Aktuální vydání

celé číslo

10

2019

Automatizace v chemii a petrochemii

Hladinoměry

celé číslo

Radioidentifikační systémy firmy Escort Memory Systems

Automa 2/2001

Ing. Bořek Vích, ControlTech spol. s r. o.

Radioidentifikační systémy firmy Escort Memory Systems

Společnost ControlTech z Kolína, známá především jako autorizovaný distributor firmy Rockwell Automation, je také obchodním partnerem firmy Escort Memory Systems (EMS). Americká společnost EMS je významným světovým výrobcem průmyslových systémů rádiové identifikace (RFID, radio frequency identification), pyšnící se mnoha unikátními systémy. Cílem tohoto článku je seznámit čtenáře s problematikou a možnostmi systémů RFID obecně i představit konkrétní produkty firmy EMS.

Obr. 1.

Identifikační systémy

Prudký růst zájmu o identifikační systémy pro průmyslové prostředí, kterého můžeme být v poslední době svědky v zahraničních společnostech, vyplývá z požadavku na důslednou automatizaci moderních výrobních technologií. Identifikační systémy jsou určeny k rozpoznání materiálu, polotovaru nebo jiných předmětů ve výrobním procesu a pomáhají tak určit, jaká operace má být s daným předmětem uskutečněna a kde se dotyčný předmět nachází, případně slouží ke statistickému sledování toku materiálu a výrobků.

Radioidentifikační systémy

Existují místa, která svou vlhkostí, prašností, vibracemi, vysokými teplotami nebo povětrnostními vlivy znemožňují použít technologie čárového kódu, v současné době již velmi rozšířené. Proto zde nacházejí uplatnění identifikační systémy pracující na principu vysílání a příjmu vysokofrekvenčních signálů. Pro některá odvětví, jako např. pro automobilový, elektrotechnický a potravinářský průmysl, je tento systém v mnoha případech jediným řešením. Počínaje tvrdými podmínkami při průjezdu karoserií automobilů lakovacími linkami a konče naopak extrémně čistým prostředím potravinářského nebo farmaceutického průmyslu, tam všude nacházejí radioidentifikační systémy své uplatnění.

Systémy RFID se vždy skládají z nosiče informací, řadiče s anténou a nadřazeného zařízení, které informace zpracovává. Nosič se připevňuje k výrobku, k jeho obalu, k paletě nebo na jiné vhodné místo a „putuje“ s ním technologií. Stacionární nebo přenosný snímač čte informace a předává je do nadřízeného informačního nebo řídicího systému nebo naopak zapisuje informace z tohoto systému na nosič.

Nosič informací RFID

Nosiče informací (terčík) se skládají z cívky, programovatelného čipu a u aktivního systému i z napájecího zdroje. Vyrábějí se v mnoha provedeních, lišících se velikostí vlastního terče, odolností k okolním teplotám i maximální přenosovou vzdáleností. Některé jsou tak malé, že je možné vpravit je pod kůži zvířat, jiné jsou naopak rozměrné, např. v aplikacích vyžadujících velký dosah. Všechny jsou ale odolné proti nečistotám, kapalinám, prachu a vibracím. Napájecím zdrojem elektroniky nosiče je kondenzátor nebo baterie. Nosiče, které používají pro napájení baterií, jsou součástí tzv. aktivního systému. Ten má vyšší vysílací výkon, a může tak překlenou větší vzdálenost ke snímači. Nosiče, které jsou součástí tzv. pasivního systému, získávají energii ze svého kondenzátoru, kam byla indukována elektromagnetickým polem antény řadiče. Zatímco životnost pasivních nosičů informace je v podstatě neomezená, životnost nosičů aktivního systému je dána životností jejich baterie. Některé typy nosičů dovolují její výměnu.

Anténa s řadičem

Některé systémy mají anténu a řadič jako dvě oddělené jednotky, jiné naopak jako kompaktní blok. Konkrétní výběr závisí na prostorových možnostech realizované aplikace. Anténní část pomocí rádiových vln realizuje čtení z nosiče informací a zápis do něj. Řadič informace zpracovává, převádí je do vhodného protokolu a komunikuje s nadřízeným zařízením. Některé řadiče mohou prostřednictvím svých zabudovaných I/O přímo řídit příslušnou část technologie a odlehčit tak nadřízenému systému.

Pasivní systém – pouze čtení

Je to nejjednodušší podoba RFID. Architektura pasivního systému „pouze čtení“ je velmi podobná standardnímu systému čárových kódů, a proto může být jeho vhodnější alternativou v drsném a prašném prostředí. Obvody nosiče informací obsahují pevný kód, který musí být uložen v centrální databázi systému. Také veškeré informace, týkající se produktu, jsou uloženy v centrálním systému, v rozsáhlých technologiích s vysokým počtem označených produktů a proto může být vyhledávání časově náročné. Tyto systémy používají různé nosné frekvence od nízkých (50 až 500 kHz) až po mikrovlny (0,9 až 2,5 GHz).

Pasivní systém – čtení a zápis

Technologie využívající nosiče typu „čtení a zápis“ mohou kontinuálně obnovovat nebo doplňovat informace v paměti nosiče. To znamená, že informace o produktu putují technologií spolu s ním a není nutné, aby informační systém zasahoval až do výrobní úrovně. Současně je tak redukováno množství přenášených dat mezi úrovní managementu a úrovní řízení. Nezanedbatelný efekt může mít i zjednodušení, a tedy i zlevnění řídicí a informační sítě.

Další možností je využít tento typ nosiče jako „programovatelný“ identifikátor. Uživatel není odkázán na pevné kódy dodaných nosičů, ale má možnost si je nastavit podle svých potřeb, popř. nosiče opakovaně používat vždy s novým kódem.

Aktivní systémy

Jak bylo uvedeno, využívají nosiče informace k napájení své elektroniky baterii. Výhodou použité elektroniky je rychlost přenosu (až 3 MB/s), použití paměti RAM i možnost masivního krytí, které umožňuje nosič použít ve skutečně drsném prostředí. Další výhodou je větší pracovní dosah, který spolu s vysokou rychlostí přenosu dovoluje systém použít v aplikacích s rychlým pohybem nosičů. Nevýhodou může být omezená životnost baterie. Ta je stanovena na deset let nebo přenesení 800 miliónů bytů.

Kritéria výběru systému RFID

Volba systému RFID je závislá na těchto požadavcích:

  • kapacita paměti nosiče,
  • rychlost přenosu dat,
  • pracovní dosah,
  • pracovní teplota,
  • nosná frekvence.

Kapacita paměti nosiče

Velikost vnitřní paměti nosiče je důležitým kritériem a měla by být volena i s ohledem na možné dodatečné požadavky. Naproti tomu velké množství přenášených dat znamená nutnost prodloužit dobu pobytu nosiče v pracovní oblasti antény-řadiče, a to znamená snížit rychlost pohybu výrobku.

Nosiče typu „pouze čtení“ obsahují dvacetibitovou informaci o pevném kódu. Aktivní nosiče „čtení a zápis“ mohou, podle typu, disponovat pamětí 64 B až 32 kB (několik stran textu). Pasivní nosiče „čtení a zápis“ mají paměť 736 B až 8 kB.

Obr. 2.

Rychlost přenosu dat

Rychlost přenosu dat je pravděpodobně nejdůležitější charakteristika systému RFID. Současné zkracování výrobních cyklů klade stále větší požadavky na identifikační systémy. Pohyb produktu se zrychluje a doba, kdy je produkt (nosič) k dispozici pro identifikaci, se zkracuje.

Rychlost přenosu dat v systému RFID „pouze čtení“ je závislá na délce vlastního kódu, dosahu, ve kterém pracuje, nosné frekvenci i technice modulace. Uvedené parametry se u jednotlivých systémů liší. Například systém firmy EMS s nosičem ES600 přenášejí data v dvacetibitovém rámci rychlostí až 8 750 b/s.

Závislost rychlosti přenosu dat pasivního systému s nosičem typu „čtení a zápis“ je obdobná jako v předchozím případě. Systém EMS s nosičem HMS100 přenáší data rychlostí 1 kB/s.

Typické nízkofrekvenční aktivní systémy s nosičem typu „čtení a zápis“ pracují rychlostí pouze 100 nebo 200 B/s. To znamená, že přenos několika set bytů může trvat o několik sekund déle než vlastní mechanická operace. Zmíněný problém vyřešila společnost EMS uvedením řady velmi rychlých nízkofrekvenčních produktů RFID. Díky několika unikátním technikám umožňuje řada HS realizovat rychlejší přenosy dat než jiné dosud používané mikrovlnné systémy. Konkrétně je to více než 3 000 B/s.

Pracovní dosah

Systémy „čtení a zápis“ mají pracovní dosah od několika centimetrů do několika desítek centimetrů. Rozsah je vhodné volit podle požadavku aplikace. Příliš velký rozsah může mít za následek kolizi nosičů, která nastane, dostanou-li se dva nosiče najednou do pracovní oblasti antény. Přestože EMS vyvinula novou techniku, která minimalizuje kolize mezi nosiči, pro spolehlivost aplikace je stále rozhodující vlastní instalace (dispozice) systému zákazníkem.

Pracovní teplota

Pasivní systémy mohou pracovat při vyšší pracovní teplotě než aktivní. Nosiče typu „pouze čtení“ firmy EMS jsou navrženy tak, aby uchovaly data i při vystavení teplotě 205 °C. Tato odolnost dělá např. z nosiče ES600HT ideální řešení pro pece na vypalování barev, aplikace v horkých chemických lázních apod. Nosič typu „čtení a zápis“ HMS125HT a HMS150HT dovoluje expozici teplotou až 240 °C. Pasivní nosiče také bez problémů snášejí nízké teploty, a to až –40 °C. Proto je možné použít je v mrazírnách, chladicích jednotkách nebo ve venkovním prostředí.

Nosná frekvence

Velmi důležitým faktorem výběru systému je jeho nosná frekvence. Obecně lze říci, že systémy pracující na velmi dlouhých vlnách využívají jako nosnou frekvenci 50 až 500 kHz, středovlnné 13,56 MHz a mikrovlnné pracují v pásmu od 0,9 až 2,4 GHz.

Mikrovlnné systémy mají výhodu velkého dosahu a úzkého paprsku antény. Nevýhodou ale je možnost výskytu stojatého vlnění. Odrazí-li se signál krátkých vln mikrovlnného záření (12 až 30 cm) od dvou kovových ploch, jejichž vzdálenost je rovna vlnové délce signálu nebo je jeho násobkem, vznikne stojaté vlnění. V místě jeho výskytu není možné nosič informace provozovat. Místo vzniku stojatého vlnění lze obtížně předvídat, protože jeho vznik je závislý na momentální poloze kovových částí v pracovním poli antény. Vlivem tohoto jevu jsou mikrovlnné systémy méně spolehlivé pro aplikace RFID než systémy nízkofrekvenční.

RFID firmy EMS

Nosiče informací
Escort Memory Systems nabízí množství systémů pracujících na dlouhých a středních vlnách. Ke každému systému je k dispozici široká nabídka nosičů informací, které se navzájem liší kapacitou, mechanickým provedením i odolností k vnějšímu prostředí. Některé technické parametry již byly v textu popsány.

Raritou a světovým unikátem jsou nosiče informací zabudované do samolepicího papírového štítku. Jejich velkou výhodou je nízká cena, velmi snadné použití, velká vzdálenost, na kterou je možné nosič číst a zapisovat na něj, i skutečnost, že je lze jakkoliv potisknout (např. ekvivalentním čárovým kódem a spojit tak systém čárového kódu a RFID). „Papírové tágy“, jak se zmíněným nosičům slangově říká, nacházejí uplatnění všude tam, kde je třeba automatizovat umísťování nosičů, popř. je extrémní tlak na minimalizaci jejich ceny.

Antény a řadiče
Rozmanitá je i nabídka řadičů a antén. Některá provedení mají integrovanou anténu s řadičem v jednom pouzdru, jiná naopak oddělují vlastní řadič od antény. Anténa může mít nejrůznější tvary a tomu odpovídající charakteristiky. Pro aplikace s dopravníkem jsou určeny dlouhé, napříč uložené antény, které dovolují číst z nosiče nacházejícího se kdekoliv na dopravním pásu. Mohou-li produkty, a tím i nosiče, na dopravníku zaujímat libovolnou polohu a čtení pomocí standardní „jednorozměrné“ antény by bylo nespolehlivé, nabízí EMS tzv. tunelovou anténu. Díky ní lze číst označené produkty umístěné v přepravce, žoku apod. bez ohledu na jejich nasměrování. K uvedeným anténám je určen i řadič, umožňující číst až 99 nosičů nacházejících se v jednom okamžiku v dosahu antény. Některé řadiče jsou v provedení eurocard nebo jako zásuvné karty do počítače.

Nabídka EMS se neomezuje pouze na provedení určená k zabudování do technologie, ale k dispozici jsou i ruční terminály, které obsluze dovolí z nosičů data číst, archivovat je nebo naopak do nosičů zapisovat. Interpretace dat je nastavitelná v běžných soustavách a kódech (dvojková, desítková, hexadecimální, kódy BCD i ASCII). Data jsou přenositelná mezi ručním terminálem a nadřízeným počítačem.

Systém Fast Track
Novinkou, uvedenou v letošním roce, je systém Fast Track, který poskytuje možnost pracovat s pasivními nosiči „čtení a zápis“ na nezvykle dlouhou vzdálenost (až 2 m). Anténní moduly dovolují výstavbu nejrůznějších snímacích sestav pro rozmanitá použití, počínaje turnikety pro identifikaci vstupenek na společenské události a konče bránami pro průjezd vozíku s paletou označených produktů. Díky výsledné charakteristice anténního systému je možné číst nosiče v libovolné poloze a díky použitému řadiči lze najednou identifikovat až 99 nosičů. To znamená např. možnost číst všechny produkty srovnané na paletě bez nutnosti rozebrat ji.

Komunikace
Všechny řadiče jsou vybaveny sériovou linkou RS-232 nebo RS-485 a komunikují protokolem MUX32. Po zjednodušení napojení na stávající systémy nabízí EMS řadu převodníků. Ty umožňují připojit řadič nebo síť řadičů na známé průmyslové sběrnice – DeviceNet, InterBus-S, Profibus DP, Modbus Plus, Remote I/O, ControlNet.

Pro systémy Modicon Compact, Modicon 800 (Schneider) a SLC-500 (Allen-Bradley) nabízí EMS řadiče a současně komunikační jednotky (MUX32) v provedení jako zásuvné moduly do šasi.

Závěr

Technologie RFID znamená kvalitativní krok v oblasti identifikace produktů, a proto se s ní budeme nepochybně setkávat stále častěji. Společnost Escort Memory Systems nabízí unikátní, v průmyslu vyzkoušené výrobky, které umožňují řešit nejrůznější, i neobvyklé aplikace, kde standardní čárový kód i jiné systémy RFID nestačí.

ControlTech spol. s r. o.
Havlíčkova 822
280 00 Kolín
Tel.: 0321/74 20 11
Fax: 0321/74 20 22
www.controltech.cz
info@controltech.cz