí) a provázáním tohoto štítku s jakýmkoliv průmyslovým zařízením nebo systémem I/O použitým ke sledování a řízení příslušných chladicích zařízení a naprogramovaným ke komunikaci se systémem RFID. Systém RFID potom může zaznamenávat naměřené teploty okolí do štítků RFID připojených k jednotlivým balením léků, ať už se nacházejí skutečně v chladicím boxu nebo ve skladu či skladové místnosti, jejichž teplota je monitorována. Fyzickým médiem umožňujícím vzájemnou komunikaci je opě Ethernet. Štítek RFID může nést uložené údaje o teplotě přes celý dodavatelský řetězec, a je-li nutná kontrola z důvodu auditu nebo stahování výrobku z prodeje, lze z něj rychle získat dostatečné množství údajů a zpětně ověřit skladovací teploty.

Záleží jenom na nás

Lze říci, že uvedené scénáře – jejichž základem je bezešvá integrace průmyslových systémů pro sběr dat a automatické řízení se systémy RFID s využitím automatického čtení ze štítků i zápisu do nich – představují pro metodu RFID největší šanci na její cestě stát se v průmyslu skutečně všudypřítomnou. Je důležité si uvědomit, že veškerá potřebná podpůrná infrastruktura je již k dispozici. Existují zařízení (typu systemů I/O, PLC, PAC apod.) umožňující realizovat nezbytná propojení mezi snímači a akčními členy. Existují i komunikační protokoly a průmyslové komunikační sítě potřebné k uvedení nových způsobů využití metody RFID naznačených v článku do reálného života. Jediné, co je nyní třeba, jsou pro věc zapálené osobnosti na všech organizačních úrovních v podniku, od vrcholových vedoucích, přes vedoucí závodů až po operátory. Osobnosti s vizí, schopné rozpoznat skutečnou hodnotu RFID a skutečnost, že může znamenat více než jenom techniku pro sledování pohybu objektů. Ve skutečnosti metoda RFID může doplňovat všechny možné typy systémů pro sběr dat a řízení a je – pro své unikátní vlastnosti a schopnosti – ideálně vhodná k začlenění do nových i již existujících průmyslových automatizačních systémů.

Literatura:
[1] MACŮREK, F.: Radiofrekvenční identifikace RFID a její použití v automatizaci a logistice. Automa, 2005, roč. 11, č. 8-9, s. 30–33.
[2] ZVELEBIL, V.: Použití metody RFID ve světě a u nás. Automa, 2005, roč. 11, č. 8-9, s. 34–36.
[3] CRUMP, D.: The potential of RFID in industrial automation, process control, and manufacturing. The Industrial Wireless Book, 11/4, srpen 2006.

(sm)