Ostatnimi czasy zakres wykorzystania technologii RFID (identyfikacji radiowej)w aplikacjach przemysłowych znacząco rośnie. Informacje o tej jednej z najnowocześniejszych technologii stają się obecnie tematem numer jeden pośród inżynierów. Rodzi się pytanie ? dlaczego?
Otóż rozwój technologii popchnął RFID znacznie dalej aniżeli swój analogowy odpowiednik ? kod paskowy. Jednocześnie dzięki coraz większej popularności w przemyśle zastosowanie technologii radiowej przywołało wśród inwestorów pytanie ? czy dzięki tego typu rozwiązaniom zauważalny będzie wpływ na zakres zysków z poniesionych inwestycji? (ROI ? Return of Investment).
Podczas gdy część firm argumentuje, że nie stać ich na wdrożenie technologii RFID, pojawiają się takie, które twierdzą, że ich z kolei nie stać na to, żeby tej technologii nie wprowadzić.
Zapoznając się z podstawami technologii RFID oraz dowiadując, kiedy jej zastosowanie skróci czas zwrotu poniesionych inwestycji, możemy zrozumieć i stwierdzić, na ile technologia ta będzie dla nas przydatna.
Współczesne RFID ? podstawy
Pierwotnie technologia RFID została opracowana jako metoda zdalnego gromadzenia danych poprzez system znaczników (ang. tagów) odbiorników/przekaźników (ang. transceivers). Każdy z komponentów systemu RFID jest albo przymocowany, albo wbudowany w urządzenie/produkt, o którym dostarcza danych. Znaczniki RFID łączą w budowie wewnętrzny układ elektroniczny oraz antenę, za pośrednictwem której emitowana jest fala o częstotliwości radiowej. Jest ona odpowiednio zabezpieczana, a następnie analizowana przez czytniki RFID. System ten zwykle stosowany jest wszędzie tam, gdzie nie wchodzi w grę zatrzymanie biegnącego procesu (ang. Work-In-Progress). Typowym zastosowaniem jest kontrola przepływu materiałów podczas produkcji.
Dzięki swojej kompaktowej budowie znaczniki RFID można wyprodukować praktycznie w każdego rodzaju obudowie ? od bardzo małych, możliwych do wbudowania w oznaczany przedmiot po płaskie etykiety czy naklejki.
W praktycznych zastosowaniach przemysłowych często spotyka się rozwiązania, w których znaczniki RFID montowane są w obudowach czujników. Jest tego dosyć konkretnie uzasadnienie ? inżynierowie doskonale wiedzą, jak w obsługiwanym procesie dobrze zamontować czujniki ? dzięki takiemu rozwiązaniu nie muszą traktować RFID jak ?zła koniecznego?, a jak coś, co już dobrze znają.
Pierwsze znaczniki RFID pracowały na częstotliwościach rzędu 125 kHz, podczas gdy ich nowe generacje pracują przy częstotliwościach rzędu 13,56 MHz. Jest to współcześnie jedna z częstotliwości standardowych, zaś znaczący wzrost prędkości działania sprawia, że funkcjonalność tych rozwiązań może być znacznie szersza od rozwiązań starszych.
Podczas gdy wiele dawnych rozwiązań RFID pozwalało jedynie na statyczne operacje odczytu-zapisu, nowe systemy są zdolne do realizacji zapisu/odczytu w sposób dynamiczny, zależnie od potrzeb.
Pamięć w znaczniku
Współczesne rozwiązania RFID mają już wewnętrzną pamięć, dzięki czemu czas ich wykorzystania w aplikacjach wydatnie wzrasta. W znacznikach RFID stosuje się pamięci EEPROM (elektrycznie kasowalne i zapisywalne pamięci tylko do odczytu) lub FRAM (ferroelektryczne pamięci ze swobodnym dostępem). Każda z nich pozwala na dowolną liczbę operacji odczytu. Pamięci FRAM są obecnie około dziesięciokrotnie szybsze od pamięci EEPROM. Przy takich prędkościach znaczniki z pamięciami FRAM zapewniają czasy zapisu/odczytu na poziomie 10 ms.
Dodatkowo, zastosowanie pamięci FRAM sprawia, że układ może być nadpisywany znacząco więcej razy, aniżeli ma to miejsce w przypadku znaczników z pamięcią EEPROM ? gdzie liczba ta już sięga około 100 tys. cykli zapisu. Oznacza to, że użytkownicy mogliby ? gdyby tego chcieli ? nadpisać dane przez ponad jeden dzień ? co sekundę? Z drugiej zaś strony w przypadku znaczników z pamięcią FRAM liczba cykli zapisu wynosi nawet jeden miliard (!). Jednakże funkcjonalność nawet przy ograniczeniu na poziomie 100 tys. cykli zapisu daje w przypadku znaczników z pamięcią FRAM niebotyczną liczbę 27 lat pracy. W praktyce oznacza to dla użytkownika, że jakakolwiek wymiana pamięci nie będzie prawdopodobnie potrzebna.
Wszystkie te nowe własności, powiązane ze znacznie większą, aniżeli w przypadku kodów paskowych, funkcjonalnością, sprawiają, że wytwórcy coraz częściej rozważają zastosowanie technologii RFID, uzasadniając jednocześnie swoje decyzje rosnącym współczynnikiem zwrotu poniesionych inwestycji ? w uproszczeniu: zastosowanie technologii RFID może współcześnie znacznie szybciej przynieść zakładany poziom zysków, aniżeli miało to miejsce jeszcze jakiś czas temu.
Problemy z naklejkami z kodem paskowym
W aplikacjach komercyjnych, takich sprzedaż detaliczna w sklepach, kody paskowe przypisane są zwykle do konkretnego produktu (określają podstawowe informacje o produkcie, jak np. cenę); umieszczane są zazwyczaj na naklejkach na produktach. Sprzedawcy zyskują dzięki temu sporo czasu podczas sprzedaży produktów, jednakże mogą w ten sposób śledzić produkty jedynie podczas inwentaryzacji, zaś ich stanów magazynowych, jak i jakości ? już nie. Takie informacje są bardzo przydatne na etapie produkcji. Dla danego produktu możliwe jest zastosowanie tylko jednego kodu paskowego. Dla celów sprzedaży jest to zupełnie wystarczająca ilość. Jest tak między innymi dlatego, że w przypadku sprzedaży produkty umieszczane są bądź na półkach w magazynie, bądź też na półkach w sklepie ? nie są tym samym dynamicznie przemieszczane pomiędzy kolejnymi gniazdami produkcyjnymi w trudnych warunkach przemysłowych ? umieszczanie kodów paskowych na zwykłych naklejkach wydaje się tym samym najrozsądniejszym rozwiązaniem. W przypadku zastosowań w warunkach przemysłowych jednakże potrzebna jest daleko bardziej odporna na warunki środowiskowe technologia.
Wykorzystanie kodów paskowych umieszczanych na naklejkach w dynamicznych procesach produkcyjnych zwykle nie daje pożądanego efektu. Naklejki odklejają się po pewnym czasie, zaś sama grafika oraz zawarte na nich liczby wycierają się bądź są uszkadzane przez wilgoć, olej lub zwyczajnie przez częste używanie. W niektórych aplikacjach branży motoryzacyjnej dochodzi do tego, że kody paskowe w ramach jednego cyklu produkcyjnego muszą być nanoszone na produkowane elementy nawet kilka razy.
Powoduje to, że koszty produkcji rosną wskutek konieczności wymiany zużytych etykiet. Jednocześnie niska użyteczność naklejek z kodami paskowymi w trudnych warunkach środowiskowych może doprowadzić do sytuacji, w której produkt wytworzony poprawnie zostanie zidentyfikowany jako brak lub ? co gorsza ? produkt wadliwy nie zostanie wykryty. Poza tym, że wykorzystanie w procesach produkcyjnych naklejek z kodami paskowymi jest kosztowne samo w sobie ? to również kosztuje mnóstwo czasu?
Odczyt kodu paskowego z naklejki bardzo silnie zależy od kąta ?widzenia? naklejki z kodem przez układ odczytujący obraz. Problemten nie istnieje w przypadku zastosowania technologii RFID. Aby poprawnie odczytać kod paskowy z naklejki, produkt musi być prawidłowo umiejscowiony na linii transportowej. W przypadku przemysłu motoryzacyjnego, gdzie komponenty mają nieregularne kształty, ustalenie poprawnej orientacji czytnika względem naklejki z kodem wymaga nie lada wysiłku. Zamiast tego niektórzy producenci wykorzystują pracowników do manualnego skanowania kodów umieszczonych np. na elementach karoserii. Gdy produkt trafia na dany etap produkcji, pracownik skanuje odpowiedni kod paskowy. Pomimo tego, że jest to rozwiązanie najbardziej efektywne, jednakże produkt musi zostać pobrany, zeskanowany, a następnie odłożony na linię produkcyjną. To znacznie wpływa na wydłużenie czasu produkcji. Dodatkowo, wprowadza ryzyko popełnienia błędu podczas operacji manualnych, a nawet uszkodzenia elementów procesu produkcyjnego. Tym samym kumulacja problemów oraz potencjalnych niebezpieczeństw sprawia, że technologia kodów paskowych staje się w pewnym momencie znacznie droższa od implementacji technologii RFID.
Korzyści z rezygnacji z technologii kodów paskowych
Wymiana technologii kodów paskowych na technologię RFID w aplikacjach przemysłowych może przynieść bardzo wiele nowych korzyści. Znaczniki RFID zawierają układy elektroniczne zabudowane w odpornej ochronnej obudowie ? dzięki temu mogą pracować nawet w warunkach dużego zapylenia czy relatywnie wysokiej wilgotności. Znaczniki RFID mogą być montowane na produktach praktycznie w dowolnej orientacji. Jest tak dlatego, że czytniki RFID mogą skanować znaczniki nawet pod kątem 90°. Powoduje to zwiększenie wydajności produkcji na dwa sposoby: poprzez eliminację czasu ustalania orientacji przedmiotu w stosunku do czytnika oraz poprzez brak manualnego skanowania przedmiotów o nieregularnych kształtach. Ten drugi sposób skutkuje również obniżeniem niebezpieczeństwa popełnienia błędów wskutek manualnej ingerencji w zautomatyzowany proces produkcyjny.
Odporna konstrukcja znaczników RFID sprawia, że nie ma już konieczności tak częstej wymiany znaczników, jak to miało dotychczas miejsce w przypadku kodów paskowych umieszczanych na naklejkach. Jak wspomniano na początku niniejszego artykułu, znaczniki RFID można obecnie przeprogramowywać nieograniczoną wręcz ilość razy. W przypadku pamięci FRAM wykorzystanie znaczników RFID w przemyśle motoryzacyjnym sprawia, że możliwe jest przypisanie ponad miliarda kombinacji cech komponentów produkowanych samochodów: kolorów, znaczników czasu, szczegółów składu materiałowego czy po prostu dowolnych innych parametrów oraz ich kombinacji, jakie tylko przyjdą użytkownikom do głowy. Dodatkowo, z uwagi na tak wysoką trwałość znaczników RFID, mogą one być wykorzystywane latami.
Dzięki temu, że każdy znacznik RFID może zawierać unikalny kod seryjny, możliwe jest śledzenie pojedynczego produktu w ramach całej linii produkcyjnej. Ta jedna z funkcjonalności technologii RFID eliminuje błędy charakterystyczne dotychczas w przypadku oznaczania z użyciem kodów paskowych. Umieszczając czytniki RFID na każdym etapie produkcji możliwe jest szybkie zidentyfikowanie sytuacji, w której jakikolwiek produkt omija (w przypadku pomyłki) jeden z etapów cyklu produkcyjnego.
Wskaźnik zwrotu inwestycji zależy od specyfiki aplikacji
Funkcjonalność polegająca na śledzeniu poszczególnych produktów w ramach linii produkcyjnej jest szczególnie użyteczna, w celu zapobiegania sfałszowaniu oryginalnego produktu ? co może się zdarzyć i zdarza w branżach, takich jak np. przemysł farmaceutyczny. Surowe wymogi w tej branży sprawiają, że producenci coraz częściej stosują w swoich liniach produkcyjnych systemy RFID. Informacja o składnikach, z jakich został dany produkt wytworzony, z jakiego źródła one pochodzą czywreszcie śledzenie produktu podczas jego dystrybucji ? wszystko to jest obecnie w zasięgu użytkowników. Dzięki technologii RFID łatwo jest zidentyfikować i wyeliminować np. fałszywe produkty podczas produkcji nowych rodzajów leków.
Podobne zastosowanie technologia RFID znaleźć może w przypadku produkcji żywności i napojów. W sytuacji, gdy jakikolwiek ze składników produktu finalnego będzie zły, a produkt przez to wadliwy, łatwo będzie zidentyfikować źródło problemu. W przypadku, gdyby w trakcie produkcji ktoś złośliwie dodał złego składnika, taka sytuacja również może zostać wychwycona przez system oparty na technologii RFID.
Kombinacja zapewnienia wysokiej jakości produktów, zwiększenia wydajności produkcji oraz większej trwałości przy obniżonych kosztach sprawia, że średni czas zwrotu inwestycji w technologię RFID wynosi od 12 do 18 miesięcy w większości aplikacji: w przemyśle farmaceutycznym, w produkcji żywności i napojów czy w przemyśle motoryzacyjnym. Dla przykładu w jednej z fabryk produkuje się około 1 000 samochodów dziennie. Koszt robotów, naklejających kody paskowe na kolejne fragmenty produkowanych pojazdów, to około 600 tys. zł. Przemieszczając się przez trudniejsze środowiskowo etapy produkcji część kodów paskowych ulega zniszczeniu i trzeba je ponownie nakleić ? niektóre nawet trzy, cztery razy. Widać zatem, że kosztem nie jest jedynie cena zakupu robotów, które będą naklejać kody na produkty, ale również koszt utrzymania robotów oraz zasobu magazynowego naklejek z kodami paskowymi.
Jeżeli przyjąć, że koszt jednego znacznika RFID kształtuje się na poziomie 300 do 500 złotych, to przy 1 000 egzemplarzy koszt integracji systemu jest i tak niższy, aniżeli koszt zakupu robota do mocowania naklejek z kodami paskowymi na elementach samochodu. Dodatkowo, taka inwestycja to nie jednorazowe rozwiązanie, ale praktyczna oszczędność czasu i pieniędzy na utrzymaniu ruchu linii produkcyjnej, nie mówiąc o braku konieczności wymiany zużytych bądź zniszczonych naklejek z kodami paskowymi.
Dodatkowo, technologia RFID poprawia jakość zarządzania danymi procesowymi poprzez bardzo prostą integrację z istniejącymi systemami sterowania. Przy odpowiednim doborze interfejsów wymiany danych czytniki RFID mogą komunikować się z użyciem takich sieci przemysłowych, jak: Profibus-DP, DeviceNet, Modbus TCP, Profinet, EtherNet/IP oraz inne, pozwalając tym samym użytkownikom na bezproblemową rozbudowę istniejącej infrastruktury sieciowej.
Korzystając bowiem z infrastruktury już istniejącej, możemy w znaczący sposób zwiększyć wskaźnik zwrotu poniesionej na wdrożenie technologii RFID inwestycji. Współczesne rozwiązania pozwalają już na implementację do ośmiu kanałów RFID w jednym punkcie sieci. Dodatkowo, możliwa jest już integracja technologii RFID z innymi punktami wejść/wyjść analogowych/cyfrowych w ramach jednego punktu sieci.
Wszystkie powyższe cechy technologii RFID sprawiają, iż jest ona prosta do wdrożenia, zaś korzyści z jej zastosowania użytkownicy doświadczać będą przez wiele lat.
Mark DiSera jest specjalistą ds. RFID w firmie Turck.
Artykuł pod redakcją Krzysztofa Pietrusewicza
