Die Automatische Identifikation und Datenerfassung (Auto-ID) ist ein Schlüsselthema im Bereich Industrie 4.0. Sie umfasst unterschiedliche Verfahren zur Identifizierung, Datenerfassung, -erhebung und -übertragung.

Auto-ID ermöglicht die Verbindung von Informations- und Materialflüssen sowohl im externen logistischen Netzwerk als auch in der Intralogistik. Sie ist damit ein „key enabler“ für Cyber-Physische-Systeme (CPS) und die Smart Factory.

Lokalisierung ist grundsätzlich die Feststellung der Position eines Objektes. Dieses kann die eigene Position (zum Beispiel per GPS im Auto) sein, der Verbleib des Mobiltelefons oder – gerade im industriellen Umfeld – die Ortung von bestimmten Gegenständen wie z. B. Bauteilen, Ladungsträgern oder Aufträgen.

Jede Technologie besteht in der Regel aus mindestens zwei Hauptbestandteilen. Zum einen gibt es eine bestimmte Kennzeichnung des Objektes, sofern keine natürlichen Merkmale genutzt werden. Dies wird oftmals durch einen Tag realisiert. Zum anderen werden ein bzw. mehrere Lesegeräte benötigt, welche stationär oder mobil aufgebaut sein können. Eine Datenweiterverarbeitung erfolgt über verschiedene Softwarelösungen.^[1]

Der Mehrwert durch Verwendung von Auto-ID besteht in der Möglichkeit der eindeutigen Identifikation von Objekten und damit die Nachverfolgbarkeit über Status und Position (vgl. Abbildung 1). Die jeweilige Genauigkeit ist von der eingesetzten Technologie und den Umgebungsbedingungen abhängig.

Eines der Hauptziele ist es, Transparenz in Produktion und Logistik zu schaffen, wodurch unter anderem Suchprozesse reduziert und damit Zeit sowie letztendlich Kosten eingespart werden können. Darüber hinaus ist mittels der passenden Auto-ID-Technologie eine zuverlässige Traceability, also eine sichere Rückverfolgung entlang der Herstellungskette, erreichbar. Weiterhin ermöglicht es die dezentrale Speicherung von Daten direkt am jeweiligen Objekt. Dies kann beispielsweise genutzt werden für Qualitätszeugnisse und Prüfberichte sowie zur Dokumentation und Nachverfolgung bereits erfolgter und noch zu erledigender Arbeits- bzw. Verarbeitungsschritte.

Ziel eines Trackings, also der Verfolgung der Bewegungen von bspw. Logistikmitteln wie Staplern, kann durch entsprechende Analysen die Optimierung von Ressourcen unter anderem hinsichtlich Auslastung und Wegeplanung sein.^[2]

Welche technologischen Möglichkeiten es zur Realisierung der Einsatzzwecke gibt, wird nachfolgend überblicksartig vorgestellt.

Optische Identifikationstechnologien

Identifikation natürlicher Objektmerkmale

In der optischen Identifikation gibt es verschiedenste Ansätze. Eine Variante ist es, ein Objekt anhand seiner natürlichen Merkmale zu identifizieren. Dabei sollte sich bei Einzel-/ Detailidentifikationen auf einen kleinen, abgrenzbaren Bereich und dessen Strukturen und Texturen bezogen werden. Eine verbreitete Variante ist die Nutzung der Farbe oder Gestalt eines Objektes beispielsweise zu einfachen Sortieraufgaben. Ebenfalls denkbar ist die Nutzung des Objektgewichts, was häufig bei Plausibilitätschecks Einsatz findet. Diese Identifikationsvariante setzt in der Regel eine gute Stammdatenpflege voraus, ist aber ohne zusätzlichen Kostenaufwand für die Kennzeichnung selbst implementierbar.

Optical Character Recognition (OCR)

OCR bedeutet so viel wie Optische Zeichenerkennung, auch „Texterkennung“. Häufig verwendet wird hierfür ein Zahlencode oder allgemein Klarschrift als ein optisch erfassbares Identifikationsmerkmal, welches auch vom Menschen ausgelesen werden kann. Es hat keinen zusätzlichen Speicher und kann nach einmaliger Erstellung und Aufbringung in der Regel nicht mehr verändert werden.

Optische Identifikation mittels 1D-/2D-Codes

Sowohl Barcodes („Strichcodes“) als auch Flächencodes (QR-, Datamatrix- Codes) sind Binärcodes. Sie bestehen aus hellen und dunklen Balken bzw. Punkten, die der Scanner beim Einlesen des Codes erkennt und in die entsprechende Zeichenfolge umwandelt (Abbildung 2). Diese wird an ein IT-System weitergeleitet, welches die verschlüsselten Informationen interpretieren und zur weiteren Verarbeitung bereitstellen kann.

Fazit

Mittels Nutzung natürlicher Merkmale oder einfach aufzubringender Kennzeichnung ist eine kostengünstige Identifikation von Objekten möglich. Hard- und Software sind weit verbreitet und einfach bedienbar, was eine schnelle Implementierung fördert. Sie ermöglicht eine Erfassbarkeit aus kurzen Entfernungen. Eine Mehrfacherfassung (Pulkerfassung) ist allerdings nur bedingt realisierbar. Außerdem liegt eine erhöhte Schmutzanfälligkeit vor.^[3]

Vorteile

• hohe Verbreitung
• günstige Hardware
• keine oder einfache Codeerzeugung
• hohe Verlässlichkeit (2D)
• sehr robust (2D)
• auf fast jedes Material druckbar

Nachteile

• geringe Lesereichweite
• schmutzanfällig (insb. 1D)
• Pulkerfassung nur bedingt möglich
• Identifikationsmerkmale müssen sichtbar sein

NFC

steht für „Near Field Communication“, also „Nahfeldkommunikation“. Transponder dieser Technologie können ohne zusätzliche Kennzeichnung nicht vom Menschen gelesen werden. Sie können sowohl als passive (ohne eigenen Stromspeicher) oder aktive Ausführung verwendet werden, was vor allem bezogen auf die mögliche Datenübertragung und Zusatzfunktionen, positiven Nutzen hat. Der Unterschied zu RFID (engl. radio-frequency identification) liegt hauptsächlich in der geringeren Reichweite und der Übertragbarkeit von Daten in beide Richtungen, auch wenn NFC ebenso auf RFID-Protokollen basiert. Eine bekannte Anwendung ist beispielsweise die kontaktlose Bezahlung per Karte oder Smartphone an der Kasse. Ebenso weit verbreitet ist die Nutzung der NFC-Technologie für Zutrittsbeschränkungen und automatisierte Zeiterfassungen von Mitarbeitern. Vor- und Nachteile sind ähnlich wie von RFID, wobei in der Regel hier eine kostengünstigere Implementierung möglich ist.

RFID

RFID beschreibt ein kontaktloses System zur Datenübertragung zwischen einem Lesegerät, das zugleich als Transmitter fungiert, und einem Datenträger (Transponder). RFID stellt eine vielseitig einsetzbare Technologie dar, sowohl zur Identifikation als auch zur Lokalisierung.

RFID-Transponder lassen sich auf verschiedene Weisen einteilen: nach der Bauart (passiv oder semipassiv), nach der Art ihrer Kopplung mit der Leseeinheit (kapazitiv, induktiv oder elektromagnetisch) oder nach dem Frequenzbereich, in dem sie arbeiten (Niedrigfrequenzbereich (LF), Hochfrequenzbereich (HF), Ultrahochfrequenzbereich (UHF)).

In der Ausführung mit größeren Reichweiten findet RFID (UHF) bspw. zur Erfassung von Behältern an Hallenübergängen oder ähnlichen abgrenzbaren Bereichen Einsatz. Realisiert wird dies durch RFID-Tore (Antennen rechts und links vom jeweiligen Zugang) und entsprechenden robusten Tags an den Objekten.^[3]

Vorteile

• lange Lebensdauer
• resistent und robust gegen Umwelteinflüsse
• mehrere Tags gleichzeitig lesbar (Pulkerfassung)
• Reichweite bis zu 12 Meter (UHF)
• keine Sichtverbindung notwendig

Nachteile

• Identifikation nur zum Lesezeitpunkt und am Leseort
• Störanfälligkeit aufgrund der Funktechnologie (z. B. keine Identifikation bei Metallummantelung der Tags)
• Gehäuse für Resistenzfähigkeit beeinflussen die Reichweite
• teurer in der kompletten Infrastruktur als 1D-/2D-Codes

Bluetooth Low Energy (BLE)

Bluetooth Low Energy bietet eine einfach zu installierende und daher meist preisgünstige Möglichkeit der Lokalisierung.

Da das Bluetooth-Protokoll in vielen Bereichen (privat wie geschäftlich) weite Verbreitung gefunden hat, wird es von einer großen Zahl mobiler Endgeräte unterstützt. Die passende Hardware zu finden, ist daher vergleichsweise einfach. Dazu ist diese oft schon zu niedrigen Preisen erhältlich.

Der Energieverbrauch ist ebenfalls überschaubar, was auch Geräte mit geringer Batteriekapazität anwendbar macht. Jedoch ergeben sich daraus verschiedene Probleme. So ist die Reichweite zwar durch eine Verstärkung des Signals skalierbar, dadurch steigt allerdings der Energiebedarf. Gerade durch Hindernisse ist die Reichweite daher auf wenige (zehn) Meter begrenzt.

Durch Bluetooth Mesh-Systeme („vermaschte Netzwerke“ mit mehreren untereinander verbundenen Knotenpunkten) können auch größere Flächen abgedeckt werden, allerdings unterstützen nicht alle Bluetooth-fähigen Geräte dieses System.^[4]

Weitere Unterschiede ergeben sich aus der Art der Ausführung – je nachdem, ob eine clientseitige (über Endgerät) oder eine serverseitige (über Infrastruktur) Positionsbestimmung erfolgt.

BLE verwendet zur Übermittlung der Signale das Industrial Scientific Medical (ISM) Band, ein Frequenzband von 2,4 GHz. Da dieses auch von anderen Kommunikationsstandards (z. B. WLAN) verwendet wird, kann es bei einer großen Zahl an Signalen daher leicht zu Störungen kommen.^[5]

Fazit

Bluetooth Low Energy ist bei geringer Distanz eine kosten- und aufwandsgünstige Lösung zur Lokalisierung von Beständen. Für größere Hallen oder Bereiche mit starkem (ISM-) Signal-Verkehr ist es allerdings nicht geeignet. Zudem muss mit der Einführung eines BLE-Systems auch ein Lademanagement eingerichtet werden.

Weitere Anwendungen (Beispiele)

• LED-Identifikation von Gütern (Pick-to-Light)
• temporäre Installationen (z. B. Messen)
• Bestandsführung von Gütern

Vorteile

• geringerer Energieverbrauch als etwa bei Ultra-Wideband
• niedrige Mindest-Anschaffungskosten
• Unterstützung von vielen Geräten und Betriebssystemen

Nachteile

• niedrige Reichweite und Abdeckung
• mögliche Störungen/Interferenzen bei hoher Dichte an WiFi-Signalen
• geringe Paketgrößen pro Nachricht
• Batteriemanagement notwendig

WLAN

Bei WLAN (Wireless Local Area Network) handelt es sich um funkbasierte Netzstrukturen, die eine Vernetzung von elektronischen Geräten wie PCs oder Laptops, aber auch von sonstigen digitalen Geräten ermöglichen. Die Datenrate, die per WLAN-Verbindung übertragen werden kann, ist stark von der verwendeten Frequenz und Bandbreite abhängig, im Allgemeinen jedoch deutlich höher als bei BLE. Die Reichweite hängt stark von der Umgebung und der Beschaffenheit vorhandener Hindernisse ab. Durch die Möglichkeit des Meshings (siehe BLE) in WLAN-Systemen ist eine Skalierbarkeit in Größe und Dichte der Abdeckung dennoch gegeben. Nachteilig wirkt sich aus, dass WLAN-Netze ebenfalls das ISM-Band sowie in Deutschland das 5-GHz- Band nutzen. Beide werden auch von anderen Diensten genutzt, entsprechend kann es auch hier bei hohem Datenverkehr zu Störungen kommen. Durch Signal-Spreizung wird die Anfälligkeit (im Vergleich zu BLE) zwar reduziert, kann jedoch nicht verhindert werden. Da die Genauigkeit der Ortung von der Anzahl der Trainingsdatensätze abhängt, ist eine hohe Präzision mit entsprechendem Aufwand verbunden. In den meisten Fällen ist daher lediglich eine grobe Auflösung möglich, in der die Abstände zwischen zwei Positionen ca. 3-5 m betragen.^[6]

Fazit

WLAN bietet eine bessere Skalierbarkeit als BLE, teilt jedoch einige Schwächen mit besagtem System. Die bessere Skalierbarkeit ermöglicht die Abdeckung größerer Flächen, dafür sind die Anforderungen an die benötigte Hardware ebenfalls höher.

Weitere Anwendungen (Beispiele)

• niedrig gestapelte Hallen mit (räumlich) großen Einzelpositionen (Großteil-/Baugruppenlager)
• Ortung bestimmter (einzelner) Positionen (hochwertige Teile)
• „verschachtelte“ Hallensysteme mit geringem bis mittelmäßigem Datenverkehr

Vorteile

• bessere Skalierbarkeit als BLE bei vertretbaren Mehrkosten
• dichte Abdeckung von Arealen durch Meshing
• erweiterbare Informationsabfragen dank hoher Datenraten

Nachteile

• geringe Auflösung (3-5m Abstand)
• mögliche Störungen/Interferenzen bei hoher Dichte an WiFi-Signalen
• Hardwareeinschränkungen im Vergleich zu BLE
• Energieverbrauch mobiler Endgeräte

Ultra-Wideband

„Ultrabreitband“ oder englisch „Ultra-Wideband“ (UWB) bezeichnet im Allgemeinen Funksysteme, deren genutzte Bandbreite im Verhältnis zur Mittenfrequenz groß ist. Der heute freigegebene Bereich erstreckt sich von 3,1 bis 10,6 GHz.

Ein großer Vorteil gegenüber vielen anderen Technologien ist die geringe Störanfälligkeit. Das gilt sowohl für den Einfluss anderer Funksignalquellen (WLAN, BLE) als auch für Störungen durch Reflexionen. Des Weiteren kann durch die Art der Signalsendung der Zeitabstand bis zum Empfang der Nachricht sehr genau bestimmt werden. Dies ermöglicht eine sehr hohe Auflösung, wodurch auch Objekte in Bewegung präzise geortet werden können. Hinzu kommt eine große Flexibilität, da sowohl stromsparende Datenübertragung als auch die Nutzung hoher Bandbreiten flexibel möglich ist.

Der große Nachteil liegt jedoch in den hohen Kosten im Zusammenhang mit der Nutzung von UWB. Diese entstehen u. a. durch Weitergabe der Entwicklungsaufwände der Hersteller an den Kunden. Hinzu kommt, dass es im Vergleich zu anderen Systemen nur wenige Anbieter für UWB-Lösungen gibt, was ebenfalls höhere Preise verursacht. Darüber hinaus ist für die Verwendung von UWB spezielle Hardware nötig, wodurch entsprechenden Mehrkosten entstehen.^[7]

Fazit

UWB stellt die Premium-Lösung unter den vorgestellten Technologien dar. Sie bietet eine hohe Genauigkeit und ermöglicht so auch die Ortung sich bewegender Elemente. Aufgrund der hohen Kosten für die Anschaffung ist Ultrabreitband jedoch keine „One-Size-Fits-All“-Lösung. Auch bei dieser aktiven Technologie ist ein Lademanagement zu implementieren.

Weitere Anwendungen (Beispiele)

• Staplerortung
• Lokalisierung und Kommunikation in weitläufigen Gebäuden
• Management von Routenzügen

Vorteile

• hohe Genauigkeit
• geringe Latenzzeit
• Störungsarmut (sowohl im Verursachen als auch in der eigenen Anfälligkeit)

Nachteile

• Erfordernis entsprechender (Spezial-) Komponenten (u. U. eingeschränkte Integrationsmöglichkeiten)
• höhere Kosten (pro Fläche) als WLAN oder BLE
• Eignung nur für langfristige Installationen

Die für den eigenen Anwendungsfall passende Lösung zu finden, ist in der Regel nicht trivial. Nachfolgend ist eine Vorgehensweise dargestellt, die bei Umsetzungsprojekten bereits angewendet und für geeignet empfunden wurde. Es wird dabei auf beispielhafte Fragen und Schwerpunkte in den einzelnen Bestandteilen eingegangen, wobei die Einzelheiten und der Detailierungsgrad anwendungsfallspezifisch sind.

Ein wesentlicher Faktor für eine erfolgreiche Einführung einer neuen Technologie ist die frühzeitige Einbeziehung der betreffenden Mitarbeiter:innen, was sich in der Praxis bereits wiederholt gezeigt hat. Ein beispielhaftes Umsetzungsprojekt, über das Sie sich vertiefend zum Anwendungsfall informieren können, finden Sie auf unserer Website. Hier haben wir gemeinsam mit dem Reifenwerk Heidenau einen Einsatz von Auto-ID zur Schaffung von Transparenz in der Fertigung und damit unter anderem der Reduktion von Suchzeiten untersucht und getestet.

© TU Chemnitz

Aktuelles, Praxisbeispiel
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Auto-ID zur Effizienzsteigerung interner Logistikprozesse

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Zudem bieten wir Ihnen als Mittelstand 4.0-Kompetenzzentrum Chemnitz die Möglichkeit, Auto-ID Technologien im Einsatz in unserer Experimentier- und Digitalfabrik vorzuführen oder bei Ihnen vor Ort zu erproben. Darüber hinaus unterstützen wir Sie gern individuell bei der Einführung von Auto-ID-Lösungen.

Auto-ID Technologien bieten die Möglichkeit, Transparenz in der Produktion und Logistik zu schaffen. Dadurch können fundierte Entscheidungen getroffen werden. Die Position und der Fortschritt eines Auftrags lassen sich besser bestimmen. Zusätzlich reduziert sich der Suchaufwand für die Belegschaft, wodurch diese sich wertschöpfenden Tätigkeiten widmen können. Dennoch sind bei der Einführung von Auto-ID-Lösungen einige Punkte zu beachten und die Technologiewahl muss den eigenen Anforderungen entsprechen. Eine One-Size-Fits-All-Lösungen gibt es nicht.

Insbesondere in der Objekterkennung kommen Technologien der Künstlichen Intelligenz (KI) vermehrt zum Einsatz. Durch KI wird die optische Identifizierung und Lokalisierung von Objekten einfacher, günstiger und robuster. Zudem können durch den Einsatz von Methoden zur Datenanalyse (wie bspw. Process Mining) in Verbindung mit Auto-ID tiefere Einblicke in die Unternehmensprozesse erlangt werden. Dadurch besteht die Möglichkeit, Ineffizienzen zu identifizieren und Verbesserungspotenziale aufzudecken.