Technische Konzepte zur RFID

Transcription

Lehrstuhl für
Fördertechnik Materialfluss Logistik
der Technischen Universität München
Technische Konzepte zur RFID-gestützten
Bauzustandsdokumentation in der Automobilindustrie
Jürgen Wagner
Vollständiger Abdruck der von der Fakultät für Maschinenwesen der Technischen Universität
München zur Erlangung des akademischen Grades eines
Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.)
genehmigten Dissertation.
Vorsitzender:
Univ.-Prof. Dr.-Ing. B.-R. Höhn
Prüfer der Dissertation:
1.
Univ.-Prof. Dr.-Ing. W. A. Günthner
2.
Univ.-Prof. Dr.-Ing. B. Heißing
Die Dissertation wurde am 26.05.2009 bei der Technischen Universität München eingereicht
und durch die Fakultät für Maschinenwesen am 26.10.2009 angenommen.
Vorwort
Vorwort
Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Fördertechnik Materialfluss Logistik (fml) der Technischen
Universität München in Zusammenarbeit mit der AUDI AG über die Ingolstadt Institute der TU München (INI.TUM).
Mein persönlicher Dank gilt in erster Linie Herrn Prof. Dr. W. A. Günthner, der mir die
Möglichkeit zur Durchführung meiner Forschungstätigkeit gab sowie mir das notwendige Vertrauen und die notwendige Unterstützung entgegenbrachte. Zudem danke
ich Herrn Prof. Heißing für die Übernahme des Korreferats und Herrn Prof. Höhn für
den Vorsitz der Prüfungskommission. Mein besonderer Dank gilt auch Herrn Stefan
Härdl, Herrn Dr. Peter Tropschuh, Herrn Arne Leetz und Herrn Dr. Uwe Koser sowie
allen Arbeitskollegen in der Fachabteilung ET-2 der AUDI AG, die mich als Auftraggeber und Ansprechpartner des INI.TUM Wissenschaftsprojektes „Transparenter
Prototyp“ mit vollen Kräften unterstützt und gefördert haben.
Ebenso möchte ich mich bei allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Lehrstuhls
fml für die sehr gute und freundschaftliche Zusammenarbeit bedanken. Namentlich
möchte ich meine Kollegen Julia Boppert, Janina Durchholz, Roland Fischer, Michael
Salfer, Stefan Sanladerer und Michael Schedlbauer erwähnen, die mir immer zur
Seite gestanden haben. Des Weiteren gilt mein Dank meinem früheren Kollegen Stefan Seemüller, der mich an den Lehrstuhl herangeführt hat.
Mein größter Dank gilt meiner Familie, insbesondere meiner Mutter und meinem
Stiefvater, für die langjährige und unbegrenzte Unterstützung in allen Bereichen meines Lebens, wodurch es mir ermöglicht wurde, diesen wichtigen Schritt in meinem
beruflichen Werdegang abzuschließen.
Von ganzen Herzen bedanke ich mich bei meiner Freundin Melanie Veicht, die immer verständnisvoll war und mir mit ihrer Liebe kontinuierlich neue Kraft, Inspiration
und Energie zur Durchführung meiner Dissertation gegeben hat.
Garching, im Mai 2009
Jürgen Wagner
I
II
Kurzzusammenfassung
Kurzzusammenfassung
Zur Sicherstellung der Qualität über alle Wertschöpfungsstufen und beteiligten Unternehmen im vielschichtigen Entwicklung- und Produktionsprozess der Automobilindustrie bedarf es eines konsequenten Qualitätsmanagements. Eine zentrale Rolle
zur Schaffung von Transparenz nimmt hierbei die lückenlose Verfolgung und Dokumentation des Bauzustandes von Fahrzeugen ein.
Die Radiofrequenzidentifikation, die eine Methode kennzeichnet bei der Daten mittels
magnetischer Felder bzw. elektromagnetischer Wellen über die Luftschnittstelle übertragen werden, schafft hier neue Chancen und Potenziale zur Steigerung der Effizienz und Transparenz in der Wertschöpfungskette durch die durchgängige und
eindeutige Identifizierung von Fahrzeugkomponenten.
Die Kennzeichnung und Erfassung von Fahrzeugeinzelteilen - insbesondere im Fahrzeug - ist aber aufgrund der negativen Auswirkungen von Metall auf die Leistungsfähigkeit von RFID-Systemen mit vielschichtigen Herausforderungen behaftet und nicht
mit einem auf dem Markt erhältlichem Standardsystem lösbar.
Das Ziel der Arbeit war daher die Entwicklung von technischen Konzepten zur Kennzeichnung und Erfassung von verbauten Bauteilen im Fahrzeug mit Hilfe der RFIDTechnologie sowie der Nachweis der technischen Machbarkeit einer RFID-gestützten
Bauzustandsdokumentation.
Dazu wurde ein Konzept zur Entkopplung der mobilen Datenträger von leitfähigen
Materialien mittels eines Spezialabsorbers erarbeitet, um die für den Anwendungsfall
essenzielle Kennzeichnung von metallischen Bauteilen unter den spezifischen Anforderungen zu ermöglichen.
Zur Erfassung gekennzeichneter Bauteile im Fahrzeug wurden verschiedene technische Antennenkonzepte betrachtet beziehungsweise entwickelt und auf deren Eignung für den Einsatz in der RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation überprüft.
Durch die gezielte Kombination von zwei Antennenkonzepten konnte im Rahmen
einer praktischen Evaluierung an Hand eines repräsentativen Versuchsfahrzeug gezeigt werden, dass die RFID-Technologie die Möglichkeit bietet Fahrzeugbauteile zu
kennzeichnen und im verbauten Zustand zu erfassen.
III
Summary
Summary
To ensure the quality in the supply chain integrating all involved companies within the
automobile industry’s complex development and production process requires a consistent quality management For creating transparency a complete tracing and documentation of the car’s state of construction is a main issue.
The radio frequency identification, characterising a method transferring data by
means of magnetic fields or electromagnetic waves through air interface, creates
new opportunities to enhance efficiency and transparency in the supply chain because of the consistent and explicit identification of automobile parts.
The labelling and identification of automobile single parts – especially inside the vehicle – poses a challenge due to the negative effects of metal on the performance of
RFID-systems which cannot be solved with a currently available system.
The paper’s aim was the development of technical concepts for labelling employed
automobile parts by means of the RFID.technology and to proof the technical feasibility of a RFID based documentation of the state of construction.
Therefore a concept to decouple the transponder from conductive materials was developed by using a special absorber to enable the essential labelling of metal parts
out of metal to fulfill the application’s specific requirements.
To identify labelled parts inside the vehicle different technical concepts were considered and accordingly developed and tested for their adoption within RFID based
documentation of the state of construction. By using the specific combination of two
different antenna concepts it could be demonstrated within the scope of a field
evaluation with a representative test automobile that RFID technology offers the opportunity to label vehicle units and to identify them when installed.
IV
Inhaltsverzeichnis
Vorwort ................................................................................................... I
Kurzzusammenfassung....................................................................... III
Summary ..............................................................................................IV
Abbildungsverzeichnis.........................................................................X
Tabellenverzeichnis......................................................................... XVII
1
Ausgangssituation und Hintergrund .......................................... 1
1.1
Die Automobilindustrie im Wandel.................................................................... 1
1.2
Problemstellung der Arbeit ............................................................................... 7
1.3
Zielsetzung und Vorgehensweise..................................................................... 9
2
Einführung in die Radiofrequenzidentifikation........................ 12
2.1
Grundlagen der Auto-Identifikations-Verfahren .............................................. 13
2.1.1
Barcode-Technologie ............................................................................... 15
2.1.2
RFID-Technologie .................................................................................... 18
2.2
RFID und Barcode-Technologie im Vergleich ................................................ 22
2.3
Differenzierung und Charakterisierung von RFID-Systemen.......................... 25
2.3.1
Arbeitsfrequenz des RFID-Systems ......................................................... 26
2.3.2
Energieversorgung des Transponders ..................................................... 29
2.3.3
Art des Speicherzugriffs ........................................................................... 30
2.3.4
Speicherkapazität..................................................................................... 31
2.4
Funktionsweise der Energie- und Datenübertragung ..................................... 32
2.4.1
Kapazitive Kopplung ................................................................................ 34
2.4.2
Induktive Kopplung................................................................................... 36
2.4.3
Elektromagnetische Kopplung.................................................................. 52
2.5
Eigenschaften von RFID-Systemen................................................................ 66
2.5.1
Feldcharakteristik ..................................................................................... 66
2.5.2
Reichweite................................................................................................ 68
V
Inhaltsverzeichnis
2.5.3
Baugröße ................................................................................................. 70
2.5.4
Datenübertragungsrate ............................................................................ 70
2.5.5
Pulkfähigkeit............................................................................................. 71
2.5.6
Materialdurchdringung ............................................................................. 73
2.5.7
Zusammenfassung der Eigenschaften von RFID-Systemen.................... 74
2.6
Standardisierung der RFID-Technologie ........................................................ 74
2.6.1
Funkvorschriften....................................................................................... 75
2.6.2
Luftschnittstellenstandards....................................................................... 77
2.6.3
Anwendungsstandards............................................................................. 77
2.6.4
EPC – Netzwerk....................................................................................... 77
2.7
Technologische Entwicklungstrends............................................................... 77
2.7.1
Fortschreitende Reduzierung des Stromverbrauchs bei Mikrochips ........ 77
2.7.2
Integration von druckbaren Batterien ....................................................... 77
2.7.3
Polymertransponder................................................................................. 77
2.7.4
Zusammenfassung Zukunftstrends .......................................................... 77
3
RFID-gestützte Bauzustandsdokumentation ........................... 77
3.1
Aufgabe der Bauzustandsdokumentation im Produktlebenszyklus ................ 77
3.1.1
Fahrzeugentwicklung ............................................................................... 77
3.1.2
Produktion ................................................................................................ 77
3.1.3
Fahrzeugservice....................................................................................... 77
3.2
Konzept der RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation ............................ 77
3.2.1
Bauteilkennzeichnung .............................................................................. 77
3.2.2
Bauteilerfassung ...................................................................................... 77
3.2.3
Datenhaltung............................................................................................ 77
3.3
Konzept zur Einführung der RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation.... 77
3.4
Festlegung von Referenzbauteilen ................................................................. 77
3.5
Anforderungen an die RFID-Technologie ....................................................... 77
3.5.1
Anforderungen an die Bauteilkennzeichnung........................................... 77
3.5.2
Anforderung an die Bauteilerfassung ....................................................... 77
3.5.3
Anforderungen an die Langzeitstabilität ................................................... 77
3.6
Festlegung der Energieversorgung und der Arbeitsfrequenz ......................... 77
3.6.1
Energieversorgung................................................................................... 77
3.6.2
Arbeitsfrequenz ........................................................................................ 77
VI
Inhaltsverzeichnis
3.7
Zentrale Herausforderungen und Handlungsfelder......................................... 77
3.7.1
Bauteilkennzeichung ................................................................................ 77
3.7.2
Bauteilerfassung im verbauten Zustand................................................... 77
4
Kennzeichnung von metallischen Bauteilen............................ 77
4.1
Theoretische Grundlagen zur Kennzeichnung von metallischen Objekten..... 77
4.1.1
Verhalten von elektromagnetischen Feldern an metallischen
Grenzflächen............................................................................................ 77
4.1.2
4.2
Verstimmung des Transponders .............................................................. 77
Konzepte zur Kennzeichnung von metallischen Objekten.............................. 77
4.2.1
Konzept Abstandsmaterial ....................................................................... 77
4.2.2
Konzept Flag Tag..................................................................................... 77
4.2.3
Konzept konstruktiver Schlitz ................................................................... 77
4.2.4
Konzept PIFA-Antenne ............................................................................ 77
4.3
Leistungsfähigkeit der aufgezeigten Kennzeichnungskonzepte ..................... 77
4.3.1
Versuchsaufbau ....................................................................................... 77
4.3.2
Verwendete Hardwarekomponenten........................................................ 77
4.3.3
Ergebnisse der praktischen Leistungsevaluierung ................................... 77
4.4
Auswahl des Konzepts zur Kennzeichnung metallischer Bauteile für den
Einsatz in der Bauzustandsdokumentation..................................................... 77
4.4.1
Abstandsmaterial ..................................................................................... 77
4.4.2
Flag Tag ................................................................................................... 77
4.4.3
Zusammenfassung................................................................................... 77
4.5
Qualifizierung und Anpassung des ausgewählten Kennzeichnungskonzepts 77
4.6
Zusammenfassung und Fazit ......................................................................... 77
5
Erfassung von verbauten Bauteilen ......................................... 77
5.1
Theoretische Einflüsse einer metallischen Umgebung auf RFID-Systeme..... 77
5.1.1
Abschirmung ............................................................................................ 77
5.1.2
Reflexionseffekte in metallischer Umgebung ........................................... 77
5.1.3
Wirbelstrombildung .................................................................................. 77
5.1.4
Abschattung ............................................................................................. 77
5.2
5.2.1
Auswirkungen für den Einsatz in der Bauzustandsdokumentation ................. 77
Bauteilfreiheitsgrade ................................................................................ 77
VII
Inhaltsverzeichnis
5.2.2
Schwankendes und unstetiges Lesefeld .................................................. 77
5.2.3
Bauteilabschirmung und -abschattung ..................................................... 77
5.2.4
Zusammenfassung und Fazit ................................................................... 77
5.3
Praktische Evaluierung der Erfassung von verbauten Komponenten............. 77
5.3.1
Versuchsaufbau ....................................................................................... 77
5.3.2
Versuchsdurchführung ............................................................................. 77
5.3.3
Ergebnisse der Versuchsreihe ................................................................. 77
5.4
6
Antennenkonzepte für enge Bauräume.................................... 77
6.1
Antennenparameter........................................................................................ 77
6.1.1
Impedanz ................................................................................................. 77
6.1.2
Reflexionsdämpfung ................................................................................ 77
6.1.3
Gewinn ..................................................................................................... 77
6.1.4
Sende- und Empfangsleistung ................................................................. 77
6.2
Antennenbauformen und ihre Eigenschaften ................................................. 77
6.2.1
Dipole ....................................................................................................... 77
6.2.2
Stabantennen........................................................................................... 77
6.2.3
Flachantennen ......................................................................................... 77
6.3
Anforderungen an Antennenkonzepte an enge Bauräume............................. 77
6.3.1
Technische Anforderungen ...................................................................... 77
6.3.2
Spezifische Anforderungen für den Anwendungsfall................................ 77
6.3.3
Zusammenfassung................................................................................... 77
6.4
Konzept zur Auswahl des geeigneten Antennenkonzepts.............................. 77
6.5
Auswahl eines geeigneten Antennenkonzepts ............................................... 77
6.5.1
Anforderung Baugröße............................................................................. 77
6.5.2
Anforderung Handhabbarkeit ................................................................... 77
6.6
Auslegung und Gestaltung der Koaxialantenne ............................................. 77
6.6.1
Aufbau der Best-Practise Koaxialantenne................................................ 77
6.6.2
Messung der Empfangsleistung ............................................................... 77
6.6.3
Messung der Reflexionsdämpfung........................................................... 77
6.6.4
Sicherstellung der Antennenrobustheit und der einfachen
Handhabung............................................................................................. 77
6.7
VIII
Praktische Evaluierung der Koaxialantenne ................................................... 77
Inhaltsverzeichnis
6.7.1
Versuchdurchführung............................................................................... 77
6.7.2
Festlegung der Sendeleistung.................................................................. 77
6.7.3
Ergebnisse der Evaluierung ..................................................................... 77
6.8
7
Zusammenfassung und Ausblick ............................................. 77
8
Literatur ...................................................................................... 77
IX
Abbildungsverzeichnis
Abbildung 1-1: Absatz der Automobilmarken weltweit im Jahr 2006 [ATK-07] und
deren Profitabilität auf Basis des API-Index [FHD-07] ................................... 2
Abbildung 1-2: Erteilte Typgenehmigungen des Kraftfahrtbundesamtes einschließlich der Nachträge [KBA-06] .......................................................................... 3
Abbildung 1-3: Steigende Derivatisierung am Beispiel der AUDI AG (in Anlehnung
an [DIC-07]) ................................................................................................... 4
Abbildung 1-4: Steigende Anzahl der Produktinnovationen am Beispiel der
AUDI AG [DIC-07].......................................................................................... 5
Abbildung 1-5: Anzahl der Rückrufaktionen von 1998 bis 2006 [KBA-06]................... 6
Abbildung 1-6: Baugruppenbezogene Verteilung der Rückrufaktionen [KBA-06] ....... 7
Abbildung 1-7: Vorgehensweise und methodischer Aufbau der Arbeit ..................... 11
Abbildung 2-1: Aufbau des Kapitels Einführung in die Radiofrequenzidentifikation .. 13
Abbildung 2-2: Zusammenfassende Übersicht der wichtigsten Auto-ID-Verfahren
(in Anlehnung an [JAN-04]) ......................................................................... 14
Abbildung 2-3: Varianten der optischen Codierung [GÜN-07]................................... 16
Abbildung 2-4: Die wichtigsten Varianten des 1D-Barcodes [GÜN-07] ..................... 16
Abbildung 2-5: Codierung von Zeichen in einem Barcode am Beispiel des Barcode
2/5 Industrie (in Anlehnung an [GÜN-07]).................................................... 17
Abbildung 2-6: Beispiele für Stapelcodes (PDF417) und Matrix-Codes (QR-Code
und Maxicode) [BER-05].............................................................................. 18
Abbildung 2-7: Komponenten eines RFID-Systems (in Anlehnung an [LAM-05]) .... 19
Abbildung 2-8: Verschiede Bauformen von Transpondern (in Anlehnung an
[LAM-05])..................................................................................................... 20
Abbildung 2-9: Bestandteile eines Smart Label [JAN-04].......................................... 21
Abbildung 2-10: Antennenvarianten [PRE-08, FEI-07].............................................. 22
Abbildung 2-11: Vergleich zwischen Barcode und RFID........................................... 25
Abbildung 2-12: Unterscheidungskriterien von RFID-Systemen ............................... 26
Abbildung 2-13: Überblick über nutzbare RFID-Frequenzen in Deutschland und
dazugehörige beispielhafte Anwendungen .................................................. 27
X
Abbildung 2-14: Abhängigkeit der übertragbarer Datenmenge von der Wellenlänge [GS1-06] ............................................................................................ 28
Abbildung 2-15: Daten- und Energieübertragungsverfahren von RFID-Systemen
(in Anlehnung an [KER-06])......................................................................... 33
Abbildung 2-16: Einteilung der RFID-Systeme nach dem zeitlichen Ablauf der
Energie- und Datenübertragung (in Anlehnung an [FIN-06]) ....................... 34
Abbildung 2-17: Kapazitive Kopplung bei close-coupling Systemen [KER-06] ......... 35
Abbildung 2-18: Kapazitive Kopplung bei remote-coupling Systemen [KER-06]....... 36
Abbildung 2-19: Magnetische Feldlinien um einen stromdurchflossenen Leiter........ 37
Abbildung 2-20: Verlauf der Feldstärke in einer Spule a) schematisch und b)
sichtbar mit Hilfe von Eisenspänen [TIP-94] ................................................ 38
Abbildung 2-21: Verlauf der magnetischen Feldstärke bei kurzen Zylinderspulen im
Nahfeld in Abhängigkeit des Spulenradius R (in Anlehnung an [FIN-06]).... 39
Abbildung 2-22: Readerantennen für unterschiedliche Lesereichweiten [FEI-07]..... 40
Abbildung 2-23: Mobile Datenträger auf Basis induktiver Kopplung mit unterschiedlichen Antennen [RRY-07, SOK-07, UPM-07] ................................... 42
Abbildung 2-24: Erkennungsbereich von induktiv gekoppelten Systemen und deren
Lageabhängigkeit am Beispiel eines 134kHz-Transponders [KER-06] ....... 44
Abbildung 2-25: Ersatzschaltbild für ein induktiv gekoppeltes RFID-System mit
einem Parallelschwingkreis gebildet durch ein RC-Glied (in Anlehnung an
[FIN-06]) ...................................................................................................... 45
Abbildung 2-26: Gegenüberstellung des Verlaufes der Lastspannung in Abhängigkeit der Frequenz mit und ohne Parallelschwingkreis (f0 = Arbeitsfrequenz und u0 = minimale Spannung zum Betrieb des Datenträgers) ..... 47
Abbildung 2-27: Entstehende Seitenbänder bei einer Lastmodulation mit Hilfsträger [FIN-06] ............................................................................................. 50
Abbildung 2-28: Signalübertragung mittels ASK-Modulation und Hilfsträger
[FIN-06]........................................................................................................ 51
Abbildung 2-29: Aufladung einer elektrischen Dipolantenne bei Speisung mit
Wechselstrom (mit Umlaufdauer T) [TIP-94] ............................................... 52
Abbildung 2-30: Entstehung einer elektromagnetischen Welle am Beispiel einer
Dipolantenne [TIP-94].................................................................................. 53
Abbildung 2-31: Elektromagnetische Welle [TIP-94]................................................. 55
XI
Abbildung 2-32: Strahlungsdiagramm einer Dipolantenne im Vergleich zu einem
isotropen Strahler [FIN-06] .......................................................................... 56
Abbildung 2-33: Prinzipielle (a) und tatsächliche Gestalt (b) der wirksamen
Fläche für elektrisch kurze Dipole mit Höhe h [MEI-92] ............................... 58
Abbildung 2-34: Lineare - a) und b) - und zirkulare Polarisation am Beispiel eines
Dipols [FIN-06]............................................................................................. 58
Abbildung 2-35: Auswirkung der Antennenpolarisation auf die Lesbarkeit [KLE-04]. 59
Abbildung 2-36: Dämpfung in der Atmosphäre als Funktion über die Frequenz
[CUR-87]...................................................................................................... 61
Abbildung 2-37: Ersatzschaltbild eines Transponders und dessen Antenne
[FIN-06]........................................................................................................ 63
Abbildung 2-38: Datenübertragung durch Modulierung des Rückstrahlquerschnitt
bei elektromagnetisch gekoppelten Systemen [FIN-06]............................... 64
Abbildung 2-39: Aufbau eines Oberflächenwellentransponders [RFS-08] ................ 65
Abbildung 2-40: Vergleich der Feldcharakteristik von HF- und UHF-Systemen
[WAL-05]...................................................................................................... 67
Abbildung 2-41: Elektromagnetisches Feld ohne (A) und mit Einfluss (B) der
Bodenreflexion bei UHF-Systemen [WAL-05].............................................. 68
Abbildung 2-42: Funktionsweise des Binary-Tree-Verfahrens .................................. 72
Abbildung 2-43: Eigenschaften von RFID-Systemen ................................................ 74
Abbildung 2-44: Standardisierung im Bereich RFID.................................................. 75
Abbildung 2-45: Freigegebene Sendefrequenzen für RFID-Systeme ....................... 76
Abbildung 2-46: Prinzipielle Funktionsweise des „frequency-hopping“-Verfahrens
[KLU-01] ...................................................................................................... 77
Abbildung 2-47: EPC-Netzwerk [EPC-07a] ............................................................... 83
Abbildung 2-48: Beispielhafte Darstellung eines GID EPC (in Anlehnung an
[FLÖ-05]) .................................................................................................... 84
Abbildung 2-49: Spezifikation des EPC der zweiten Generation [CLA-06]................ 84
Abbildung 2-50: Die Funktionsweise des EPC-Netzwerks ........................................ 86
Abbildung 2-51: „Battery-assisted Labels“ der Firma Power ID [POW-08]................ 89
Abbildung 2-52: Gedruckter Polymertransponder [POL-08]...................................... 90
Abbildung 2-53: Entwicklung der Smart Object Technologie [PFL-06]...................... 90
Abbildung 3-1: Aufbau des Kapitels „RFID-gestützte Bauzustandsdokumentation“.. 92
XII
Abbildung 3-2: Beispielhafte Kennzeichnung eines Versuchsbauteils mit einem
kombinierten Klarschrift/Barcode/RFID-Etikett ............................................ 97
Abbildung 3-3: Grobe Methodik zur Auswahl von kennzeichnungsrelevanten
Bauteilen...................................................................................................... 98
Abbildung 3-4: Vision der RFID-gestützen Bauzustandsdokumentation................... 99
Abbildung 3-5: Erfassungskonzepte zur Identifikation von Bauteilen in der
Automobilindustrie ..................................................................................... 100
Abbildung 3-6: Szenario „Offenes Fahrzeug scannen“ ........................................... 101
Abbildung 3-7: Szenario „Scanpunkte“.................................................................... 102
Abbildung 3-8: Zentrale Datenspeicherung für die Rückverfolgbarkeit der
Bauteile...................................................................................................... 104
Abbildung 3-9: Einführungsstrategie für die RFID-Technologie in das
Unternehmen............................................................................................. 106
Abbildung 3-10: Einteilung der Fahrzeugbauteile nach Werkstoffgruppen.............. 107
Abbildung 3-11: Repräsentative Bauteile für die Bauzustandsdokumentation ....... 108
Abbildung 3-12: Lesereichweite von UHF-Systemen in Abhängigkeit von
Applikationsuntergrund und Material in der Luftstrecke (Ausgangsreichweite 5,24 m) [MAN-06] ..................................................................... 116
Abbildung 3-13: Nachverfolgbarkeit von Reifen mit Hilfe der RFID-Technologie
[PNE-09] .................................................................................................... 117
Abbildung 4-1: Aufbau des Kapitels Kennzeichnung von metallischen Bauteilen ... 120
Abbildung 4-2: Verlauf der tangentialen (t) und normalen (n) E- und B-Felder an
einem idealen(---) und einem realen elektrischen Leiter ( ) ([HET-08])..... 122
Abbildung 4-3: Typischer Aufbau eines UHF-Transponders mit Stellen möglicher
Beeinflussung ............................................................................................ 123
Abbildung 4-4: Prinzipielle Funktionsweise der möglichen Konzepte zur
Kennzeichnung von metallischen Bauteilen .............................................. 125
Abbildung 4-5: Exemplarische Lesereichweite eines mobilen Datenträgers in
Abhängigkeit des Transpondersabstandes vom metallischen Objekt
bezogen auf die Reichweite im idealen Umfeld ........................................ 126
Abbildung 4-6: Hartplastiktransponder zur Aufbringung auf metallischen
Oberflächen [HAT-08, DEI-08, SRE-08] .................................................... 127
Abbildung 4-7: Space-Tag der Firma Paxar [PAX-08] ............................................ 127
XIII
Abbildung 4-8: Prinzipieller Aufbau des Absorbermaterials der Firma Emerson&Cuming zur Kennzeichnung metallischer Bauteile (in Anlehnung
an [ECO-08]) ............................................................................................. 128
Abbildung 4-9: Beispiel für einen Flag Tag und dessen Aufbringung mit Hilfe
eines Ettiketierers [BUK-08, LGP-08] ....................................................... 129
Abbildung 4-10: Prinzipieller Aufbau des Kennzeichnungskonzeptes “konstruktiver Schlitz“ ............................................................................................... 130
Abbildung 4-11: Schematische Darstellung des konzipierten Versuchsstandes ..... 132
Abbildung 4-12: Lesereichweite der Konzepte zur Kennzeichnung von
metallischen Bauteilen für den vorliegenden Einsatzfall ............................ 134
Abbildung 4-13: Bewertung der Konzepte zur Kennzeichnung von metallischen
Bauteilen auf Basis der ermittelten Anforderungen ................................... 137
Abbildung 4-14: Schematische Darstellung des Versuchsstandes zur Messung
eines Transponders vor einer Metallplatte unter Verwendung eines
Absorbers .................................................................................................. 139
Abbildung 4-15: Erzielbare Lesereichweiten mit 10 verschiedenen Transpondern
bei direkter Aufbringung auf Metall mit Hilfe eines 0,76 mm starken
Isolationsmaterials auf Eisencarbonatbasis............................................... 140
Abbildung 5-1: Aufbau des Kapitels Erfassung von gekennzeichneten Bauteilen .. 143
Abbildung 5-2: Senkrechter Einfall einer elektromagnetischer Wellen auf ein
metallisches Objekt.................................................................................... 145
Abbildung 5-3: Auswirkung der Reflexionseffekte auf das Antennenfeld ................ 147
Abbildung 5-4: Abschirmungskoeffizient kas für ein kreisrundes Objekt [REN-76] . 148
Abbildung 5-5: Veranschaulichung des Huygenschen Prinzips [DET-03] ............... 149
Abbildung 5-6: Mindestabstand des mobilen Datenträgers zu anderen
metallischen Objekten, um eine Erfassung zu gewährleisten.................... 151
Abbildung 5-7: Verwendete Transponder zur Kennzeichnung der Bauteile (Transpondernummer – Hersteller – Bezeichnung – Arbeitsfrequenz [MHz] – Größe [mm] – Bild) ........................................................ 154
Abbildung 5-8: Versuchsfahrzeug AUDI A4 Avant [AUD-07] mit dicht gepacktem
Motorraum ................................................................................................. 155
Abbildung 5-9: Bewegungsablauf zur Identifikation der gekennzeichneten
Bauteile in der Türverkleidung und des Handschuhfachs.......................... 156
XIV
Abbildung 5-10: Durchführung der Bauteilidentifikation am Beispiel des Sitzes
und der Türverkleidung.............................................................................. 156
Abbildung 5-11: Durchführung der Bauteilidentifikation und Bewegungsablauf im
Unterflurbereich des Fahrzeugs ................................................................ 157
Abbildung 5-12: Durchführung der Bauteilidentifikation im Motorraum des
Fahrzeugs.................................................................................................. 158
Abbildung 5-13: Erfassungsgüte der gekennzeichneten Bauteile mit Hilfe des
Lesekonzepts „offenes Fahrzeug scannen“ bei einer Versuchsanzahl
von n = 50.................................................................................................. 159
Abbildung 5-14: Erfassungsgüte der Innenraumbauteile ........................................ 160
Abbildung 5-15: Erfassungsgüte der Motorraumbauteile ........................................ 162
Abbildung 6-1: Vorgehensweise bei der Auswahl eines geeigneten Antennenkonzeptes für den Einsatz zur automatischen Bauzustandsdokumentation in der Automobilindustrie................................................... 165
Abbildung 6-2: Beispiel für die Reflexionsdämpfung einer Antenne im UHFFrequenzband. .......................................................................................... 166
Abbildung 6-3: Winkelverteilung der Strahlung eines Halb- (a) und Ganzwellendipols (b) (in Anlehnung an [WEI-00])............................................. 169
Abbildung 6-4: Flächendipol (in Anlehnung an [ROT-88])....................................... 169
Abbildung 6-5: Koaxialantenne [ROT-88]................................................................ 170
Abbildung 6-6: Funktionsweise der Marconi-Antenne [TBZ-08] .............................. 171
Abbildung 6-7: Wendelantenne [ROT-88] ............................................................... 172
Abbildung 6-8: Schlitzantenne [CTR-08] ................................................................. 173
Abbildung 6-9: Loopantenne mit Spule als Anpassungselement ............................ 174
Abbildung 6-10: Motorraum eines AUDI A4 Avant 3.0 TDI ..................................... 176
Abbildung 6-11: Vorgehen bei der Auswahl des geeigneten Antennenkonzepts .... 179
Abbildung 6-12: Best-Practise Koaxialantenne mit 12 mm-Sperrtopf aus Kupfer ... 187
Abbildung 6-13: Spektrum-Analyzer R&S FSL3 [ROH-06]...................................... 188
Abbildung 6-14: Anschluss für die Sende- und Empfangsantenne (in Anlehnung
an [ROH-06]) ............................................................................................. 188
Abbildung 6-15: Empfangsleistung der Feig-UHF-Patchantenne............................ 190
Abbildung 6-16: Empfangsleistung der entwickelten Koaxial-Antenne ................... 190
Abbildung 6-17: Messbrücke R&S Z2 der Firma Rohde und Schwarz.................... 191
Abbildung 6-18: Reflexionsdämpfung entwickelte Koaxialantenne ......................... 193
XV
Abbildung 6-19: Koaxialantenne mit Kunststoffummantelung ................................. 194
Abbildung 6-20: Koaxialantenne mit einer 50cm-Kunststoffverlängerung............... 194
Abbildung 6-21: Einstichpunkte der Koaxialantenne zur Erfassung von im
Motorraum verbauten Komponenten ......................................................... 195
Abbildung 6-22: Vergleich der Leserate der entwickelten Koaxial- und der FeigAntenne von 12 im Motorraum befestigten Transpondern bei 10
Versuchsmessungen ................................................................................. 197
Abbildung 6-23: Erfassung des Motors zur Sitzlängsverstellung durch
Positionierung der Antenne unterhalb des Sitzes ...................................... 198
XVI
Tabellenverzeichnis
Tabellenverzeichnis
Tabelle 2-1: Wellenlängen der jeweiligen Frequenzgruppen .................................... 28
Tabelle 2-2: Übergang vom Nahfeld zum Fernfeld für die jeweiligen Frequenzbereiche....................................................................................................... 32
Tabelle 2-3: Gewinn in Hauptstrahlrichtung bei verschiedenen Antennenformen
(in Anlehnung an [FIN-06]) .......................................................................... 56
Tabelle 2-4: Internationaler Vergleich der Funkvorschriften im UHF Bereich............ 78
Tabelle 2-5: ISO-Luftschnittstellenstandards für passive RFID-Systeme.................. 79
Tabelle 2-6: VDI-Richtlinienprojekt 4472................................................................... 81
Tabelle 3-1: Anforderungen an die RFID-Technologie zur Kennzeichnung von
Fahrzeugbauteilen..................................................................................... 110
Tabelle 3-2: Anforderungen an die RFID-Technologie zur Erfassung von
verbauten Bauteilen................................................................................... 111
Tabelle 3-3: Anforderungen an die Langzeitstabilität der mobilen Datenträger....... 112
Tabelle 3-4: Eignung der verschiedenen Arbeitsfrequenzen für die
RFID-gestützte Bauzustandsdokumentation ............................................. 114
Tabelle 4-1: Hardware Rahmenbedingungen für die praktische Evaluierung ......... 133
Tabelle 4-2: Anforderungen an die mobilen Datenträger für den Einsatz in der
RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation ........................................... 135
Tabelle 5-1: Mindestschirmdicke xmin für eine Dämpfung a = 20 dB (= 100-fache
Dämpfung) am Beispiel Eisen und Aluminium und einer Frequenz von
868 MHz beziehungsweise 2,45 GHz (Werte für κ und µr vgl. [SHA-93]).. 145
Tabelle 5-2: Hardware Rahmenbedingungen für die praktische Evaluierung ......... 153
Tabelle 5-3: Zuordnung der Transponder zu den Werkstoffen................................ 155
Tabelle 5-4: Kriterien zur Bewertung der Lesegüte der zu erfassenden Bauteile ... 158
Tabelle 6-1: Übersicht Anforderungen an Antennenkonzepte zum Einsatz im
Motorraum ................................................................................................. 178
Tabelle 6-2:Zusammenfassung der Evaluierung der Antennenkonzepte hinsichtlich der Erfüllung des Ausschluss-Kriteriums Baugröße..................... 184
Tabelle 6-3: Zusammenfassung der Evaluierung der Antennenkonzepte
hinsichtlich der Erfüllung des Ausschluss-Kriteriums Handhabbarkeit ...... 186
XVII
Tabellenverzeichnis
Tabelle 6-4: Rahmenbedingungen und Einstellungen zur Messung der
Empfangsleistung ...................................................................................... 189
Tabelle 6-5: Einstellungen am Spektrum-Analyzer zur Messung der Reflexionsdämpfung................................................................................................... 192
Tabelle 6-6: Berechnung der Ausgangsleistung am Reader für die entwickelte
Koaxialantenne.......................................................................................... 196
XVIII
1 Ausgangssituation und Hintergrund
1
Ausgangssituation und Hintergrund
1.1
Die Automobilindustrie im Wandel
Die Automobilindustrie hat sich in den letzten Jahrzehnten als zentraler Wachstumsmotor der deutschen Volkswirtschaft etabliert. Im Jahr 2006 erwirtschaftete der
Industriezweig mit einem Umsatz von 254 Milliarden Euro 11 Prozent des deutschen
Bruttoinlandsproduktes. Die dynamische Entwicklung der Branche spiegelt die Verdopplung der Verkaufserlöse in den letzten 10 Jahren wider [VDA-07]. Auch bei der
Zahl der produzierten Fahrzeuge konnten die nationalen Hersteller 2007 mit Stückzahlen von 10,95 Millionen – das entspricht Wachstumsraten von 7,9 % gegenüber
dem Vorjahr – einen neuen Topwert erreichen. 5,7 Millionen Fahrzeuge verließen
dabei in inländischen Werken die Produktion [VDA-07a].
Trotz dieser Rekordmeldungen und langfristig guter Zukunftsperspektiven steht die
Automobilindustrie und insbesondere die deutschen Hersteller vor großen Herausforderungen. Die Sättigung der nordamerikanischen, westeuropäischen und japanischen Märkte (TRIADE-Märkte) und die überproportional wachsende Bedeutung von
Fahrzeugproduzenten aus dem asiatischen Raum, die die etablierten europäischen
1
Unternehmen neben dem Absatz auch in der Rentabilität teilweise überholt haben,
bedingen einen harten Wettbewerb (siehe Abbildung 1-1) [DUD-07, EBE-03, RAD04, VDA-07].
Abbildung 1-1: Absatz der Automobilmarken weltweit im Jahr 2006 [ATK-07] und deren Profita1
bilität auf Basis des API-Index [FHD-07]
Zudem wird die Automobilindustrie in den nächsten Monaten beziehungsweise Jahren verstärkt von der Finanzkrise erfasst werden. Im Jahr 2008 brachen - ausgelöst
durch das Platzen der Immobilienblase in den Vereinigten Staaten und die dadurch
ausgelösten Zahlungsschwierigkeiten der Banken – die Leitindexe weltweit ein. Der
deutsche Aktienindex verlor im Laufe des Jahres 2008 40 % und liegt damit im internationalen Trend [JAC-09]. Aufgrund dieser globalen Entwicklung wird von den führenden Marktforschungsinstituten 2009 ein weltweiter Abschwung prognostiziert,
wodurch der Verdrängungswettbewerb in der Branche sowie der Kampf um den
Kunden weiter verstärkt wird. Unter diesen Randbedingungen korrigieren derzeit
sämtliche Automobilhersteller ihre Absatzerwartungen nach unten. Beispielsweise
erwartet der aktuelle Weltmarktführer Toyota 2009 einen Einbruch der Verkaufszahlen auf 8,2 Millionen Einheiten. Im August 2008 ging das Unternehmen noch von einem Absatzprognose von 9,7 Millionen Fahrzeugen im Jahr 2009 aus [TAG-08].
1
Der Automotive Performance Index (API) des Center of Automotive Research bewertet die Felder
Finanz- (70 %), Markt- (20 %) und Innovationsperformance (10 %) der 17 größten Automobilhersteller.
2
Vor diesem Hintergrund gilt es für die nationalen Hersteller mehr denn je durch individuell auf die Kundenwünsche abgestimmte Produkte, den Wettlauf um die Käufer
zur Sicherung des eigenen Unternehmenserfolges zu gewinnen.
Gleichzeitig zur Verschiebung der globalen Randbedingungen hat sich auch die Sicht
der Kunden auf das Automobil gewandelt. Das Fahrzeug wird nicht mehr nur als reines Fortbewegungsmittel gesehen, sondern ist Ausdruck des individuellen Lebensstils und wird zunehmend als Prestigeobjekt wahrgenommen [EBE-03, MAT-03].
Dies zeigt sich neben der Forderung nach individuellen Ausstattungsmerkmalen
auch in einer nachlassenden Bindung der Kunden an eine bestimmte Marke [INO-07,
RIN-07].
Die kunden- und marktbedingte Herausforderung zur Differenzierung hat in der Konsequenz bei den deutschen OEMs2 zu einer starken Derivatisierung der Segmente
hin von Massen- zu Nischenprodukten geführt. Im Vergleich zu Zeiten, in denen sich
der Kunde lediglich zwischen den klassischen Segmenten Limousine und Kombi entscheiden konnte, sind in jüngster Vergangenheit zahlreiche Lifestyle-Derivate wie
das Sport-Utility-Vehicle (SUV) entstanden.
Dies spiegelt sich auch in der Anzahl der erteilten Typgenehmigungen beim Kraftfahrtbundesamt wider, die sich in den letzten 10 Jahren von 10.000 auf knapp 17.000
nahezu verdoppelt hat, mit steigender Tendenz (siehe Abbildung 1-2).
Abbildung 1-2: Erteilte Typgenehmigungen des Kraftfahrtbundesamtes einschließlich der
Nachträge [KBA-06]
2
OEM = Original Equipment Manufacturer
3
Die AUDI AG beispielsweise bietet dem Kunden derzeit 24 verschiedene Modellvarianten mit teilweise über 500 Sonderausstattungen an. Statistisch ist somit jedes
Fahrzeug, das vom Band läuft, ein Unikat (siehe Abbildung 1-3).
Abbildung 1-3: Steigende Derivatisierung am Beispiel der AUDI AG (in Anlehnung an [DIC-07])
Zur langfristigen Befriedigung der Kundenwünsche und zur Erzeugung eines nachhaltigen positiven Markenimages ist neben der Produktdifferenzierung die Innovationsfähigkeit der Hersteller von besonderer Bedeutung [MOE-07]. Nur wer die
Kundentrends kurzfristig in Innovation umsetzen kann, wird auf dem Markt erfolgreich bleiben. Unterstützt durch den technologischen Fortschritt sind insbesondere in
den letzten Jahren zahlreiche neue Innovationen in den Bereichen Fahrzeugsicherheit, Komfort, Umwelttechnologien und Infotainment in das Automobil integriert worden (vgl. Abbildung 1-4).
Allerdings verhelfen Innovationen nur kurz zu einem Wettbewerbsvorsprung, da sie
zeitlich versetzt von weiteren Herstellern in das Programm aufgenommen werden,
und dadurch schnell ihre Exklusivität verlieren. Begeisterungsfaktoren werden demzufolge aus Sicht des Kunden schnell zu allgemein geforderten und gewünschten
Leistungsangeboten [MOE-07].
4
Abbildung 1-4: Steigende Anzahl der Produktinnovationen am Beispiel der AUDI AG [DIC-07]
Aus diesem Grund besteht parallel zur Derivatisierung die Notwendigkeit, die Lebenszyklen signifikant zu verkürzen, um zum einen entwickelte Innovationen rechtzeitig in den Markt zu bringen und zum anderen die vom Kunden geforderte stetige
Weiterentwicklung des Designs zu gewährleisten. Waren in den 70er Jahren noch
Produktlebenszyklen von bis zu 12 Jahren die Regel, hat inzwischen eine Halbierung
stattgefunden [RIN-07]. Zukünftig wird von Experten in der Automobilindustrie ein
Produktlebenszyklus von 4-6 Jahren erwartet [HAW-03, IHM-06].
Die Automobilindustrie steht dadurch im direkten Spannungsfeld des magischen
Dreiecks, neue innovative Produkte mit steigender Variantenanzahl in immer kürzerer Zeit bei höchster Qualität zu möglichst niedrigen Kosten auf den Markt zu bringen.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, sind die Hersteller gezwungen, sich auf
ihre Kernkompetenzen zu konzentrieren und große Teile der Entwicklung und der
Wertschöpfung an externe Zulieferer auszulagern. Besaß die Ford AG in den 30er
Jahren noch eigene Erz- und Kohleminen, um mit eigenen Hochöfen ihren Bedarf an
Metall
zu
decken
[LAN-07],
so
werden
heutzutage
auch
wettbewerbs-
differenzierende Merkmale, wie Airbag- oder Fahrwerkselemente von Systemlieferanten entwickelt und produziert. Der Anteil an der Gesamtwertschöpfung, die der
5
Fahrzeughersteller erbringt, wird Prognosen zu Folge bis zum Jahr 2010 auf weit
unter 25 % sinken [STO-03, VDA-06].
Als Konsequenz ist die Komplexität im gesamten Entwicklungs-, wie auch im Herstellungs- und Logistikprozess stark gestiegen. Speziell die Beherrschung der Wertschöpfungskette bei gleichzeitig steigender Teile- und Variantenvielfalt hat die
Hersteller verstärkt durch den hohen Kosten- und Renditedruck vor zahlreiche Qualitätsprobleme gestellt. Auslöser ist häufig eine mangelnde Transparenz in der Wertschöpfungskette.
Dies hat sich vor allem in jüngster Vergangenheit durch die stark ansteigende Zahl
von Fahrzeugrückrufen bemerkbar gemacht. Laut Kraftfahrzeugbundesamt verdreifachte sich die Anzahl der Rückrufaktionen von 55 im Jahr 1998 auf 167 im Jahr
2006 (Siehe Abbildung 1-5).
Abbildung 1-5: Anzahl der Rückrufaktionen von 1998 bis 2006 [KBA-06]
Betroffen waren hauptsächlich Bauteile im Motor und an der Bremsanlage, die in den
letzten Jahren durch neue Verfahren zur Verbrauchsreduzierung und die Entwicklung
von Sicherheitsfunktionen im Innovationsfokus standen (siehe Abbildung 1-6). 60 %
der zurückgerufenen Fahrzeuge sind dabei jünger als 3 Jahre [KBA-06].
6
Abbildung 1-6: Baugruppenbezogene Verteilung der Rückrufaktionen [KBA-06]
Neben den finanziellen Einbußen bringt insbesondere der Imageverlust von Rückrufaktionen für die Hersteller verheerende Auswirkung mit sich, da die Markenbindung
maßgeblich durch die Kundenzufriedenheit beeinflusst wird [HAR-03]. Qualitätsdefizite am gekauften Fahrzeug werden zu 90 % vom Kunden mit Abwanderung bestraft
[SCH-07], und 20 % der potenziellen Kunden gaben in einer Umfrage der Nürnberger
Marktforschung “PULS“ an „wahrscheinlich“ durch Rückrufaktionen vom Kauf ihrer
bevorzugten Automarke Abstand zu nehmen [SPI-06]. Nach der größten Rückrufaktion der Konzerngeschichte im Frühjahr 2005, als der damalige Daimler-Chrysler
Konzern 1,3 Millionen Fahrzeuge aufgrund von Qualitätsmängeln im Bremssystem in
die Werkstätten beorderte, brach der Absatz bei der E-Klasse von 261.900 auf
211.000 Einheiten im Folgejahr ein [FAZ-05].
Um die Auswirkungen einer Rückrufaktion so gering wie möglich zu halten, ist die
Identifikation der problembezogenen Charge und die Zuordnung zu den Fahrzeugen
von elementarer Bedeutung.
1.2
Problemstellung der Arbeit
Zur Beherrschung der Produktionskette und Gewährleistung der Produktqualität ist
neben der offenen und integrierten Zusammenarbeit im Wertschöpfungsnetzwerk ein
durchgängiges Qualitätsmanagement entscheidend. Wesentliches Element ist hierbei die durchgängige Verfolgung und Dokumentation der Fahrzeugeinzelteile im
Entwicklungs- wie auch im Produktionsprozess sowie im After-Sales-Bereich. Ohne
7
technische Unterstützung ist dies bedingt durch die große Teile- und Variantenvielfalt
und unter den oben beschriebenen Randbedingungen mit einem sehr hohen Aufwand verbunden. In der Regel kommen derzeit Barcode-Systeme zur Verbindung
des Material- und Informationsflusses zum Einsatz. Bauteile werden dazu direkt oder
indirekt – beispielsweise auf der Verpackung oder dem Lieferschein – mit einem eindeutigen Barcode versehen. In Kombination mit einem durchgängigen Dokumentationsprozess und mit Hilfe von spezifischen Software-Lösungen kann somit das
Bauteil über die gesamte Wertschöpfungskette verfolgt und falls notwendig bis zur
Charge identifiziert werden.
Die Technologie bedarf aber einer Sichtverbindung zwischen Barcode und dem jeweiligen Lesegerät und ermöglicht zum anderen lediglich die Erfassung von vereinzelten Bauteilen. Dadurch ist die Dokumentation der Bauteile und die Zuordnung zu
einem Fahrzeug mit einem hohen Aufwand verbunden und nachträglich meist nicht
mehr kontrollier- und nachvollziehbar. Durch die beschränkte Speicherkapazität und
die erzwungene zentrale Datenhaltung aufgrund der einmaligen Kodierung bietet die
Technologie zudem auch in Zukunft kaum weitere Potenziale zur Prozessoptimierung.
Die Radiofrequenzidentifikation, die eine Methode kennzeichnet bei der Daten mittels
magnetischer Felder bzw. elektromagnetischer Wellen über die Luftschnittstelle übertragen werden, schafft hier neue Möglichkeiten zur durchgängigen und eindeutigen
Identifizierung von Fahrzeugkomponenten sowie zur Steigerung der Effizienz und
Transparenz in der Wertschöpfungskette.
Die RFID-Technologie ermöglicht eine automatische Bauzustandsdokumentation
durch die Identifikation von verbauten Komponenten, die neben der reinen Ermittlung
der exakten Fahrzeugkonfiguration weitere Potenziale beispielsweise im Fahrzeugservicebereich ermöglicht. Bedingt durch die physikalischen Rahmenbedingungen
der Technologie gestaltet sich die Umsetzung sehr herausfordernd, da zahlreiche
technische Problemstellungen derzeit noch nicht zufrieden stellend gelöst sind. Insbesondere eine metallische Umgebung wirkt sich bedingt durch die Reflexion der
Funkwellen stark negativ auf die Reichweiten und die Funktionalität eines RFIDSystems aus [GRE-06]. Darüber hinaus existieren derzeit auf dem Markt keine zur
Einzelteilkennzeichnung geeigneten Konzepte zur Kennzeichnung von metallischen
Objekten.
8
Um unter diesen herausfordernden Randbedingungen den Einsatz der RFIDTechnologie im Fahrzeug, insbesondere zur Identifikation von Bauteilen im Motorraum, zu ermöglichen und damit die Potenziale einer RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation zu heben, bedarf es einer umfangreichen Technologieevaluierung
sowie einer gezielten Weiterentwicklung aller Komponenten eines RFID-Systems.
1.3
Zielsetzung und Vorgehensweise
Das Ziel der Arbeit liegt in der Entwicklung von technischen Konzepten zur Kennzeichnung und Erfassung von verbauten Bauteilen im Fahrzeug zum Zwecke der
Bauzustandsdokumentation. Zudem ist deren technische Machbarkeit auf Basis von
praktischen Evaluierungen nachzuweisen.
Die Struktur der Arbeit gliedert sich dabei in folgende fünf Hauptabschnitte:
•
Einführung in die Radiofrequenzidentifikation (Kap. 2)
•
RFID-gestützte Bauzustandsdokumentation (Kap. 3)
•
Kennzeichnung von metallischen Bauteilen (Kap. 4)
•
Erfassung von verbauten Bauteilen (Kap. 5)
•
Antennenkonzepte für enge Bauräume (Kap. 6)
Einführung in die Radiofrequenzidentifikation (Kap. 2)
Um ein tiefes Verständnis für die frequenzabhängigen Eigenschaften der Technologie und den dadurch bedingten Herausforderungen im betrachteten Einsatzfall zu
gewährleisten, werden in diesem Abschnitts die physikalischen Grundlagen der
RFID-Technologie erläutert.
RFID-gestützte Bauzustandsdokumentation (Kap. 3)
Ziel des Kapitels ist die Entwicklung eines Konzepts für die RFID-gestützte Bauzustandsdokumentation sowie die Ableitung von Anforderungen für die Kennzeichnung
und Erfassung von im Fahrzeug verbauten Komponenten. Darauf aufbauend werden
auf Basis der physikalischen Grundlagen die Handlungsfelder für die Technologiequalifizierung hergeleitet.
9
Kennzeichnung von metallischen Bauteilen (Kap. 4)
Ein Großteil der Bauteile im Fahrzeug bestehen aus Metall. Deshalb gilt es im Rahmen dieses Abschnittes bestehende Konzepte zur Kennzeichnung von metallischen
Bauteilen mit RFID aufzuzeigen und für den Anwendungsfall zu qualifizieren. Abgeschlossen wird das Kapitel mit dem Nachweis der technischen Machbarkeit des ausgewählten und qualifizierten Kennzeichnungskonzeptes auf Basis einer praktischen
Evaluierung.
Erfassung von verbauten Bauteilen (Kap. 5)
Neben der Kennzeichnung von metallischen Bauteilen stellt die Erfassung von verbauten mit RFID gekennzeichneten Komponenten in dem stark metallischen Umfeld
des Fahrzeugs die zweite große Herausforderung dar. Dementsprechend gilt es in
diesem Kapitel aufbauend auf der Beschreibung der theoretischen physikalischen
Einflüsse einer metallhaltigen Umgebung auf die Erfassung von mobilen Datenträgern, die Leistungsfähigkeit von auf dem Markt erhältlichen Leseantennen im vorliegenden Anwendungsfall zu evaluieren.
Antennenkonzepte für enge Bauräume (Kap. 6)
Auf dem Markt erhältliche Antennenkonzepte sind bei beengten Platzverhältnissen,
wie beispielsweise dem Motorraum, aufgrund ihrer Bauform nicht geeignet nahe an
das zu identifizierende Objekt zu gelangen. Daher wird im Rahmen dieses Kapitels
ein Antennenkonzept zur Identifikation von Bauteilen im Motorraum entwickelt und
dessen Leistungsfähigkeit im Anwendungsfall auf Basis einer praktischen Evaluierung nachgewiesen.
10
Umfeld und
Grundlagen
Grobkonzeptentwicklung und
Anforderungsermittlung
Technologiequalifizierung
und Nachweis der
technischen Machbarkeit
Fazit
Kapitel 1:
Ausgangssituation und
Hintergrund
Kapitel 2:
Einführung in die
Radiofrequenzidentifikation
Kapitel 3:
RFID-gestützte Bauzustandsdokumentation
Kapitel 4:
Kennzeichnung von
metallischen
Bauteilen
Kapitel 5:
Erfassung von
Verbauten Bauteilen
Kapitel 6:
Antennenkonzepte
für enge Bauräume
Kapitel 7:
Zusammenfassung und Ausblick
Abbildung 1-7: Vorgehensweise und methodischer Aufbau der Arbeit
11
2 Einführung in die Radiofrequenzidentifikation
2
Einführung in die Radiofrequenzidentifikation
Die Radiofrequenzidentifikation (RFID) ist ein Auto-Identifikations-Verfahren3, das
durch den Einsatz von Frequenzen im Radiowellenbereich des Spektrums die elektromagnetische oder elektrostatische Kopplung zwischen einem Schreib-/ Lesegerät
und einem mobilen Datenträger (Transponder) nutzt, um Daten des Transponders zu
lesen oder darin zu speichern [GÜN-07].
Zur Einführung in die Thematik werden zu Beginn des Kapitels die Komponenten und
grundsätzlichen Charakterisierungsmerkmale eines RFID-Systems basierend auf der
Einordnung der Technologie in die Gruppe der Auto-ID-Verfahren und dem Vergleich
mit einem Barcode-System aufgezeigt.
Darauf aufbauend erfolgt eine detaillierte Beschreibung der frequenzspezifischen
physikalischen Grundlagen der Radiofrequenzidentifikation auf deren Basis die wesentlichen Eigenschaften der Technologie hergeleitet werden. Dadurch wird zum einen ein tiefes Verständnis für die Einsatzbedingungen sichergestellt und zum
3
Auto-Identifikation (Auto-ID) ist die automatisierte, d. h. mit Hilfe von technischen Hilfsmitteln und
ohne die unmittelbare menschliche Intelligenz realisierte Zuordnung von Objekten zu einer Klasse
durch ein Identifikationssystem [IBF-04].
12
anderen die physikalische Grundlage für die Qualifizierung der Technologie zur Anwendung in der Bauzustandsdokumentation geschaffen.
Abgerundet wird das Kapitel durch einen Ausblick auf die wesentlichen Entwicklungstrends der Technologie und der Darstellung der aktuellen Standardisierungssituation.
In Abbildung 2-1 ist der Aufbau des Kapitels zusammenfassend dargestellt.
Grundlagen der
Auto-Identifikations-Systeme
Kap. 2.1
Eigenschaften von RFID-Systemen
Kap. 2.5
RFID- und Barcode-Technologie
im Vergleich
Kap. 2.2
Standardisierung der RFID-Technologie
Kap. 2.6
Differenzierung und Charakterisierung
von RFID-Systemen
Kap. 2.3
Technologische Entwicklungstrends
Funktionsweise der Energie- und
Datenübertragung
Kap. 2.7
Kap. 2.4
Abbildung 2-1: Aufbau des Kapitels Einführung in die Radiofrequenzidentifikation
2.1
Grundlagen der Auto-Identifikations-Verfahren
RFID-Systeme lassen sich in die Gruppe der Auto-Identifikations-Systeme eingliedern (siehe Abbildung 2-2).
13
Abbildung 2-2: Zusammenfassende Übersicht der wichtigsten Auto-ID-Verfahren
(in Anlehnung an [JAN-04])
Durch die automatische Identifikation von Objekten bieten diese Verfahren die Möglichkeit, den Medienbruch4 zwischen den „realen“ Unternehmensprozessen und den
„virtuellen“ IT-Systemen zu verringern oder sogar aufzuheben [BIT-06, FLE-03]. Bezogen auf die Logistik kann dadurch der Material- mit dem Informationsfluss verbunden werden.
Von besonderer Relevanz für die Kennzeichnung von Objekten und deren Steuerung
in logistischen Prozessen sind vor allem der Barcode und die Radiofrequenzidentifikation. Dies ist im Wesentlichen dadurch begründet, dass die (potenziellen) Einsatzgebiete der anderen genannten Auto-ID-Verfahren schwerpunktmäßig nicht in der
Logistik zu finden sind [SHJ-06] oder diese sich aus technischen und wirtschaftlichen
Aspekten dort nicht durchsetzen konnten.
Die biometrischen5 Verfahren, die sich weiter in Sprachidentifizierung und Fingerabdruckverfahren unterteilen lassen, dienen der eindeutigen Identifikation von individuellen Köpermerkmalen und werden hauptsächlich zur Personenidentifikation in
Sicherheitsanwendungen eingesetzt.
4
Medienbruch definiert sich nach [FLE-04] wie folgt: „Ein Medienbruch ist vergleichbar mit einem fehlenden Glied einer digitalen Informationskette und ist Mitursache für Langsamkeit, Fehleranfälligkeit
etc. inner- und überbetrieblicher Prozesse.“
5
Biometrie ist die Wissenschaft von der Zählung und (Körper-)Messung an Lebewesen [DDE-06].
14
Chipkarten, die zwar sehr eng verwandt mit den RFID-Systemen sind, sich aber
durch die Notwendigkeit einer galvanischen Verbindung zum Auslesen der Daten
unterscheiden, haben sich insbesondere im Bereich des bargeldlosen Zahlungsverkehrs durchgesetzt. Durch die direkte Verbindung zwischen den Systemkomponenten ergibt sich die Möglichkeit, aufgrund der stetigen und hohen Energieversorgung,
aufwendige Sicherheits- und Manipulationsalgorithmen mit Hilfe eines Mikroprozessors zu implementieren. Für logistische Verfahren sind Chipkarten hingegen durch
den ausschließlich kontaktbehafteten Energie- und Datentransfer nicht geeignet.
Optical Character Recognitation6 Systeme, deren Vorteil in der menschlichen und
maschinellen Lesbarkeit der Klarschriftkennzeichnung liegt, konnten sich aufgrund
der Komplexität der benötigten Hardware und den damit verbundenen hohen Kosten
in der industriellen Anwendungen bisher nicht durchsetzen [IBF-04].
Im Folgenden werden die Barcode- und RFID-Technologie weiter betrachtet.
2.1.1 Barcode-Technologie
Das wichtigste und derzeit am weitesten verbreitete Auto-ID-Verfahren zur Objektkennzeichnung und warengebundenen Informationsübertragung stellt der Barcode
dar. Er hat sich in der Vergangenheit aufgrund der hohen Zuverlässigkeit bei der Datenauslesung, durchgängiger internationaler Standardisierung, sowie kostengünstiger Herstellung weit verbreitet und erreicht derzeit einen weltweiten Marktanteil von
ca. 75 % [GÜN-07]. Er ist dadurch der am häufigsten verwendete Informationsträger.
Unterscheiden lassen sich dabei die Arten 1D- und 2D-Code (siehe Abbildung 2-3).
6
Optical Character Recognitation (OCR) ist die Bezeichnung für ein Verfahren der maschinellen Zeichenerkennung. Zur eindeutigen Identifizierung von Schriften wurden international genormte OCRSchriften entwickelt [MEY-07].
15
Quelle: DATALOGIC
Quelle: DATALOGIC
Abbildung 2-3: Varianten der optischen Codierung [GÜN-07]
Der 1D-Barcode ist ein Binärcode und besteht aus parallel angeordneten Strichen
und Lücken. Die Sequenz aus breiten und schmalen Strichen und Lücken kann numerisch und alphanumerisch interpretiert und bedingt durch die unterschiedliche Reflexion eines Laserstrahls an schwarzen und weißen Flächen mit Hilfe von
Laserabtastung gelesen werden. In verschiedenen Branchen haben sich dabei differente Varianten des Barcodes, die sich in Codierung, Zeichendichte und Zeichenvorrat unterscheiden, etabliert. Die bedeutendsten Varianten je Branche sind in
Abbildung 2-4 aufgelistet.
Abbildung 2-4: Die wichtigsten Varianten des 1D-Barcodes [GÜN-07]
Die Codierung von Zeichen in einem Barcode kann exemplarisch am Industriebarcode 2/5 in Abbildung 2-5 nachvollzogen werden.
16
Abbildung 2-5: Codierung von Zeichen in einem Barcode am Beispiel des Barcode 2/5 Industrie
(in Anlehnung an [GÜN-07])
Die Platzverhältnisse auf dem Etikett und die Lesefeldbreiten üblicher Scanner setzen der Breite der Codes eine natürliche Grenze. Dadurch ist die Menge der Information, die mit Hilfe eines 1D-Barcodes codiert werden kann, beschränkt.
In bestimmten Branchen sollen jedoch mehr Informationen mit dem Objekt verknüpft
werden. Beispielsweise interessieren sich Paketdienste dafür, die kompletten Adressdaten zu verschlüsseln. Hier bieten 2D-Barcodes durch die vertikale und horizontale Codierung und damit einer höheren Informationsdichte die Möglichkeit
größere Datenmengen zu speichern.
Bei den 2D-Barcodes lassen sich Stapel- und Matrixcodes unterscheiden. Bei den
Stapelcodes werden mehrere Barcodes übereinander dargestellt. Sie ermöglichen
dadurch die Speicherung einer Vielzahl von Informationen auf kleinstem Raum. Der
zeilenweise Aufbau bietet die Möglichkeit des Einlesens der Information mit einem
Laserscanner. Zusätzliche Fehlerkorrektur-Algorithmen sorgen für sichere Lesbarkeit
auch bei Verschmutzung oder Beschädigung des Etiketts. Durch die Ausrichtung
sind sie jedoch nicht im engeren Sinne lageunabhängig lesbar.
Matrixcodes hingegen nutzen die verfügbare Fläche aus, indem sie helle und dunkle
Elemente (meist Quadrate) nach einem speziellen Schema gleichmäßig und ohne
spezielle Richtungsabhängigkeit über die Fläche verteilen. Im Gegensatz zum Stapelcode kann dadurch wesentlich mehr Information auf gleicher Fläche codiert werden und eine lageunabhängige Lesung ist möglich. Als Nachteil der Matrixcodes ist
17
anzuführen, dass sie lediglich mit Hilfe von CCD-Matrix-Scanner7 oder mit einem
Kamera-System gelesen werden können.
.
Abbildung 2-6: Beispiele für Stapelcodes (PDF417) und Matrix-Codes (QR-Code und Maxicode)
[BER-05]
2.1.2 RFID-Technologie
Ein RFID-System beruht auf dem Prinzip der kontaktlosen elektromagnetischen bzw.
magnetischen Übertragung von Daten und besteht grundsätzlich aus drei Komponenten (siehe Abbildung 2-7) [LAM-05, OVE-05, VDI-06]:
•
Transponder8
•
Lesegerät (LG) beziehungsweise Schreib-/Lesegerät (SLG) mit Kopplungseinheit (Spule bzw. Antenne)9
•
7
Applikation zur Steuerung des SLG und Weiterverarbeitung der Daten
CCD-Matrix ist die Abkürzung für Charged-Coupled-Device-Matrix und steht für einen Bildwandler,
der einfallendes Licht in elektrische Ladungen umwandelt
8
Ein Transponder (Kunstwort aus den englischen Wörtern: Transmitter: Sender; Responder: Antwortgeber) ist ein aus Empfänger und Sender bestehendes Bauelement kommunikationstechnischer Anlagen, welches Funksignale einer Sendestation empfängt, aufbereitet und anschließend weiterleitet
[MIC-04].
9
Ein Schreib-/Lesegerät wird im Folgenden auch als Reader bezeichnet.
18
Transponder
Energie*
Schreib-/
Lesegerät
Transponder
Daten
Kommandos
Transponder
Daten
* Energie wird nicht bei allen
Systemen übertragen (siehe
Kapitel 2.4)
Abbildung 2-7: Komponenten eines RFID-Systems
(in Anlehnung an [LAM-05])
Die Definition der Komponenten eines RFID-Systems ist dabei nicht in allen Quellen
einheitlich. Beispielweise zählt [FIN-06] die Softwareapplikation nicht zu den Systemkomponenten. Aufgrund der Menge an anfallenden Daten bei einem durchgängigen
Einsatz der RFID-Technologie zur unternehmensübergreifenden Produktverfolgung
und Prozesssteuerung kommt gerade deren Verarbeitung wie auch der Steuerung
der RFID-Lesegeräte große Bedeutung zu. Bei einer Kennzeichnung des gesamten
Sortiments im Supermarkt würde beispielsweise bei der Wal-Mart Handelskette in
drei Tagen ein Datenvolumen im Terrabytebereich anfallen, das der gesamten Bibliothek des US-Kongresses entspricht [PAL-04]. Dies hat zu Konsequenz, dass nur
durch effiziente Filterung, Speicherung, Umwandlung, Prüfung und Weiterverarbeitung der mit Hilfe eines RFID-Systems gewonnen Daten eine effiziente Nutzung und
durchgängige Transparenz in den Prozessen gewährleistet ist. Aus diesem Grund
wird im Rahmen der Arbeit die Steuerung und insbesondere die Filterung der Daten
als wesentliche Komponente eines RFID-Systems angesehen, wodurch die Definition mit Einbeziehung der Softwareapplikation zur Anwendung kommt.
19
Im Folgenden wird auf die beiden Hardwarekomponenten Transponder und SLG näher eingegangen. Eine detaillierte Beschreibung der Funktionsweise eines RFIDSystems erfolgt in Kapitel 2.4.
2.1.2.1 Transponder
Der mobile Datenträger zur Kennzeichnung des Objektes wird als Transponder (englisch: tag) bezeichnet. Er besteht aus einem Koppelelement und einem elektronischen Mikrochip, der neben der Steuerung aller Datenverarbeitungs- und
-übertragungsprozesse auch zur Informationsspeicherung dient und den eigentlichen
Datenträger darstellt. Die Kopplungseinheit dient zur Energiegewinnung und als Antenne zur Datenübertragung und bestimmt im Wesentlichen die Größe des
Transponders [ENV-07]. Je nach Frequenz ist sie im Regelfall als Dipol oder Spule
ausgeführt (siehe Kapitel 2.4).
In Abbildung 2-8 sind die gängigsten Bauformen von Transpondern exemplarisch
abgebildet.
Mikrochip
Spule/Antenne
Dipolantenne
Mikrochip
Abbildung 2-8: Verschiede Bauformen von Transpondern (in Anlehnung an [LAM-05])
Hinsichtlich der Flexibilität lassen sich diese nach [AIM-00] in folgende zwei Gruppen
einteilen:
Aufbringung auf ein Etikett
Bei dieser Bauform wird die Transponderantenne mit Hilfe von Siebdruck oder einer
Ätztechnik auf eine sehr dünne Plastikfolie (ca. 0,1 mm) aufgebracht [FIN-06], auf
der anschließend der Mikrochip appliziert wird. Diese funktionsfähige Rohform des
Transponders wird als Inlay bezeichnet [BIT-06]. Durch die Aufbringung einer Pa20
pierschicht auf der Oberseite und die Beschichtung der Rückseite mit einem Klebstoff kann das Inlay zu einem Selbstklebeetikett10 weiterverarbeitet werden (vgl.
Abbildung 2-9).
Durch die selbstklebende, flexible Etikettenform bietet diese Bauform die Möglichkeit
der zusätzlichen Bedruckung und damit der Verbindung zwischen Barcode und Klarschriftinformation. Des Weiteren können gängige Applikationsverfahren zum Aufbringen des Etiketts auf das Objekt genutzt werden, wodurch dieser Vorgang
automatisiert und kostengünstig durchgeführt werden kann. Gerade durch die hohe
Flexibilität und die einfache Applizierung sind die Smart Label die gängigste und kostengünstigste Transponderart zur Kennzeichnung von Produkten. Allerdings ist sie
empfindlich gegenüber mechanischen und thermischen Belastungen.
Trägerpapier (Liner]
Verpackung (Etikettenschicht und Klebstoff)
Folieninlay mit Antenne
Transponderchip
Abbildung 2-9: Bestandteile eines Smart Label [JAN-04]
Einbringung in ein Gehäuse
Für den Einsatz in widrigen Umgebungsbedingungen können Inlays zum Schutz vor
Verschmutzung, Säuren oder hohen Temperaturen in Kunststoffe oder anderen Materialien eingebracht werden. Dies hat eine im Vergleich zu den Etiketten größere
Bauform zur Folge und bedingt durch die starre Struktur bei der Produktkennzeichnung die Notwendigkeit großer planarer Flächen auf dem Objekt. Außerdem ist die
Herstellung wie auch die Applikation mit höheren Kosten verbunden.
2.1.2.2 Schreib-/Lesegerät
Neben dem mobilen Datenträger stellt das Schreib-/Lesegerät (SLG) die zweite wesentliche Hardwarekomponente eines RFID-Systems dar. Unter SLG versteht man
10
Diese Bauform wird auch als Label oder Smart Label bezeichnet.
21
dabei Steuergeräte, die die Steuerung der Antennen und die Logik zur Übertragung
der empfangenen Daten an die Applikation übernehmen [HAN-06].
Sie bestehen aus einem Hochfrequenzmodul (Sender und Empfänger), einer Kontrolleinheit sowie einer integrierten oder abgesetzten Antenne als Koppelelement
zum Transponder. Die Bauformen von Lesegeräten werden hauptsächlich durch die
Größe und Form der verwendeten Antennen bestimmt. Während bei mobilen Geräten der Rechner und die Antenne in ein Gehäuse integriert sind11, findet bei Einzelantennen oder einer Gateanordnung (Zusammenschluss von mindestens zwei
Antennen zu einem Tor) in der Regel eine räumliche Trennung von Recheneinheit
und Antennen statt (Abbildung 2-10).
Stationäre Lesestation mit abgesetzter
Antenne
Handheld
Abbildung 2-10: Antennenvarianten [PRE-08, FEI-07]
2.2
RFID und Barcode-Technologie im Vergleich
In der Vergangenheit wurde der Transponder oftmals auch als elektronischer Barcode bezeichnet und als zukünftiges Substitut für den Strichcode betrachtet [LOV-07,
ROD-02]. Durch die Art der Datenübertragung – im Fall des Barcodes optoelektronisch und bei der RFID-Technologie elektromagnetisch – existieren aber eindeutige
Unterschiede.
Durch das elektromagnetische Sensorprinzip bietet die RFID-Technologie im Gegensatz zum Barcode die Möglichkeit, Daten ohne Sichtverbindung zu erfassen und ist
des Weiteren unempfindlicher gegenüber Verschmutzung des Datenträgers. Auch
11
Mobile RFID-Schreib-/Lesegeräte mit integrierter Antenne werden auch als Handheld bezeichnet.
22
lassen sich quasi gleichzeitig mehrere Datenträger auslesen12, und es können in Abhängigkeit des verwendeten Systems im Vergleich zum Barcode höhere Lesereichweiten erreicht werden. Je nach Bauform kann der Transponder darüber hinaus
hitzebeständig und mechanisch belastbar ausgeführt sein, wodurch die Technologie
auch in widrigen medialen, thermischen, chemischen und physikalischen Randbedingungen, bei denen optoelektronische Systeme an ihre Grenzen gelangen, eingesetzt werden kann [SHJ-06].
Zusätzlich ergeben sich durch die Möglichkeit der Speicherung von größeren Datenmengen und der dynamischen Datenveränderung beim Einsatz der RFIDTechnologie Anwendungsmöglichkeiten, die weit über die reine Identifikation hinaus
gehen und beim Barcode nur mit Hilfe einer zentralen Datenhaltung gelöst werden
können [RAF-06]. Dementsprechend ergibt sich bei der RFID-Technologie im direkten Vergleich zur Barcode-Technologie langfristig die Möglichkeit, den Informationund Materialfluss zu „verheiraten“, somit die derzeit existierende Lücke zwischen der
physischen und informationstechnischen Welt zu schließen und die Intransparenz in
den Prozessen vollständig zu beseitigen [GOE-06, REI-07].
Aufgrund der Notwendigkeit von elektronischen Bauteilen ist der Einsatz der RFIDTechnologie aber auf der anderen Seite mit deutlichen höheren Kosten verbunden.
Während bei einem Barcodeetikett in der einfachsten Form Kosten unter 1 Cent pro
Stück entstehen, sind bei der RFID-gestützten Identifikation je nach Betriebsart, Frequenz und Abnahmemenge Kosten von derzeit mindestens 10 Cent bis hin zu über
40 Euro bei Batterie-gestützten Systemen pro mobilen Datenträger zu erwarten
[RFJ-07]. Auch von Seiten der Lesegeräte sind die anfallenden Kosten aufgrund der
Komplexität der Geräte bei einer RFID-Anwendung deutlich höher.
Darüber hinaus kann die Applikation des Transponders am Produkt je nach Art des
verwendeten mobilen Datenspeichers technisch aufwendiger sein und die Inbetriebnahme des Systems ist aufgrund des starken Einflusses der Umgebungsbedingungen und der Werkstoffeigenschaften des zu kennzeichnenden Objektes auf die
Leistungsfähigkeit des RFID-Systems im Regelfall mit einem höheren Zeitbedarf verbunden.
Aufgrund ihrer kurzen industriellen Historie existiert bei der RFID-Technologie derzeit
noch eine Lücke im Bereich der Anwendungsstandards, wodurch die Implementie12
Diese Eigenschaft wird auch als Pulkfähigkeit bezeichnet.
23
rung von offenen RFID-Kreisläufen zusätzlich mit einem deutlich höheren Abstimmungsaufwand verbunden ist [CJH-05, HUS-06].
Auf Basis dieser wirtschaftlichen Nachteile ist es notwendig, für den rentablen Einsatz der RFID-Technologie in der Regel neben der reinen Identifikation des Objektes
einen zusätzlichen Nutzen zu generieren, weswegen RFID zunehmend als Komplementär und weniger als Substitut zur Barcode-gestützten Identifikation betrachtet
wird [IML-04, OV-02, SHJ-06].
Ergänzend muss erwähnt werden, dass die Leistungsfähigkeit der RFID-Technologie
und damit die jeweiligen Vor- und Nachteile sehr stark vom ausgewählten System,
insbesondere der Arbeitsfrequenz (vgl. Kapitel 2.3.1 und 2.5) und den Umgebungsbedingungen des Einsatzfalles, abhängen [GÜN-07b].
Zusammenfassend sind in Abbildung 2-11 die Vorzüge und Nachteile der beiden
Technologien gegenübergestellt.
24
Barcode
RFID
Antenne
Chip
Vorteile:
Vorteile:
+ preiswerter Datenträger
+ keine Sichtverbindung notwendig
+ einfache Applikation
+ große Lesereichweite
+ Standardisierung
+ große Speicherkapazität
+ geringe Fehlerrate
+ geringe Fehlerrate
+ 75% Marktanteil
+ Reduzierung des Handlingaufwandes
+ Widerstandsfähigkeit
Nachteile:
- Sichtverbindung notwendig
- nur einzeln lesbar
- geringe Lesereichweite
+ Pulkfähigkeit: Gleichzeitiges Lesen von
mehreren Datenträgern
+ variable Datenhaltung
+ dezentrale Datenhaltung
- Fixcodierung
- geringe Speicherkapazität
- geringe Widerstandsfähigkeit
- gezwungenermaßen dezentrale
Datenhaltung
Nachteile:
- Datenträger aufwendiger
- fehlende oder nicht durchgängige
Standardisierung
- höhere Kosten für Hardware
- Leistungsbeeinflussung durch die
Umgebung
- Applikation des Transponders
Abbildung 2-11: Vergleich zwischen Barcode und RFID
2.3
Differenzierung und Charakterisierung von RFID-Systemen
Die Einteilung und Differenzierung der RFID-Systeme kann nach verschiedensten
Merkmalen der eingesetzten mobilen Datenspeicher und Schreib-/Lesegeräte erfolgen. Beispielhaft sind die in Abbildung 2-12 dargestellten Kriterien genannt.
25
RFIDCharakteristika
2.4.1 Arbeitsfrequenz
2.4.2 Energieversorgung
2.4.3 Speicherzugriff
LF-Bereich
aktiv
Read only
HF-Bereich
passiv
Read/Write
2.4.4 Speicherkapazität
Variabel von 1bit
bis 64 kByte
UHF-Bereich
SHF-Bereich
Wird maßgeblich durch den mobilen Datenträger festgelegt
Abbildung 2-12: Unterscheidungskriterien von RFID-Systemen
Die Leistungsfähigkeit des RFID-Systems wird insbesondere durch die Arbeitsfrequenz13 und die Energieversorgung bzw. Betriebsart des Transponders charakterisiert. Diese beiden Merkmale legen maßgeblich die Systemreichweite und die
entstehenden Kosten fest und sind somit entscheidend für das Einsatzpotenzial und
die Wirtschaftlichkeit des RFID-Einsatzes.
2.3.1 Arbeitsfrequenz des RFID-Systems
Die Arbeitsfrequenz des RFID-Systems bestimmt bedingt durch die unterschiedlichen physikalischen Feldausbreitungseigenschaften und die sich unterscheidende
Datenübertragungstechnik die Merkmale, Eigenschaften und Leistungsfähigkeit des
Systems [AIM-07, INF-07].
RFID-Systeme arbeiten in einem Bereich von 100 kHz bis 5,8 GHz14 und werden
durch die Erzeugung und Abstrahlung von magnetischen bzw. elektromagnetischen
Wellen rechtlich als Funkanlagen betrachtet, weswegen sie nur bei festen, von nationalen Fernmeldevorschriften freigegebenen Frequenzen betrieben werden dürfen
[FIN-06, OVE-05, VDE-06]. Ein Überblick über die in Deutschland nutzbaren Frequenzen und dazugehörige beispielhafte Anwendungen sind in Abbildung 2-13 dargestellt.
13
Als Arbeitsfrequenz wird die Sendefrequenz des Readers verstanden.
14
Die Einheit Hz entspricht 1 Schwingung pro Sekunde.
26
Zugangskontrolle
Tier-ID
Autoschlüssel Chipkarte
-
100k
125 134
Zugangssysteme, Produktion,
Logistik
Logistik
- Behälter
Post
- Paletten
Chipkarten - Reifen
Pass
Gepäck
Bücher
-
Transportwesen
- Straßenmaut
- Zug-Ortsbestimmung
- Flottenmanagement
- Produktionssteuerung
1M
2,45
LF
13,56
868 917 1G
HF
Induktive Kopplung
UHF
5,8
[Hz]
SHF
Elektromagnetische Kopplung
Abbildung 2-13: Überblick über nutzbare RFID-Frequenzen in Deutschland und dazugehörige
beispielhafte Anwendungen
Zur Gruppierung der RFID-Systeme lassen sich die Frequenzen in folgende vier
Klassen gliedern [OVE-05]:
•
Low Frequency (LF) – Systeme von 100-135 kHz
•
High Frequency (HF) – Systeme bei 13,56 MHz
•
Ultra High Frequency (UHF) – Systeme bei 868 MHz
•
Short High Frequency (SHF)15 – Systeme bei 2,45 GHz und 5,8 GHz
Der Frequenzbereich des Systems legt gleichzeitig die Art der Kopplung zwischen
Transponder und Reader fest. Bei LF- und HF-Systemen ist der Reader mit dem
mobilen Datenspeicher induktiv oder kapazitativ gekoppelt, während bei UHF- und
SHF-Systemen die elektromagnetische Kopplung16 genutzt wird. Bedingt durch die
Kopplungsart sind die niederfrequenten Systeme durch geringere Reichweiten gekennzeichnet. Aufgrund der elementaren Bedeutung wird die Lesereichweite der
Systeme in Abhängigkeit der jeweiligen Arbeitsfrequenz im Kapitel 2.5 ausführlich
betrachtet.
Auf Basis der Arbeitsfrequenz ergibt sich die Wellenlänge des von der Readerantenne abgestrahlten Feldes mit Hilfe der Formel [KUC-01]:
15
Dieser Frequenzbereich wird auch als Mikrowelle bezeichnet.
16
Diese Kopplung wird auch als Backscatter bezeichnet.
27
λ=
c
f
mit:
(2-1)
λ:
Wellenlänge [m]
f:
Frequenz [Hz]
c:
Lichtgeschwindigkeit (c = 3,0·108
m
) [m/s]
s
Die Wellenlängen für die verschiedenen Frequenzbereiche sind in Tabelle 2-1 dargestellt.
Tabelle 2-1: Wellenlängen der jeweiligen Frequenzgruppen
Wellenlänge [m]
LF
HF
UHF
SHF
2.222-3.000
22
0,35
0,05-0,12
Durch eine kürzere Wellenlänge beziehungsweise mehr Schwingungen pro Zeiteinheit können mehr Informationen pro Zeiteinheit übertragen werden. Dadurch steigt
die Datenübertragungsgeschwindigkeit mit der Frequenz an (siehe Abbildung 2-14).
Dies hat zur Konsequenz, dass sich mit höherer Frequenzen neben größeren
Reichweiten komplexere Anwendungen durch den höheren Daten- und Energietransfer realisieren lassen (vgl. Abbildung 2-13).
Abbildung 2-14: Abhängigkeit der übertragbarer Datenmenge von der Wellenlänge [GS1-06]
28
2.3.2 Energieversorgung des Transponders
RFID-Transponder benötigen Energie zum Betrieb des Mikrochips und zum Transfer
der Daten. Dabei lassen sich drei verschiedene Arten der Energieversorgung unterscheiden [LAM-05]:
•
Passive Transponder: Die Energie wird aus dem Feld des Lesegerätes gewonnen und für den Mikrochip und die Datenübertragung verwendet.
•
Semi-aktive Transponder17: Die Versorgung des Mikrochips wird von einer internen Batterie übernommen. Zum Senden der Daten wird die gewonnene
Energie aus dem Feld der Readerantenne verwendet.
•
Aktive Transponder: Sie verwenden die zugehörige Batterie zur Energieversorgung des Mikrochips und zum Senden der Daten. Die Energie des Lesefeldes wird nur zur Aktivierung des Transponders verwendet.
Die aktiven RFID-Systeme werden in der Literatur nicht durchgängig zu den RFIDSystemen gezählt. [FIN-06] beschränkt RFID-Systeme auf passive und semi-aktive
Transponder, wobei [FIN-06] das nach obiger Definition semi-aktive System als aktiv
bezeichnet. In der Mehrzahl der Literaturquellen (u.a. [BSI-04, FRA-06, GS1-07,
HAN-06, JAN-04, und LAM-05]) findet die im Rahmen dieser Arbeit verwendete Definition Anwendung.
Durch die integrierte Batterie besitzen aktive und semi-aktive RFID-Transponder eine
deutlich höhere Reichweite im Vergleich zu passiven Systemen, weil die Energie
zum Betrieb des Datenspeichers nicht aus dem Feld gewonnen werden muss. Der
Transponder wird lediglich durch das Erregersignal der Readerantenne aktiviert. Befindet sich der Transponder außerhalb des Ansprechfeldes, wird er in einen Standby-Modus versetzt. Die eigene Energieversorgung des Mikrochips bietet zudem die
Möglichkeit, größere Speicher zu betreiben und aufwendigere Mikroprozessoren mit
Verschlüsselungsalgorithmen sowie Sensoren zu integrieren [FRA-06].
Allerdings sind diese Transponder deutlich teurer als passive Systeme und bedingen
größere Bauformen. Außerdem ist die Lebenszeit des Transponders durch die Batteriekapazität in Abhängigkeit der Nutzungshäufigkeit des Transponders begrenzt
[FRA-06]. Aus diesem Grund werden sie aus wirtschaftlichen Gesichtpunkten im Regelfall entweder in geschlossen Kreisläufen oder an Objekten mit hohem Wert eingesetzt.
17
Die Bezeichnung semi-passiv wird teilweise in der Literatur synonym verwendet [KLE-04].
29
Passive mobile Datenspeicher müssen die Energie zum Betrieb des Mikroprozessors
und zum Senden der Daten aus dem Feld der Leseantenne gewinnen, wodurch nur
persistente Speichermedien, die ihre Daten ohne Energieversorgung behalten und
sich durch einen geringen Energieverbrauch auszeichnen, eingesetzt werden können
[FRA-06]. Aus diesem Grund wurden die ersten passiven Transponder erst durch die
Entwicklung der Integrated Circuit(IC)-Technologie, insbesondere der Complementary Metal Oxid Semiconductor(CMOS)-Technik, deren Schaltungen durch einen extrem geringen Energieverbrauch charakterisiert sind, ermöglicht [HAE-04].
Technisch ist somit die Reichweite von passiven Systemen im Vergleich zu aktiven
geringer, sie können aber im Gegenzug in einfacherer Bauweise und fast beliebiger
Bauform kostengünstig hergestellt werden.
Im LF- und HF-Bereich existieren lediglich passive Systeme. Bei auf UHF- und SHFbasierenden RFID-Systemen sind sowohl passive als auch aktive Systeme auf dem
Markt erhältlich, wobei im UHF-Bereich die passiven Systeme überwiegen und im
SHF-Bereich größtenteils aktive Systeme zum Einsatz kommen.
2.3.3 Art des Speicherzugriffs
Neben der Arbeitsfrequenz und der Energieversorgung stellt die Beschreibbarkeit
des Transponders ein wichtiges Charakterisierungs- und Leistungsmerkmal dar. Dabei lassen sich die folgenden zwei Klassen unterscheiden:
•
Read-Only Transponder:
Diese Art der mobilen Datenspeicher ist vom Hersteller mit einer unikaten
Identifikationsnummer
beschrieben,
die
nicht
geändert,
ergänzt
oder
überschrieben werden kann. Aufgrund des einfachen Aufbaus können diese
Transponder preisgünstig hergestellt werden und kommen insbesondere in
einfachen Anwendungen, in denen keine Datenspeicherung erforderlich ist,
wie beispielsweise bei der Tieridentifikation oder Zutrittskontrolle, zum Einsatz.
Als Sonderform existieren im Rahmen dieser Klasse die so genannten
WORM-Transponder18, die eine einmalige unveränderliche Codierung der Information auf dem Transponder erlauben, die dann beliebig oft ausgelesen
werden kann [BIT-06]. In anderen Literaturquellen, beispielsweise [SHJ-06],
18
Die Abkürzung WORM steht für den englischen Ausdruck Write Once Read Many.
30
wird ein WORM-Transponder als ein mobiler Datenspeicher mit einer herstellerseitig unveränderlich codierten Seriennummer und einem einmalig beschreibbaren Speicherbereich definiert. Durch die Weiterentwicklung der
Chiptechnologie und der damit verbundenen Möglichkeit bestimmte Speicherbereiche zu fixieren19 ist die Bedeutung dieser Art von Transpondern stark zurückgegangen ist. Aus diesem Grund wird im Rahmen dieser Arbeit die auf
den gesamten Speicherbereich bezogene Definition verwendet.
•
Read/Write Transponder:
Diese Transponder verfügen über individuell beschreibbare Speicherbereiche,
die beliebig oft mit Hilfe eines Schreib-/Lesegerätes überschrieben werden
können. Wie oben beschrieben, besitzen Transponder der neusten Generation die Möglichkeit die Speicherbereiche teilweise oder gesamt zu fixieren, um
eine nachträgliche Manipulation der gespeicherten Daten zu verhindern.
2.3.4 Speicherkapazität
Die Speicherkapazität des mobilen Datenträgers wird durch den applizierten Mikrochip und die maximal übertragbare Leistung festgelegt. Bei passiven Systemen muss
die Energie zum Betrieb des Transponders aus dem Feld gewonnen werden, so
dass sich hier – insbesondere bei kurzen Verweilzeiten im Lesefeld – nur geringe
Speicherkapazitäten realisieren lassen. Im Regelfall beträgt die Speichermenge für
passive Systeme derzeit zwischen 128 und 2048 Bit. Zudem sinkt die Leistungsfähigkeit des RFID-Systems mit einer zunehmenden dezentralen Datenhaltung stark
ab, so dass insbesondere in Logistikanwendungen mit Pulkerfassung eine starke
Reduzierung der Datenmenge bis hin zu einer eindeutigen Identifizierungsnummer
auf dem Transponder anzustreben ist. Des Weiteren lässt sich die Übertragung von
großen Datenvolumina nur realisieren, wenn sich der Transponder lange im Ansprechfeld des Lesegerätes befindet. Durch die im Verhältnis großen Reichweiten
und die eigene Energieversorgung von aktiven Systemen sind diese prädestiniert für
eine hohe Speicherkapazität. Auf dem Markt sind derzeit Systeme mit bis zu 64 kByte erhältlich, wodurch sich in Kombination mit Sensoren beispielsweise die dezentrale Aufzeichnung von Messreihen realisieren lässt.
19
Dies wird auch als Locken des Speicherbereichs bezeichnet.
31
2.4
Funktionsweise der Energie- und Datenübertragung
Die Leistungsfähigkeit von RFID-Systemen wird grundlegend von den Umgebungsbedingungen und dem Applikationsuntergrund für den mobilen Datenträger beeinflusst.
Der
untersuchte
Einsatzfall
der
Technologie
zur
automatischen
Bauzustandsdokumentation im Fahrzeug ist somit aufgrund der Vielzahl zu kennzeichnender metallischer Bauteile und der metallischen Umgebung, in der die Bauteile identifiziert werden müssen, von großen Herausforderungen geprägt. Um im
Verlauf der Arbeit die theoretischen Auswirkungen im Anwendungsfall weiter vertiefen zu können und darauf aufbauend Lösungskonzepte zu entwickeln, werden im
Folgenden die Eigenschaften von RFID-Systemen in Abhängigkeit der physikalischen Grundlagen hergeleitet.
Für das physikalische Funktionsprinzip der Daten- und Energieübertragung zwischen
Reader und Transponder ist entscheidend, ob diese im Nah- oder Fernfeld des Readerantennenfeldes stattfindet [VDE-06].
Auf Basis des Induktionsgesetzes bildet sich durch ein magnetischen Feld in zunehmenden Abstand zur Antenne auch ein elektrisches Feld aus und umgekehrt [HER04]. Das daraus entstehende elektromagnetische Feld beginnt sich bei einem Abstand von λ/2 · π von der Antenne zu lösen und als elektromagnetische Welle mit
Lichtgeschwindigkeit in den Raum zu wandern20 [FIN-06, KOL-00]. Ab dieser Entfernung kann keine direkte und detektierbare Rückmeldung auf die Antenne des Readers mehr erfolgen [VDE-06]. In Tabelle 2-2 ist dieser Übergang vom Nah- zum
Fernfeld für die jeweiligen Frequenzen dargestellt.
Tabelle 2-2: Übergang vom Nahfeld zum Fernfeld für die jeweiligen Frequenzbereiche
Nahfeld / Fernfeldübergang [m]
LF
HF
UHF
SHF
354-477
3,5
0,05-0,06
0,01-0,02
Aufgrund der großen Wellenlänge findet bei den nieder- und hochfrequenten RFIDSystemen die Daten- und Energieübertragung zwischen Reader und Transponder im
Nahfeldbereich statt. Physikalisch bedingt erfolgt die Übertragung dadurch mittels
induktiver oder kapazitiver Kopplung. Diese werden durch die direkte Rückwirkung
20
Dieser Grenzwert wird als Übergang vom Nah- zum Fernfeld bezeichnet.
32
der mobilen Datenspeicher auf das Readerantennenfeld auch als direkte Kopplungsarten bezeichnet. Der Beginn des Fernfeldes stellt damit eine feste Grenze für direkt
gekoppelte RFID-Systeme dar. Die ultrahochfrequenten und mikrowellenbasierten
RFID-Systeme, die aufgrund ihrer Wellenlänge im Fernfeld des Readerantennenfeldes gekoppelt sind, arbeiten auf Basis des Radarprinzips mit der Rückstrahlung der
abgelösten sich im Raum ausbreitenden elektromagnetischen Wellen des Feldes.
Die Kopplung erfolgt dadurch physikalisch bedingt in diesen Frequenzbereichen indirekt.
Zusammenfassend lassen sich bei RFID-Systemen die in Abbildung 2-15 dargestellten frequenzabhängigen Kopplungsarten unterscheiden.
Typische Vertreter
Genutztes Feld
Übertragungsverfahren
Kapazitiv
Induktiv
Backscatter
(elektrisches Feld)
(magnetisches Feld)
(elektromagnetisches Feld)
Kontaktlose Karten
Transponder mit
Transponder mit
< 135 kHz, 13,56 MHz
< 135 kHz
870 MHz, 915 MHz,
Transponder nach „Bi-Statix“
13,56 MHz
2,4 GHz,
5,8 GHz
Abbildung 2-15: Daten- und Energieübertragungsverfahren von RFID-Systemen
(in Anlehnung an [KER-06])
Neben dem physikalischen Kopplungsprinzip können RFID-Systeme auch nach dem
zeitlichen Ablauf der Energie- und Datenübertragung eingeteilt werden. Entsprechend Abbildung 2-16 unterscheidet man sequentielle Verfahren und DuplexVerfahren. Bei den sequentiellen Verfahren erfolgt die Energie- und Datenübertragung vom Reader zum Transponder (uplink) zeitlich getrennt von der reversen Datenübertragung vom Transponder zum Reader (downlink), wodurch diese nicht von
der Energieübertragung und dem uplink überlagert wird. Bei den Duplex-Verfahren
kann zusätzlich in Halb- und Vollduplex-Verfahren (HDX und FDX), je nachdem, ob
uplink und downlink sich zeitlich überschneiden (FDX) oder getrennt (HDX) stattfin33
den, unterschieden werden. Das Vollduplex-Verfahren kann dabei aufgrund der
Überschneidung von up- und downlink nur bei Systemen eingesetzt werden, bei der
die Antwort des Transponders auf einer anharmonischen Frequenz erfolgt [FIN-06].
Abbildung 2-16: Einteilung der RFID-Systeme nach dem zeitlichen Ablauf der Energie- und
Datenübertragung (in Anlehnung an [FIN-06])
Im Folgenden werden die physikalischen Funktionsprinzipien der Kopplungsarten
detailliert beschrieben.
2.4.1 Kapazitive Kopplung
Die kapazitive Daten- und Energieübertragung nutzt das elektrische Feld, das elektrisch geladene Körper umgibt, und beispielsweise zwischen den Platten eines Kondensators entsteht [PHY-98].
Bei Systemen, die für sehr geringe Reichweiten von unter 1 cm ausgelegt sind21 beispielsweise RFID-gestützte Ausweise zur Personenidentifikation – kommt dieses
Funktionsprinzip des Plattenkondensators zum Einsatz. Durch die Ausführung der
Antennen des Readers und des Transponders als isolierte Koppelfläche bilden sie
bei hinreichend kleinem Abstand einen Plattenkondensator, wodurch sich ein elektrisches Feld zwischen den beiden Komponenten ausbildet. Dieses versorgt den
21
Diese Systeme werden auch als close-coupling Systeme bezeichnet.
34
Transponder mit Energie (siehe Abbildung 2-17) [FIN-06]. Die Übertragung der Daten erfolgt mit Hilfe der Modulation des elektrischen Feldes durch einen zuschaltbaren Widerstand22.
Abbildung 2-17: Kapazitive Kopplung bei close-coupling Systemen [KER-06]
Bei Systemen mit Reichweiten von bis zu 1,5 m − man spricht hier von remotecoupling Systemen − wird das elektrische Feld genutzt, das zwischen einer Elektrode
und dem Erdpotenzial bei einer hochfrequenten Spannung an einer Elektrode entsteht. Das auf diesem Funktionsprinzip vom Reader erzeugte elektrische Feld generiert bei einem im Ansprechfeld befindlichen Transponder an dessen Elektroden eine
geringe Spannung, die zur Versorgung des Transponders mit Energie verwendet
wird (siehe Abbildung 2-18). Hierzu werden am Lesegerät Spannungen in der Größenordnung von einigen hundert bis einigen tausend Volt benötigt [FIN-06]. Die
Übertragung der Daten erfolgt analog zu den close-coupling Systemen mit Hilfe eines Lastwiderstandes durch die direkte Kopplung zwischen Transponder und Reader, wodurch ein veränderter Widerstand eines Systempartners eine Veränderung
der Spannung im gekoppelten System bewirkt.
22
Das Verfahren wird auch als Lastmodulation bezeichnet.
35
Abbildung 2-18: Kapazitive Kopplung bei remote-coupling Systemen [KER-06]
Aufgrund der relativ komplexen Bauart und der für größere Reichweiten benötigten
sehr hohen Spannungen sowie durch in der Praxis schwankender Lesereichweiten
hat sich diese Kopplungsart bei remote-coupling Systemen nicht durchsetzen können. Im Bereich der close-coupling Systeme existieren hingegen insbesondere im
Bereich der Personen- und Betriebsmittelidentifikation zahlreiche Anwendungen.
Diese Systeme sind durch die geringe Reichweite und die geringe Leistungsfähigkeit,
bedingt durch die niedrige Frequenz, für die RFID-basierte Bauzustandsdokumentation nicht geeignet und werden deswegen im Rahmen der Arbeit hier nur ergänzend
erwähnt und nicht detaillierter betrachtet.
2.4.2 Induktive Kopplung
Induktiv gekoppelte Systeme nutzen magnetische Felder und das Prinzip der Induktion und Gegeninduktion zur Energie- und Datenübertragung.
2.4.2.1 Entstehung des magnetischen Feldes
Auf Basis des Durchflutungsgesetzes ist mit jeder bewegten Ladung, beispielsweise
Elektronen in einem Leiter, die Bildung eines magnetischen Feldes mit geschlossenen Feldlinien verbunden (vgl. Abbildung 2-19). Die der Ursache des magnetischen
Feldes zugeordnete Größe ist dabei die magnetische Feldstärke H [A/m] [IBF-04].
Das Durchflutungsgesetzes in der allgemeinen Form beschreibt, dass das Umlaufin36
tegral der magnetischen Feldstärke längs einer geschlossenen Kurve gleich der von
der Kurve eingeschlossenen Ströme ist [KUC-01]. Darstellen lässt sich dies mit Hilfe
der Formel:
∑ I = ∫ H ds
mit:
(2-2)
I:
Eingeschlossener Stromfluss [A]
H:
Magnetische Feldstärke [A/m]
s:
Umlaufweg [m]
s
Abbildung 2-19: Magnetische Feldlinien um einen stromdurchflossenen Leiter
Zur Erzeugung des magnetischen Wechselfeldes bei induktiv gekoppelten RFIDSystemen werden kurze Zylinderspulen oder rechteckige Leiterschleifen als Antenne
verwendet. Jede Spulenwindung kann dabei als stromdurchflossener Leiter betrachtet werden und es ergibt sich durch die Überlagerung der magnetischen Wechselfelder eine höhere magnetische Feldstärke H (vgl. Abbildung 2-20).
37
H
Abbildung 2-20: Verlauf der Feldstärke in einer Spule
a) schematisch und b) sichtbar mit Hilfe von Eisenspänen [TIP-94]
Für den Verlauf der Feldstärke entlang ihrer Achse kann nach [PAU-93] unter der
Bedingung, dass die Länge der Spule viel kleiner als der Spulenradius R ist23, folgende Beziehung für das magnetische Nahfeld hergestellt werden:
H=
mit:
I ⋅ N ⋅ R²
(2-3)
2 ( R ² + x ²)³
N:
Anzahl der Spulenwindungen [-]
R:
Kreisradius der Spule [m]
x:
Abstand zur Spulenmitte [m]
Dadurch ergibt sich, dass wechselstromdurchflossene Spulen mit kleinem Radius R
in unmittelbarer Nähe zur Spulenachse (x 0) höhere magnetische Feldstärken erzeugen, diese aber schon in kurzer Distanz zur Achse direkt proportional zu x3 stark
23
Diese Spulenform wird auch als kurze Zylinderspule oder Leiterschleife bezeichnet.
38
abfallen. Um eine hohe Lesereichweite bei induktiv gekoppelten Systemen zu erreichen, müssen deshalb große Readerantennen eingesetzt werden. Falls hohe Stromstärken zum Betrieb des Transponders benötigt werden, beispielsweise bei der
Integration von Sicherheitsalgorithmen, werden hingegen Readerantennen mit kleinen Abmaßen benötigt (siehe Abbildung 2-21).
Magnetische Feldstärke H [A/m]
100
10
1
0,1
0,01
1·10-3
1·10-4
1·10-5
1·10-6
1·10-7
1·10-8
1·10-3
0,01
0,1
1
10
Entfernung x [m]
Radius R = 55 cm
Radius R = 7,5 cm
Radius R = 1 cm
Abbildung 2-21: Verlauf der magnetischen Feldstärke bei kurzen Zylinderspulen im Nahfeld in
Abhängigkeit des Spulenradius R (in Anlehnung an [FIN-06])
Für die häufig als Sendeantennen eingesetzten rechteckigen Leiterschleifen ergeben
sich analoge Zusammenhänge auf Basis der Kantenlängen.
In Abbildung 2-22 sind Beispiele für die Ausführung von Readerantennen für induktiv
gekoppelte Systeme dargestellt.
39
Kartenleser mit integrierter kompakter
Leiterschleifenantennen für Mid-Range
Antenne für kontaktbehaftete Identifizie-
und Long-Range-Systeme (Reichweite
rung mit Sicherheitsalgorithmen
ist abhängig von Leiterschleifengröße)
(Reichweite < 10 cm)
Abbildung 2-22: Readerantennen für unterschiedliche Lesereichweiten [FEI-07]
2.4.2.2 Energieübertragung zwischen Reader und mobilen Datenträger
Nachfolgend wird aufbauend auf der Entstehung des magnetischen Feldes die Energieübertragung von der Reader- zur Transponderantenne beschrieben.
Auf Basis des Induktionsgesetzes wird in einer von einem magnetischen Wechselfeld
durchzogenen Spule oder geschlossenen Leiterschleife eine Spannung induziert
[KUC-01]. Die Höhe der induzierten Spannung in der Spule hängt dabei von der Änderung der magnetischen Feldstärke und der Gesamtzahl der die Spule durchsetzenden Feldlinien ab und kann mit Hilfe der folgenden Formel beschrieben werden:
u ind = − N ⋅ µ ⋅ ∫
mit:
dH n
⋅ dA
dt
(2-4)
uind:
Induzierte Spannung [V]
µ:
Permeabilität24 der durchfluteten Spulenfläche [Vs/Am]
Hn:
Normalkomponente der magnetischen Feldstärke
in Richtung der Spulenfläche [A/m]
A:
von Hn durchflutete Fläche [m2]
(im Regelfall mit der Fläche der Spule identisch)
24
Die Permeabilität bezeichnet die magnetische Leitfähigkeit und wird berechnet durch das Produkt
der magnetischen Feldkonstante µ0 (Permeabilität des Vakuums) und der Permeabilitätszahl µr, die
die Vergrößerung oder Abschwächung der Induktivität durch Einbringen eines Stoffes in das Feld
quantifiziert.
40
Das Produkt aus der Permeabilität µ und der magnetischen Feldstärke H wird auch
als magnetische Induktion B25 bezeichnet und ist ein Maß für den je Flächeneinheit
und Windung induzierten Spannungsstoß. Der eine Fläche senkrecht durchdringende Anteil der magnetischen Induktion B integriert über die Fläche A ist definiert als
magnetischer Fluss Φ. Dadurch lässt sich die Formel (2-4) vereinfacht wie folgt beschreiben26:
u ind = − N
mit:
dΦ
dt
Φ:
(2-5)
Magnetischer Fluss [Vs]
Bei der Induktion lassen sich generell zwei Fälle unterscheiden:
•
Selbstinduktion:
Das durch eine Stromänderung di/dt in einer Leiterschleife erzeugte
Wechselfeld in den eigenen Windungen.
•
Gegeninduktion:
Das durch eine zeitliche Stromänderung di/dt in einer Leiterschleife
erzeugte Wechselfeld induziert eine Spannung in einer benachbarten Leiterschleife.
Betrachtet wird zunächst die Selbstinduktion. Bei einem RFID-System kennzeichnet
sie die induzierte Spannung in der Readerantenne durch das von ihr generierte und
ausgehende magnetische Wechselfeld. Die den Reader betreffende physikalische
Größen werden im folgendem mit dem Index R gekennzeichnet. Die in die eigenen
Windungen induzierte Spannung wirkt der anliegenden Spannung nach der
Lenz’schen Regel entgegen und ist dabei direkt proportional zum Stromfluss in der
Spule. Der Proportionalitätsfaktor wird als Induktivität L27 bezeichnet [KUC-01].
Mit Hilfe der Formeln (2-4) und (2-5) lässt sich damit die Induktivität L der Readerantenne ausdrücken durch:
25
Die magnetische Induktion wird auch als magnetische Flussdichte bezeichnet.
26
Die Formelschreibweise gilt als allgemeine Form des Induktionsgesetzes.
27
Für die Induktivität L werden in der Literatur die Begriffe Selbstinduktionskoeffizient und Eigeninduktivität synonym verwendet.
41
LR =
u R ind
dI R
dt
dΦ R
dt
dI R
dt
− NR ⋅
=
dΦ R
=
dI R
(2-6)
dH R n ( I R )
dAR
dI R
− NR ⋅ µR ⋅ ∫
mit:
= − NR ⋅
LR:
Induktivität der Readerantenne [H]
uRind: Induzierte Spannung in die Readerantenne [V]
IR:
Stromfluss in der Readerantenne [A]
NR:
Anzahl der Spulenwindungen der Readerantenne [-]
ΦR:
Magnetische Fluss durch die Readerantenne [Vs]
µR:
Permeabilität der durchfluteten Readerantenne [Vs/Am]
HRn:
Normalkomponente der magnetischen Feldstärke
in Richtung der Readerantennenfläche [A/m]
AR:
Von HRn durchflutete Readerantennenfläche [m2]
(im Regelfall mit der Fläche der Spule identisch)
Der Effekt der Gegeninduktion beschreibt, dass das magnetische Wechselfeld eine
Spannung in einer benachbarten Leiterschleife erzeugt. Dies ist die physikalische
Grundlage für die Energieversorgung der mobilen Datenspeicher bei RFIDSystemen. Vorraussetzung ist, dass die Antenne der Transponder bei induktiv gekoppelten Systemen ebenfalls als Spule oder rechteckige Leiterschleife ausgeführt
ist. In Abbildung 2-23 sind beispielhaft verschiedene Antennenbauformen von induktiv gekoppelten Transpondern dargestellt.
LF-Systeme
HF-Systeme
Abbildung 2-23: Mobile Datenträger auf Basis induktiver Kopplung mit unterschiedlichen
Antennen [RRY-07, SOK-07, UPM-07]
42
Die transponderbezogenen physikalischen Größen werden im Folgenden mit dem
Index T bezeichnet.
Die im mobilen Datenspeicher induzierte Spannung lässt sich mit Hilfe der Formel (24) und (2-5) wie folgt ausdrücken:
uT ind = − NT
dBTn ( I R )
dΦT ( I R )
= − NT ⋅ ∫
dAT =
dt
dt
NT ⋅ µT ⋅ ∫
mit:
dH Tn ( I R )
dt
(2-7)
dAT
uTind: Induzierte Spannung im Transponder [V]
NT:
Anzahl der Spulenwindungen des Transponders [-]
ΦT:
Magnetischer Fluss durch die Transponderantenne [Vs]
IR:
Stromfluss in der Readerantenne [A]
BTn:
Normalkomponente der magnetischen Flussdichte
durch die Transponderspule [T]
µT:
Permeabilität
der
durchfluteten
Transponderspulen-
fläche [Vs/Am]
HTn:
Normalkomponente der magnetischen Feldstärke durch
die Transponderspule [A/m]
AT:
Von HTn durchflutete Antennenfläche des Transponders
(im Regelfall mit der Fläche der Spule identisch) [m2]
Die induzierte Spannung ist neben der die Antenne senkrecht durchdringenden
magnetischen Feldstärke von der Größe der Transponderantenne und deren Windungszahl abhängig. Durch die Steigerung der Permeabilität in der Spule, beispielsweise durch einen ferromagnetischen28 Kern kann die erzeugte Spannung im
mobilen Datenträger erhöht werden29. Da die Spannungsversorgung des Transponders mit einer niedrigeren magnetischen Feldstärke sichergestellt werden kann, bedeutet
eine
höhere
induzierte
Spannung
gleichzeitig
auch
eine
höhere
Lesereichweite. Auf Basis der Formel (2-7) haben die genannten Faktoren einen di-
28
Materialien mit einer Permeabilitätszahl µr >> 1 werden als ferromagnetisch bezeichnet. Beispiele
für Materialien dieser Art sind Eisen, Kobalt, Nickel.
29
Dies wird unter anderem bei Glastranspondern ausgenutzt, um eine kompakte Bauform zu realisieren (vgl. Glastransponder in Abbildung 2-21).
43
rekt proportionalen Einfluss. In einen Transponder mit beispielsweise einer doppelten
Antennenfläche wird somit auch die doppelte Spannung induziert.
Aus der Formel (2-7) kann auch die starke Abhängigkeit der Leistungsfähigkeit von
der Lage des Transponders zur Readerantenne hergeleitet werden, da sich nur der
die Transponderfläche senkrecht durchdringende Anteil des magnetischen Flusses
für die induzierte Spannung verantwortlich zeichnet. Dadurch kann ein Transponder
parallel zu den Feldlinien nicht gelesen werden (vgl. Abbildung 2-24).
Abbildung 2-24: Erkennungsbereich von induktiv gekoppelten Systemen und deren Lageabhängigkeit am Beispiel eines 134kHz-Transponders [KER-06]
Der auf Basis der Gegeninduktion entstehende Wechselstromfluss im Transponder
hat bedingt durch das Induktionsgesetz die Ausbildung eines eigenen magnetischen
Feldes um die Transponderspule zur Folge.
Dieses mindert die Spannung in der Transponderantenne durch den Effekt der
Selbstinduktion (vgl. Selbstinduktion in der Readerantenne S. 43) und wirkt dem
Magnetfeld der Readerantenne entgegen. Dadurch wird auf Basis des Gegeninduktionseffekts in der Readerantenne die Spannung reduziert.
Das Verhältnis zwischen der induzierten Spannung und dem Stromfluss in der Antenne ist analog zur Induktivität L als Gegeninduktivität M definiert und lässt sich im
Betrachtungsfall wie folgt ausdrücken:
44
M TR =
uTR
dI R
dt
mit:
dΦ T ( I R )
dt
dI R
dt
− NR ⋅
=
= −N R ⋅
dΦ T ( I R )
dI R
(2-8)
MTR: Gegeninduktivität des Transponders auf die
Readerleiterschleife [H]
uTR:
Induzierte Spannung in der Readerantenne ausgelöst
durch das Wechselfeld des Transponderstroms [V]
Analog der obigen Definition existiert auch eine Gegeninduktivität zwischen Readerantenne und Transponder, ausgelöst durch den Stromfluss in der Transponderantenne. Zwischen den beiden Gegeninduktivitäten gilt der Umkehrsatz aufgrund
dessen beide Größen identisch sein müssen [FIN-06]:
M = M TR = M RT
(2-9)
Die Gegeninduktivität beschreibt die Verkopplung zweier Stromkreise über das Magnetfeld als Medium und ist zwischen zwei Stromkreisen stets vorhanden [FIN-06].
Eine Änderung des Stromflusses in einer Komponente des Systems führt zu einer
Spannungsänderung im anderen Systembestandteil. Aus diesem Grund wird die induktive Kopplung auch als direkte Kopplung bezeichnet.
Die im Rahmen der Induktion erzeugte Spannung im Transponder dient der Versorgung des Mikrochips. Der Wirkungsgrad und damit die Leistungsfähigkeit des
Transponders kann dabei durch die Bildung eines Parallelschwingkreises mit Hilfe
eines parallel zum Datenspeicher geschalteten Kondensators stark erhöht werden.
In Abbildung 2-25 ist das Ersatzschaltbild für einen mobilen Datenspeicher mit Parallelschwingkreis dargestellt.
M
iR
iT
RT
CT = CP + CLA
uLA
LR
LT
~
Cp
CLA
RLA
uM
Parisitäre Kapazität
Datenträger
Abbildung 2-25: Ersatzschaltbild für ein induktiv gekoppeltes RFID-System mit einem Parallelschwingkreis gebildet durch ein RC-Glied (in Anlehnung an [FIN-06])
45
Die Schwingung im Schaltkreis entsteht durch den periodischen Austausch der
Energie zwischen dem magnetischen Feld der Spule und dem elektrischen Feld des
Kondensators. Dabei lassen sich die Gleichungen und Ergebnisse aus der mechanischen Schwingung übertragen [GER-03]. Folglich existiert bei einem elektronischen
Schwingkreis eine Frequenz f, bei der der Strom minimal wird, da der größte Teil als
Blindstrom im Kreis selbst rotiert [GER-03]. Daraus resultiert bei dieser Frequenz
eine Spannungsüberhöhung im Schwingkreis. Die Frequenz wird dabei als Resonanzfrequenz bezeichnet und lässt sich für einen Transponder nach der ThomsonGleichung in Abhängigkeit der Induktivität und Kapazität wie folgt berechnen [BER99]:
fT =
mit:
1
(2-10)
2 ⋅ π ⋅ LT ⋅ CT
fT:
Resonanzfrequenz des Transponders [Hz]
LT:
Induktivität des Transponderschwingkreises [H]
CT:
Kapazität des Transponderschwingkreises [F]
Die Spannung uL, die durch die induzierte Spannung und die Überhöhung im Parallelschwingkreis für den Betrieb des Mikrochips zur Verfügung steht, lässt sich auf
Basis des Ersatzschaltbildes (vgl. Abbildung 2-25) in komplexer Darstellung mathematisch wie folgt darstellen:
u LA = u M − u L − u R = M
di R
di
− LT T − iT ⋅ RT =
dt
dt
(2-11)
jωt
1 + (ω ⋅ IˆT ⋅ e jωt
mit:
M ⋅ ω ⋅ IˆR ⋅ e
1
⋅ LT + RT ) ⋅ (
+ IˆT ⋅ e jωt ⋅ ω ⋅ CT )
RLA
ω:
Kreisfrequenz [1/s]
IˆT :
Amplitude des Stroms iT [A]
IˆR :
Amplitude des Stroms iR [A]
In Abbildung 2-26 ist beispielhaft der Spannungsverlauf einer Transponderspule in
Abhängigkeit der Frequenz des magnetischen Wechselfeldes mit und ohne Parallelschwingkreis dargestellt.
46
Verschiebung
TransponderResonanzfrequenz
uL
Parallelschwingkreis
mit hohem Gütefaktor
Parallelschwingkreis mit
niedrigem Gütefaktor
Ohne
Parallelschwingkreis
u0
f0
f
Abbildung 2-26: Gegenüberstellung des Verlaufes der Lastspannung in Abhängigkeit der
Frequenz mit und ohne Parallelschwingkreis (f0 = Arbeitsfrequenz und
u0 = minimale Spannung zum Betrieb des Datenträgers)
Es zeigt sich, dass im Bereich der Resonanzfrequenz bei einem Parallelschwingkreis
eine deutliche Spannungsüberhöhung entsteht. Entfernt von der Resonanzfrequenz
erfährt der Schwingkreis eine erhebliche Dämpfung, so dass die Spannung stark absinkt.
Die Erhöhung der Spannung im Bereich der Resonanzfrequenz kann mit Hilfe des
Gütefaktors bewertet werden [FIN-06]:
Q=
mit:
1
(2-12)
CT
LT
1
RT ⋅
+
⋅
LT
RL
CT
Q:
Gütefaktor [-]
RT:
Widerstand des Transponder-Schwingkreises [Ω]
RL:
Lastwiderstand im Transponder [Ω]
Eine Erhöhung des Gütefaktors ist gleichzeitig mit einer Reduzierung der Bandbreite
verbunden. Die Bandbreite wird als der Betrag der Differenz der beiden Frequenzen
definiert, bei der die Spannung den
1
2
-fachen Wert des Maximums erreicht [FIN-
06]. Eine Reduzierung der Bandbreite hat eine höhere Empfindlichkeit des
47
Transponders gegenüber dem Applikationsuntergrund und der Umgebung zur Folge.
Materialien in unmittelbarer Nähe zum mobilen Datenträger können je nach ihren
elektrischen Eigenschaften die Induktivität und Kapazität des Transponders und damit seine Resonanzfrequenz verändern. Dies führt bei einem hohen Gütefaktor und
einer geringen Bandbreite dazu, dass schon bei einer geringen Verstimmung die induzierte Spannung im Transponder stark gedämpft wird und nicht mehr zur Versorgung des Datenträgers ausreicht (vgl. Abbildung 2-26).
In der Auslegung eines Transponders muss aus diesem Grund immer ein Kompromiss zwischen Lesereichweite und Umgebungsempfindlichkeit in Kauf genommen
werden. Aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung mehrerer Transponder wird in
der Praxis beispielsweise bei 13,56 MHz-Systemen die Resonanzfrequenz um bis zu
5 MHz höher gewählt, um die entstehende Schwingkreisverstimmung auszugleichen
[FIN-06]. Dies wiederum resultiert in geringeren Reichweiten bei der Einzellesung
von Transpondern.
Erfolgt die Energieübertragung nicht im Duplexverfahren − wie oben beschrieben −
sondern sequentiell, so muss zusätzlich zur Schaltung in Abbildung 2-25 ein Kondensator zur Speicherung der Energie im Transponder vorgesehen werden (vgl. Kapitel 2.5). Als Vorteil können die sequentiellen Systeme, die nur durch die Ladezeit
und Kapazität des Ladekondensators beschränkt sind, mit leistungsfähigeren Mikrochips ausgestattet werden, wodurch sie überwiegend für Systeme mit Sicherheitsfunktionen für die Einzelerfassung eines Transponders eingesetzt werden. Durch den
komplexeren und kostenintensiveren Aufbau spielen sie hingegen für die Kennzeichnung von Gütern nur eine untergeordnete Rolle, weswegen sie hier nur ergänzend
erwähnt und im Folgenden vernachlässigt werden.
2.4.2.3 Funktionsprinzip der Datenübertragung
Jedes beliebige Zeichen lässt sich mit einer Kombination aus 0 und 1 darstellen beziehungsweise codieren. Diese Art der Codierung wird im Rahmen der Elektro- und
Informationstechnik aufgrund der einfachen Abbildungsmöglichkeit durch zwei verschiedene Zustände verwendet, um Daten zu speichern und zu übertragen. Die be-
48
kanntesten Codierungsarten von Zeichen sind dabei der ASCII30- und der UNICode31.
Bei hoch- und niederfrequenten RFID-Systemen sind die Reader- und Transponderantenne über die Gegeninduktivität direkt gekoppelt. Dadurch führt eine Strom- bzw.
Spannungsänderung in einem System zu einer Rückwirkung auf das gekoppelte
System (vgl. Formel (2-11)). Dieses physikalische Prinzip ist neben der Energieauch die Grundlage für die Datenübertragung, bei der entweder Lastmodulation oder
subharmonische Verfahren zum Einsatz kommen. Bei der Lastmodulation lassen
sich zusätzlich die ohmsche und kapazitive Lastmodulation sowie die Lastmodulation
mit Hilfsträger unterscheiden.
Bei der ohmschen Lastmodulation wird ein Parallelwiderstand RMOD dem Schaltkreis
im Takt des Datenstromes zu- oder abgeschaltet, der nach Formel (2-12) zu einer
Veränderung des Gütefaktors führt, bedingt durch eine Verschiebung der Resonanzfrequenz im eigenen System. Dies bewirkt eine Änderung der Spannung an der
Transponderspule, wodurch auf Basis der Gegeninduktivität die Spannungsamplitude im gekoppelten System moduliert wird.
Auf dem identischen Prinzip beruht die kapazitive Modulation. Dabei wird ein parallel
geschalteter Kondensator zur Verschiebung der Resonanzfrequenz und Modellierung der Spannungsamplitude im gekoppelten System verwendet. Im Gegensatz zur
ohmschen Modulation erfolgt dabei neben der Amplitudenmodulation auch eine Veränderung der Phase im gekoppelten System.
Bei diesen beiden Lastmodulationsverfahren wird das Datensignal jeweils direkt auf
die Arbeitsfrequenz moduliert. Dadurch kommt es nur zu einer schwachen Veränderung der Spannung im Koppelsystem. Dies bedingt zur Detektion aufwendige Schaltungen im Reader. Das Verfahren ist hauptsächlich bei niederfrequenten Systemen
im Einsatz.
Die Datenübertragung mit Hilfe von Hilfsträgern beruht auf der ohmschen Lastmodulation. Der Lastwiderstand wird mit einer sehr hoher Taktfrequenz fh zu- und abge-
30
American Standard Code for Information Interchange (ASCII) ist eine 7 Bit Codierung, die 128 Zeichen umfasst; u.a. das gesamte lateinische Alphabet und die arabischen Zahlen.
31
Der Uni-Code ist ein internationaler Standard, der geschaffen worden ist, um die Zeichen aller bekannten Schriftkulturen abzubilden.
49
schaltet, wodurch zwei Seitenbänder im Abstand ±fh zur Resonanzfrequenz entstehen (siehe Abbildung 2-27).
Durch Modulation mit Hilfe eines Widerstands können diese zur Signalübertragung
analog zur einfachen ohmschen Lastmodulation genutzt werden. Durch die Trennung
von der Arbeitsfrequenz des Systems kann das amplitudenmodulierte Signal durch
Filterung und Verstärkung am Lesegerät leicht getrennt werden (siehe Abbildung
2-28) und ermöglicht dadurch eine einfache Demodulierung des Signals [FIN-06].
Aufgrund der höheren benötigten Kanalbreite wird dieses Verfahren im Wesentlichen
von Systemen der Frequenz 13,56 MHz verwendet.
Abbildung 2-27: Entstehende Seitenbänder bei einer Lastmodulation mit Hilfsträger [FIN-06]
50
Abbildung 2-28: Signalübertragung mittels ASK-Modulation
32
und Hilfsträger [FIN-06]
Eine weitere Möglichkeit der Datenübertragung stellen die subharmonischen Verfahren dar, bei welchen eine subharmonische Frequenz erzeugt wird, indem das
Transponderanwortsignal nur in einen Teil der Transponderantenne eingespeist wird.
Die subharmonische Frequenz leitet sich dabei in Abhängigkeit des Einspeisungspunktes in die Antenne aus einer ganzzahligen Teilung der Arbeitsfrequenz ab. Die
Modulation erfolgt dann wiederum auf Basis der Lastmodulation.
Aufgrund der benötigten Bandbreite kann das Verfahren nur bei niederfrequenten
Systemen eingesetzt werden (vgl. Abbildung 2-13). Zudem ergibt sich durch die sehr
niedrige Frequenz der Subharmonischen lediglich eine geringe Leistungsfähigkeit,
wodurch sich das Verfahren im Regelfall nicht zur Kennzeichnung von Waren eignet.
Es wird deshalb an dieser Stelle hier nur ergänzend erwähnt und technisch nicht weiter spezifiziert.
32
Die digitale Amplitudenmodulation wird auch als ASK (Amplitude-Shift Keying) bezeichnet.
51
2.4.3 Elektromagnetische Kopplung
Bei der elektromagnetischen Kopplung findet die Energie- und Datenübertragung im
Fernfeld des elektromagnetischen Wechselfeldes statt. Das Funktionsprinzip beruht
auf der Reflexion elektromagnetischer Wellen.
2.4.3.1 Entstehung einer elektromagnetischen Welle
Wie bereits in der Einführung in Kap 2.4 beschrieben, bildet sich durch ein magnetisches Wechselfeld auch ein elektrisches Feld aus, dass sich ab der Nah- / Fernfeldgrenze als elektromagnetische Welle durch den Raum bewegt.
Im Folgenden wird die Entstehung einer elektromagnetischen Welle am Beispiel einer Dipolantenne33 erläutert.
Durch die Speisung einer Dipolantenne mit Wechselstrom werden die Enden des
Dipols oszillierend geladen, wodurch auf Basis des Induktionsgesetzes ein aufeinander senkrecht stehendes magnetisches und elektrisches Feld entsteht (vgl.
Abbildung 2-29).
Abbildung 2-29: Aufladung einer elektrischen Dipolantenne bei Speisung mit Wechselstrom
(mit Umlaufdauer T) [TIP-94]
Durch die oszillierende Verschiebung der Ladungen im Dipol können die elektrischen
Feldlinien nach einer festen Zeiteinheit entsprechend Abbildung 2-30 nicht mehr auf
33
Ein elektrischer Dipol bezeichnet eine Anordnung zweier betragsmäßig gleicher Punktladungen
entgegengesetzter Polarität (Q,+Q) im Abstand d [DYC-07]. Eine Dipolantenne ist darauf aufbauend eine Antennenanordnung mit zwei gleichen, elektrisch leitenden Teilen.
52
dem Dipol enden, sondern schließen sich selbst und werden durch die entstehenden
Wirbel mit umgekehrtem Richtungssinn von der Antenne weg durch den Raum gedrängt, wodurch die elektromagnetische Welle entsteht.
Abbildung 2-30: Entstehung einer elektromagnetischen Welle am Beispiel einer Dipolantenne
[TIP-94]
2.4.3.2 Energieübertragung zwischen Reader und mobilen Datenträger
Physikalisch werden elektromagnetische Wellen im Raum vollständig durch die
Maxwellschen Gleichungen beschrieben:
53
ρ
ε
(1)
∇⋅E =
(2)
∇⋅B = 0
(3)
∇× E = −
(4)
∇ × B = µ ⋅ J + µ ⋅ε
mit:
∂B
∂t
(2-13)
∂E
∂t
E:
Elektrisches Feld [V/m]
ρ:
Raumladungsdichte [As/m³]
J:
Stromdichte in leitenden Materialien [A/m²]
Aufgrund der Komplexität der Maxwellschen Gleichungen werden die Eigenschaften
eines elektromagnetischen Feldes im Folgenden auf Basis einer für das Verständnis
ausreichenden reinen Energiebetrachtung einer stationären Welle im verlustfreien
Medium erläutert. Für detailliertere Betrachtungen sei auf [KRK-06, LEH-06 und
MEI-92] verwiesen.
Mit einer elektromagnetischen Welle ist ein in Ausbreitungsrichtung wandernder Leistungsfluss verbunden. Dieser wird ausgedrückt durch den Poynting-Vektor S, der
senkrecht auf den elektrischen und magnetischen Komponenten steht, und dessen
Betrag die Strahlungsdichte darstellt:
S = E×H
mit
(2-14)
S:
Strahlungsdichte [W/m²]
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit c, mit der sich die Welle im Raum bewegt ist definiert durch
c=
1
.
µ ⋅ε
mit:
(2-15)
c:
Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle [m/s]
Im Vakuum und annähernd in Luft ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit somit gleich
der Lichtgeschwindigkeit.
Das elektrische und magnetische Feld ist im Vakuum gleichphasig (vgl. Abbildung
2-31). Das Verhältnis der beiden Feldstärken wird durch den Feldwellenwiderstand
ZF bestimmt und ergibt sich auf Basis der Formel (2-16) im freien Raum zu 377 Ohm.
ZF =
mit:
54
E
=
H
µ0
ε0
ZF:
(2-16)
Feldwellenwiderstand [Ω]
Abbildung 2-31: Elektromagnetische Welle [TIP-94]
Die abgestrahlte elektromagnetische Leistung einer beliebigen, geschlossenen Fläche wird durch die Strahlungsdichte integriert über die Fläche ausgedrückt:
r r
PA = ∫∫ S dA
(2-17)
A
mit:
PA:
Abgestrahlte Leistung [W]
Betrachtet man in einem ersten Schritt die Sendeantenne als verlustfreien isotropen
Strahler, der die zugeführte Leistung gleichmäßig kugelförmig in den Raum abstrahlt,
so muss die abgestrahlte Leistung P durch die Oberfläche A = 4πx² abgestrahlt werden. Dadurch ergibt sich die Strahlungsdichte S in einer Entfernung x zur Quelle zu
S=
mit:
PA
4 ⋅ π ⋅ x²
(2-18)
x:
Entfernung zur Strahlungsquelle [m]
Für die elektrische Feldstärke in einer Entfernung x gilt unter zu Hilfenahme der Formeln (2-14) bis (2-18):
E = S ⋅ ZF =
PA ⋅ Z F
4 ⋅ π ⋅ x²
(2-19)
Die magnetische Feldstärke in der Entfernung x lässt sich auf Basis der obigen Formeln analog berechnen.
Die elektrische Feldstärke nimmt also im Fernfeld proportional zu 1/x ab, während
der Verlauf im Nahfeld der Beziehung 1/x³ folgt (vgl. Formel (2-3)). Im Fernfeld tritt
somit eine Abflachung des Dämpfungsverlaufs ein.
Wird nun statt eines isotropen Strahlers eine Dipolantenne verwendet, erfolgt die Abstrahlung nicht mehr gleichmäßig in alle Raumrichtungen, sondern gerichtet. Um
Formel (2-17) zu erfüllen, muss daher die Strahlungsdichte in Vorzugsrichtung größer sein als bei einem isotropen Strahler. Zur Beschreibung der Strahlungsdichte S
55
in Abhängigkeit der Richtung wird der Richtvektor G(Θ) eingeführt, der die relative
Strahlungsdichte in Richtung des Vektors anzeigt und bei verlustfreien Antennen den
Antennengewinn der Sendeleistung im Vergleich zu einem Isotropenstrahler darstellt
(siehe Abbildung 2-32)34.
A
Abbildung 2-32: Strahlungsdiagramm einer Dipolantenne im Vergleich zu einem isotropen
Strahler [FIN-06]
Der Antennengewinn in Hauptstrahlrichtung GA für verschiedene Antennenbauformen ist in Tabelle 2-3 dargestellt.
Tabelle 2-3: Gewinn in Hauptstrahlrichtung bei verschiedenen Antennenformen (in Anlehnung
an [FIN-06])
Gewinn GA
Isotropenstrahler
1
Dipolantenne
1,64
Patchantenne
~3
34
Die Annäherung einer verlustfreien Antenne ist in den meisten Fällen der Praxis zulässig
56
Die abgestrahlte Leistung ergibt in der Hauptstrahlrichtung aus dem Produkt zwischen eingespeister Leistung und Antennengewinn und wird auch als PEIRP (Equivalent Isotropic Radiated Power) bezeichnet35.
PA = PEIRP = PE ⋅ G A
mit:
(2-20)
PE:
Eingespeiste Leistung [W]
GA :
Antennengewinn in Hauptstrahlrichtung [-]
Wird eine Empfangsantenne in das elektromagnetische Feld eingebracht, so wirkt
auf Basis des Gesetzes von Coulomb eine Kraft auf die Elektronen in der Antenne
(vgl. Abbildung 2-31). Die dadurch verursachte Bewegung der Elektronen resultiert
aufgrund der Ladungstrennung in einer Spannung in der Antenne. Durch das oszillierende elektromagnetische Feld wird also eine Wechselspannung in der Empfangsantenne induziert.
Die maximal entnehmbare Leistung einer Empfangsantenne bei optimaler Orientierung ist dabei proportional zur Leistungsdichte der einfallenden Wellen. Der Proportionalitätsfaktor hat die Dimension einer Fläche und wird als wirksame Fläche oder
effektive Antennenfläche bezeichnet.
PT = S ⋅ Ae =
mit:
PA ⋅ Ae
4 ⋅ π ⋅ x²
PT:
Empfangsleistung [W]
Ae:
Wirksame Fläche [m²]
(2-21)
Die effektive Antennenfläche Ae muss nicht der geometrischen Fläche A entsprechen. Insbesondere im Falle von Drahtantennen sind die beiden Größen unterschiedlich (vgl. Abbildung 2-33). Das Verhältnis aus den beiden Größen bezeichnet
man als Apertureffizienz ηa, so dass gilt [KAE-05]:
Ae = η a ⋅ Ag
mit:
35
(2-22)
Ag:
Geometrische Fläche der Antenne [m²]
Neben EIRP ist im Rahmen von Funkvorschriften die effektive Strahlungsleistung ERP (effective
radiated power, auch equivalent radiated power) von Bedeutung. Sie gibt die effektive Strahlungsleistung in Watt (W) an, die im Vergleich zu einer Dipolantenne abgestrahlt wird.
57
Abbildung 2-33: Prinzipielle (a) und tatsächliche Gestalt (b) der wirksamen Fläche für elektrisch
kurze Dipole mit Höhe h [MEI-92]
Aus den obigen Formeln ergibt sich, dass die Lage der Empfangsantenne zur elektromagnetischen Welle einen hohen Einfluss auf die aufzunehmende Leistung hat.
Die Richtung des elektrischen Feldes der ausgestrahlten elektromagnetischen Welle
wird dabei über die Polarisation der Antenne bestimmt. Unterschieden werden die
lineare und zirkulare Polarisation. Bei der linearen Polarisation ist die Richtung der
elektromagnetischen Feldstärken konstant, bei der zirkularen Polarisation hingegen
rotiert der Feldstärkenvektor senkrecht zur Ausbreitungsrichtung. Am Beispiel von
Dipolantennen sind die Polarisationsformen in Abbildung 2-34 dargestellt.
Abbildung 2-34: Lineare − a) und b) − und zirkulare Polarisation am Beispiel eines
Dipols [FIN-06]
58
Ist die Sendeantenne linear polarisiert, so kann die optimale Leistung nur aufgenommen und eine hohe Spannung induziert werden, wenn die Polarisation der beiden Antennen identisch ist. Falls die Polarisationen um 90° oder 270° gedreht sind,
ergibt sich ein Minimum in der Leistungsaufnahme, was zu einem Polarisationsverlust von ca. 20 dB führt. Das heißt, dass nur noch etwa 1/100 der Leistung aufgenommen werden kann. Liegt die Antenne waagrecht rechtwinklig zur Sendeantenne,
so kann keine Lesung erfolgen (vgl. Abbildung 2-35).
Polarisation
der Antenne
UHFRadiowelle
UHF-Etikett
waagerecht,
parallel zur Antenne:
optimale Lesung
UHF-Etikett
senkrecht, rechtwinklig zur Antenne:
suboptimale Lesung
UHF-Etikett
senkrecht,
parallel zur Antenne:
suboptimale Lesung
UHF-Etikett
waagrecht, rechtwinklig zur Antenne:
keine Lesung
Abbildung 2-35: Auswirkung der Antennenpolarisation auf die Lesbarkeit [KLE-04]
Da bei RFID-Anwedungen die Lage der Sende- und Empfangsantenne zueinander in
der Regel unbestimmt ist, kommen hauptsächlich zirkular polarisierte Sendeantennen zum Einsatz, wodurch eine zuverlässige Lesbarkeit erreicht werden kann. Im
Vergleich zu linear polarisierten Sendeantennen ist unabhängig von der Polarisation
der Empfangsantenne mit einem Verlust von etwa 3 dB zu rechnen [FIN-06].
Neben der Polarisation beeinflusst die Fläche der Empfangsantenne, gekoppelt mit
der geometrische Ausgestaltung und dem damit verbundenen Antennengewinn, in
hohem Maße die vom Transponder aufnehmbare Leistung.
Durch Einsetzen der Formel (2-21) in Formel (2-20) ergibt sich für die maximale verfügbare Wirkleistung am Transponder, falls Transponder- und Sendeantenne bezüglich ihrer Richtcharakteristik und Polarisation optimal ausgerichtet sind, folgende
Beziehung:
59
PW =
PE ⋅ G A ⋅ λ2 ⋅ GT
16 ⋅ π 2 ⋅ x 2
mit:
(2-23)
PW:
Wirkleistung am Transponder [W]
GT:
Gewinn der Transponderantenne [-]
Diese Gleichung wird auch als Friissche Transmissionsgleichung bezeichnet. Der
Faktor (
λ
) 2 , der die Dämpfung im Vakuum – und annähernd auch in Luft – wi4 ⋅π ⋅ x
derspiegelt, stellt die Freiraumdämpfung dar. Zur Übertragung auf andere Medien
zwischen Transponder- und Sendeantenne muss die Gleichung zusätzlich mit einem
Dämpfungsterm e −2αx ergänzt werden. Der Absorptionskoeffizient α hängt dabei von
der Permeabilität und der Permittivität der zu durchdringenden Materie ab und ist
frequenzabhängig.
Setzt man für die Leistungsaufnahme eines modernen Transpondermikrochips einen
Wert von 5 µW [FRI-01] und einen Wirkungsgrad der Schaltungen von 10 % voraus,
so ergibt sich auf Basis der Formel (2-24) bei einer Sendeleistung von 2 W und einer
maximalen Leistungsaufnahme unter Verwendung eines Dipols als Empfangsantenne folgende maximale theoretische Lesereichweite bei passiven Systemen:
xmax =
PA ⋅ λ2 ⋅ GT
≈ 7m
PW ⋅16 ⋅ π 2
(2-24)
Aufgrund der leichten Dämpfung in der Atmosphäre und der Reflexion eines Teils der
elektromagnetischen Strahlung fällt die maximal erreichbare Lesereichweite bei
RFID-Systemen in der Praxis etwas geringer aus. Die atmosphärische Dämpfung
steigt mit der Frequenz, so dass die Reichweite von SHF-Systemen im Vergleich zu
UHF-Systemen niedriger ist (vgl. Abbildung 2-36).
60
Abbildung 2-36: Dämpfung in der Atmosphäre als Funktion über die Frequenz [CUR-87]
2.4.3.3 Funktionsprinzip der Datenübertragung
Aus der Radar-Technik36 ist bekannt, dass elektromagnetische Wellen von Objekten
im Raum reflektiert werden [FIN-06]. Die an einem Objekt ankommende Feldenergie
wird somit abhängig von den Materialeigenschaften des Objektes anteilsmäßig zurück gespiegelt, im Objekt absorbiert oder transmittiert das Objekt.
Der Anteil der reflektierten Energie hängt von den Reflexionseigenschaften des Objekts ab und wird insbesondere von
•
der Geometrie,
•
den Materialeigenschaften und
•
der Oberflächenstruktur
sowie von
36
•
der Sendefrequenz und
•
der Polarisation der elektromagnetischen Welle
Die Abkürzung RADAR bedeutete ursprünglich Radio Aircraft Detection and Ranging. Aufgrund der
vielfältigen Einsatzgebiete steht heute RADAR allgemein für Radio Detection and Ranging
[HUD-99].
61
bestimmt [HUD-99].
Die Reflexion an Objekten steigt dabei mit der Höhe der Frequenz und ist stark abhängig von den Abmessungen des Objektes im Verhältnis zur Wellenlänge und dem
Material. Insbesondere metallische Objekte weisen eine sehr hohe Reflexion auf.
Bei RFID-Systemen wird das Prinzip der Reflexion elektromagnetischer Wellen zur
Datenübertragung genutzt, indem die Reflexionseigenschaft der Transponderantenne datenabhängig verändert wird. Das Verfahren wird als BackscatterVerfahren oder modulierter Rückstrahlquerschnitt bezeichnet.
Die von der Transponderantenne reflektierte Leistung ist proportional zur Strahlungsdichte. Die Proportionalitätskonstante wird als Rückstrahlquerschnitt σ37 bezeichnet und hat die Dimension m². Die reflektierte beziehungsweise rückgestrahlte
Leistung ergibt sich auf Basis der Formel (2-17) zu
PB = S ⋅ σ .
mit:
(2-25)
PB:
Rückgestrahlte Leistung [W]
σ:
Rückstrahlquerschnitt [m²]
Zur Bestimmung der reflektierten Leistung und Erläuterung der Datenübertragung
müssen zunächst die Transponderantenne und die Schaltungen des Transponders
näher betrachtet werden.
Eine Antenne wird maßgeblich durch ihre Eingangsimpedanz38 ZA bestimmt, die sich
aus drei Widerständen zusammensetzt. Der Strahlungswiderstand Rr spiegelt den
ungenutzt reflektierten Anteil der Leistung wider und beträgt beispielsweise bei einem typischen λ/2-Dipol 73 Ω [FIN-06]. Der Verlustwiderstand Rv berücksichtigt die
an der Antenne und ihren Leitungen in Wärme umgewandelte Leistung. Der komplexe Widerstand XA kalkuliert die Frequenzabhängigkeit mit ein. Er wird auf der Resonanzfrequenz der Antenne zu Null.
37
Der Rückstreuquerschnitt wird synonym auch als Radarquerschnitt, Rückstreufläche oder Rückstrahlfläche bezeichnet.
38
Impedanz (Scheinwiderstand) ist ein elektrischer Widerstand, der das Verhältnis der Amplituden
beziehungsweise Effektivwerte von Strom und Spannung eines Zweipols bei Wechselstrom kennzeichnet. Zwischen Strom und Spannung besteht eine Phasenverschiebung, die durch induktive und
kapazitive Komponenten des Zweipols entsteht. Diese bewirken, dass der Wechselstromwiderstand
in der Regel frequenzabhängig ist [MEY-07]
62
Dies hat zur Konsequenz, dass sowohl der Anteil der reflektierten Leistung als auch
die aufgenommene Leistung stark von der Abstimmung der Antenne auf die Sendefrequenz abhängt (vgl. Kapitel 2.4.3.2). Der Mikrochip und die Schaltungen des
Transponders können durch einen Wirkwiderstand RT und einen komplexen Widerstand XT beschrieben werden.
Dadurch ergibt sich das Ersatzschaltbild eines Transponders entsprechend der
Abbildung 2-37.
Abbildung 2-37: Ersatzschaltbild eines Transponders und dessen Antenne [FIN-06]
Die reflektierte Leistung, die der Strahlungswiderstand Rr repräsentiert, lässt sich auf
Basis des Ersatzschaltbildes wie folgt berechnen:
2
Uo
⋅ Rr
( Rr + Rv + RT ) 2 + ( X A + X T ) 2
PB = I ⋅ Rr =
2
T
mit:
IT:
Stromfluss im Transponder [A]
Rr:
Strahlungswiderstand [Ω]
U0:
Induzierte Spannung [V]
Rv:
Antennenverlustwiderstand [Ω]
RT:
Transponderwirkwiderstand [Ω]
XA:
Komplexer Antennenwiderstand [Ω]
XT:
Komplexer Transponderwiderstand [Ω]
(2-26)
Die induzierte Spannung kann nach [FIN-06] für eine Antenne, die in Leistungsanpassung (RT = Rr) betrieben wird, über die Wellenlänge durch die Gleichung
U0 = λ ⋅
GT ⋅ Rr ⋅ S
π
(2-27)
ausgedrückt werden.
63
Durch Verknüpfung der Formeln (2-26) bis (2-28) ergibt sich für den Rückstrahlquerschnitt σ der folgende Zusammenhang:
σ=
Rr ⋅ λ2 ⋅ GT
π ⋅ (2 ⋅ Rr + RT ) 2 + ( X A + X T ) 2
(2-28)
Die Formel (2-27) und (2-28) zeigen die Abhängigkeit der zurückgestrahlten Leistung
beziehungsweise des Rückstrahlquerschnitts von der Impedanz ZT (= RT + XT) des
Transponders.
Durch die datenabhängige Zuschaltung einer Modulierungs-Impedanz Zmod kann s
auf Basis der Änderung der Transponderimpedanz das Rückstrahlverhalten der
Transponderantenne beeinflusst werden. Die Veränderung des Rückstrahlquerschnitts verursacht eine Modifikation der reflektierten Leistung, die am Lesegerät detektiert werden kann. Die Impedanzveränderung kann durch einen zusätzlichen
Widerstand oder einer Kapazität erfolgen, analog den induktiven Systemen. Durch
die Umtastung des imaginären Anteils der Transponderimpedanz wird zusätzlich
auch die Phase verändert, so dass die Modulation der Daten über den Betrag der
reflektierten Leistung und dessen Phase erfolgt (siehe Abbildung 2-38) [FIN-06].
Abbildung 2-38: Datenübertragung durch Modulierung des Rückstrahlquerschnitt bei elektromagnetisch gekoppelten Systemen [FIN-06]
Der Rückstrahlquerschnitt kann theoretisch Werte zwischen zwei Grenzfällen annehmen. Eine sehr hohe Modulierungsimpedanz bewirkt, dass die Transponderimpedanz gegen ∞ strebt und somit der Rückstrahlquerschnitt gegen Null läuft. Der
zweite Extremfall ist der Kurzschluss des Transponders, so dass ZT gegen Null strebt
und der Rückstrahlquerschnitt mit XA = XT = 0 den Maximalwert annimmt.
64
Die zurückgestrahlte Leistung erzeugt in der Readerantenne auf Basis der dargelegten Grundlagen in Kapitel 2.4.3.2 eine Spannung, durch deren Auswertung die Daten
im Lesegerät zurückcodiert werden können.
Bei elektromagnetisch gekoppelten Systemen kommen generell Duplexverfahren
zum Einsatz, eine Ausnahme bilden die Oberflächenwellensysteme, die später im
Abschnitt erläutert werden. Durch die zur Datenübertragung notwendige stetige
Energieübertragung muss daher die Datenübertragung auf einem Seitenband erfolgen, analog den Duplexverfahren bei induktiv gekoppelten Systemen.
Neben der oben geschilderten Datenübertragung, die im Regelfall bei passiven UHFSystemen und bei aktiven UHF- und SHF-Systemen zum Einsatz kommt, existieren
darüber hinaus RFID-Systeme, die mit Hilfe von Oberflächenwellen arbeiten. Diese
werden überwiegend im passiven SHF-Frequenzbereich eingesetzt.
Das grundlegende Funktionsprinzip dieser Systeme ist die Entstehung von akustischen Oberflächenwellen39 durch eine Spannung an den Elektroden eines PiezoKristalls. Die gespeicherte Information wird bei dieser Art von RFID-Systemen auf
dem mobilen Datenträger mit einem piezoelektrischen Substrat mittels planarer
Elektrodenstrukturen realisierten Reflektoren [KOL-00] codiert. Der Aufbau eines
Oberflächentransponders ist schematisch in Abbildung 2-39 dargestellt.
RadioRadioRadiowellen
wellen
wellen
Transponderantenne
InterdigitalInterdigitalInterdigitalwandler
wandler
wandler
Reflektierte
Reflektierte
Reflektierte
OberflächenOberflächenOberflächen-wellen
wellen
wellen
Abbildung 2-39: Aufbau eines Oberflächenwellentransponders [RFS-08]
Die an der Transponderantenne analog zu den Duplex-Systemen induzierte Spannung erzeugt am Interdigitalwandler40 auf Basis des piezoelektrischen Effekts eine
Oberflächenwelle, die sich entlang des Substrats ausbreitet. Die Oberflächenwelle
39
Wird im Englischen auch als surface accoustic wave (SAW) bezeichnet.
40
Der Interdigitalwandler wandelt die Radiowellen in Oberflächenwellen um und umgekehrt.
65
wird an den einzelnen Reflektoren zu einem geringen Anteil reflektiert und läuft zum
Interdigitalwandler zurück. Dort verursacht die reflektierte Oberflächenwelle einen
elektrischen Impuls, der mittels einer Antenne abgestrahlt wird. Der zeitliche Abstand
zwischen den einzelnen Impulsen ist proportional zu den räumlichen Abständen der
Reflektoren auf dem Substrat, so dass durch deren räumliche Anordnung eine binäre
Ziffernfolge codiert werden kann [KOL-00]. Am Ende des Substrats wird der ankommende Anteil der Oberflächenwelle absorbiert.
Die Ausbreitungsgeschwindigkeit liegt bei gebräuchlichen Substraten zwischen 3000
und 4000 m/s [FIN-06] und damit deutlich unter der Lichtgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle. Dies hat zur Konsequenz, dass der erste Impuls erst nach
einer Totzeit größer einer Millisekunde bei der Readerantenne ankommt. Dadurch
sind Störungen und Reflexionen aus der Umgebung bereits abgeklungen [DZI-97].
Die Datenübertragung erfolgt somit sequentiell zur Energieübertragung.
Bei diesen Systemen besteht darüber hinaus die Möglichkeit neben der Speicherung
von Daten den Transponder gleichzeitig als Sensor zu nutzen. Da sich Oberflächenwellen in Abhängigkeit von Druck und Temperatur mit unterschiedlicher Geschwindigkeit ausbreiten, kann durch Abgleich des tatsächlichen Zeitbedarfs bis zur
Widerankunft der reflektieren Oberflächenwellen am Interdigitalwandler mit Referenzwerten eine Veränderung dieser Parameter gemessen werden.
Die Datenspeicherung hingegen ist bei Oberflächenwellen stark begrenzt und kann
durch die direkte Kodierung auf dem Substrat nicht verändert werden. Es handelt
sich hierbei also stets um Read-Only Systeme.
2.5
Eigenschaften von RFID-Systemen
Aufbauend auf die physikalischen Funktionsprinzipien werden im Folgenden die Eigenschaften von RFID-Systemen in Abhängigkeit der Arbeitsfrequenz zusammengefasst.
2.5.1 Feldcharakteristik
Die physikalischen Funktionsprinzipien bedingen grundsätzlich unterschiedliche
Feldcharakteristiken. Während bei Nahfeld-gekoppelten aufgrund der direkten Kopplung ein definiertes Lesefeld um die Sendeantenne entsteht, wird bei Fernfeldsystemen das elektromagnetische Feld durch Leselöcher zerklüftet. Diese entstehen
durch Reflexion von elektromagnetischen Wellen an Gegenständen im Raum, die
66
größer als die Wellenlänge sind (vgl. Rückstrahlquerschnitt im Kap 2.4.3.3). Die reflektierten Wellen überlagern sich und interferieren untereinander sowie mit den abgestrahlten Wellen. Je nach Phasenlage der überlagerten Wellen kommt es zu
lokaler Dämpfung, bis zur Auslöschung bei gegenphasiger Überlagerung oder zur
Verstärkung
bei
gleichphasiger
Überlagerung.
Das
Lesefeld
von
Fernfeld-
gekoppelten Systemen ist dadurch durch Leselöcher im theoretischen Lesebereich
und Lesefelder außerhalb dieser Lesezone gekennzeichnet.
In Abbildung 2-40 wird die theoretische Feldcharakteristik eines HF- mit einem UHFSystem verglichen, während in Abbildung 2-41 beispielhaft die Auswirkung von Reflexionen am Beispiel der Bodenreflexion auf ein UHF-RFID-System dargestellt ist.
Abbildung 2-40: Vergleich der Feldcharakteristik von HF- und UHF-Systemen [WAL-05]
67
A
B
Abbildung 2-41: Elektromagnetisches Feld ohne (A) und mit Einfluss (B) der Bodenreflexion
bei UHF-Systemen [WAL-05]
Die Umgebungsabhängigkeit des Lesefeldes bei elektromagnetisch gekoppelten
Systemen bedingt, dass der tatsächliche Lesebereich nur für eine definierte konstante Situation berechen- und vorhersagbar ist. Dies führt in der Praxis oft zu einer aufwendigeren Pilot- und Implementierungsphase bei UHF-Systemen, um das Lesefeld
auf die Umgebung und die gekennzeichneten Materialien anzupassen.
2.5.2 Reichweite
Die Reichweite von RFID-Systemen ist geprägt durch das physikalische Kopplungsprinzip. Induktiv gekoppelte Systeme arbeiten im Nahfeld der Antenne, so dass sich
bei passiven Systemen Reichweiten bis zu 1,7 m im HF-Bereich realisieren lassen.
Bedingt durch ihre niedrige Frequenz und die damit verbundene geringe Leistungsfähigkeit werden LF-Systeme überwiegend im close-coupling Bereich eingesetzt, deren Reichweite im Normalfall unter 0,2 m beträgt. Durch eine entsprechend große
Gestaltung der Transponder (vgl. Formel (2-7)) können aber auch Reichweiten ver-
68
gleichbar mit HF-Systemen realisiert werden. Aufgrund der niedrigen Datenrate und
der mangelnden Pulkfähigkeit gibt es hierfür kaum Anwendungsfälle in der Praxis.
Auf Basis der Formel (2-25) lassen sich bei den Fernfeld-gekoppelten passiven UHFSystemen theoretisch bis circa 7 Meter Reichweite realisieren. Bedingt durch die atmosphärische Dämpfung und die Reflexion eines Teils der ankommenden Leistung
sind in der Praxis Reichweiten von bis zu 5 m zu verwirklichen. Bei passiven SHFSystemen sinkt die zu erwartende Reichweite aufgrund der höheren Dämpfung in
Luft entsprechend Abbildung 2-36 auf 3 bis 4 m.
Bei aktiven Systemen müssen die Transponder nur aktiviert und nicht mit Energie
versorgt werden, weswegen sich dort deutlich höhere Reichweiten erzielen lassen.
Bei UHF-Systemen können im Idealfall bis zu 100 m erreicht werden. SHF-Systeme
bieten im freien Feld teilweise Reichweiten bis zu 300 m.
Die tatsächliche Lesereichweite, insbesondere von passiven RFID-Systemen, hängt
sehr stark von der Antennengröße, der Umgebung, dem Applikationsuntergrund und
der Lage des Transponders zum Lesegerät - speziell bei induktiven Systemen – ab.
Aus diesem Grund können Reichweiten nur abschätzend angegeben werden und
stellen nur grobe Richtwerte für tatsächlich in einer Anwendung erzielbare Reichweiten dar.
Eine direkte Übertragung von theoretischen und im Labor gemessenen Werten auf in
der Praxis zu erwartende Reichweiten ist dadurch nur bedingt beziehungsweise nur
durch aufwändige Testszenarien möglich.
Zusammenfassend hängt die Reichweite eines RFID-Systems in Anlehnung an
[LAM-05] von folgenden Faktoren ab:
•
Sendefrequenz des Lesegerätes
•
Energieverbrauch des Transponders
•
Qualität und Wirkungsgrad der Verbindung zwischen Mikrochip und
Antenne des mobilen Datenspeichers
•
Größe, Form und Qualität der Transponderantenne
•
Orientierung der Antenne des Tags zur Sendeantenne
•
Design der Transponderantenne
•
Empfindlichkeit des Lesegerätes
•
Sendeleistung des Lesegerätes
•
Umgebungsbedingungen
69
•
Applikationsuntergrund des Transponders bzw. die Abstimmung des
Transponders auf den Applikationsuntergrund
•
Anfälligkeit gegenüber anderen Funk-Signalquellen
2.5.3 Baugröße
Die Baugröße von Transpondern wird neben der Energieversorgung hauptsächlich
von der Antenne bestimmt, die auf die jeweilige Frequenz abgestimmt sein muss. Die
Länge einer Dipolantenne muss beispielsweise mindestens ¼ der Wellenlänge aufweisen, um einen Schwingungsbauch aufnehmen zu können.
Aus diesem Grund besteht bei elektromagnetisch gekoppelte Systeme bezogen auf
die Reichweite ein direkter Zusammenhang zwischen der Transpondergröße und der
Frequenz.
Bei induktiv gekoppelten Systemen ist frequenzunabhängig die Fläche der
Transponderantenne für die erzielbare Lesereichweite verantwortlich. Darüber hinaus kann durch die Anzahl der Windungen oder durch die Permeabilität die
Transpondergröße dieser Systeme beeinflusst werden. Speziell im LF-Bereich existieren im Bereich bei Glasröhrchentranspondern sehr kompakte Bauformen, die sich
durch sehr kleine Windungen und einem zusätzlichen Eisenkern realisieren lassen.
Dies sind Systeme, die durch geringe Reichweiten von wenigen Zentimetern gekennzeichnet sind.
Generell lassen sich elektromagnetisch gekoppelte Systeme durch die einfachere
Antennenform in verschiedensten Bauformen realisieren, während bei induktiv gekoppelten Systemen immer eine Spule- oder Leiterschleife notwendig ist.
2.5.4 Datenübertragungsrate
Die Datenübertragung erfolgt bei RFID-Systemen im Regelfall über eine Modulation
des Trägersignals oder einem frequenznahen Hilfsträger. Aus diesem Grund ergibt
sich ein direkter Zusammenhang zwischen der Frequenz und der Datenübertragungsrate. Je höher die Frequenz, desto höher auch der mögliche Informationstransfer pro Sekunde. Bei HF-Systemen können nach [JAN-04] und [LAM-05] bis zu
100 kBit/s übertragen werden, während sich nach [EPC-05] bei UHF-Systemen theoretisch bis zu 640 kBit/s realisieren lassen. Aufgrund des Bandbreitenbedarfs und der
Anzahl der Datencodierungsmöglichkeiten sind bei UHF-Systemen in der Praxis aber
70
effektive Datenraten zu erreichen, die um einen Faktor 2, 4 oder 8 niedriger liegen
[EPC-05]. Dies ist bei HF-Systemen in der Praxis in ähnlicher Form zu erwarten.
2.5.5 Pulkfähigkeit
Eine wesentliche Eigenschaft von RFID-Systemen ist das nahezu gleichzeitige Auslesen von mehreren Transpondern im Ansprechfeld. Dabei werden die Transponder
nicht parallel, sondern sequentiell hintereinander unter Zuhilfenahme von Vielfachzugriffsverfahren einzeln angesprochen.
In der Funktechnik sind dabei Raummultiplex (SDMA), Zeitmultiplex (TDMA), Frequenzmultiplex (FDMA) und Codemultiplex (CDMA) als Vielfachzugriffsverfahren bekannt. Aufgrund der beschränkten Leistungsfähigkeit von RFID-Transpondern und
der Forderung nach günstiger Herstellung kommen bei RFID-Systemen hauptsächlich TDMA und seltener FDMA (bzw. eine Kombination aus beiden Varianten) zum
Einsatz. Die technische Realisierung eines solchen Vielfachzugriffsverfahrens wird
als Antikollisionsverfahren bezeichnet, wobei sich zwei Klassen unterscheiden lassen: deterministische und probabilistische Verfahren [SWE-02].
2.5.5.1 Deterministische Verfahren
Bei den deterministischen Verfahren sucht das Lesegerät alle Transponder im Lesebereich an Hand ihrer eindeutigen Seriennummer. Der Baumtraversierungsalgorithmus (Binary-Tree-Verfahren) ist hierbei das meist eingesetzte Verfahren.
Dabei wird der Binärbaum aller möglichen dual codierten Seriennummern systematisch durchlaufen. Bei jedem Anfrageschritt werden alle Transponder aufgefordert zu
antworten, deren Seriennummer mit einer bestimmten Kombination von Nullen und
Einsen beginnt. Antworten mehrere Transponder, wird eine weitere Stelle festgelegt.
Dieser Schritt wird solange wiederholt, bis nur noch ein Transponder antwortet (vgl.
Abbildung 2-42) und dieser gezielt angesprochen werden kann. Der deterministische
Antikollisionsalgorithmus stellt somit sicher, dass nach einer gewissen Zeit alle
Transponder im Bereich des Lesegerätes erkannt werden. Jedoch benötigt der
Baumtraversierungsalgorithmus eine hohe Datenübertragungsrate, um in kurzer Zeit
eine möglichst hohe Erkennungsrate zu gewährleisten [FIN-06, LAM-05].
71
Algorithmusbeginn:
10xxxxxxxxx
mehrere Transponder antworten
Weitere Ziffer wird festgelegt:
101xxxxxxxx
mehrere Transponder antworten
10100011101
nur ein Transponder antwortet
……..
Weitere Ziffer wird festgelegt:
Abbildung 2-42: Funktionsweise des Binary-Tree-Verfahrens
2.5.5.2 Probabilistische Verfahren
Bei den probabilistischen Verfahren antworten die Transponder zu einem beliebigen
Zeitpunkt. Hier wird meist eine Variante des ALOHA-Algorithmus angewandt, bei
dem das Lesegerät den Transpondern ein Zeitfenster zum Senden bereitstellt. Beim
Framed-Slotted-ALOHA-Algorithmus ist dieses Zeitfenster in eine bestimmte Anzahl
von Zeitslots eingeteilt, aus denen jeder Transponder zufällig einen für seine Antwort
auswählt. Falls mehrere Transponder im gleichen Zeitslot senden, kommt es zur Kollision. Dies kann nicht verhindert werden, da die Transponder nicht wissen, ob weiterere Transponder gleichzeitig Signale übermitteln. Kommt es in allen Zeitslots zu
Kollisionen und kann somit kein Datenträger direkt erkannt werden, wird die Anzahl
der Slots kontinuierlich erhöht. Erfolgreich erkannte Transponder werden für die folgenden Runden stumm geschaltet, damit sich die Anzahl der Kollisionen verringert.
Bei der Wahl der Slotanzahl und der Länge der Zeitfenster muss die erwartete Anzahl der Transponder mit einbezogen werden, da bei zu kleinem Zeitfenster die notwendigen Anfragerunden zur Erkennung aller Transponder stark ansteigt und bei zu
großem Zeitfenster die Systemleistungsfähigkeit durch lange Antwortwartezeiten
stark reduziert wird. Bei probabilistischen Antikollisionsalgorithmen ist nicht gewährleistet, dass alle Transponder nach einer festen Zeit erkannt werden. [FIN-06], [LAM05]
Um generell eine gute Pulklesefähigkeit zu gewährleisten, ist unabhängig vom Verfahren eine hohe Datenübertragungsrate notwendig. Bei HF-Systemen können nach
[JAN-04] theoretisch bis zu 100 Transpondern pro Sekunde gelesen werden, während der theoretische Wert bei UHF-Systemen bei 500 Transponder pro Sekunde
liegt. In Abhängigkeit der Readereinstellungen, beispielsweise der Zeitslots beim
ALOHA-Verfahren, und der Anzahl der stochastischen Kollisionen sowie der Leselö-
72
cher bei elektromagnetisch gekoppelten Systemen sind in der Praxis Werte zu erwarten, die ungefähr bei 1/10 der theoretischen Erwartungen liegen.
Bei LF-Systemen existieren aufgrund der geringen Datenübertragungsraten keine
pulkfähigen Lösungen. Diese Systeme sind auf die Einzelidentifikation von
Transpondern, beispielsweise bei der Tieridentifikation oder der Wegfahrsperre im
Fahrzeug, beschränkt.
Ebenso sind Oberflächenwellensysteme, die im Wesentlichen bei einer Frequenz
von 2,45 GHz arbeiten, aufgrund ihrer Bauform nicht pulkfähig. Sie werden in der
Regel ohne Mikrochip hergestellt, wodurch sich keine Antikollisionsalgorithmen realisieren lassen.
Generell stellt der Antikollisionsalgorithmus mit seinen andwendungsspezifischen
Einstellungen einen wesentlichen Einflussfaktor auf die Leistungsfähigkeit eines
RFID-Systems dar.
2.5.6 Materialdurchdringung
Aufgrund der großen Wellenlänge zeichnen sich die niedrigen Frequenzen durch
eine niedrige Absorptionsrate in nichtmetallischen Stoffen und Wasser aus und sind
durch hohe Eindringtiefe bei diesen Materialien charakterisiert. Hingegen wird bei
hohen
Frequenzen
im
Gigahertz-Bereich
die
Absorptionsrate
entsprechend
Abbildung 2-36 bei Wasser und organischen Stoffen sehr hoch.
Deshalb steht der hohen Leistungsfähigkeit der höheren Frequenzen hinsichtlich
Reichweiten und Übertragungsraten eine höhere Umgebungsempfindlichkeit sowie
eine geringere Materialdurchdringung speziell bei organischen Stoffen gegenüber.
Neben wasserhaltigen Stoffen haben speziell Metalle einen sehr großen Einfluss auf
RFID-Systeme. Sowohl das magnetische wie auch das elektromagnetische Feld
können metallische Stoffe zum einen nicht durchdringen, zum anderen wirken sie
sich in direkter Umgebung des Transponders stark negativ auf dessen Leistungsfähigkeit aus. Metallische Objekte können dadurch nicht direkt gekennzeichnet werden.
Der Einfluss des Metalls steigt dabei mit der Frequenz und spielt besonders bei der
Kennzeichnung von Bauteilen in der Automobilindustrie eine große Rolle, da die
meisten Bauteile entweder aus Metall bestehen oder beispielsweise im Falle von faserverstärkten Kunststoffen metallhaltig sind.
73
2.5.7 Zusammenfassung der Eigenschaften von RFID-Systemen
Die oben beschriebenen Eigenschaften von RFID-Systemen in Abhängigkeit der
Frequenz lassen sich entsprechend Abbildung 2-43 zusammenfassen.
Praktische max.
Reichweite
125 kHz
13,56 Mhz
868 Mhz
(passiv / aktiv)
2,45 GHz
(passiv / aktiv)
0,2 m
1,7 m
5 m / 100 m
3 m / 300 m
Klein
Groß
Mittel / Sehr Groß
Klein / Sehr Groß
Nein
Ja
Ja / Ja
Derzeit Nein / Ja
Niedrig
Hoch
Sehr Hoch
Sehr Hoch
Niedrig
Niedrig
Hoch
Sehr Hoch
Sehr niedrig
Niedrig
Hoch
Sehr Hoch
Baugröße
Pulkfähigkeit
Datenübertragungsraten
Einfluss von
Flüssigkeiten
Einfluss von
Metall
Abbildung 2-43: Eigenschaften von RFID-Systemen
2.6
Standardisierung der RFID-Technologie
Neben den technologischen Randbedingungen spielen insbesondere für den unternehmensübergreifenden RFID-Einsatz in offenen Kreisläufen internationale Standards
eine
elementare
Rolle.
Mit
Hilfe
von
Standardisierung
können
Schnittstellenprobleme im Netzwerk entlang der Supply Chain gelöst und die Verbreitung der Technologie beschleunigt werden. Zudem bilden Standards die Voraussetzung für einen Wettbewerb und ermöglichen eine Senkung der Systemkosten bei
gleichzeitiger Steigerung des Nutzens durch Netzeffekte [SCM-05].
Zur Einteilung der verschiedenen Standards lassen sich in Anlehnung an [VDE-06]
entsprechend Abbildung 2-44 sieben Gruppen bilden.
74
2.6.2 Luftschnittstelle
2.6.3 Anwendungsstandards
2.6.1 Funkvorschriften
2.6.4 EPC-Netzwerk
RFID-Standards
Einsatzempfehlungen
Datenmanagement
Kontaktlose Chipkarten
Testmethoden
Abbildung 2-44: Standardisierung im Bereich RFID
Die Standards für kontaktlose Chipkarten und für das Datenmanagement, die den
Austausch der Daten in einem RFID-System beschreiben, sowie Empfehlungen zum
Einsatz von RFID-Systemen, in denen Anleitungen zur Installation und Inbetriebnahme wie auch RFID-Begriffe standardisiert sind, werden hier nur der Vollständigkeit erwähnt. Ebenfalls wird auf eine Beschreibung der Testmethoden verzichtet, die
sich schwerpunktmäßig mit Methoden zur Konfirmitätsprüfung der Luftschnittstelle
beschäftigen. Die genannten Standardgruppen besitzen für die vorliegende Arbeit
und für das dafür benötigte Verständnis von RFID-Systemen nur eine geringe Relevanz und sind in [VDE-06] beschrieben.
2.6.1 Funkvorschriften
RFID-Systeme werden rechtlich als Short Range Devices (SRD) betrachtet und unterliegen daher den regionalen gesetzlichen Vorgaben hinsichtlich der nutzbaren
Frequenzen und Sendeleistungen.
Zur Gruppe der SRD gehören neben RFID-Systemen unter anderem Garagentoröffner, Bewegungsmelder und Systeme auf Bluetooth- sowie WLAN-Basis. Die Frequenzen werden regional freigegeben – in Deutschland durch die Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post – und sind für die Nutzung durch die
Allgemeinheit zugeteilt und dürfen daher ohne Anmeldung kostenfrei genutzt werden
[REG-07].
75
Während die Frequenzen 125 kHz, 13,56 MHz und 2,45 GHz nahezu weltweit zur
Verfügung stehen (vgl. Abbildung 2-45), existieren für den UHF-Bereich international
keine einheitlichen Frequenzstandards. Durch die gegenseitige Blockierung dieser
Frequenzbereiche, unter anderem durch den Mobilfunk, ist mit einer weltweiten Vereinheitlichung, wie sie im LF- und HF-Bereich realisiert ist, nicht zu rechnen [GRU05]
Korea
125 kHz, 13,56 MHz
910-914 MHz
USA & Kanada
125 kHz, 13,56 MHz
902-928 MHz
2,45 GHz
Europa
125 kHz, 13,56 MHz
868 MHz
2,45 GHZ
China
917-922 MHz*
2,45 GHz
Südafrika
125 kHz, 13,56 MHz
868 MHz
2.45 GHz
Japan
125 kHz, 13,56 MHz
952-954 MHz
2,45 GHz
Australien
125 kHz, 13,56 MHz
920-926 MHz
2,45 GHz
* Lizenz muss zeitlich befristet beantragt werden
Abbildung 2-45: Freigegebene Sendefrequenzen für RFID-Systeme
Neben uneinheitlichen Sendefrequenzen existieren darüber hinaus im Ultrahochfrequenzbereich auch weltweit uneinheitliche Sendeleistungsstandards und unterschiedliche Operationsmodi. Unterscheiden lassen sich dabei das „listen-beforetalk“- und das „frequency-hopping“-Verfahren.
2.6.1.1 „Frequency-hopping“-Verfahren
Dem „frequency-hopping“-Verfahren liegt die Annahme zu Grunde, dass eine Vielzahl von Sendekanälen vorhanden ist. Jeder physische Kanal wird dem System nur
für ein gewisses Zeitfenster zugeteilt und anschließend sprunghaft gewechselt (vgl.
Abbildung 2-46).
76
Frequenz
Kanal
Kanal
Kanal
Kanal
Kanal
Kanal
5
4
3
2
1
5
Kanal
Kanal
Kanal
Kanal
Kanal
Kanal
4
3
2
1
5
4
Kanal
Kanal
Kanal
Kanal
Kanal
Kanal
3
2
1
5
4
3
Kanal
Kanal
Kanal
Kanal
Kanal
Kanal
2
1
5
4
3
2
Kanal
Kanal
Kanal
Kanal
Kanal
Kanal
1
5
4
3
2
1
Zeit
Zeitschlitz
Abbildung 2-46: Prinzipielle Funktionsweise des „frequency-hopping“-Verfahrens [KLU-01]
Nachteilig bei diesem Verfahren sind der erhöhte Verwaltungsaufwand für die
Sprungreihenfolgen und eine Verringerung der Nutzdatenrate, da sowohl zusätzliche
Verwaltungsdaten über den Funkkanal transportiert werden müssen als auch das
System vor und nach dem Sprung immer etwas Zeit zum Einschwingen benötigt
[KLU-01]. Diese Technik gilt als sehr sicher, Sender und Empfänger müssen jedoch
genau aufeinander synchronisiert sein, wodurch eine relativ komplexe elektronische
Schaltung notwendig ist und folglich hohe Herstellungskosten entstehen [ITW-07].
2.6.1.2 „Listen-before-talk“-Verfahren
Beim „listen-before-talk“-Verfahren handelt es sich um ein Zugriffsverfahren auf einen Funkkanal [KLU-01]. Das Lesegerät prüft dabei vor dem Senden die Belegung
des Nutzkanals. Wird nach einem fest vorgegebenen Zeitfenster keine Störung oder
Belegung erkannt, startet die Datenübertragung [ITW-07]. Das Verfahren sorgt damit
für eine bessere Auslastung der Frequenzressource, benötigt aber durch die Nutzungsüberprüfung mehr Zeit und bietet nicht die Sicherheit des frequency-hoppingVerfahrens. Sie wird deshalb bevorzugt angewendet, wenn lediglich eine geringe
Anzahl an Kanälen zur Verfügung steht.
2.6.1.3 Sendeleistung für UHF-Systeme
Zusätzlich zu den Operationsmodi ist im UHF-Bereich auch die maximal erlaubte
Sendeleistung der RFID-Systeme international unterschiedlich geregelt. (vgl. Tabelle
2-4).
77
Tabelle 2-4: Internationaler Vergleich der Funkvorschriften im UHF Bereich
Land
Frequenz
Kanäle
Leistung
Modus
Deutschland
869,4 – 869,65 MHz
1
0,5 W ERP
„listen-before-talk“
Deutschland
865,6 – 867,6 MHz
10
2,0 W ERP
USA
902 – 924 MHz
50
4,0 W EIRP
„frequency-hopping“
Japan
952 – 954 MHz
10
4,0 W EIRP
Korea
908,5 – 910 MHz
4,0 W EIRP
Korea
910 – 914 MHz
4,0 W EIRP
Den international unterschiedlichen Regelungen begegnet man bei UHF-Systemen
durch eine breite Auslegung der Transponderresonanzfrequenz, um eine weltweite
Lesbarkeit zu gewährleisten. Trotzdem sind Parametereinstellungen und Leistungsfähigkeit von RFID-Systemen nicht grundsätzlich auf andere Länder übertragbar,
wodurch bei internationalen RFID-Kreisläufen in der Regel länderspezifische Systemspezifikationen gefunden werden müssen und meist separate Pilotphasen notwendig werden. Der internationale Einsatz von UHF-RFID-Systemen ist dadurch mit
einem deutlichen Mehraufwand in der Planung und Inbetriebnahme verbunden.
Bei anderen Frequenzbereichen existieren ebenfalls nationale Unterschiede, die im
Verhältnis zur UHF-Technologie geringer sind und sich im Wesentlichen auf die erlaubte Sendeleistung beschränken. Detailliert können die nationalen und internationalen Funkvorschriften in [FIN-06] und [AIM-07] nachgelesen werden.
2.6.2 Luftschnittstellenstandards
Die Luftschnittstelle zwischen Transponder und Reader ist das zentrale Element eines jeden RFID-Systems. Für die gegenseitige Kommunikation müssen Codierung,
Modulation und Protokoll eindeutig geregelt werden.
Für passive RFID-Systeme haben sich hierfür weltweit gültige ISO-Standards etabliert, die gewährleisten, dass der Einsatz von RFID-Systemen in weltweit offenen
Kreisläufen möglich ist und zudem Transponder von beliebigen Lesegeräten, die den
jeweiligen Standard unterstützen, ausgelesen werden können (vgl. Tabelle 2-5).
78
Tabelle 2-5: ISO-Luftschnittstellenstandards für passive RFID-Systeme
Frequenz
Luftschnittstellenstandards
LF
ISO 11785, 18000-2
HF
ISO 14443, 15693,18000-3
UHF
ISO 18000-6
SHW
ISO 18000-5
Während im UHF-Bereich durch die Übernahme des Standards EPC-Gen 2 in die
neue ISO-Norm 18000-6C und die dadurch bedingte Abnahme der Bedeutung der
Vorschriften ISO 18000-6A und B ein einheitlicher Standard existiert, sind aus der
Historie im HF-Bereich differente Standards in der ISO-Norm 18000-3 entstanden.
Diese werden zwar in der Regel von den meisten Lesegeräten unterstützt, schränken
aber bei gleichzeitiger Aktivierung die Leistungsfähigkeit stark ein. Aufgrund dessen
ist bei einem unternehmensübergreifenden Einsatz speziell von HF-Systemen die
Einigung auf einen einheitlichen Luftschnittstellenstandard essentiell, um eine hohe
Leistungs- und Pulkfähigkeit zu erreichen41.
Bei aktiven Systemen kommen in der Regel proprietäre Protokolle zum Einsatz, wodurch batteriegestützte Transponder meist nur mit spezifischen Lesegeräten ausgelesen werden können. Verursacht wird dies durch die Tatsache, dass bei aktiven
Systemen Transponder und Lesegeräte - im Gegensatz zu passiven Systemen - von
einem Unternehmen hergestellt werden und darüber hinaus häufig mit Zusatzfunktionen wie beispielsweise Temperaturkontrolle ausgestattet sind, für deren Steuerung
eigene Protokolle notwendig sind.
Für den netzwerkweiten Einsatz von aktiven Systemen ist daher eine einheitliche
Auswahl der Hardware notwendig.
2.6.3 Anwendungsstandards
Anwendungsstandards empfehlen eine bestimmte technische Lösung für einzelne
Anwendungen und greifen dabei auf andere existierende technologieorientierte
Standards, z. B. zur Luftschnittstelle oder zum Datenmanagement, zurück [VDE-06].
41
LF-Systeme werden aufgrund ihrer Nicht-Pulkfähigkeit und der dadurch bedingten geringen Relevanz nicht behandelt.
79
Für eine aufwandsarme und effiziente Einführung von RFID-Systemen in unternehmensübergreifenden Netzwerken sind sie durch die Festlegung standardisierter Prozesse mit den dazugehörigen Daten sowie der Technologie von elementarer
Bedeutung.
Aufgrund der jungen Historie der RFID-Technologie in industriellen Anwendungen
befinden sich derzeit internationale Normen meist erst in der Planungs- oder Bearbeitungsphase. Darunter sind logistikspezifische Richtlinien zur Kennzeichnung von
Frachtcontainern, Transporteinheiten und Artikeln, die unter anderem auf die ISO
18000er Normenreihe zurückgreifen [VDE-06]. Veröffentlicht sind bis jetzt lediglich
branchenspezifische ISO-Standards im Bereich der Tieridentifikation. Internationale
Standards zur Anwendung von RFID-Systemen in der Automobilindustrie sind derzeit
weder existent noch in Planung.
Das Fehlen von Anwendungsstandards wird als eines der Haupthemmnisse bei der
Einführung von RFID betrachtet (vgl. [STR-05]). Aufgrund der Vielzahl und Vielfalt
der beteiligten Partner gestaltet sich der Normungsprozess langwierig, so dass kurzfristig keine wesentliche Veränderung der Standardisierungslücke zu erwarten ist.
Des Weiteren existieren auch einige nationale anwendungsorientierte RFIDRichtlinien, die aber aufgrund der regionalen Einschränkung nur in Einsatzfällen herangezogen werden können, und dadurch das Problemfeld der fehlenden Anwendungsstandards nur bedingt lösen.
Vom Verein Deutscher Ingenieure werden in der VDI 4472 Richtlinien für den Einsatz
in der Supply Chain erarbeitet. Bis auf eine branchenspezifische Norm für die Textilindustrie und die Mehrweglogistik sowie Abnahmeverfahren zur Überprüfung der
Leistungsfähigkeit von RFID-Systemen befinden sich auch hier weitere Normungsvorhaben erst in der Planung oder in der Entwicklung (vgl. Tabelle 2-6).
80
Tabelle 2-6: VDI-Richtlinienprojekt 4472
Titel
Status
Blatt 1:
Einsatz der Transpondertechnologie (Allgemeiner Teil)
veröffentlicht
Blatt 2:
Einsatz der Transpondertechnologie in der textilen Kette
veröffentlicht
(HF-Systeme)
Blatt 3:
Einsatz der Transpondertechnologie in der textilen Kette
in Bearbeitung
(UHF-Systeme)
Blatt 4:
Kostenbewertung von RFID-Systemen
Entwurf
Blatt 5:
Einsatz der Transpondertechnologie in der Mehrweglogis-
veröffentlicht
tik
Blatt 6:
Einsatz der Transpondertechnologie in der Kühlkette
in Planung
Blatt 7:
Einsatz der Transpondertechnologie in der Entsorgungs-
in Bearbeitung
logistik
Blatt 8:
Leitfaden für das Management von RFID-Projekten
Entwurf
Blatt 9:
Einsatz der Transpondertechnologie in der Getränkelogis-
in Planung
tik
Blatt 10:
Abnahmeverfahren zur Überprüfung der Leistungsfähigkeit veröffentlicht
von RFID-Systemen
Blatt 11:
Leitfaden zur Transpondertechnologie unter Sicherheits-
in Planung
aspekten
Auch der Verband der deutschen Automobilindustrie (VDA) hat sich dem Thema
RFID zur Kennzeichnung von Gütern, Fahrzeugen und zur Rückverfolgung in der
Wertschöpfungskette gewidmet. Im Juli 2005 ist in diesem Zusammenhang die VDAEmpfehlung 5005 erschienen. Die unverbindliche Empfehlung beschreibt Prozesse
und Verfahrensweisen zur Ver- und Rückverfolgbarkeit von Fahrzeugteilen sowie zur
Identifizierbarkeit ihrer technischen Ausführung. Dabei wird neben dem Barcode
auch die Transpondertechnik zur Kennzeichnung von Bauteilen empfohlen. Eine
Spezifikation hinsichtlich der Technologie, beispielsweise eine Festlegung der Sendefrequenz, erfolgt nicht.
Des Weiteren wurde im November 2006 die VDA-Empfehlung 5501 mit dem Titel
„RFID im Behältermanagement der Supply Chain“ erarbeitet. In der Empfehlung
wurde eine Standardisierung des Einsatzes von RFID-Komponenten im Behälterma81
nagement in der Supply Chain ausgesprochen. Dabei befasste sich das Projekt mit
der Standardisierung der auf dem Transponder zu speichernden Daten und der einzusetzenden Technologie. Aufgrund der Leistungsfähigkeit und der geringen Kosten
wurde hierbei der passive UHF-Frequenzbereich ausgewählt.
In den USA gibt es ähnliche Bestrebungen Standards für verschiedene Aktivitäten
der amerikanischen Automobilindustrie zu entwickeln. Die AIAG (Automotive Industry
Action Group) hat bereits 2002 den Standard B-11 verabschiedet, der die Verwendung von RFID zur Kennzeichnung von Autoreifen als Alternative zu 2D-Codes vorsieht. Bei Anwendung von RFID ist die UHF-Technologie einzusetzen und die
Transponder sind an der Außenseite des Reifens anzubringen. Als Erfassungsreichweite gibt die Norm mindestens 61 cm (24 inch) an. Die Datenstruktur der RFIDLösung umfasst Angaben über Hersteller, Werk, Produktionsdatum, eine eindeutige
Seriennummer, die Fahrzeugnummer sowie einen frei verfügbaren Bereich [STR-05].
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass nur wenige internationale Anwendungsstandards für RFID-Systeme existieren. Im Bereich der Automobilindustrie gibt
es lediglich einige nationale Empfehlungen hinsichtlich des RFID-Einsatzes.
Dies hat zur Konsequenz, dass bei einem unternehmensübergreifenden Einsatz der
Technologie zum einen ein hoher Abstimmungsaufwand zwischen den Partnern notwendig ist, und zum anderen bei einer Umsetzung mittelfristig die Gefahr des Aufkommens eines differenten Standards vorhanden ist. Dadurch kann das eigene
System schnell veraltet sein, wodurch eine Investitionssicherheit nicht gegeben ist.
2.6.4 EPC – Netzwerk
Die weltweite Nachverfolgbarkeit von Produkten ist die Grundidee des EPCglobalNetzwerks, das 1999 im Massachusetts Institute of Technology (MIT) entstanden ist.
Dazu soll jeder produzierte Gegenstand mit einem RFID-Transponder versehen werden, damit „sich sein Aufenthaltsort mit Hilfe einer globalen Infrastruktur über Unternehmens- und Ländergrenzen hinweg bestimmen lässt“ [AUT-02]. Dadurch werden
insbesondere Verbesserungen der betrieblichen Prozesse in der Fertigung [CGS-02],
der Lieferkette [AGG-02] und der Warenwirtschaft [CDG-02] erwartet.
Dafür wurde neben der Festlegung der auf dem Transponder zu speichernden Daten
auch ein IT-Konzept für die durchgängige Verfügbarkeit der Produktdaten geschaffen, um eine weltweite Rückverfolgbarkeit von Gütern zu gewährleisten (vgl.
Abbildung 2-47).
82
Abbildung 2-47: EPC-Netzwerk [EPC-07a]
Hinsichtlich der Frequenz und der Betriebsart beruht der EPC-Standard auf der passiven UHF-Technologie.
2.6.4.1 Der Electronic Product Code (EPC)
Der EPC-Standard sieht vor, dass zur eindeutigen Kennzeichnung eines Produktes
jedem Artikel eine weltweit einmalige Ziffernfolge, der so genannte Elektronik Produkt Code (EPC), zugeordnet und auf einem am Objekt befestigen Transponder gespeichert wird.
Es wurden verschiedene EPC-Strukturen definiert, wobei insbesondere die 96 Bit
Strukturen
•
General Identifier (GID) und
•
Serialized Global Trade Item Number (SGTIN-96), welche die Barcodestruktur
EAN/UCC um eine Seriennummer erweitert,
von Bedeutung sind.
Vereinfacht hat der EPC die folgende Struktur [TZI-07]:
•
Der Header gibt die EPC-Version und die Kodierung an, z.B. SGTIN-96.
•
Der EPC-Manager stellt die Kennung des Herstellers dar.
•
Die Objektklasse bezeichnet die Produktfamilie.
•
Die Seriennummer dient der eindeutigen Identifikation des Objektes.
In Abbildung 2-48 ist beispielhaft ein GID-Electronic Product Code dargestellt.
83
GID
Abbildung 2-48: Beispielhafte Darstellung eines GID EPC (in Anlehnung an [FLÖ-05])
Zunächst sah das Konzept vor, neben dem EPC keine weiteren Daten auf dem
Transponder zu zulassen. Aufgrund der Forderung, vor allem aus der produzierenden Industrie, einen freien Speicher für Daten zur Prozesssteuerung vorzusehen,
wurde in jüngster Vergangenheit im Rahmen des EPC der zweiten Generation ein
frei nutzbarer Speicherbereich mit aufgenommen, aber noch nicht weiter spezifiziert
(vgl. Abbildung 2-49). Derzeit verfügt ein UHF-Transponder in der Regel über einen
128 Bit Speicher und bietet dadurch neben einem 96 Bit EPC Platz für 32 Bit Nutzerdaten. Derzeit sind im UHF-Bereich 512 Bit Transponder in der Entwicklung beziehungsweise in der Markteinführung, so dass davon auszugehen ist, dass sich der
freie Speicherbereich zukünftig weiter vergrößern wird (vgl. Kapitel 2.7), wobei nach
wie vor alle zur Produktverfolgung und Produktkennzeichnung notwendigen Daten
auf Basis der Konzeptidee des EPC zentral gehalten werden sollen.
Abbildung 2-49: Spezifikation des EPC der zweiten Generation [CLA-06]
84
Nach [CLA-06a] bietet die Beschränkung der dezentralen Datenhaltung dabei folgende Vorteile:
•
Hohe Auslesegeschwindigkeit auch vieler Tags gleichzeitig
•
Keine sensiblen Daten öffentlich auf dem Tag
•
Niedrige Tag-Preise aufgrund des geringen Speicherbedarfs
•
Normierte Datenhaltung an einem Ort
2.6.4.2 IT-Netzwerk
Damit eine weltweite Rückverfolgbarkeit von Produkten ermöglicht wird, ist neben
der eindeutigen Produktkennzeichnung und -identifizierung ein IT-Netzwerk zum Finden, Speichern und Verwalten der produktbezogenen Informationen notwendig.
Hierzu wurde im Rahmen der Forschungstätigkeiten des MIT ein auf dem Internet
basierendes Kommunikationsnetzwerk als Infrastruktur entwickelt und von EPCglobal42 umgesetzt, dass die Bereitstellung in Echtzeit diese Informationen gewährleistet.
Im Wesentlichen verbindet das EPCglobal-Netzwerk dezentrale Server, die Produktinformationen (d. h. zu einer bestimmten EPC-Nummer gehörende Stamm- oder Bewegungsdaten) enthalten. Diese werden als EPC-Informationenservice (EPCIS)Server bezeichnet.
Zum Finden der Informationen dient der Objektnamendienst (ONS), ein zentraler
Verzeichnis-Server analog zu DNS-Servern im WorldWideWeb, der die zentralen
Datensätze indiziert. Die Verwaltung und Meldung von Ereignissen im Netzwerk erfolgt mit Hilfe von Event Registry Diensten.
Zum besseren Verständnis wird nachfolgend das EPC-Netzwerk an Hand eines konkreten Beispiels beschrieben, dass zusammenfassend in Abbildung 2-50 dargestellt
ist.
Bei der Herstellung wird das Produkt mit einem eindeutigen EPC gekennzeichnet (1)
und gleichzeitig dessen relevante Daten im unternehmensinternen EPCIS-Server
hinterlegt (2). Dieser meldet das Ereignis der EPC-Erzeugung an den Event Registry-Dienst, wodurch es im EPC-Netzwerk bekannt wird (3). Nach Versendung des
42
EPCglobal wurde 2003 von GS1 und GS1 US (ehemals EAN International und das Uniform Code
Council, Inc.) gegründet und entwickelt Standards für die einheitliche Nutzung der Radiofrequenztechnologie für Identifikationszwecke (RFID) entlang der gesamten Versorgungskette über Länderund Branchengrenzen hinweg.
85
Produktes (4) zum nächsten Unternehmen in der Wertschöpfungskette registriert
dieses das Produkt in seinem Wareneingang mit Hilfe der RFID-Technologie und
speichert gleichzeitig dazugehörige relevante Informationen in seinem lokalen
EPCIS-Server (5), der wiederum das Ereignis mit einer Meldung an den Event Registry Dienst im Netzwerk registriert (6). Benötigt das Unternehmen Informationen
über das Produkt, so gelangt es mit Hilfe des ONS-Dienstes (7), in dem die zentralen
Stammdatensätze identifiziert sind, zum lokalen EPCIS-Server (8), der die geforderten Datensätze verwaltet. Werden Informationen über Ereignisse des Produktes, wie
beispielsweise Warenein- und -ausgänge benötigt, erfolgt die Abfrage und Zuweisung des lokalen EPCIS-Servers durch den Event-Registry Dienst.
Zentrales EPC-Netzwerk
EPC Event
Registry
ONS
Dezentrales
Netzwerk
ERP
(7)
(3)
EPCIS
(8)
(2)
Dezentrales
Netzwerk
(6)
EPCIS
ERP
(5)
(4)
(1)
Abbildung 2-50: Die Funktionsweise des EPC-Netzwerks
Durch die internetbasierte Bereitstellung von Echtzeit-Informationen mit Hilfe der
EPCglobal steht ein IT-Netzwerk zur Steigerung der Informationstransparenz und der
weltweit durchgängigen Rück- und Nachverfolgbarkeit von Produkten zur Verfügung.
Durch den Einsatz der RFID-Technologie ist des Weiteren davon auszugehen, dass
sich im Vergleich zu derzeit eingesetzten Ident-Systemen aufgrund der automatisierten und kostengünstigen Erfassung von Produkten, die Anzahl der Ereignisse und
damit die Transparenz in der Wertschöpfungskette stark erhöhen wird.
Derzeit sind über 200 Unternehmen Mitglieder bei EPCglobal Deutschland, wodurch
Deutschland eine führende und markttreibende Rolle im EPC-Netzwerk einnimmt
[EPC-07b]. Die Unternehmen stammen überwiegend aus den Branchen Handel, Be86
kleidung, Pharma und Logistik. Von den deutschen Automobilfirmen ist bis jetzt lediglich die Daimler AG im November 2007 dem EPCglobal-Gremium beigetreten. Es
wird aber erwartet, dass durch diesen ersten Schritt der Daimler AG mittelfristig andere Fahrzeughersteller folgen werden [LOG-07].
2.7
Technologische Entwicklungstrends
Zum Abschluss des Kapitels RFID-Grundlagen sollen hier die wesentlichen Entwicklungstrends der Technologie aufgezeigt werden. Dieser Abschnitt hat keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern soll die grundsätzliche Richtung der technischen
Entwicklungen aufzeigen.
Als wesentliche Entwicklungstrends sind aus Sicht des Autors hierbei zu nennen:
•
Fortschreitende Miniaturisierung und Reduktion des Stromverbrauch von Mikrochips bei passiven Systemen
•
Kompakte aktive Transponder durch den Einsatz von druckbaren Batterien
•
Kostengünstige einfache passive Transponder für die Kennzeichnung von
Massenprodukten auf Basis der Polymertechnologie
2.7.1 Fortschreitende Reduzierung des Stromverbrauchs bei Mikrochips
Passive Systeme gewinnen die benötigte Energie ausschließlich aus dem elektromagnetischen Feld. Aus diesem Grund wird die Leistungsfähigkeit im Wesentlichen
durch den Stromverbrauch des Mikrochips auf dem Transponder beschränkt.
Auf der Grundlage des Gesetzes von Moore, das besagt, dass sich die Zahl der auf
einem Chip integrierbaren elektronischen Komponenten alle 18 bis 24 Monaten verdoppelt [MOO-65], ist davon auszugehen, dass die Leistungsfähigkeit von Mikrochips
in den nächsten Jahren weiter steigen wird und dabei gleichzeitig der Strombedarf
signifikant sinkt. Dadurch ist zukünftig mit deutlich höheren Nutzspeichern für passive
RFID-Transponder zu rechnen. Im UHF-Bereich hat NXP Semiconductors beispielsweise im Jahr 2007 einen IC auf dem Markt gebracht, der mit einem 240 Bit EPCSpeicher und einem Nutzspeicher von 512 Bit versehen ist [ELE-07, NXP-07] und
der derzeit auf ersten Transpondern am Markt appliziert wird. Dies geht deutlich über
die bis dahin auf den Markt üblichen Mikrochips mit einer Gesamtkapazität von 128
Bit hinaus.
Eine Reduzierung des Energieverbrauches der elektronischen Komponenten wird
darüber hinaus in den nächsten Jahren die Integration von Sensoren und von leis87
tungsfähigen kryptischen Algorithmen sowie Prozessoren auf den mobilen Datenträgern ermöglichen.
Dadurch wird es zukünftig möglich sein, Objekte mit Hilfe von RFID mit einer dezentralen Intelligenz auszustatten, die es Ihnen ermöglicht selbstständig miteinander zu
kommunizieren. Aufbauend darauf lassen sich autonome, logistische Netzwerke, die
sich selbst organisieren und steuern können – analog zum Internet – realisieren. In
dieser als „Internet der Dinge“ bezeichneten Vision finden Produkte allein ihren Weg
von der Produktion bis zum Kunden – und wieder zurück zum Recycling (vgl. [GÜN07a, GÜN-07c]).
Ausserdem werden sich zukünftig durch komplexere und leistungsfähigere Sicherheitsalgorithmen auf den mobilen Datenspeichern vermehrt auch Anwendungen zum
Schutz vor Produktpiraterie realisieren lassen.
2.7.2 Integration von druckbaren Batterien
Neben der Reduzierung des Stromverbrauches der elektronischen Komponenten
kann die Leistungsfähigkeit von Transpondern auch durch kostengünstige druckbare
Batterien gesteigert werden.
Nach [RFU-07] wird der Markt für Transponder mit integrierter gedruckter Batterie im
Jahr 2015 4,6 Milliarden Dollar erreichen. Aktuell geht man von einem Marktvolumen
von unter 15 Millionen Dollar aus [RFU -07].
Durch die Möglichkeit einen aktiven Transponder mit der Größe eines passiven
Smart Labels herzustellen, ist langfristig eine Verschmelzung der aktiven und passiven Technologie zur „battery-assisted passive technology“ denkbar. Dies würde eine
Leistungsexplosion der Transponder zur Kennzeichnung von Produkten hinsichtlich
Reichweite nach sich ziehen.
Derzeit sind bereits von der Firma Power ID [POW-08] solche Datenträger auf dem
Markt, die sich aber insbesondere aufgrund der aktuell noch hohen Kosten und der
unzureichenden Batteriehaltbarkeit sowie deren Empfindlichkeit gegenüber mechanischen und vor allem thermischen Belastungen nur in wenigen Anwendungsfällen
technisch und wirtschaftlich einsetzen lassen.
88
Abbildung 2-51: „Battery-assisted Labels“ der Firma Power ID [POW-08]
2.7.3 Polymertransponder
Für die Kennzeichnung von einfachen Produkten in offenen Kreisläufen sind die derzeit auf dem Markt verfügbaren Transponder deutlich zu teuer. Selbst durch Preise
im niedrigen einstelligen Cent-Bereich lässt sich eine Kennzeichnung von
Verbrauchsgütern wie einem Joghurtbecher wirtschaftlich nicht realisieren.
Zukunftspotenzial bieten hier Transponder auf der Basis von halbleitenden organischen Polymeren als Substitut für die auf Silizium basierenden Schaltungen. Polymerelektronik kann dabei in einfachen Druckverfahren hergestellt werden, wodurch
sich eine signifikante Reduzierung der Kosten erreichen lässt. Bereits heute existieren von der Firma PolyIC Produkte im HF-Bereich auf dem Markt mit einer Speicherkapazität von einigen Bit [POL-08].
Diese Technologie wird in Zukunft den wirtschaftlichen Einsatz von RFID auf Massenverbrauchsgütern ermöglichen. Jedoch ist zu erwarten, dass die Anwendungen
aufgrund der reduzierten Leistungsfähigkeit, im Vergleich zu Siliziumschaltungen,
und der gleichzeitig hohen mechanischen und thermischen Empfindlichkeit auf die
Kennzeichnung von einfachen kostengünstigen Massenwaren im Bereich des Handels beschränkt bleiben.
89
Abbildung 2-52: Gedruckter Polymertransponder [POL-08]
2.7.4 Zusammenfassung Zukunftstrends
Zusammenfassend wird sich die Leistungsfähigkeit von RFID-Systemen in den
nächsten Jahren signifikant steigern, bei einer gleichzeitigen Reduktion der Kosten.
Dadurch wird sich das Anwendungsfeld der Technologie kontinuierlich vergrößern.
Im Rahmen des Abschnitts wurden einige wesentliche Entwicklungen der Technologie herausgestellt. In Abbildung 2-53 sind ergänzend zu den oben erwähnten Weiterentwicklungen Trends im Bereich RFID aus Sicht von [PFL-06] dargestellt.
Abbildung 2-53: Entwicklung der Smart Object Technologie [PFL-06]
90
3 RFID-gestützte Bauzustandsdokumentation
3
RFID-gestützte Bauzustandsdokumentation
Im Rahmen des Kapitels werden ein grundsätzliches technisches Konzept und die
groben Anforderungen für den Technologieeinsatz zur Bauzustandsdokumentation in
der Automobilindustrie erarbeitet. Aufbauend auf den in den vorherigen Kapiteln beschriebenen Grundlagen und den ermittelten Anforderungen gilt es im Anschluss die
geeignete Arbeitsfrequenz für die Technologie festzulegen, auf deren Basis die
Handlungsfelder zur Technologiequalifizierung aufgezeigt werden können. Diese bilden die Basis für die Entwicklung und Evaluierung geeigneter technischer Lösungskonzepte für den Anwendungsfall.
Als Einführung in das Kapitel dient ein Überblick über die Potenziale der Bauzustandsdokumentation im Produktlebenszyklus. Der Aufbau des Kapitels ist in
Abbildung 3-1 zusammengefasst.
91
Aufgabe der Bauzustandsdokumentation
im Produktlebenszyklus
Kap. 3.1
Konzept der RFID-gestützten
Bauzustandsdokumentation
Kap. 3.2
Konzept zur Einführung der RFID-gestützten
Kap. 3.3
Festlegung von Referenzbauteilen
Kap. 3.4
Anforderungen an die RFID-Technologie
Kap. 3.5
Festlegung der Energieversorgung
und der Arbeitsfrequenz
Kap. 3.6
Zentrale Herausforderungen und
Handlungsfelder
Kap. 3.7
Zusammenfassung und Fazit
Kap. 3.8
Abbildung 3-1: Aufbau des Kapitels „RFID-gestützte Bauzustandsdokumentation“
3.1
Aufgabe der Bauzustandsdokumentation im Produktlebenszyklus
Ein Fahrzeug aus dem Premiumsegment besteht derzeit aus 18.000 bis 20.000 Einzelteilen, die in bis zu zehn Fertigungsstufen als Einzelteil oder Modul in das Fahrzeug einfließen [BOP-08]. Der Fahrzeughersteller ist daher die Spitze eines
komplexen Wertschöpfungsnetzwerkes. Zur Sicherstellung der Qualität in diesem
92
vielschichtigen Entwicklung- und Produktionsprozess über alle Wertschöpfungsstufen und beteiligten Unternehmen hinweg bedarf es eines konsequenten Qualitätsmanagements. Eine zentrale Rolle zur Schaffung von Transparenz nimmt hierbei die
lückenlose Verfolgung und Dokumentation des Bauzustandes von Fahrzeugen ein.
Neben den wirtschaftlichen und qualitätsgetriebenen Überlegungen ist dies auch
aufgrund von Forderungen, die sich durch den Gesetzgeber aus dem Produkthaftungsgesetz sowie EU-Richtlinien ergeben, zwingend erforderlich. Einen detaillierten
Überblick über die derzeitigen gesetzlichen Randbedingungen geben [VDA-08] und
[STA-05].
Im Folgenden werden die Aufgaben und Potenziale der RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation durch die Identifikation von verbauten Komponenten in den
verschieden Lebenszyklen eines Fahrzeugs dargestellt.
3.1.1 Fahrzeugentwicklung
Die Entwicklung eines Fahrzeugs und seiner Eigenschaften ist ein iterativer Prozess,
der die ständige Weiterentwicklung der Bauteile bedingt. Dadurch ergibt sich ein stetiger Bedarf zur Bauteil- und Funktionserprobung, der sich in einem dynamischen
Umbauprozess der Versuchsfahrzeuge äußert. Daraus resultiert ein hoher Aufwand
zur Dokumentation der aktuellen Fahrzeugkonfiguration, der gerade bei der Erprobung nicht immer zu leisten ist. So entsteht im Laufe des Lebenszyklus eines Versuchsfahrzeugs zunehmend eine Intransparenz über dessen aktuelle Konfiguration.
Dies wird verstärkt durch den steigenden Anteil an Fahrzeugen, die aus Gründen der
Kosteneinsparung im Rahmen der Entwicklung von mehreren Abteilungen sequentiell oder auch parallel genutzt werden.
Durch die Abhängigkeit der Fahrzeugeigenschaften von einer Vielzahl an Bauteilen
beeinflusst die mangelnde Transparenz des Bauzustandes die Bewertung und Aussagekraft im Rahmen von Testfahrten ermittelter Kennwerte wesentlich. Dies hat zur
Konsequenz, dass Fehler beziehungsweise Eigenschaftszusammenhänge eventuell
erst verspätet im Entwicklungsprozess erkannt werden oder vor der Fahrzeugerprobung aufwendige Fahrzeugdemontagen zur Ermittlung der aktuellen Konfiguration
notwendig sind.
Durch die Möglichkeit der Identifikation von wesentlichen verbauten Komponenten
kann im Entwicklungsbereich eine deutliche Transparenzsteigerung erreicht werden,
indem vor jeder Fahrzeugnutzung oder -übergabe die Konfiguration eindeutig ermit93
telt wird. Dadurch kann für jede Fahrzeugerprobung eine fixe und transparente Ausgangssituation gewährleistet werden.
3.1.2 Produktion
Eine Kennzeichnung von Bauteilen mit RFID ermöglicht in der Produktion eine
durchgängige Nachvollziehbarkeit und Transparenz. Durch den Technologieeinsatz
können Fehlverbauraten und Dokumentationsaufwand gesenkt sowie die durchgängige Rückverfolgbarkeit von Bauteilen im Falle von Rückrufaktionen gewährleistet
werden.
Für die Erfassung der gekennzeichneten Bauteile im Sinne der Bauzustandsdokumentation existieren in der Produktion fünf Zeitpunkte:
a) Bei der Sequenzierung der Bauteile (nur bei einer Just-In-Sequence Bereitstellung)
b) Direkt bei der Bauteilentnahme aus der Bereitstellung an der Produktion
c) Vor dem Einbau in das Fahrzeug
d) Direkt nach dem Einbau in das Fahrzeug
e) Bei der Fahrzeugendkontrolle
Zur Vermeidung von Fehlverbauten und zur Eliminierung von Fehlerfolgekosten ist
eine Bauteilidentifizierung vor dem Verbau anzustreben (Variante (a) bis (c)). In
[GAU-05] ist eine analytische Berechnungsmethodik erarbeitet worden, mit deren
Hilfe die Mehrkosten bei einer verspäteten Erkennung von Fehlverbauraten je Arbeitstakt berechnet werden können.
Bei einer Anlieferung als Einzelteil ist dabei häufig auch eine Erfassung der isolierten
Komponente ausreichend, wodurch sich je nach Prozess hier auch optoelektronische
Verfahren wie der Data-Matrix Code anbieten. Beim Einsatz der RFID-Technologie
ergeben sich je nach Identifikationsszenario – beispielsweise mit Handheld –
schwerpunktmäßig Anforderungen aus dem Bereich der Kennzeichnung der Bauteile, da sich die Identifikation vergleichsweise einfach realisieren lässt. Denkbar wäre
hier auch ein Konzept mit einem RFID-Lesefeld vor der Bereitstelleinheit (analog einem Vorhang), so dass jedes entnommene Bauteil erfasst wird.
Bei einer Anlieferung als Modul hingegen gilt es die verbauten elementaren Einzelteile zu identifizieren, um als Hersteller die durchgängige Rückverfolgbarkeit der Bauteile und deren Dokumentation zu gewährleisten. Ist aus technischen beziehungsweise
wirtschaftlichen Gründen eine Kennzeichnung auf der Einzelteilebene nicht sinnvoll,
94
so ist ebenfalls eine Ausstattung des Moduls mit einem mobilen Datenträger und der
Zuweisung der Einzelteile zum Zusammenbau denkbar.
Durch die Erfassung der Bauteile vor dem Einbau kann aufgrund möglicher Fehler
des Werkers die richtige Zuweisung zum Fahrzeug nicht zu 100 % sichergestellt werden. Aus diesem Grund ist darüber hinaus eine Identifikation des Bauzustandes im
Rahmen der Endkontrolle anzustreben. Dazu muss der mobile Datenträger auch
nach dem Einbau des Bauteils im Fahrzeug erfasst werden können. Dies hat zur
Konsequenz, dass die zur Nachverfolgung und Dokumentation wesentlichen Komponenten generell mit einer Kombination aus Barcode und RFID gekennzeichnet
werden sollen. Dadurch kann je nach Prozess im Rahmen des Einbaus bei Bedarf
auf eine optoelektronische Erfassung zurückgegriffen werden.
3.1.3 Fahrzeugservice
Die zahlreichen Varianten und die ständige Weiterentwicklung der Bauteile im laufenden Serienbetrieb bedingen in der Wartung und Reparatur von Fahrzeugen eine
hohe Komplexität. Dadurch ist im Schadensfall oftmals eine Zerlegung des Fahrzeugs notwendig, um das benötigte Ersatzteil zu ermitteln. So entsteht ein erhöhter
Zeitbedarf und Aufwand im Vorfeld der Reparatur. Zudem kann der Kunde das Fahrzeug – falls es fahrfähig ist – bis zum Eintreffen des Ersatzteils nicht weiternutzen.
Verstärkend kommt hinzu, dass die Unterschiede zwischen den Bauteilvarianten und
-weiterentwicklungen oftmals optisch nur schwer zu erkennen sind, wodurch sich
selbst bei einer vorangegangen Fahrzeugzerlegung die Gefahr von Falschbestellungen und dadurch Reparaturverzögerungen ergibt.
Durch die Möglichkeit der Identifikation von verbauten Komponenten und der dadurch eindeutigen Identifikation des auszutauschenden Bauteils könnte der Prozess
der Fahrzeugwartung somit sicherer und effizienter gestaltet werden. Zudem ergeben sich aufbauend auf der RFID-Kennzeichnung von Bauteilen zukünftig im Bereich
der Wartung weitere Szenarien zur Feststellung von verbauten nicht zertifizierten
Ersatzteilen und Plagiaten.
3.2
Konzept der RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation
Im Fokus der Arbeit steht die Qualifizierung der RFID-Technologie für die Identifikation von im Fahrzeug verbauten Komponenten. Die Gestaltung der dazugehörigen
Prozesse sowie die notwendigen organisatorischen Änderungen sind zwar für die
95
erfolgreiche Einführung und Umsetzung unabdingbar, sind aber zusätzlich im Rahmen der Arbeit nicht entwickelbar und müssen gezielt durch weitere Forschungsarbeiten betrachtet werden. Im Folgenden wird daher der Fokus auf ein technisches
Grobkonzept hinsichtlich Datenhaltung und Teilekennzeichnung sowie zur Identifikation der verbauten Bauteile gelegt, um im weiteren Verlauf der Arbeit die Anforderungen für die RFID-Technologie sowie die Handlungsfelder zur weiteren Technologiequalifizierung zu identifizieren.
3.2.1 Bauteilkennzeichnung
Um eine eindeutige Identifizierung der Bauteile über den gesamten Lebenszyklus zu
gewährleisten, ist eine direkte Kennzeichnung auf Bauteilebene anzustreben.
Aufgrund der Vielzahl von Fahrzeugkomponenten und deren Größe ist aber aus wirtschaftlichen und technischen Gesichtspunkten nicht jedes Bauteil direkt kennzeichenbar. Erfolgt die Anlieferung als Modul und ist eine durchgängig transparente
Wertschöpfungskette gegeben, so kann die Kennzeichnung auch auf der Ebene der
Zusammenbauteile geschehen. Die Einzelteile des Moduls sind dabei während des
Herstellungsprozesses dem Modul eindeutig zuzuweisen.
Somit muss generell eine Auswahl von zu kennzeichnenden Bauteilen beziehungsweise Modulen auf Basis von organisations- und prozesstechnischen Aspekten getroffen sowie die Kennzeichnungsebene festgelegt werden.
Ausgangspunkt sollte dabei immer die Definition der zu verfolgenden Bauteile sein.
Die Ebene der Kennzeichnung kann dann in einem darauf folgenden Schritt festgelegt werden. Von besonderem Interesse sind dabei Fahrzeugkomponenten, die die
Eigenschaften, den Komfort oder die Sicherheit des Fahrzeugs maßgeblich beeinflussen. Generell auf der Bauteilebene zu kennzeichnen sind dokumentationspflichtige Bauteile.
Neben der Kennzeichnung der verfolgungsrelevanten Bauteile mit RFID ist zusätzlich
die Aufbringung eines Barcodes und einer Klarschrift in Form eines kombinierten Etiketts sinnvoll, um zum einen in Prozessschritten, bei denen das Bauteil vereinzelt ist
und es sich prozesstechnisch anbietet, eine Barcodeidentifizierung zu ermöglichen
und zum anderen mit Hilfe der Klarschrift die optische Bauteilidentifizierung und manuelle Kontrolle durch den Werker zu ermöglichen (vgl. Abbildung 3-2).
96
Abbildung 3-2: Beispielhafte Kennzeichnung eines Versuchsbauteils mit einem kombinierten
Klarschrift/Barcode/RFID-Etikett
Als Auswahlregeln für verfolgungsrelevante Bauteils mit RFID lassen sich unter anderem folgende Kriterien festlegen:
•
Bauteil beeinflusst in einem hohen Maß die Fahreigenschaften des Fahrzeugs
•
Bauteil beeinflusst in einem hohen Maß die Sicherheit des Fahrzeugs
•
Bauteil beeinflusst in einem hohen Maß den Komfort des Fahrzeugs
•
Ausfall des Bauteils führt zu sicherheitskritischen Situationen
•
Hohe Fehlverbauraten in der Produktion
•
Häufung von fehlerhaften Lieferungen des Lieferanten
•
Hohe Änderungswahrscheinlichkeit des Bauteils
•
Gefahr von Qualitätsmängeln
•
Kritischer Bauteilherstellungsprozess
•
Bauteil war Ursache für Kundenreklamationen bzw. Rückrufaktionen
•
Bauteil ist durch gesetzliche bzw. versicherungsseitige Vorgaben dokumentationspflichtig
Die Aufstellung und Beurteilung der Kriterien ist dabei von Experten aus der Entwicklung, Produktion und Vertrieb in einer Expertendiskussion durchzuführen und muss
individuell für jede Modellreihe festgelegt werden. Hierbei sind feste Bewertungskriterien zu vereinbaren. Da der Schwerpunkt der Arbeit in der Entwicklung von technischen
Konzepten
liegt,
ist
in
Abbildung
3-3
nur
beispielhaft
ein
Grob-
Vorgehensmodell zur Bauteilauswahl dargestellt.
97
ja
Bauteil ist
dokumentationspflichtig
nein
ja
Bauteil
erfüllt mind. 1 Anforderung
zur Einzelteilkennzeichnung
in sehr hohem
Maße
nein
Bauteil
erfüllt mind. 1 Anforderung zur
Einzelteilkennzeichnung in
hohem Maße
ja
nein
nein
Anlieferung als Modul
ja
nein
Durchgängig
transparente Wertschöpfungskette
mit Zuweisung der Einzelteile
zum Modul
ja
Verfolgungsrelevant auf
Einzelteilebene
Verfolgungsrelevant auf
Modulebene
Nicht verfolgungsrelevant
Abbildung 3-3: Grobe Methodik zur Auswahl von kennzeichnungsrelevanten Bauteilen
Auf Basis der Theorie können Komponenten, die komplett von Metall umschlossen
sind, wie beispielsweise Motor- oder Getriebeinnenbauteile, generell nicht mit RFID
gekennzeichnet werden. Dies ist nur über die Kennzeichnung als Modul zu lösen.
Des Weiteren bilden auch die Bauteile der Abgasanlage eine Sondergruppe, da diese bis zu 400° C heiß werden, und dadurch nicht mit Hilfe der Technologie gekennzeichnet werden können.
98
Als Beispiele für kennzeichnungsrelevante Bauteile können Komponenten aus den
Bereichen
•
Aggregatelagerung (Hilfsrahmen, Motorlager, Getriebelager etc.),
•
Fahrwerk (Querlenker, Stabilisator etc.),
•
Sicherheitsrelevante Verkleidungen im Innenraum (B-Säule etc.) und
•
Komfortrelevante Bauteile im Innenraum (Aktuatoren etc.)
angeführt werden.
Für die Kennzeichnung auf Modulebene eignen sich beispielsweise Zusammenbauteile aus den Bereichen
•
Antriebsstrang (Motor, Getriebe etc.),
•
Insassenschutz (Fahrerairbag, Kopfairbag etc.) und
•
Komfortrelevante Bauteile im Innenraum (Sitz etc.).
3.2.2 Bauteilerfassung
Ziel der RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation ist die Identifikation verbauter
Bauteile im Fahrzeug. Die zugrunde liegende Vision ist entsprechend der Abbildung
3-4 eine Erfassung der mobilen Datenträger bei der Durchfahrt des Fahrzeugs durch
ein Gate.
Abbildung 3-4: Vision der RFID-gestützen Bauzustandsdokumentation
Dieses Szenario wird im Folgenden als „geschlossenes Fahrzeug scannen“ bezeichnet, ist aber bedingt durch die physikalische Abschirmung und die fast durchgängig
geschlossenen Oberfläche des Fahrzeugs, die eine Faradayschen Käfig darstellt
(vgl. Kapitel 2.5.6), bereits in der Theorie nicht möglich. Zudem würden für diese Realisierung selbst bei einer durchlässigen Karosserie Lesereichweiten von generell
mehr als 2 m benötigt werden. Diese sind aber insbesondere aufgrund der heraus99
fordernden physikalischen Rahmenbedingungen nicht zu gewährleisten. Dadurch
sind im vorliegenden Einsatzfall Lesekonzepte zur Identifikation von verbauten Komponenten notwendig, bei denen die Antenne nahe am Bauteil positioniert wird.
Die technisch einfachste Realisierungsmöglichkeit einer RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation ist die Erfassung der Bauteile vor dem Einbau. Dadurch ist
aber die zentrale Bedingung der Bauteilidentifikation im verbauten Zustand nicht erfüllt und aus Sicht der Erfassung ist kein Mehrwert gegenüber der BarcodeIdentifikation vorhanden.
Zwischen diesen beiden Extremszenarien der Bauteilidentifikation ergeben sich entsprechend Abbildung 3-5 zwei Mischformen, die das Potenzial haben, die RFIDgestützte Bauzustandsdokumentation zu ermöglichen.
Vision
„geschlossenes
Fahrzeug scannen“
„offenes
Fahrzeug scannen“
„Scanpunkte“
„Teileidentifikation“
Technologiesicherheit
aut. Identifikation unabhängig vom menschl. Pflegeverhalten
Abbildung 3-5: Erfassungskonzepte zur Identifikation von Bauteilen in der Automobilindustrie
3.2.2.1 Szenario „offenes Fahrzeug scannen“
Das Erfassungsszenario „offenes Fahrzeug scannen“ sieht vor, dass die Identifikation der Komponenten manuell mit Hilfe einer Einzelantenne bei stehendem Fahrzeug, geöffnetem Motorraum sowie geöffneter Türen und geöffneter Heckklappe
erfolgt. Dadurch kann die Antenne sehr nah an den jeweiligen gekennzeichneten
Bauteilen vorbei geführt werden und die Lesewahrscheinlichkeit wird erheblich ver100
bessert (vgl. Abbildung 3-6). Zudem kann durch eine Rückmeldung der erfassten
Bauteile an den Bediener und durch mehrmaliges Überstreichen der kritischen Partien eine hohe Lesesicherheit erreicht werden.
Abbildung 3-6: Szenario „Offenes Fahrzeug scannen“
Im Vergleich zum technisch nicht realisierbaren Szenario „geschlossenes Fahrzeug
scannen“ steigt der manuelle Aufwand, aber speziell im Innenraum ist die Erfassung
der Bauteile durch das Konzept technisch realisierbar. Im Bereich des Motorraums
hingegen ist trotz der geöffneten Motorklappe der Abstand zu den gekennzeichneten
Bauteilen, beispielsweise den Motornebenaggregaten, sehr groß, und die technische
Machbarkeit muss aufgrund der theoretisch nicht bewertbaren Reflexionseffekte im
praktischen Versuch detailliert evaluiert werden.
Dieses Konzept ist langfristig in der Produktion mit Hilfe eines Roboters automatisierbar, wodurch sich der manuelle Aufwand reduzieren lässt.
3.2.2.2 Szenario „Scanpunkte“
Beim Szenario „offenes Fahrzeug scannen“ wird mit Hilfe einer handelsüblichen
RFID-Antennen gearbeitet, die sich durch eine Größe von circa 30 x 30 cm auszeichnet. Diese Bauform ist daher nicht geeignet, um in engen Fahrzeugbauräumen,
wie beispielsweise im Motorraum, aber auch bei Sensoren und Aktuatoren unter dem
Sitz nahe an das zu identifizierende Objekt zu gelangen. Aus diesem Grund ist im
Rahmen der Arbeit das Erfassungsszenario „Scanpunkte“ erarbeitet worden. Dies
zeichnet sich durch die Verwendung einer sehr kompakten Antenne aus, die in die
101
engen Bauräume eingebracht und nah an den jeweiligen Bauteilen platziert werden
kann (vgl. Abbildung 3-7).
Abbildung 3-7: Szenario „Scanpunkte“
Relativ zum Szenario „offenes Fahrzeug scannen“ erhöht sich der Aufwand zur Bauteilerfassung. Durch die Möglichkeit, die Antenne nahe am Bauteil zu positionieren,
ist eine hohe Lesewahrscheinlichkeit erreichbar.
Als Einsatzgebiet für das Erfassungskonzept ist vorwiegend der Motorraum zu nennen. Da derzeit für das Szenario keine geeignete Antennenbauform auf dem Markt
erhältlich ist, wird eine Konzeptentwicklung für die Antenne erforderlich.
Das Verfahren ist darüber hinaus analog zum vorhergehenden Szenario langfristig
mit Hilfe eines Roboters automatisierbar.
3.2.2.3 Zusammenfassung und Fazit
Mit den Szenarien „offenes Fahrzeug scannen“ und „Scanpunkte“ liegen Erfassungskonzepte für im Fahrzeug verbaute und mit RFID gekennzeichnete Bauteile vor, die
aus theoretischer Sicht Chancen für eine hohe Leserate im vorliegenden Anwendungsfall bieten. Durch den beträchtlichen Aufwand einer Identifikation mit Hilfe einer
kompakten Antenne und so genannten Einstichpunkten ist eine Bauteilerfassung mit
einer handelsüblichen Patchantenne vorzuziehen. Dabei ist aber speziell die Erfassung von Bauteilen im Motorraum durch den konzeptbedingten relativ großen Abstand zwischen Bauteil und Transponder beim Szenario „offenes Fahrzeug scannen“
nicht zwangsweise gegeben. Deshalb muss in praktischen Evaluierungen gezeigt
werden, wie leistungsfähig das Konzept ist und in wie weit die Identifikation mit Hilfe
des Szenarios „Scanpunkte“ unterstützt werden kann.
102
3.2.3 Datenhaltung
Für die Realisierung einer durchgängigen Teileverfolgung und Bauzustandsdokumentation gibt das Konzept zur Datenhaltung wesentliche Anforderungen an die
Leistungsfähigkeit des RFID-Systems vor. Entscheidend ist festzulegen, welche Daten zentral in einem IT-System beziehungsweise dezentral auf dem mobilen Datenträger gehalten werden sollen.
Die nicht bindende VDA-Empfehlung 5005 „Vor- und Rückverfolgbarkeit von Fahrzeugteilen und Identifizierbarkeit ihrer technischen Ausführung“ schlägt vor folgende
Daten auf der technischen Kennzeichnung zu speichern [VDA-05]:
•
Weltweit eindeutige Lieferantenkennung
•
Serialnummer des Lieferanten
•
Sachnummer mit Änderungsstand
Speziell unter dem Gesichtpunkt des Datenschutzes ist die dezentrale Datenhaltung
aber zur Anwendung in der automatischen Bauzustandsdokumentation nicht geeignet, da die Daten auf dem mobilen Datenspeicher bei Verbleib am Bauteil jederzeit
ausgelesen werden können.
Durch kryptografische Maßnahmen können die Daten nicht geschützt werden, da
dazu ein komplexer Mikrochip mit hohem Energiebedarf eingesetzt werden müsste,
wodurch die Leistungsfähigkeit des Gesamtsystems stark vermindert würde (vgl. Kapitel 2). Ebenfalls ergibt sich durch die dezentrale Speicherung der Daten auf dem
mobilen Datenspeicher im Bereich der Bauzustandsdokumentation kein Vorteil, da
alle Daten zur Dokumentations- und Rückverfolgbarkeitszwecken auch aus rechtlichen Gründen zentral gehalten werden müssen. Somit würde lediglich eine redundante Datenhaltung entstehen.
Anders ist dies bei einer ausschließlichen Fokussierung auf den abgeschlossenen
Produktionsprozess. Hier erhöht eine dezentrale Datenspeicherung die Prozesssicherheit durch die Unabhängigkeit von einem zentralen IT-System.
Aus den oben genannten Gründen ist daher für die Bauzustandsdokumentation die
Datenhaltung entsprechend des EPC-Standards anzustreben. Dieser sieht vor, auf
dem Transponder lediglich eine eindeutige Nummer zu speichern und alle bauteilspezifischen Daten entsprechend Abbildung 3-8 zentral zu halten (vgl. Kapitel 2.6.4).
103
• Teilespezifische Daten
• Identifizierende Nummer (96 Bit)
Teilenummer
Versuchsnummer
Zeichnungsstand
etc.
Abbildung 3-8: Zentrale Datenspeicherung für die Rückverfolgbarkeit der Bauteile
Darüber hinaus steht bei der Verwendung des EPC-Codes bereits ein IT-Netzwerk
zur weltweiten Rückverfolgbarkeit der Bauteile zur Verfügung. Für die Durchsetzung
des EPC in der Automobilindustrie spricht zudem der Beitritt der Daimler AG in das
Netzwerk, so dass davon auszugehen ist, dass andere große Hersteller folgen werden. Durch die zentrale Datenhaltung ergibt sich zudem eine erhöhte Leistungsfähigkeit des RFID-Systems (vgl. Kapitel 2.6.4).
Im EPC-Standard ist bereits ein Nutzerspeicher vorgesehen, der für Produktionsdaten genutzt werden könnte. Dieser ist nach der obigen Argumentation beim Verbau
des Bauteils zu löschen.
Zusammenfassend ist für den Einsatz der RFID-Technologie im Bereich der Bauzustandsdokumentation die Speicherung einer eindeutigen Identifikationsnummer auf
dem Transponder ausreichend. Trotzdem sollte für die Speicherung von Produktionsinformationen ein Nutzspeicher vorhanden sein, der auf Basis von Expertendiskussionen aus der Automobilindustrie 512 Bit betragen sollte.
3.3
Konzept zur Einführung der RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation
Der Kostendruck und die Anforderungen an die Prozesssicherheit sind im Bereich
der Serienproduktion sehr hoch. Aus diesem Grund ist es auf Basis der derzeitigen
Rahmenbedingungen und Bauteilkosten nicht wirtschaftlich, Einzelteile in der Serie
mit RFID zu kennzeichnen [STR-05]. In der Automobilindustrie wird sich erst durch
eine weitere Reduktion der Produktionskosten von mobilen Datenspeichern bei
gleichzeitiger Generierung von Optimierungspotenzialen über alle Wertschöpfungsstufen ökonomisch ein rentabler Return of Invest (ROI) im Produktionseinsatz erge-
104
ben. Dieser wird sich in einem ersten Schritt bei dokumentations-, eigenschaftsverantwortlichen und sicherheitskritischen Bauteilen realisieren lassen.
[STR-05] hat beispielsweise bei der RFID-Kennzeichnung von Reifen trotz innerbetrieblicher Einsparungen von 0,145 € pro Transponder und Einsparungen im Bereich
der Datenerfassung und Dokumentation einen zusätzlichen Kostenüberhang von
0,365 € ermittelt. Ein Einsatz in mehreren Stufen der Wertschöpfungskette ist aufgrund der mangelnden Standardisierung derzeit mit einem erhöhten Abstimmungsaufwand und einer fehlenden Investitionssicherheit verbunden (vgl. Kapitel 2.6).
Zusammenfassend ist dadurch der Einsatz von RFID im Bereich der Produktion derzeit nicht wirtschaftlich oder nur in Einzelfällen sinnvoll, in denen sich hohe Potenziale im Bereich der Erfassung, Dokumentation oder Qualitätssteigerung heben lassen.
Im Entwicklungsbereich hingegen lässt sich ein größerer finanzieller Nutzen durch
die wesentlich höheren Bauteilkosten, aufgrund der Einzelfertigung, und der im Vergleich zur Serie ungeführteren und dadurch intransparenteren Prozesse erreichen.
Speziell durch die stetige Bauteilweiterentwicklung, die dadurch bedingte Vielzahl
von Bauteilständen und den damit verbunden dynamischen Umbauprozessen im
Rahmen der Eigenschaftsentwicklung ist der Dokumentationsaufwand erheblich.
Gleichzeitig ist eine hohe Aussagekraft der Versuchsergebnisse nur gegeben, wenn
diese den betroffenen Bauteilständen eindeutig zugewiesen werden können. Durch
eine Annahme von falschen Bauteilständen oder durch eine notwendige Zerlegung
des Fahrzeugs entstehen hohe Kosten, die mit Hilfe der automatischen Erfassung
von verbauten Komponenten vermieden werden könnten. In der Entwicklung sind
zudem die Anforderungen an die Prozesssicherheit und Erfassungsdauer im Vergleich zum Serienbetrieb wesentlich niedriger. In der Serie ist eine 100 %-ige Technologieverfügbarkeit Voraussetzung für den wirtschaftlichen Einsatz, im Bereich der
Entwicklung hingegen können auch längere oder mehrmalige Erfassungsvorgänge in
Kauf genommen werden.
Aus diesem Grund ist die Einführung der RFID-Technologie aus wirtschaftlichen und
auch als technologischen Gründen in der Entwicklung anzustreben. Die Technologie
kann dann auf Basis von Technologie- und Preisentwicklung Schritt für Schritt in die
aus Prozesssicht anforderungskritischere Serienproduktion über die Produktionsvorserie (PVS) beziehungsweise 0-Serie integriert werden (vgl. Abbildung 3-9).
105
Des Weiteren werden durch den Einsatz der Technologie im Bereich der Entwicklung
wertvolle Erfahrungen gewonnen, die den erfolgreichen Einsatz der Technologie in
der Serie erleichtern.
Einsatz im
Prototypenbereich
Einsatz in
PVS und
0-Serie
Einsatz
im
Serienbereich
Zeit t
Abbildung 3-9: Einführungsstrategie für die RFID-Technologie in das Unternehmen
3.4
Festlegung von Referenzbauteilen
Wie oben beschrieben, lassen sich nicht alle Bauteile aufgrund wirtschaftlicher und
technischer Randbedingungen mit RFID kennzeichnen.
Zur Definition der Anforderungen an die maximalen Abmaße der mobilen Datenträger und zur späteren Evaluierung der Leistungsfähigkeit der RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation wurden im Rahmen der Arbeit in Arbeitskreisen Referenzbauteile definiert, die sich durch verschiedene
•
Werkstoffe und
•
Verbauorte
auszeichnen.
Hinsichtlich ihres Werkstoffs und dessen Beeinflussung der Leistungsfähigkeit von
RFID-Systemen (vgl. Kapitel 2) lassen sich die Fahrzeugbauteile entsprechend
Abbildung 3-10 in drei Kategorien einteilen.
106
Kunststoff
Elastomer
Metall
Wichtige Bauteilgruppen:
- Verkleidungen
- Dichtungen
- Antriebsstrang
- Innenraumbauteile
- Verschlauchung
- Fahrwerk
Abbildung 3-10: Einteilung der Fahrzeugbauteile nach Werkstoffgruppen
Bezogen auf die Bauteillage lassen sich die zwei Bereiche
•
Motorraum/Unterflur und
•
Innenraum
unterscheiden.
Insgesamt wurden 40 Bauteile aus dem Motorraum und Unterflurbereich sowie dem
Innenraum und den drei Werkstoffgruppen ausgewählt, wodurch die Selektion der
Bauteile als repräsentativ betrachtet werden kann. Dadurch sind die Anforderungen
wie auch die in den folgenden Kapiteln dokumentierte Evaluierung der Leistungsfähigkeit auf den allgemeinen Einsatz der Technologie zur Bauzustandsdokumentation
übertragbar.
In Abbildung 3-11 sind die ausgewählten Bauteile aufgelistet. Aufgrund der komplexeren Umgebungsbedingungen und der Vielzahl an metallischen Bauteilen stammen
22 der 40 gekennzeichneten Bauteile aus dem Bereich Motorraum und Fahrzeugunterflur.
107
Vorderwagen/Unterflur
Motorraum / Unterflur
Zelle
Innenraum
/ Innenraum
Motor / Nebenaggregate / Antriebsstrang
Motor (m)
Generator (m)
Vakuumpumpe (m)
Klimakompressor (m)
Anlasser (m)
Getriebe (m)
Ladeluftkühler
Aggregatelagerung
Motorlager
Motorlagerkonsole (m)
Motorstütze (m)
Hilfsrahmen (m)
Motorkühlung / -schmierung
Kühlerlüfter
Ölwanne (m)
Bremssystem
Bremskraftverstärker (m)
Leuchten
Scheinwerfer
Verschlauchung
Luftschlauch Ladeluftkühler
Fahrwerk
Dämpferbein (m)
Führungslenker (m)
Schwenklager (m)
Stabilisator (m)
Karosserie
Rohkarosserie (m)
Pralldämpfer Stossfänger (m)
Verkleidungen
Verkleidung A-Säule oben
Verkleidung A-Säule unten
Formhimmel
Innenausstattung Tür
Türverkleidung
Motor Fensterheber
Seitenaufprallverstärkung
Sitze
Sitzwanne (m)
Grundkörper Lehne (m)
Schaumteil Sitzwanne
Motor für Sitzlängsverstellung (m)
Insassenschutz
Beifahrerairbag (m)
Kopfairbag (m)
Gurtstraffer
Heizung
Wärmetauscher
Lenkung
Lenksäule (m)
Dichtungen
Fahrertürdichtung
Cockpit
Schalttafel
Kraftstoffanlage
Kraftstoffbehälter
(m) = Bauteile aus Metall
Abbildung 3-11: Repräsentative Bauteile für die Bauzustandsdokumentation
3.5
Anforderungen an die RFID-Technologie
Die technischen Anforderungen für den Einsatz der RFID-Technologie in der Bauzustandsdokumentation lassen sich in drei Gruppen einteilen:
•
Anforderungen an die Bauteilkennzeichnung
•
Anforderungen an die Bauteilerfassung
•
Anforderungen zur Langzeitstabilität
Des Weiteren existieren auch wirtschaftliche Rahmenbedingungen. Für deren Berücksichtigung ist eine konkrete Prozessbetrachtung und -gestaltung sowie eine Potenzialabschätzung über die gesamte Wertschöpfungskette erforderlich. Dies kann
im Rahmen der Arbeit, aufgrund des technischen Fokus, nicht geleistet werden und
wird demzufolge hier vernachlässigt und muss im Rahmen einer weiterführenden
Forschungsarbeit gesondert betrachtet werden.
108
3.5.1 Anforderungen an die Bauteilkennzeichnung
Für den Einsatz der RFID-Technologie zur Kennzeichnung von Bauteilen und deren
Erfassung im verbauten Zustand sind aus technischer Sicht zahlreiche Anforderungen zu berücksichtigen. Zentrale Voraussetzung ist dabei, dass durch die Kennzeichnung die Eigenschaften des Fahrzeugs nicht verändert werden dürfen. Auf
dieser Basis ergeben sich Forderungen an das Gewicht und die Höhe des mobilen
Datenträgers.
In Absprache mit Experten aus der Automobilindustrie sind dabei eine Aufbauhöhe
von weniger als 1 mm und ein Gewicht von maximal 6 g pro Transponder anzustreben. Speziell im Motorraum würde sich beispielsweise durch eine größere Aufbauhöhe eine Veränderung der Motorraumströmung und dadurch der Motorkühlung
ergeben.
Des Weiteren müssen die eigenschaftsbestimmenden Bauteile am Fahrzeug unabhängig vom Werkstoff gekennzeichnet werden können (vgl. Werkstoffgruppen in
Abbildung 3-10). Analysiert man aber die Geometrie und Flächen der im Kapitel 3.3
ausgewählten repräsentativen Bauteile eines Fahrzeugs im Bereich des Fahrwerks,
des Antriebsstrangs und des Innenraums, so ergibt sich durch die zumeist längliche
Ausdehnung der Komponenten die Forderung nach einer länglichen Form des
Transponders mit Abmaßen von unter 100 x 20 mm. Da viele Bauteile aber nicht über eine planare Fläche in diesen Dimensionen verfügen, muss zudem die Aufbringung des Datenträgers auf gekrümmten Flächen möglich sein.
Aus Sicht der Datenspeicherung ergibt sich auf Basis des erläuterten Konzepts zur
Datenhaltung die Anforderung, dass für den Einsatz in der Bauzustandsdokumentation lediglich eine eindeutige Nummer gespeichert werden muss. Um aber darüber
hinaus das Potenzial für einen weiteren Einsatz in der vorhergehenden Logistik- und
Produktionskette zu ermöglichen, ist ein Nutzspeicher von 512 Bit, und damit von 64
Zeichen, anzustreben.
Als generelle Anforderung an die Technologie müssen die Transponder darüber hinaus für den vorliegenden Anwendungsfall pulkfähig, wiederbeschreibbar, weltweit
einsetzbar und zukunftsfähig sein.
Zusammenfassend ergeben sich für die Kennzeichnung von im Fahrzeug verbauten
Bauteilen mit Hilfe der RFID-Technologie folgende in Tabelle 3-1 dargestellte Anforderungen.
109
Tabelle 3-1: Anforderungen an die RFID-Technologie zur Kennzeichnung von
Fahrzeugbauteilen
Anforderung
Wert
Generelle Anforderungen
Pulkfähigkeit
Zukunftsfähig
Wiederbeschreibbar
Weltweit einsetzbar
---------
Applikationsuntergrund
Metall
Kunststoff
Elastomer
-------
Geometrie
Länge
Breite
Höhe
< 100 mm
< 20 mm
< 1 mm
Gewicht
Anbringung
Applizierung auf gekrümmten Flächen
Speicherbedarf
Eindeutige Nummer zur Bauteilidentifizierung
Nutzspeicher für die Produktion
<4g
---
96 Bit
512 Bit
3.5.2 Anforderung an die Bauteilerfassung
Die Erfassung von verbauten Komponenten gestaltet sich aufgrund der herausfordernden metallischen Fahrzeugumgebung äußerst schwierig. Deshalb sind im Rahmen der Arbeit mit den Identifikationskonzepten „offenes Fahrzeug scannen“ und
„Scannpunkte“ zwei Szenarien erarbeitet worden, die das Potenzial haben die Erfassung der verbauten Bauteile gewährleisten zu können.
Als Forderung ist dabei eine Leserate von 100 % bezogen auf die ausgewählten
Bauteile mit Hilfe eines Erfassungskonzepts oder durch die Kombination der beiden
Konzepte sicher zu stellen. Durch die repräsentative Auswahl der Bauteile hinsichtlich Lage und Werkstoff kann darauf aufbauend das Ergebnis auf alle Fahrzeugbauteile –mit Ausnahme der Komponenten der Sondergruppen Abgasanlage und
metallischumschlossen verbaute Bauteile – übertragen werden.
Betrachtet man den zu realisierenden Abstand zwischen den Referenzbauteilen und
der Leseantenne bei den beiden Identifikationskonzepten, so ergeben sich die in
110
Tabelle 3-2 dargestellten Anforderungen an die Lesereichweite für das RFID-System.
Die Antennengröße bedingt dabei beim Identifikationsszenario „offenes Fahrzeug
scannen“ vor allem im Bereich des Motorraums Abstände von bis zu 1m zum Bauteil,
da die Antenne nicht in den Motorraum eingebracht werden kann.
Tabelle 3-2: Anforderungen an die RFID-Technologie zur Erfassung von verbauten Bauteilen
Anforderung
Leserate
Wert
100%
Szenario "offenes Fahrzeug scannen"
Reichweite Innenraum
Reichweite Motorraum
~ 0,5 m
~1m
Szenario "Scanpunkte"
Reichweite Motorraum
~ 0,2 m
3.5.3 Anforderungen an die Langzeitstabilität
Neben den technischen Anforderungen zur Kennzeichnung und Erfassung der mobilen Datenträger ergeben sich zahlreiche weitere Forderungen, die den Verbleib der
Transponder am Bauteil während des gesamten Produktlebenszyklus betreffen. Die
durchschnittliche Fahrzeuglebensdauer beträgt 12-15 Jahre [EUR-07], wodurch beim
Einsatz der RFID-Technologie in der Serie die Funktionalität des Transponders mindestens für diesen Zeitraum gewährleistet sein muss.
Dabei treten insbesondere im Motorraum und Unterflur des Fahrzeugs große thermische, mechanische und chemische Belastungen auf. Im Innenraum hingegen sind
die Belastungen geringer, so dass diese unter den Anforderungen an die RFIDTechnologie in den regulären Anwendungsfällen in der Logistik – beispielsweise im
Behältermanagement – liegen. Somit sind die kritischen Rahmenbedingungen für die
Langzeitstabilität im Motorraum beziehungsweise Unterflur zu finden.
Für die Langzeitstabilität der mobilen Datenträger ergeben sich folgende in Tabelle
3-3 dargestellten Anforderungen.
111
Tabelle 3-3: Anforderungen an die Langzeitstabilität der mobilen Datenträger
Anforderung
Lebensdauer
Temperaturstabilität
Innenraum
Motorraum
Hohe Temperaturwechselstabilität
Mechanische Stabilität
Vibrationsstabilität (Motorraum)
Dehnstabilität (Elastomer)
Stabilität gegen Steinschläge (Unterflur)
Wert
> 15 Jahre
100° C
180° C
–40° C bis 180° C
bis zu 20 g
-----
Chemische Stabilität
Beständigkeit gegen Schmierstoffe (Motorraum)
Beständigkeit gegen Salzwasser
(Motorraum/Unterflur)
-----
Aufgrund der Komplexität und Intensität der Belastungen ist neben dem Nachweis
der Stabilität mittels genormter Prüfverfahren (DIN IEC 68) eine Integration der
Transponder in Dauerlauf- und Belastungsuntersuchungen in der Fahrzeugentwicklung anzustreben, um die Erfüllung der Langzeitstabilität sicher zu stellen.
Bereits unter anderen Rahmenbedingungen durchgeführte Belastungsuntersuchungen durch [IBF-04] zeigen aber, dass handelsübliche Smart-Labels das Potenzial
haben, die mechanischen und chemischen Anforderungen zu erfüllen. Zusätzlich
kann durch speziell beschichtete Trägermaterialien die Stabilität verbessert werden,
da diese in der Regel das schwächste Glied im Gesamtsystem des Transponders
darstellen.
Hinsichtlich der thermischen Belastungen sind bereits Transponder in Etikettenform
mit spezifischen Trägermaterialien auf dem Markt, die einer Belastung von 200° C für
eine Stunde standhalten [SRE-08], so dass auch die Forderung nach einer Temperaturstabilität bis 180° C durch Wahl eines geeigneten Trägermaterials erfüllbar
scheint.
Die Evaluierung der Langzeitstabilität der mobilen Datenträger ist aber nur mit intensiven praktischen Tests zu realisieren und erfordert gegebenenfalls eine weitere
Technologiequalifizierung. Dies ist im Rahmen der Arbeit nicht zu leisten und muss
mit Hilfe von nachfolgenden Forschungsarbeiten detailliert untersucht werden.
112
3.6
Festlegung der Energieversorgung und der Arbeitsfrequenz
Auf Basis der im vorherigen Abschnitt aufgestellten Anforderungen gilt es im Folgenden die beiden für die Leistungsfähigkeit des RFID-Systems charakteristischen
Merkmale Energieversorgung und Arbeitsfrequenz (vgl. Kapitel 2.3) festzulegen, damit im Anschluss die zentralen Handlungsfelder zur Technologiequalifizierung im
Anwendungsfall aufgezeigt werden können.
3.6.1 Energieversorgung
Die Forderung nach einer Aufbauhöhe von weniger als 1mm bei einem Gewicht unter 4 g bedingt zwangsläufig den Einsatz von passiven Datenträgern. Aktive
Transponder können durch die integrierte Batterie diese Anforderungen nicht erfüllen. Zudem besitzt die integrierte Energieversorgung eine begrenzte Lebensdauer,
die im vorliegenden Anwendungsfall nicht hinzunehmen ist (vgl. Kapitel 3.5.3.)
3.6.2 Arbeitsfrequenz
Aufbauend auf der in Kapitel 2 erläuterten Grundlagen existieren in allen vier Frequenzbereichen LF, HF, UHF und SHF passive Systeme, wodurch grundsätzlich hinsichtlich der Bauart alle für die RFID-gestützte Bauzustandsdokumentation geeignet
sind und in die Auswahl der Arbeitsfrequenz mit einbezogen werden.
Die im vorherigen Abschnitt ermittelten generellen Anforderungen und die Erwartungen an die Lesereichweite werden elementar durch die Arbeitsfrequenz bestimmt,
wodurch sie die entscheidenden Kriterien für die Auswahl darstellen.
Die Anforderungen hinsichtlich Speicherbedarf oder Baugröße werden durch den
applizierten Mikrochip beziehungsweise durch die Bauform bestimmt. Dadurch können sie für die Auswahl der Arbeitsfrequenz vernachlässigt werden.
Für die genannten zentralen Anforderungen ergibt sich dabei auf Basis der in Kapitel
2 erläuterten Grundlagen und Eigenschaften für die verschiedenen Frequenzbereiche, die in Tabelle 3-4 dargestellte Eignung für den Anwendungsfall
113
Tabelle 3-4: Eignung der verschiedenen Arbeitsfrequenzen für die RFID-gestützte Bauzustandsdokumentation
Pulkfähigkeit
Zukunftsfähig
Wiederbeschreibbar
Weltweit einsetzbar
LF
HF
UHF
SHF


+
++
+
+
++
++
++
++
++
+



++



++
+
+
++
++
++
++
++
++
Reichweite
> 0,2 m
> 0,5 m
>1m
Systeme aus dem LF-Frequenzbereich sind aufgrund der geringen Datenübertragungsrate und der daraus resultierenden geringen Leistungsfähigkeit unter anderem
nicht pulkfähig. Zudem sind diese Systeme im Regelfall nur auf geringe Reichweite
von wenigen Zentimeter ausgelegt, wodurch auch die Anforderung an die Lesereichweite nicht erfüllbar ist. Insgesamt kann die Frequenz durch ihre physikalisch
bedingt geringe Leistungsfähigkeit auch als nur eingeschränkt zukunftsfähig für den
logistischen Bereich betrachtet werden. Somit ist die LF-Frequenz für die Bauzustandsdokumentation nicht geeignet.
Ebenfalls nicht pulkfähig sind passive Systeme aus dem SHF-Bereich. Außerdem
müssen die gespeicherten Informationen durch die Fixcodierung auf dem Substrat
bereits bei der Transponderproduktion festgelegt werden. Die Transponder sind nicht
beschreibbar und deshalb für den Einsatz im Anwendungsfall nicht geeignet.
HF- und UHF-Systeme hingegen können alle für die Frequenzauswahl wesentlichen
Anforderungen erfüllen und sind prinzipiell für den Einsatz in der Bauzustandsdokumentation geeignet. Speziell die höhere Datenübertragungsrate und resultierende
leistungsfähigere Pulkfähigkeit sprechen für das größere Potenzial des UHFFrequenzbereichs vor allem auch in vorgelagerten logistischen Prozessen. Zudem
sind durch das elektromagnetische Kopplungsprinzip im Vergleich zum induktiven
HF-System größere Reichweiten zu erzielen, was insbesondere bei der Identifikation
von tief verbauten Komponenten eine Rolle spielt.
Ebenfalls für die UHF-Technologie sprechen die günstigeren Herstellungskosten, da
die Antenne mittels Druckverfahren produziert werden kann. Die aktuelle Marktsitua-
114
tion zeigt, dass sich die UHF-Technologie aufgrund der oben genannten Gründe
speziell im logistischen Bereich und bei der direkten Kennzeichnung von Produkten
vermehrt durchsetzt. So ist beispielsweise die Metro AG von ihrem ursprünglichen
Vorhaben, ihre Handelswaren langfristig mit HF-Transponder zu kennzeichnen, abgewichen und nutzt zukünftig die UHF-Technologie [LEB-08]. Ebenfalls auf die UHFTechnologie setzt der Verein der deutschen Automobilindustrie (VDA) bei seiner
Empfehlung für Behältermanagement [VDA-05a].
Insgesamt kann die UHF-Technologie als zukunftsträchtiger für die Einzelteilkennzeichnung beurteilt werden und ist somit die für den Einsatz in der Bauzustandsdokumentation am besten geeignete Frequenz.
3.7
Zentrale Herausforderungen und Handlungsfelder
Die RFID-gestützte Bauzustandsdokumentation steht vor zwei zentralen Herausforderungen:
•
Sämtliche kennzeichnungsrelevanten Bauteile müssen unabhängig von ihrem
Werkstoff gekennzeichnet werden.
•
Die Erfassung der gekennzeichneten Bauteile muss im verbauten Zustand ermöglicht sein.
3.7.1 Bauteilkennzeichung
Durch den direkten Einfluss des Applikationsuntergrunds auf den Transponder und
dessen Resonanzfrequenz legt dieser im Wesentlichen die Leistungsfähigkeit und
dadurch auch die Kennzeichnungsfähigkeit fest.
In Abbildung 3-12 ist beispielhaft die Auswirkung verschiedenster Applikationsuntergründe auf die Lesereichweite von passiven UHF-Systemen dargestellt.
115
Stoffdurchdringung
Abbildung 3-12: Lesereichweite von UHF-Systemen in Abhängigkeit von Applikationsuntergrund und Material in der Luftstrecke (Ausgangsreichweite 5,24 m) [MAN-06]
Im Fahrzeug lassen sich hinsichtlich des Werkstoffs der zu kennzeichnenden Bauteile entsprechend Abbildung 3-10 drei Gruppen bilden, für die jeweils ein Kennzeichnungskonzept gefunden werden muss: Kunststoff-, Elastomere- und Metallbauteile.
Für die Werkstoffgruppen Elastomere und Kunststoff existieren bereits Umsetzungen
auf dem Markt, so dass technische Konzepte für die Kennzeichnung dieser Materialien vorhanden sind.
Beispielhaft für Elastomere lässt sich der sogenannte „Tire Tag“ anführen. Dieser
wurde für die direkte Einvulkanisierung in Reifen und deren Nachverfolgbarkeit entwickelt.
116
Abbildung 3-13: Nachverfolgbarkeit von Reifen mit Hilfe der RFID-Technologie [PNE-09]
Kunststoff ist der Standard-Applikationsuntergrund beim RFID-Einsatz im Behältermanagement. Dieses Einsatzszenario ist bereits vielfältig wissenschaftlich untersucht
und im Rahmen von zahlreichen Umsetzungen in der Praxis angekommen [BAC-06,
DES-05, FLO-09, IML-09, RHE-08, RIB-09].
Während für Kunststoff- wie auch Elastomereobjekte auf dem Markt Transponder
verschiedenster Bauformen - unter anderem flache Smart Labels - existieren, ist die
direkte Kennzeichnung von Metall ohne Anpassung nicht möglich (vgl. Abbildung
3-12).
Hier existieren zwar einzelne Lösungen für spezifische Anwendungsfälle, die generelle Kennzeichenbarkeit von metallischen Gegenständen ist aber nicht gegeben.
Dem zu Folge fokussiert sich die Arbeit im Bereich der Bauteilkennzeichnung auf
technische Lösungskonzepte zur Kennzeichnung von metallische Bauteilen.
Dazu werden in Kapitel 4 die derzeit bekannten Möglichkeiten zur Kennzeichnung
metallischer Objekte und deren Leistungsfähigkeit aufgezeigt sowie für das vorliegende Einsatzszenario qualifiziert.
117
3.7.2 Bauteilerfassung im verbauten Zustand
Die technische Machbarkeit der Erfassung von mobilen Datenträgern in metallischer
Umgebung ist aufgrund deren Einfluss auf die Systemleistungsfähigkeit – verstärkt
durch die Entstehung von Leselöchern – nicht auf Basis theoretischer Überlegungen
nachzuweisen. Des Weiteren existiert im Rahmen der Forschung oder in der praktischen Umsetzung kein vergleichbares Projekt mit einer ähnlichen Komplexität. Aus
diesem Grund kann nicht auf einem bereits vorhandenen Wissensstand aufgebaut
werden. Somit gilt es die Leistungsfähigkeit und die mögliche Leserate aufbauend
auf den Kennzeichnungs- und Erfassungskonzepte detailliert im praktischen Test zu
evaluieren.
Dazu wird im Kapitel 5 die Leistungsfähigkeit des Szenarios „offenes Fahrzeug
scannen“ hinsichtlich der Erfassung von verbauten Bauteilen im Fahrzeug evaluiert,
während sich Kapitel 6 der Antennengestaltung und Evaluierung für das Szenario
„Scanpunkte„ widmet.
118
4 Kennzeichnung von metallischen Bauteilen
4
Kennzeichnung von metallischen Bauteilen
Ein Großteil der eigenschafts- und funktionsbestimmenden sowie sicherheitsrelevanten Bauteile im Fahrzeug bestehen aus Metall. Deshalb ist es zwingend erforderlich,
für den Einsatz der RFID-Technologie zur automatisierten Bauzustandsdokumentation die Applikation der Transponder auf Metall zu ermöglichen.
Für ein besseres Verständnis und als Grundlage für die Qualifizierung der RFIDTechnologie zur Kennzeichnung von metallischen Bauteilen werden zu Beginn dieses Kapitels die dabei wesentlichen physikalischen Einflüsse auf Basis der bereits
beschriebenen physikalischen Grundlagen erläutert. Darauf aufbauend erfolgt im
Anschluss eine Vorstellung von derzeit am Markt vorhandenen Konzepten zur Kennzeichnung leitfähiger Materialien sowie eine praktische Bewertung deren Leistungsfähigkeit. Auf Grundlage dieser Evaluierung und der ermittelten Anforderungen für
den Einsatz der Technologie im Bereich der Bauzustandsdokumentation wird ein geeignetes Konzept ausgewählt und weiter qualifiziert sowie die technische Machbarkeit bezogen auf die Anforderungen nachgewiesen.
Der Aufbau des Kapitels ist in Abbildung 4-1 zusammengefasst.
119
Theoretische Grundlagen zur Kennzeichnung
von metallischen Objekten
Kap. 4.1
Konzepte zur Kennzeichnung
von metallischen Objekten
Kap. 4.2
Evaluierung der Leistungsfähigkeit
Kap. 4.3
Konzeptauswahl zur Kennzeichnung von
metallischen Bauteilen
Kap. 4.4
Nachweis der technischen Machbarkeit
Kap. 4.5
Kap. 4.6
Abbildung 4-1: Aufbau des Kapitels Kennzeichnung von metallischen Bauteilen
4.1
Theoretische Grundlagen zur Kennzeichnung von metallischen Objekten
Die physikalischen Rahmenbedingungen bei der Kennzeichnung von metallischen
Bauteilen werden im Wesentlichen durch das Verhalten von elektromagnetischen
Wellen an Grenzflächen und die Verstimmung von elektrischen Komponenten festgelegt. Diese beiden Effekte werden im Folgenden kurz beschrieben.
4.1.1 Verhalten von elektromagnetischen Feldern an metallischen
Grenzflächen
Das Verhalten von elektromagnetischen Wellen an der Grenzfläche zwischen Luft
und einem Metall wird im Rahmen dieses Abschnittes zuerst auf Basis eines ideal
leitfähigen Materials43 dargestellt und im Anschluss auf reale Metalle übertragen.
43
Gilt näherungsweise für Metalle wie Kupfer und Silber.
120
Ideal leitfähige Materialien sind durch eine unendlich hohe Permittivität ε gekennzeichnet, wodurch das elektrische Feld einer auftreffenden Welle auf Basis der Maxwellschen Gleichung an deren Oberfläche zu Null wird (vgl. Formel (2-13)). Des
Weiteren ergibt sich durch die Maxwellschen Gleichungen, dass keine zeitlich veränderlichen Magnetfelder in der Oberfläche und im Metall existieren. Für die elektromagnetischen Felder an der Grenzfläche zu Metall gelten somit auf Basis der Formel
(2-13) folgende Randbedingungen (in Anlehnung an [HET-08]):
En =
ρ
ε
Bn = 0
Et = 0
Ht =
(4-1)
Bt
µ
Die Normalkomponente des elektrischen Feldes und die Tangentialkomponente des
magnetischen Feldes fallen an der Grenzfläche sprunghaft auf Null ab, während die
Tangentialkomponente des E-Feldes und die Normalkomponente des B-Feldes stetig
zur Grenzfläche hin absinken [HET-08] (siehe Abbildung 4-2).
Ein Dipol, der wie im Kapitel 2.4.3.3 gezeigt, im Wesentlichen seine Energie aus der
Tangentialkomponente des elektrischen Feldes gewinnt, kann dadurch nicht mehr
mit Energie versorgt werden, wodurch eine Erfassung des Transponders auf der
Grenzfläche unmöglich wird.
Bei realen Metallen mit endlicher Permittivität kann ein kleiner Teil des elektromagnetischen Feldes in das Objekt eindringen und die Feldkomponenten verschwinden im
Vergleich zum idealen Leiter nicht vollständig an der Oberfläche. Durch den hohen
Anteil an freien Ladungsträgern in Metallen, die durch das elektromagnetische Feld
zur Schwingung angeregt werden, ist die Dämpfung sehr hoch, so dass die Eindringtiefe insgesamt nur wenige Mikrometer beträgt [HET-08] (siehe Abbildung 4-2).
121
Abbildung 4-2: Verlauf der tangentialen (t) und normalen (n) E- und B-Felder an einem
idealen(---) und einem realen elektrischen Leiter (
) ([HET-08])
Durch die starke Abnahme der Tangentialkomponente des E-Feldes vor der Metalloberfläche ergibt sich bei realen Metallen eine stark verminderte Leistungsfähigkeit
der Transponder in unmittelbarer Nähe durch eine reduzierte Leistung an der Antenne, wodurch der Betrieb eines mobilen Datenspeichers stark eingeschränkt wird.
Die Metallart und die Dicke des Objekts haben aufgrund der grundsätzlich hohen
Permittivität von Metallen lediglich einen sehr geringen und daher vernachlässigbaren Einfluss. Dies hat zur Konsequenz, dass die oben beschriebenen Effekte an der
Grenzfläche zu jedem metallischen Objekt annähernd identisch auftreten.
4.1.2 Verstimmung des Transponders
Die Verstimmung eines Transponders in metallischer Umgebung wird beispielhaft an
einer Dipolantenne erläutert, die den Großteil der Kopplungselemente von mobilen
Datenträgern im UHF-Frequenzbereich repräsentieren. Das erläuterte Verhalten ist
auf alle weiteren Antennenarten übertragbar.
In der theoretischen Betrachtung ist ein Dipol ein aufgebogener Schwingkreis, bestehend aus einem Kondensator und einer Spule. Die beiden Endbereiche des Dipols
stellen die Kondensatorflächen, die Dipolmitte die Spule dar. Für eine optimale Energieausbeute durch einen hohen Antennengewinn und die damit verbundene Leistungsfähigkeit des Transponders muss der Schwingkreis mit der gleichen Frequenz
122
wie die elektromagnetische Welle des (Schreib-/)Lesegerätes schwingen, also in Resonanz gebracht werden (vgl. Kapitel 2.4).
Abbildung 4-3: Typischer Aufbau eines UHF-Transponders
mit Stellen möglicher Beeinflussung
Befindet sich im Bereich der Antennenenden, also dem kapazitiven Teil des Dipols
(vgl. Abbildung 4-3 a)) eine metallische Fläche, so kommt es zu einer Sekundärkapazität, auch „Dachkapazität“ genannt. Dieser Effekt wird häufig in der Funktechnik
angewandt, um eine Antenne elektrisch zu verlängern und somit eine zu kurze Antenne an die Wellenlänge des Funksignals anzupassen.
Eine ungepasste Antenne wird dadurch in metallischer Umgebung durch die Sekundärkapazität elektrisch zu lang. Die für einen optimalen Wirkungsgrad der Antenne
notwendige Resonanzfrequenz und damit der Antennengewinn sinken. Dies hat einen direkten stark negativen Einfluss auf die Lesereichweite des Transponders.
Des Weiteren ergibt sich durch metallische Objekte, insbesondere durch stromdurchflossene Leiter, in der Nähe des mobilen Speichers eine Beeinflussung der Impedanz
der Antenne, die im Wesentlichen durch die Anpasselemente, die im Bereich b) und
c) angeordnet sind, bestimmt wird. Dadurch sinkt entsprechend Kapitel 2.4.3.3 der
Wirkungsgrad der Schaltungen auf dem Transponder durch die entstehende Blindleistung. Dies wirkt sich ebenfalls stark negativ auf die Lesereichweite aus.
Wird der Transponder direkt ohne Isolierung auf einer metallischen Leitfläche angebracht, kommt es sogar zum Kurzschluss der Antenne, da diese mit dem leitfähigen
Objekt direkt verbunden wird. Eine Energieaufnahme und Erfassung wird so unmöglich.
Eine metallische Umgebung in direkter Nähe des mobilen Datenträgers wirkt sich
zusammenfassend durch deren Einfluss auf den Wirkungsgrad der Antenne stark
negativ auf die Lesereichweite aus, bis hin zur Nichterfassung bei direkter Aufbringung auf einem elektrisch leitfähigen Objekt.
123
4.2
Konzepte zur Kennzeichnung von metallischen Objekten
Die direkte Kennzeichnung von metallischen Objekten mit Hilfe von Smart Labels ist
auf Basis der oben dargestellten physikalischen Grundlagen nicht möglich. Die Lesbarkeit des mobilen Datenträgers auf metallischen Untergrund ist somit nur gewährleistet, wenn der Transponder entweder vom Untergrund entkoppelt wird oder die
Leitfähigkeit der Metalloberfläche als Antenne genutzt wird. Aufgrund des Verhaltens
von elektromagnetischen Wellen an Grenzflächen ist generell durch das abgeschwächte Feld in unmittelbarer Nähe zum metallischen Objekt mit deutlichen Leistungsverlusten zu rechnen.
Derzeit existieren aufbauend auf den physikalischen Rahmenbedingungen folgende
vier Methoden, die es erlauben einen Transponder auf einer metallischen Oberfläche
auszulesen (siehe Abbildung 4-4):
(1) Befestigung des Transponders mit Abstand zum metallischen Objekt unter
Verwendung von
a) Luft (bedingt einen Hartplastik-Transponder),
b) Schaumstoff oder
c) Absorbermaterialien
als Abstandsmaterial
(2) Aufbringung des Transponder als Flag Tag
(3) Integration der Antenne in das metallische Objekt mit Hilfe eines Schlitzes
(4) Gestaltung und Auslegung der Transponderantenne als PiFA44-Antenne mit
metallischem Untergrund zur Abschirmung des Hintergrunds
44
PIFA = Planar Inverted F Antenna
124
Transponder
Metallisches Objekt
1
a
b
Hardplastik-Ummantelung
2
3
c
Schaumabsorber
Konstruktiver Schlitz
Absorbermaterial
4
Transponder-Chip
Flag-Tag
Kupfer
Transponder-Chip
Abbildung 4-4: Prinzipielle Funktionsweise der möglichen Konzepte zur Kennzeichnung von
metallischen Bauteilen
Die dargestellten Konzepte werden im Folgenden detailliert beschrieben.
4.2.1 Konzept Abstandsmaterial
Der Einfluss des Metalls auf die Leistungsfähigkeit eines Transponders nimmt mit
zunehmendem Abstand zum leitfähigen Material ab. Im Vorfeld der Arbeit durchgeführten Testreihen (vgl. Abbildung 4-5) zeigen, dass bereits ab einem Abstand von
3 mm zum metallischen Applikationsuntergrund Transponder mit geringer Reichweite
erfasst werden können. Ab einem Abstand von circa 10 mm, der je nach Tagabstimmung und -art variiert, können teilweise mit einem auf idealen Applikationsuntergrund
(Kunststoff) aufgebrachten Transponder vergleichbare Reichweiten erzielt werden.
Insgesamt gilt, je größer Abstand des Transponders zum metallischen Objekt, desto
geringer ist die Beeinflussung und die Leistungsreduktion (vgl. Kapitel 4.1.1).
125
Maximale Lesereichweite bezogen auf
Referenzreichweite [%]
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Abstand zwischen Transponder und Metallplatte [mm]
Abbildung 4-5: Exemplarische Lesereichweite eines mobilen Datenträgers in Abhängigkeit des
Transpondersabstandes vom metallischen Objekt bezogen auf die
Reichweite im idealen Umfeld
Somit kann mit Hilfe eines Abstandsmaterials die Kennzeichnung von Metallobjekten
prinzipiell gewährleistet werden. Die einfachste Variante bildet ein Luftpolster zwischen Transponder und Objekt, das sich mit Hilfe eines Hartplastiktags realisieren
lässt, bei dem das Inlay mit einem festen Abstand zur Grundfläche an der Oberseite
des Hartplastiktransponders angebracht ist. Nachteilig wirkt sich diese Bauform auf
die Kennzeichnungsflexibilität aus, da diese Art der Transponder durch große Abmaße, insbesondere eine größere Aufbauhöhe, gekennzeichnet sind sowie lediglich auf
planaren Ebenen angebracht werden können. Außerdem kann die Applizierung auf
dem zu kennzeichnenden Objekt kaum automatisch erfolgen, wodurch bei der Aufbringung erhöhte Kosten entstehen. Positiv für den Einsatz im Bereich der Bauzustandsdokumentation ist die Möglichkeit, diese mobilen Datenträger durch die
geeignete Wahl des Hartplastikmaterials hochtemperaturstabil sowie mechanisch
und chemisch belastbar zu gestalten. In Abbildung 4-6 sind beispielhaft drei für die
Aufbringung auf Metall geeignete Transponder dargestellt.
126
Abmaße: 123 x 30 x 8 mm
Abbildung 4-6: Hartplastiktransponder zur Aufbringung auf metallischen
Oberflächen [HAT-08, DEI-08, SRE-08]
Um die Aufbringung des mobilen Datenträgers auf gekrümmten Flächen zu ermöglichen, kann das Luftpolster auch durch einen wasserfreien Spezial-Schaumstoff mit
geringen dielektrischen Eigenschaften ersetzt werden (vgl. Abbildung 4-7). Durch die
Fixierung der Luftmoleküle zeigt der Spezial-Schaumstoff bezogen auf die Abschirmung des Transponders gegenüber dem metallischen Objekt vergleichbare Eigenschaften wie Luft [PAX-08]. Die Paxar Central Europe GmbH bietet das Material
beispielsweise mit einer Stärke von 3 bis 8 mm an. Durch die Beibehaltung der Etikettenform können unterschiedlichste Flächen gekennzeichnet werden und die Herstellung kann zudem kostengünstig erfolgen. Das Material ist leicht und elastisch,
wodurch bei der Verwendung eines entsprechenden Klebers eine gewisse mechanische Stabilität gewährleistet werden kann. Negativ bei diesem Konzept ist der hohe
Aufbau bedingt durch das Abstandsmaterial. Darüber hinaus kann eine hohe chemische und thermische Belastbarkeit mit dem Material nicht realisiert werden.
Abbildung 4-7: Space-Tag der Firma Paxar [PAX-08]
Zur Reduktion der Stärke des benötigen Abstandsmaterials kann der Schaumstoff
durch ein spezifisches Absorbermaterial mit einer hohen Permittivität ersetzt werden.
Laut Formel (2-15) verringert sich dadurch die Ausbreitungsgeschwindigkeit der
127
elektromagnetischen Welle im Abstandsmaterial, und die Wellenlänge wird verkürzt.
Zur Entkopplung des Transponders vom Metall wird somit im Vergleich zu Luft ein
geringerer Abstand benötigt. Berücksichtigt werden muss, dass bei einem Material
mit zu hoher Permittivität ähnliche Effekte wie bei direkter Metallkennzeichnung auftreten und der Transponder nicht ausreichend mit Energie versorgt werden kann.
Aus diesem Grund muss bei homogenen Absorbermaterialen, die im Regelfall aus
Eisen- oder Titaniumcarbonat mit einem Elastomerträgermaterial meist auf Silikonbasis bestehen, ein Kompromiss zwischen Permittivität, Lesereichweite und Absorberdicke getroffen werden. Darüber hinaus muss durch die Rückwirkung des
Absorbermaterials auf den Transponder dieser hinsichtlich seiner Resonanzfrequenz
spezifisch auf das Material abgestimmt werden.
Um den negativen Einfluss des Absorbermaterials zu reduzieren und gleichzeitig die
Leistungsfähigkeit des Systems zu erhöhen, hat die Firma Emerson&Cuming ein für
spezifische UHF-Transponder ausgelegtes Abstandsmaterial patentiert, dass sich
durch unterschiedliche Permittivitäten auszeichnet. An der Metallseite ist die Permittivität hoch, um eine maximale Entkopplung zu garantieren, während auf der
Transponderseite die dielektrische Leitfähigkeit geringer ist, um die Beeinflussung
auf den Datenträger zu reduzieren. Realisieren lässt sich dies zum einen mit Hilfe
eines Permittitvitätsgradienten im Material oder über verschiedene Schichten mit unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften (siehe Abbildung 4-8) [ECO-08a].
Transponder
Niedrige Permittivität
Hohe Permittivität
Metall
Abbildung 4-8: Prinzipieller Aufbau des Absorbermaterials der Firma Emerson&Cuming zur
Kennzeichnung metallischer Bauteile (in Anlehnung an [ECO-08])
Die Firma Emerson&Cuming bietet Lösungen für verschiedene UHF-Transponder
an, die Dicke der Absorbermaterialen variiert dabei von 1,25 bis 3,75 mm bei einer
128
Lesereichweite nach Herstellerangaben von 1,2 bis 3,4 m [ECO-08]. Durch das Silikonträgermaterial bietet das Absorbermaterial eine hohe Flexibilität und Bauteile ohne
große
planare
Flächen
können
bei
gleichzeitig
geringer
Aufbauhöhe
gekennzeichnet werden.
4.2.2 Konzept Flag Tag
Ein vor allem in der Verpackungslogistik angewandtes Konzept zur Kennzeichnung
von Umverpackungen ist der Flag Tag (vgl. Abbildung 4-9), der eine Lesbarkeit unabhängig von Inhaltsstoffen gewährleistet. Der Transponder wird vergleichbar zu einer Fahne senkrecht zur Verpackung aufgestellt. Dadurch ist grundsätzlich ein fester
Abstand zu den Inhaltsstoffen gegeben und lediglich eine geringe Beeinflussung auf
die Leistungsfähigkeit vorhanden.
Zum Einsatz kommen dabei handelsübliche Inlays, die auf einem großen abknickbaren Etikett aufgebracht werden.
Abbildung 4-9: Beispiel für einen Flag Tag und dessen Aufbringung mit Hilfe eines Ettiketierers
[BUK-08, LGP-08]
Dieses Verfahren kann auch auf die Labelung von Bauteilen übertragen werden, ist
aber durch das abstehende Etikett zum einen durch sehr große Abmaße gekennzeichnet und zum anderen anfällig für mechanische Belastungen, insbesondere für
Abscherung. Zudem können bei diesem Verfahren lediglich planare Flächen gekennzeichnet werden, und die Aufbringung ist bei Fahrzeugbauteilen im Gegensatz zur
Kennzeichnung von kubischen Verpackungen (vgl. Abbildung 4-9) nur schwer automatisierbar.
129
4.2.3 Konzept konstruktiver Schlitz
Entsprechend der beschriebenen Theorie sinkt die Tangentialkomponente des elektrischen Feldes, die im Wesentlichen die Energieversorgung von Dipolantennen sicherstellt, an der Grenzfläche zu Metall stetig auf Null ab. Die Tangentialkomponente
des Magnetfeldes hingegen fällt sprunghaft ab, so dass entsprechend Abbildung 4-2
Transponderbauarten, die durch die Magnetfeldkomponente mit Energie versorgt
werden, prinzipiell direkt auf einer Metalloberfläche betrieben werden können.
Dies wird durch das Konzept des konstruktiven Schlitzes ausgenutzt. Dabei wird die
Kopplungseinheit des Transponders nicht als Dipol, sondern als Sensorspule ausgeführt, die im Wesentlichen mit Hilfe der Magnetfeldkomponente mit Strom versorgt
wird. Die Reichweite solcher Systeme ist dabei auf wenige Zentimeter beschränkt.
Erst durch die Applizierung des Transponders im zu kennzeichnenden Objekt am
Grund eines Schlitzes sowie an der Oberfläche des Metalls stellt eine höhere Leistungsfähigkeit sicher (vgl. Abbildung 4-10).
Konstruktiver Schlitz
Transponder-Chip
Abbildung 4-10: Prinzipieller Aufbau des Kennzeichnungskonzeptes “konstruktiver Schlitz“
Diese spezielle Anordnung bewirkt, dass das metallische Objekt selbst als Dipolantenne wirkt, in der auf Basis des elektromagnetischen Feldes ein Stromfluss mit der
entsprechenden Frequenz an der Oberfläche des Objektes mit der maximalen
Stromdichte am Schlitzgrund hervorgerufen wird. Hierdurch wird ein Magnetfeld erzeugt, dass die Sensorspule erfasst und die Energieversorgung des Transponders
verstärkt. Auf diese Weise lassen sich Reichweiten über einem Meter realisieren
[TBN-07]. Voraussetzung ist hierbei, dass das zu kennzeichnende Objekt lediglich
130
eine minimale Dicke aufweist. Das Verfahren ist somit insbesondere für Blechteile
oder Blisterverpackungen geeignet (vgl. Abbildung 4-10). Die Firma TBN GmbH, die
das Konzept patentiert hat, empfiehlt als Schlitzmaße bei einer Frequenz von 868
MHz eine Tiefe von 60 mm und eine Breite von 2 bis 6 mm [TBN-07].
Bei der vorliegenden Anwendung ist für die Funktionsweise dieses Prinzips eine konstruktive Änderung der Bauteile zur Einbringung des Schlitzes unabdingbar, wodurch
die Geometrie und die Bauteileigenschaften, insbesondere die Materialfestigkeit,
stark beeinflusst werden. Speziell bei sicherheitsrelevanten Bauteilen, die im Fokus
der Verfolgung im Versuchsbetrieb und in der Produktion stehen, würden Sollbruchstellen entstehen. Zudem ist das Konzept nur bei blechähnlichen dünnen Bauteilen
anwendbar und die Lage und Tiefe des Schlitzes muss individuell festgelegt werden.
In der Konstruktion entsteht dadurch ein hoher zusätzlicher Aufwand, was sich bei
der Fertigung und der Einbringung des Transponders fortsetzt. Das Prinzip ist somit
zur Kennzeichnung der Bauteile im Anwendungsfall der RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation nicht geeignet und wird im Folgenden vernachlässigt.
4.2.4 Konzept PIFA-Antenne
Die PIFA-Antenne besteht im Wesentlichen aus einem rechteckigen metallischen
Patch, im Regelfall aus Kupfer, der mit einer Massefläche, die gleichzeitig die Grundfläche bildet, kurzgeschlossen ist. Dadurch kann die Patchlänge auf λ/4 reduziert
werden, wodurch sich die Antennenbauform für einen mobilen Datenträger eignet.
Die Applikation des Mikrochips erfolgt mit Verbindung zur Massen- und Patchfläche.
Die Massenfläche besteht ebenfalls aus einem metallischen Leiter, wodurch der
Transponder auf metallische Flächen aufgebracht werden kann, da dies nur zu einer
Vergrößerung der Massefläche führt. Der definierte Abstand zwischen Grundfläche
und Patchfläche sowie deren Material bedingt eine feste Hartplastikbauform. Somit
können nur planare Flächen gekennzeichnet werden. Die mechanische, thermische
und chemische Belastbarkeit ist aufgrund der neben dem Mikrochip ausschließlich
metallischen Bestandteile als sehr hoch zu bewerten.
4.3
Leistungsfähigkeit der aufgezeigten Kennzeichnungskonzepte
Im Folgenden werden die in den vorherigen Abschnitten beschriebenen Konzepte
zur Kennzeichnung von metallischen Bauteilen hinsichtlich ihrer Lesereichweite im
praktischen Versuch evaluiert.
131
4.3.1 Versuchsaufbau
Um die Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse einer praktischen
Leistungsbewertung zu gewährleisten, bedarf es eines standardisierten Versuchsaufbaus. Hierfür wurde für die Bewertung der Lesereichweite von Transpondern ein
Versuchsstand auf Basis einer linearen Verschiebebahn konzipiert. Entsprechend
der Abbildung 4-11 kann damit ein mobiler Datenträger gezielt in einem definierten
Abstand mit Hilfe einer linearen Verschiebeeinrichtung vor einem austauschbaren
Applikationshintergrund auf einem mobilen Verschiebewagen positioniert werden.
Der Wagen wird auf einer Bahn geführt.
Versuchsstand
Sendeantenne
Transponder
Abbildung 4-11: Schematische Darstellung des konzipierten Versuchsstandes
Um einen möglichst geringen Einfluss der Versuchsbahn auf das RFID-System sicherzustellen, wurde der gesamte Versuchsstand aus Holz gefertigt.
Im Rahmen der durchgeführten Versuchsreihen wurden die Transponder jeweils auf
einer Metallplatte aus dem Werkstoff S235 mit den Abmaßen 400 x 400 mm und einer Stärke von 1 mm aufgebracht. Die Ergebnisse sind laut der physikalischen
Grundlagen unabhängig von der Art des metallischen Werkstoffs und der Abmaße,
so dass die ermittelten Lesereichweiten auf andere Metalle übertragen werden können.
Zur Sicherstellung des Praxisbezuges wurden die Versuchsreihen in der industriellen
Umgebung der Versuchshalle des Lehrstuhls für Fördertechnik Materialfluss Logistik
durchgeführt.
132
4.3.2 Verwendete Hardwarekomponenten
Im Rahmen der Versuchsreihe wurde das RFID-System OBID der Firma Feig mit den
in Tabelle 4-1 aufgeführten Komponenten verwendet.
Zur Ermittlung der maximalen Leistungsfähigkeit wurde die maximale in Europa erlaubte Sendeleistung von 2 Watt an der Sendeantenne eingestellt.
Tabelle 4-1: Hardware Rahmenbedingungen für die praktische Evaluierung
Verwendete Hardware
Reader
ID ISC.LRU 1000
Sende- und Empfangsantenne
Feig ID ISC.ANT.U250
Einstellungen am Readermodul
Sendeleistung an der Antenne
2W
4.3.3 Ergebnisse der praktischen Leistungsevaluierung
Im Rahmen der Versuchsreihe wurde die Leserreichweite für die vorgestellten Kennzeichnungskonzepte ermittelt.
Bei den Hartplastiktranspondern, den Inlays für das Schaumstoffabstandsmaterial
und den Flag Tags, bei denen eine Vielzahl von Vertretern auf dem Markt existieren,
wurden jeweils repräsentative Vertreter ausgewählt. Für eine Abschätzung der Konzeptleistungsfähigkeit ist dies ausreichend.
Als Spezialabsorber wurde das oben beschriebene Material Eccopad der Firma
Emerson&Cuming mit einer Dicke von 1,25 mm verwendet.
Die ermittelten Ergebnisse in der Versuchsreihe sind in Abbildung 4-15 dargestellt.
133
PIFA-Antennenkonzept
Transpondertyp
Flag Tag
Transponder mit Spezialabsorber (1.25
, mm)
Transponder mit Schaumstoff (4 mm)
Hartplastiktransponder B
Hartplastiktransponder A
0
1
2
3
4
5
6
7
Lesereichweite [m]
Abbildung 4-12: Lesereichweite der Konzepte zur Kennzeichnung von metallischen Bauteilen
für den vorliegenden Einsatzfall
Es zeigt sich, dass speziell die Hartplastiktransponder, die im Verhältnis zu den anderen Arten durch einen größeren Abstand zum Metallobjekt gekennzeichnet sind,
sehr große Lesereichweiten erreichen, die deutlich über den anderen Konzepten liegen. Die restlichen untersuchten Kennzeichnungsprinzipien konnten vergleichbare
Ergebnisse mit Lesreichweiten von 1,1 bis 1,9 m erzielen. Dadurch übertreffen alle
Kennzeichnungskonzepte die für die RFID-gestützte Bauzustandsdokumentation
beim Identifikationskonzept „offenes Fahrzeug scannen“ benötigte Reichweite von
knapp einem Meter (vgl. Kapitel 3.5.2).
Das PIFA-Antennenkonzept wies im Rahmen der Evaluierung neben der geringsten
Lesereichweite eine auffällig geringe und schwankende Leserate mit teilweise sehr
großen Leselöchern auf. Dies lässt auf eine sehr instabile Kommunikation zwischen
Transponder und Sendeantenne schließen. Die Leistungsfähigkeit des Konzepts
konnte im Rahmen der Versuchsreihe nicht vollständig belegt werden.
Zusammenfassend lässt sich auf Basis der Ergebnisse der praktischen Konzeptevaluierung die prinzipielle Eignung von allen Abstandsmaterialien (Luft, Schaumstoff,
Spezialabsorber) und Flag Tags zur Kennzeichnung von metallischen Objekten
nachweisen. Dementsprechend sind diese Kennzeichnungsvarianten für den prinzipiellen Einsatz in der RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation geeignet. Für das
PIFA-Antennenkonzept gilt dies aufgrund der eingeschränkten Leserate nur bedingt,
134
weshalb das Konzept für den Einsatz in der Bauzustandsdokumentation nicht sinnvoll ist.
4.4
Auswahl des Konzepts zur Kennzeichnung metallischer Bauteile für den
Einsatz in der Bauzustandsdokumentation
Die Auswahl des geeigneten Konzepts zur Kennzeichnung von metallischen Bauteilen erfolgt auf Basis der in Kapitel 3.5.1 dargestellten Anforderungen zur Geometrie
und Anbringung an die mobilen Datenträger für den Einsatz in der Bauzustandsdokumentation, die in der Tabelle 4-2 nochmals aufgeführt sind.
Tabelle 4-2: Anforderungen an die mobilen Datenträger für den Einsatz in der RFID-gestützten
Anforderung
Geometrie
Länge
Breite
Höhe
Gewicht
Anbringung
Applizierung auf gekrümmten Flächen
Wert
< 100 mm
< 20 mm
< 1 mm
<4g
---
Auf Basis dieser Kriterien werden im Folgenden die vorgestellten Konzepte bewertet.
Ziel ist die Auswahl eines geeigneten Konzepts, das es anschließend bezüglich der
noch nicht erreichten Anforderungen zu optimieren gilt.
4.4.1 Abstandsmaterial
Hartplastiktag
Die Variante Hartplastiktag ist für die Kennzeichnung von Bauteilen im Fahrzeug
aufgrund der Größe und der Notwendigkeit von planaren Flächen nicht geeignet. Lediglich für Module und deren Verfolgung in der Logistik ist diese Art der Kennzeichnung, bedingt durch die hohen Lesereichweiten, einsetzbar.
Abstandsmaterial aus Schaumstoff
Ebenfalls ungeeignet für den vorliegenden Einsatzfall ist die Verwendung von
Schaumstoff als Abstandsmaterial. Durch die geringe mechanische und thermische
135
Belastbarkeit des Materials ist beispielsweise eine Kennzeichnung von Bauteilen im
Motorraum oder im Fahrwerk nicht möglich.
Absorber auf Silikon und Titan- bzw. Eisencarbonat Basis
Der Einsatz von speziellen Absorbern zur Abschirmung bietet das Potenzial, die
oben aufgezeigten Anforderungen zu erfüllen. Durch die verstärkte Isolationswirkung
kann das Abstandsmaterial sehr dünn im Vergleich zu den Varianten mit Schaumstoff oder Luft ausgeführt werden. Das derzeit auf dem Markt erhältliche Produkt der
Firma Emerson&Cuming überschreitet zwar knapp die Vorgabe der maximalen Höhe
von 1 mm. Durch die relativ hohe Lesereichweite im Praxistest, die im vorliegenden
Einsatzfall nicht zwingend benötigt würde, ist aber eine Reduzierung der Höhe realisierbar. Außerdem ist durch das temperaturbeständige und chemisch stabile Trägermaterial
Silikon
eine
hohe
Belastbarkeit
gegeben.
Im
Bereich
der
Temperaturstabilität werden vom Hersteller Dauerfestigkeitswerte von bis zu 190° C
angegeben [ECO-08], wodurch auch die Anforderungen hinsichtlich der thermischen
Stabilität im Motorraum erfüllt werden. Zudem ist durch das Silikonträgermaterial eine
Flexibilität vorhanden, die zwar durch die höhere Steifigkeit des Materials nicht an
gängige Smart-Labels heranreicht, aber für die Anwendung zur Kennzeichnung von
gekrümmten Flächen ausreichend ist. Das Konzept ist unabhängig von der Form und
Materialart des zu kennzeichnenden Objektes und es ist auf alle Bauteile mit einer
gewissen Mindestgröße in Abhängigkeit der Transponderfläche anwendbar.
Ebenfalls liegt das Gewicht aufgrund der Titancarbonat-Einlage deutlich über dem
eines Smart-Labels. Der verwendete Absorber der Firma Emerson&Cuming wiegt
beispielsweise mit einem handelsüblichen Dipoltransponder bei ca. 6 g. Ein reguläres Smart-Label hingegen wiegt unter 1 g. Der Zielwert von weniger als 4 g ist durch
die geringe Überschreitung mit Hilfe der notwendigen Reduzierung der Aufbauhöhe
ebenfalls erreichbar.
Zusammenfassend ist das Absorberkonzept geeignet, die Anforderungen zur Kennzeichnung von metallischen Fahrzeugbauteilen zu erfüllen. Es ergibt sich allenfalls
ein Bedarf zur Weiterqualifizierung im Bereich der Höhe und des Materialgewichtes.
4.4.2 Flag Tag
Der Flag Tag besitzt aufgrund der großen Etikettenform und der Notwendigkeit zur
Aufstellung des Transponders nicht die für den Anwendungsfall geforderten Eigen136
schaften. Speziell bei der Kennzeichnung von Bauteilen im Motorraum würde zum
einen die Luftumströmung negativ beeinflusst werden, zum anderen kann die dadurch entstehende mechanische Belastung im Fahrzeugbetrieb nicht mit Hilfe dieser
Konzeptform gewährleistet werden. Verstärkend kommt hinzu, dass die Funktionsfähigkeit bei der Nähe und Dichte der Bauteile im Motor-, aber auch im Innenraum
nicht sichergestellt werden kann.
4.4.3 Zusammenfassung
Aufbauend auf die Beschreibung der verschiedenen Konzepte und deren Eigenschaften ergibt sich zusammenfassend folgende Erfüllungsmatrix für die aufgestellten Anforderungen:
Abstandsmaterial
Hartplastiktransponder Schaumstoff
Flag-Tag
SchlitzKonzept
X
X
X
X
SpezialAbsorber
Keine Beinflussung der Bauteil- und
Fahrzeugeigenschaften
X
Abmaße (insb. Höhe)
X
Gewicht
X
Hohe mechanische Stabilität
X
Potenzial zur hohen therm. Stabilität
X
Aufbringung auf gekrümmten Flächen
X
X
X
Allgemeingültige
Kennzeichnungslösung
X
Legende:
Anforderung erfüllt
Anforderung prinzipiell erfüllbar
Anforderung nicht erfüllbar
Abbildung 4-13: Bewertung der Konzepte zur Kennzeichnung von metallischen Bauteilen auf
Basis der ermittelten Anforderungen
Auf Basis der Bewertung bietet lediglich die Kennzeichnungsvariante mit Spezialabsorber die Möglichkeit, die Anforderungen zu erfüllen. Hierbei ergibt sich die Notwendigkeit, das Konzept hinsichtlich der Aufbauhöhe und des Gewichtes weiter zu
137
optimieren. Die thermische Stabilität ist aus Sicht des Absorbermaterials gegeben
und wird lediglich durch das Inlay beschränkt, wobei sich durch den Austausch des
Inlay-Trägermaterials Lösungspotenziale ergeben (vgl. Kapitel 3.5.3)
4.5
Qualifizierung und Anpassung des ausgewählten Kennzeichnungskonzepts
Ziel des folgenden Abschnittes ist der Nachweis, dass mit Hilfe des ausgewählten
Konzepts die Erfüllung der Gewichts- und Höhenanforderung bei gleichzeitiger Gewährleistung einer vernünftigen Lesereichweite durch eine gezielte Weiterqualifizierung sichergestellt werden kann.
Die Herstellung eines eigenen, dünneren Abstandsmaterials auf dem Prinzip des
Absorbers der Firma Emerson&Cuming mit einem Dielektrizitätsgradienten war im
Rahmen der Arbeit aufgrund der Komplexität der Entwicklung und Herstellung des
Materials und den dadurch verbundenen Kosten nicht möglich.
Aus diesem Grund erfolgt der Nachweis der technischen Machbarkeit zur metallischen Bauteilkennzeichnung unter Erfüllung der Anforderungen an Gewicht und Aufbauhöhe mit Hilfe von am Markt vorhandenen Mirkowellen-Absorbern. Diese
zeichnen sich im Vergleich zu speziell für RFID entwickelte Absorber durch eine konstante Dielektrizität aus. Bei deren Verwendung sind bezogen auf die Leistung, durch
die stärkere Verstimmung des Transponders, Einbußen zu erwarten. Ergibt sich aber
eine funktionsfähige Kombination aus einem dünnen Isolationsmaterial mit einem
Transponder, ist die technische Machbarkeit der Kennzeichnung von metallischen
Bauteilen mit der geforderten Aufbauhöhe auf Basis des Konzepts gewährleistet.
Durch die Weiterentwicklung des Materials in Richtung eines abfallenden Dielektrizitätsgradienten wird die Leistungsfähigkeit erhöht und das Gewicht durch die Reduktion von Eisencarbonat vermindert.
Der prinzipielle Versuchsaufbau der durchgeführten praktischen Testreihe mit unterschiedlichsten Absorber-Transponder-Kombinationen, die eine Gesamtaufbauhöhe
von 1 mm nicht überschreiten, ist in Abbildung 4-14 dargestellt. Als Lesegerät wurde
analog zur Leistungsbestimmung der Kennzeichnungskonzepte in Kapitel 4.3 das
Lesegerät Feig ISC.LRU.1000 mit der Antenne Feig ANT.U250 verwendet.
138
Abbildung 4-14: Schematische Darstellung des Versuchsstandes zur Messung eines
Transponders vor einer Metallplatte unter Verwendung eines Absorbers
Aufgrund der Vielzahl der durchgeführten Versuche werden im Folgenden die Ergebnisse nur ausschnittsweise bezogen auf das Best-Practise-Isolationsmaterial
aufgezeigt, dass durch den Absorber mit der Bezeichnung DD-10214 der Firma ARC
Technologies Inc. [ARC-08] gestellt wurde. Mit einem Aufbau von 0,76 mm ist es
zum einen sehr dünn und erfüllt somit die gestellten Anforderungen, zum anderen ist
es beispielsweise bei einem handelsüblichen Dipolinlay mit den Abmaßen 100 x 15
mm durch ein geringes Gewicht von 3,2 g gekennzeichnet. Nach Herstellerangaben
ist das Material bis circa 190° C temperaturstabil, wodurch das Abstandsmaterial
auch dieses Anforderungskriterium erfüllt.
In Abbildung 4-15 sind die erzielten Reichweiten für 10 verschiedene Transponder,
die mit Hilfe des Absorbers direkt auf Metall aufgebracht wurden, dargestellt.
139
0.8
,
Lesereichweite [m]
0.7
,
0.6
,
,
0.5
,
0.4
0.3
,
0.2
,
0.1
,
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Transponder
Abbildung 4-15: Erzielbare Lesereichweiten mit 10 verschiedenen Transpondern bei direkter
Aufbringung auf Metall mit Hilfe eines 0,76 mm starken Isolationsmaterials
auf Eisencarbonatbasis
Die dargestellte Versuchsreihe zeigt deutlich, dass Reichweiten von bis zu 0,7 m mit
dem gefunden Absorbermaterial ermöglicht werden. Diese Leistung lässt sich aber
nur für eine beziehungsweise wenige Transponder/Abstandsmaterial-Kombinationen
realisieren (vgl. Abbildung 4-15). Dieses Ergebnis spiegelte sich in allen Testreihen
wider und deckt sich mit den erläuterten Grundlagen, da der Aufbau und die Auslegung des Transponders auf das jeweilige Abstandsmaterial abgestimmt sein müssen. Die Mehrzahl der Transponder kann aufgrund der zu starken Verstimmung nicht
gelesen werden. Durch den Nachweis der Funktionsfähigkeit mit einen Transponder
im Rahmen der Versuchsreihe kann dieses Konzept durch Anpassung der
Transponderresonanzfrequenz mit Hilfe einer geometrischen Antennenveränderung
oder einer Anpassung der Schaltelemente entsprechend der oben beschriebenen
theoretischen Grundlagen auch auf andere Transponder übertragen werden. Dadurch ist die generelle Funktionalität des Kennzeichnungskonzepts belegt.
In der Umsetzung ist eine wesentlich höhere Leistungsfähigkeit durch die gezielte
gegenseitige Abstimmung und Auslegung der Komponenten zu erwarten.
140
4.6
Auf Basis der theoretischen Grundlagen ist eine direkte Kennzeichnung von leitfähigen Objekten nicht möglich. Nur durch eine Entkopplung und eine gezielte Abstimmung des Transponders auf die Randbedingungen ergeben sich Lösungspotenziale
zur Identifikation von metallischen Bauteilen mit RFID. Im Rahmen dieses Kapitels
wurden dazu verschiedene Konzepte aufgezeigt, von denen sich für den vorliegenden Anwendungsfall lediglich die Entkopplung des Transponders vom Material mit
Hilfe eines Spezialabsorbers als geeignet erwiesen hat. Aufbauend darauf wurde im
Rahmen einer praktischen Evaluierung der Nachweis erbracht, dass dieser Ansatz
das Potenzial bietet, alle gestellten Anforderungen für die Kennzeichnung metallischer Bauteile im vorliegenden Einsatzszenario zu erfüllen.
Dadurch ist die technische Grundlage für den Einsatz der RFID-Technologie zur
Kennzeichnung von Bauteilen im Fahrzeugbau gegeben. Mit Hilfe einer gezielten
Weiterentwicklung des gezeigten Ansatzes sowie einer spezifischen Anpassung des
verwendeten Inlays auf das Absorbermaterial kann ein leistungsfähiges und zuverlässiges System mit hoher chemischer Stabilität und dem Potenzial zur Temperaturstabilität bis zu 180° C sichergestellt werden.
141
5 Erfassung von verbauten Bauteilen
5
Erfassung von verbauten Bauteilen
Neben der reinen Kennzeichnung von metallischen Bauteilen stellt die zuverlässige
und sichere Erfassung der gelabelten Bauteile im verbauten Zustand in dem für die
Technologie schwierigen metallischen Fahrzeugumfeld, insbesondere im Motorraum,
die zweite große Herausforderung dar.
Dazu wurde im Rahmen des Kapitels 3 das Identifikationsszenario „offenes Fahrzeug
scannen“ erarbeitet. Die Leistungsfähigkeit des Konzepts wird im Folgenden, aufbauend auf der Beschreibung der theoretischen Einflüsse einer metallhaltigen Umgebung auf die Erfassung von mobilen Datenträgern, evaluiert.
Der Aufbau des Kapitels ist zusammengefasst in Abbildung 5-1 dargestellt.
142
Theoretische Einflüsse einer metallischen
Umgebung auf RFID-Systeme
Kap. 5.1
Auswirkungen für den Einsatz in der
Kap. 5.2
Praktische Evaluierung der Erfassung
von verbauten Komponenten
Kap. 5.3
Kap. 5.4
Abbildung 5-1: Aufbau des Kapitels Erfassung von gekennzeichneten Bauteilen
5.1
Theoretische Einflüsse einer metallischen Umgebung auf RFID-Systeme
In Kapitel 4.1 wurden bereits die theoretischen Auswirkungen eines metallischen Objektes in direkter Umgebung des mobilen Datenträgers erläutert.
Aufbauend darauf treten in einer metallischen Umgebung folgende weiteren Effekte
aus der Elektrizitätslehre und Wellenlehre auf, die das Lesefeld und damit das RFIDSystem direkt beeinflussen:
•
Abschirmung
•
Reflexion
•
Wirbelstrombildung
•
Abschattung
5.1.1 Abschirmung
Durch ein magnetisches Wechselfeld werden die Ladungsträger in elektrisch leitfähigen Materialien bewegt. Die Driftgeschwindigkeit vD der Ladungsträger ist durch immer wieder auftretende Stöße innerhalb des Atomverbandes begrenzt und die
verlorene kinetische Energie wird in Wärme umgewandelt. Aufgrund der Verluste im
Material kann das magnetische Feld das Material nicht unbegrenzt durchdringen. Die
Ladungsträgerbewegungen erstrecken sich bei Metallen durch die Vielzahl der freien
143
Elektronen und der dadurch bedingten Vielzahl von Stößen lediglich über eine dünne
Randschicht. Man spricht hier vom Skin-Effekt.
Der Verlauf der Stromdichte von der Oberfläche des Materials senkrecht in das Material hineingehend kann mit folgender Formel berechnet werden [DET-03]:
I ( x) = I (0) ⋅ e
mit:
−
ω ⋅κ ⋅µ 0 ⋅µ r
2
⋅x
⋅e
− j⋅
ω ⋅κ ⋅µ 0 ⋅µ r
2
⋅x
(5-1)
I:
Stromdichte [A/m²]
x:
Achskoordinate senkrecht von der Oberfläche in das
Material gehend [m]
Leitfähigkeit des Materials [S/m]
κ:
Entsprechend der Formel (6-1) fällt der Betrag der Stromdichte |I(x)| exponentiell von
seinem Maximum an der Oberfläche ab. Von dieser Formel leitet sich der gängige
Begriff der Eindringtiefe beziehungsweise der äquivalenten Leitschichtdicke δ ab. Er
gibt die Tiefe an, in der die Stromdichte auf das 1/e-fache zurückgegangen ist. Die
Eindringtiefe lässt sich nach [DET-03] mit der folgenden Formel einfach berechnen:
δ =
mit:
2
(5-2)
ω ⋅κ ⋅ µ0 ⋅ µ r
Eindringtiefe bzw. äquivalente Leitschichtdicke [m]
δ:
An Hand der Formel ist zu erkennen, dass die Eindringtiefe mit steigender Frequenz
sinkt. Dadurch ist generell bei niedrigeren Frequenzen eine höhere Materialdurchdringung zu erwarten (vgl. Kapitel 2.5.6).
Durch Zusammenfassen der Formeln (6-1) und (6-2) lässt sich eine Berechnungsvorschrift für den Abstand zur Oberfläche eines leitfähigen Materials herleiten, bei
dem im Material eine gesuchte Dämpfung hervorgerufen wird [DET-03]:
x min = −δ ⋅ ln 10
mit:
−
a
20 dB
xmin:
(5-3)
Mindestdicke um eine bestimmte Dämpfung
herbeizuführen [m]
a:
Dämpfung [dB]
In Tabelle 5-1 ist aufbauend auf typischen Materialkennwerten von Eisen und Aluminium beispielhaft für diese zwei Werkstoffe die Mindestschirmdicke für eine vollständige Dämpfung – entspricht 20 dB – dargestellt.
144
Tabelle 5-1: Mindestschirmdicke xmin für eine Dämpfung a = 20 dB (= 100-fache Dämpfung) am
Beispiel Eisen und Aluminium und einer Frequenz von 868 MHz beziehungsweise
2,45 GHz (Werte für κ und µr vgl. [SHA-93])
Eisen
Aluminium
κ [m Ω mm ]
11,11
35,71
µr
6.000 – 60.000
> 1 (ca. 1 + 22 · 10 )
xmin [µm] für 868 MHz
≈ 0,15
≈ 6,58
xmin [µm] für 2,45 GHz
≈ 0,09
≈ 3,92
-1
-2
-6
Auf Basis der Tabelle 5-1 zeigt sich, dass das elektromagnetische Feld leitfähige Objekte nicht durchdringen kann und das transmittierte Feld bereits vollständig von
dünnen Folien im Mikrometerbereich abgeschirmt und in Wärme umgewandelt wird.
Dies hat zur Konsequenz, dass mobile Datenträger, die vollständig von einem metallischen Material umgeben sind, nicht identifiziert werden können und hinter metallischen Objekten generell ein abgeschatteter Bereich entsteht.
5.1.2 Reflexionseffekte in metallischer Umgebung
Trifft eine elektromagnetische Welle auf eine Grenzfläche, an der sich die elektromagnetischen Eigenschaften des Mediums ändern, so teilt sich die Welle in eine reflektierte und eine weiterlaufende (transmittierte) Welle auf (siehe Abbildung 5-2).
Ankommende Welle
Reflektierte Welle
Abbildung 5-2: Senkrechter Einfall einer elektromagnetischer Wellen auf ein
metallisches Objekt
145
Die Berechnungsmethoden des bei der Reflexion entstehenden Gesamtfeldes und
die daraus resultierende Aufteilung in ein reflektiertes und ein transmittiertes elektromagnetische Feld sind sehr komplex und können unter anderem in [DEM-06] und
[HET-08] nachgelesen werden. Im Rahmen der Arbeit werden die Vorgänge beim
Auftreffen einer elektromagnetischen Welle auf einen leitfähigen, metallischen Körper
lediglich zusammenfassend in einer für das Verständnis ausreichenden Form und
ohne mathematische Herleitung dargestellt.
In einem idealen metallischen Leiter strebt die Permittivität gegen ∞, wodurch das
elektrische Feld direkt an der Oberfläche des Objekts zu Null wird (vgl. Kapitel 4.1).
Auf Basis der Maxwellschen Gleichungen (vgl. Formel (2-14)) können daher im Metall auch keine zeitlich veränderlichen Magnetfelder existieren. Das elektromagnetische Feld wird somit beim Auftreffen auf ein ideal elektrisch leitfähiges Objekt
vollständig reflektiert und zusätzlich um 180° gedreht (vgl. [HET-08], [MEI-92]).
Bei einem realen metallischen Leiter mit einer sehr hohen endlichen Permittivität
dringt ein sehr kleiner Teil der auftreffenden elektromagnetischen Welle in das Material ein (vgl. Kapitel 4.1). Aufgrund der Vielzahl an freien Ladungsträger, die durch die
transmittierten Wellen zu Schwingungen angeregt werden, erfolgt jedoch in Abhängigkeit der Frequenz eine vollständige Dämpfung innerhalb weniger Mikrometer (vgl.
Kapitel 5.1.1). Aufgrund der sich dadurch ergebenden Verluste ist die Intensität der
reflektieren Welle geringer als die der einfallenden Welle [HET-08]. Absolut betrachtet wird die Welle aber auch bei realen Metallen fast vollständig reflektiert.
Dementsprechend kommt es, wie bereits bei der Beschreibung der Eigenschaften
eines RFID-Systems in Kapitel 2.5.1 dargestellt, durch Interferenzen von phasenversetzten Wellen zur Abschwächung des elektromagnetischen Feldes bis hin zu Leselöchern in den theoretischen Lesebereichen. Im gegensätzlichen Fall bewirkt ein
Aufeinandertreffen von gleichphasigen Wellen eine Verstärkung der elektromagnetischen Wellen, die wiederum zu nicht prognostizierbaren Überreichweiten außerhalb
der erwartenden Lesereichweite führen (vgl. Abbildung 5-3 und Abbildung 2-41).
146
Abbildung 5-3: Auswirkung der Reflexionseffekte auf das Antennenfeld
5.1.3 Wirbelstrombildung
Neben der Reflexion tritt beim Auftreffen einer elektromagnetischen Welle auf einen
metallischen Körper auch das Phänomen der Wirbelströme auf. Diese beruhen auf
dem physikalischen Effekt, dass ein elektrisch leitfähiges Material in einem zeitveränderlichen magnetischen Feld immer von einem elektrischen Wirbelfeld begleitet
wird. Dadurch werden Ladungsträger, die sich in einem elektrischen Feld befinden,
beschleunigt. Auf diese bewegten Ladungsträger übt das magnetische Feld eine
Kraft aus und es kommt zu einer Überlagerung der beiden Effekte. Die Ladungsträger in einem elektrisch leitfähigen Material werden auf eine Kreisbahn gezwungen.
Die daraus resultierende Stromdichte wird als Wirbelstrom bezeichnet.
Diese Wirbelströme erzeugen, analog zu einer stromdurchflossenen Spule, ein magnetisches Feld, das wiederum ein elektromagnetisches Feld bedingt. Dadurch wirken
sie als Sekundärstrahler und erzeugen zusätzliche Überlagerungen im Bereich des
metallischen Objekts.
Zur Ausbildung von Wirbelströmen muss die Oberfläche des Körpers eine gewisse
Größe besitzen. Der Effekt von Sekundärstrahlern ist daher nur relevant, wenn die
Geometrie des Körpers vergleichbar oder sogar größer als die Wellenlänge ist.
147
Da die mathematischen Beschreibungen der Wirbelstromtheorien sehr komplex sind,
sei hier auf [KAD-59] verwiesen. [KAD-59] betrachtet die Wirbelstrombildung und deren Auswirkung auf das elektrische und magnetische Feld beispielhaft für zwei senkrecht angestrahlte Hohlzylinder mit jeweils um 90° verdrehter Polarisation sowie
einer Hohlkugel.
Durch die Wirbelströme werden die bei der Reflexion genannten Auswirkungen auf
RFID-Systeme verstärkt.
5.1.4 Abschattung
Auf Basis der beschrieben Reflexionseffekte und des Skin-Effekts kann man von einer Abschattung hinter einem metallischen Objekt ausgehen. Um diesen Effekt besser beurteilen zu können, soll hier gemäß [REN-76] der Abschirmungskoeffizient
kas(f) definiert werden. Er stellt ein Maß für die Beeinflussung der Wellenausbreitung
durch ein metallisches Objekt dar und ist abhängig von der Frequenz und der Objektgröße. Abbildung 5-4 zeigt beispielhaft die Werte von kas(f) für verschiedene Verhältnisse des Objektdurchmessers zur Wellenlänge im Falle eines kreisrunden
Objektes:
kas
1,8
1,4
1
0,6
0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
d/λ
λ
Abbildung 5-4: Abschirmungskoeffizient kas für ein kreisrundes Objekt [REN-76]
Der Verlauf des Abschirmungskoeffizienten kas(f) lässt sich in drei verschiedene Bereiche unterteilen:
Für den Fall, dass das Objekt sehr viel größer als die Wellenlänge ist, wird der Abschirmungskoeffizient kas gleich eins. Hierbei wirkt exakt die projizierte geometrische
Fläche. Ist dagegen die Wellenlänge sehr viel größer als die Geometrie des metalli148
schen Körpers, so stellt er kein Hindernis mehr für die elektromagnetische Welle dar.
Der Abschirmungskoeffizient kas wird nahezu Null.
Bei einer Objektgröße im Bereich der Wellenlänge vergrößert sich dessen Abschattungswirkung und der Körper wirkt auf die Welle mit einer im Vergleich zu seiner Geometrie größeren Fläche. In dem in Abbildung 5-4 gezeigten Beispiel für einen
kreisrunden Körper erreicht der Abschirmungskoeffizient kas bei einem Verhältnis d/λ
von 0,5 ein Maximum von 1,8.
Dies hat zur Konsequenz, dass hinter einem Objekt mit Abmessungen im Bereich
der Wellenlänge im Verhältnis ein größerer Abschattungsbereich bezogen auf die
Fläche zu erwarten ist als bei größeren Objekten.
Nachdem der Einfluss der Objektgröße auf den Effekt der Abschattung aufgezeigt
wurde, werden im Folgenden die Effekte hinter der leitenden Halbebene im abgeschatteten Bereich beschrieben. Um die Komplexität der Vorgänge für die theoretische
Erklärung
zu
reduzieren,
wird
ein
vereinfachtes
Gedankenmodell
herangezogen.
Abbildung 5-5: Veranschaulichung des Huygenschen Prinzips [DET-03]
Entsprechend Abbildung 5-5 wird eine einseitig unendlich ausgedehnte, leitende
Halbebene angenommen, die von einer Seite mit einer großen Anzahl an homogen
verteilten, parallelen und gleichphasigen elektromagnetischen Wellen angestrahlt
wird. Dabei wird ein Teil der Wellen abgeschattet, der andere Teil geht ungehindert
am Hindernis vorbei. Diese bilden auf Basis der Beugungseffekte ein neues Wellenfeld, wodurch im geometrischen Schattenbereich eine Strahlenleistung festzustellen
ist. Die mathematische Beschreibung des Beugungseffektes beruht dabei auf dem
Huygenschen Prinzip, dass besagt:
149
„Jeder Punkt einer Wellenfront kann durch sekundäre Quellen ersetzt werden, die als
Ausgangspunkt von sekundären Kugelwellen aufgefasst werden. Das Gesamtfeld
entsteht wieder durch Überlagerung aller Sekundärwellen“ [DET-03].
In Abbildung 5-5 sind mit den gestrichelten Linien die Wellenfronten der auftreffenden Wellen angedeutet. In der Ebene des metallischen Hindernisses werden die einzelnen Wellenfronten jeweils als neue Strahlungsquellen angesehen, die radial ihre
Wellen abstrahlen.
Dem zu Folge lassen sich hinter der leitenden Halbebene zwei Beobachtungen machen. Auf Höhe der nicht abgeschatteten Wellen können die Sekundärwellen wie die
einfallenden Primärwellen als ebene Phasenfronten angesehen werden. Dementsprechend gelangt in den abgeschatteten Bereich ein elektromagnetisches Feld, wodurch verstärkt durch Reflexionseffekte die Energieversorgung und damit die
Identifikation eines mobilen Datenträgers hinter einem metallischen Objekt ermöglicht werden kann. Die numerische Berechnung der Wellenausbreitung und der Feldstärke hinter einem metallischen Objekt wird im Rahmen der Arbeit nicht weiter
behandelt und kann in [DET-03] nachgelesen werden.
Voraussetzung für die Ausbildung von neuen Wellenfronten ist, dass der horizontale
beziehungsweise vertikale Abstand zu nebenstehenden leitfähigen Objekten mindestens der halben Wellenlänge entspricht [MEI-92]. Ansonsten findet eine komplette
Abschattung des elektromagnetischen Feldes statt und es kann kein neues Feld gebildet werden. Physikalisch vergleichbar ist dies mit der kompletten Abschirmung des
elektromagnetischen Feldes durch ein Metallgitter. Dadurch ist in einer dichten metallischen Umgebung nicht zwingend mit der Entstehung eines elektromagnetischen
Feldes hinter den Objekten zu rechnen.
5.2
Auswirkungen für den Einsatz in der Bauzustandsdokumentation
Überträgt man die in Kapitel 4.1 und im vorherigen Abschnitt beschriebenen theoretischen Effekte einer metallischen Umgebung auf die Identifikation von verbauten
Komponenten im Fahrzeug, so ergeben sich zahlreiche weitreichende Auswirkungen, die im Folgenden dargestellt werden.
5.2.1 Bauteilfreiheitsgrade
Betrachtet man das in Kapitel 4.1 beschriebene Verhalten der Transponderverstimmung unter dem Aspekt der Erfassung von Transpondern, so lässt sich aus der in
150
Abbildung 4-5 dargestellten praktischen Evaluierung der Lesereichweite in Abhängigkeit des Transponderabstands zum metallischen Objekt folgern, dass für die Lesbarkeit eines Transponders ein Abstand von mindestens 6 mm zu anderen
metallischen Bauteilen in der direkten Umgebung angestrebt werden muss, um eine
Systemverstimmung zu verhindern (siehe Abbildung 5-6).
Transponder
Absorbermaterial
> 6mm
> 6 mm
Abbildung 5-6: Mindestabstand des mobilen Datenträgers zu anderen metallischen Objekten,
um eine Erfassung zu gewährleisten
Rückwirkend auf die Kennzeichnung der Bauteile hat dies zur Folge, dass der
Anbringungsort des Labels so zu wählen ist, dass dieser Freiheitsgrad erfüllt ist. Eng
in metallischer Umgebung eingebaute Bauteile, beispielsweise im Bereich des Motorraums, können nicht identifiziert werden.
5.2.2 Schwankendes und unstetiges Lesefeld
Aufgrund der Blechkarosserie und der Vielzahl von Bauteilen aus Metall ist im
Einsatzszenario ein verstärktes Auftreten von Reflexionen zu erwarten. Da sich die
Abmaße zahlreicher Einzelkomponenten, insbesondere im Bereich des Motorraums,
des Fahrwerks oder des Airbags im Bereich der Wellenlänge befinden und die meisten Bauteile durch eine Vielzahl von Kanten gekennzeichnet sind, wird dieser Effekt
zusätzlich verstärkt.
Dies hat zur Konsequenz, dass ein sehr unstetiges, nicht prognostizierbares Lesefeld
mit zahlreichen Leselöcher und Überreichweiten zu erwarten ist. Dies wird verstärkt
durch die werkstoffbedingte unterschiedliche Lesereichweite der gekennzeichneten
Bauteile. Bei Kunststoffkomponenten sind generell höhere Reichweiten als bei metallischen Bauteilen zu erwarten.
Dementsprechend können bei einer feststehenden Leseantenne auch freiliegende
Transponder, beispielsweise im Innenraum des Fahrzeugs, nicht hundertprozentig
erfasst werden. Es ist zwingend erforderlich, die Antenne im Rahmen des Konzeptes
151
„offenes Fahrzeug scannen“ während des Auslesevorgangs zu bewegen, um eine
ständige Veränderung der Leselöcher zu gewährleisten. Durch die starke Abhängigkeit der Reflexionen von der Umgebung kann kein Zeitfenster, das zur Erfassung der
Transponder benötigt wird, auf Basis von theoretischen Untersuchungen festgelegt
werden. Gegebenfalls wird ein mehrmaliges Wiederholen des Identifikationsvorgangs
notwendig sein.
Darüber hinaus führen die Überreichweiten zu erheblichen Herausforderungen im
vorliegenden Einsatzszenario. Insbesondere bei engen Abständen zwischen den
Fahrzeugen, wie beispielsweise in der Montage, ist eine versehentliche Identifikation
von nicht zum fokussierten Fahrzeug gehörenden Bauteilen sehr wahrscheinlich.
Aus diesem Grund ist es beim Einsatz der RFID-Technlogie zwingend erforderlich
sein, dass Fahrzeug zu isolieren, um eine eindeutige Zuordnung der gekennzeichneten Komponenten zum Fahrzeug zu ermöglichen. Alternativ wäre noch die Identifikation der Komponenten mit unterschiedlichen Sendeleistungen denkbar. Dies
bedeutet, dass beispielsweise ein schwer identifizierbares Bauteil schon bei der
Ersterfassung mit Maximalleistung zum Fahrzeug gezählt wird, während ein leicht zu
erfassendes Kunststoffbauteil erst bei mehrmaliger Erfassung auch bei einer niedrigeren Sendeleistung als fahrzeugzugehörig betrachtet wird. Dazu muss während des
Lesevorgangs die Sendeleistung ständig variiert werden. Das Verfahren erfordert
einen sehr hohen Untersuchungsaufwand, da die Sendeleistung für jedes Bauteil
und jeden Umgebungszustand, beispielsweise der Motorraumdichte, angepasst werden muss. Dem zu Folge ist aus Sicht des Autors bei einer Erstumsetzung eine Lösung anzustreben, bei der das Fahrzeug isoliert wird.
5.2.3 Bauteilabschirmung und -abschattung
Neben den bereits dargestellten Effekten wird es im vorliegenden Anwendungsfall zu
zahlreichen Abschirmungs- und Abschattungseffekten kommen.
Auf Basis der Theorie ist nicht bewertbar, in wie weit mit dem Identifikationsszenario
„offenes Fahrzeug scannen“ Bauteile im Motorraum, speziell bei großen Motorisierungen, identifizierbar sind. Auf der einen Seite ist mit starken Abschattungseffekten
zu rechnen, andererseits kann aber durch die Entstehung von neuen Wellenfronten
eine Erfassung von versteckt verbauten Bauteilen möglich sein. Die Bewertung kann
aufgrund der nicht beschreibbaren Einflussfaktoren nur mit Hilfe einer praktischen
Evaluierung durchgeführt werden.
152
5.2.4 Zusammenfassung und Fazit
Auf Basis der zahlreichen Auswirkungen der metallischen Umgebung auf das elektromagnetische Lesefeld gestaltet sich die Erfassung von verbauten Komponenten,
insbesondere im Motorraum, als schwierig und nicht prognostizierbar. Dennoch ist
auf Basis der Theorie mit Hilfe des Identifikationsszenarios „offenes Fahrzeug scannen“ theoretisch die Möglichkeit der Erfassung von versteckt angebrachten mobilen
Datenträgern möglich. Die technische Machbarkeit kann aber nur mit Hilfe einer Evaluierung bewertet werden.
5.3
Praktische Evaluierung der Erfassung von verbauten Komponenten
Im Rahmen der praktischen Versuchsreihe gilt es das Erfassungsszenario „offenes
Fahrzeug scannen“ zu evaluieren, um zum einen dessen Leistungsfähigkeit zu bewerten und zum anderen die Notwendigkeit einer kompakten Leseantenne zur nahen
Positionierung am Bauteil, insbesondere im Motorraum, zu bewerten.
5.3.1 Versuchsaufbau
Der Versuchsaufbau wird im Folgenden detailliert beschrieben.
5.3.1.1 Hardwarekomponenten
Zur Anwendung kam das RFID-System OBID der Firma Feig mit den in Tabelle 5-2
aufgeführten Komponenten.
Zur Ermittlung der maximalen Leistungsfähigkeit wurde die in Europa erlaubte Sendeleistung von 2 Watt bei der Versuchsreihe an der Sendeantenne eingestellt.
Tabelle 5-2: Hardware Rahmenbedingungen für die praktische Evaluierung
Verwendete Hardware
Reader
ID ISC.LRU 1000
Sende- und Empfangsantenne
Einstellungen am Readermodul
Sendeleistung an der Antenne
2W
153
5.3.1.2 Mobile Datenträger
Für die Kennzeichnung der Bauteile wurden repräsentative, auf dem Markt erhältliche Transponder verschiedenster Hersteller entsprechend Abbildung 5-7 verwendet.
Abbildung 5-7: Verwendete Transponder zur Kennzeichnung der Bauteile
(Transpondernummer – Hersteller – Bezeichnung – Arbeitsfrequenz [MHz] – Größe [mm] – Bild)
154
Für die bauteilspezifische Auswahl des Transponders sind die Bauteilgröße und der
Werkstoff von entscheidender Bedeutung. Im Rahmen der Evaluierung wurde dabei
folgende in Tabelle 5-3 dargestellte Zuordnung getroffen.
Tabelle 5-3: Zuordnung der Transponder zu den Werkstoffen
Werkstoff
Transpondernummer
Kunststoff
1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 9
Elastomere
8
Metallbauteile
5 mit Absorbermaterial 0,76 mm
5.3.1.3 Gekennzeichnete Bauteile
Zur Evaluierung des Identifikationsszenarios „offenes Fahrzeug scannen“ wurden
alle in Kapitel 3.4 festgelegten Referenzbauteile mit einem mobilen Datenträger gekennzeichnet.
5.3.1.4 Beschreibung des Versuchsfahrzeuges
Als Versuchsfahrzeug wurde ein AUDI A4 Avant 3.0 TDI quattro verwendet. Aufgrund des 6-Zylinder Common-Rail Aggregates mit 3 Liter Hubraum und Turboaufladung ist das Fahrzeug durch einen sehr dicht gepackten Motorraum charakterisiert
und stellt für die Fahrzeugklasse hinsichtlich der RFID-gestützen Bauzustandsdokumentation ein Worst-Case Szenario dar (vgl. Abbildung 5-8). Dem zu Folge kann es
als Referenzfahrzeug verwendet werden und gewährleistet die Übertragbarkeit der
Ergebnisse auf andere Fahrzeugmodelle.
Abbildung 5-8: Versuchsfahrzeug AUDI A4 Avant [AUD-07] mit dicht gepacktem Motorraum
155
5.3.2 Versuchsdurchführung
Zur Erfassung der gekennzeichneten Bauteile wurde im Rahmen der Evaluierung die
Antenne des RFID-Systems manuell so nah wie möglich an der Stelle des mobilen
Datenträgers in Schleifenbewegungen vorbeigeführt. Dies führt zu einer stetigen
Veränderung des Lesefeldes und einer höheren Lesewahrscheinlichkeit.
In Abbildung 5-9 ist schematisch das Überstreichen der Türverkleidung und Beifahrerseite dargestellt. Abbildung 5-10 zeigt beispielhaft die Durchführung der Bauteilidentifikation im Innenraum.
Abbildung 5-9: Bewegungsablauf zur Identifikation der gekennzeichneten Bauteile in der Türverkleidung und des Handschuhfachs
Abbildung 5-10: Durchführung der Bauteilidentifikation am Beispiel des Sitzes und der Türverkleidung
156
Zur Erfassung der Bauteile im Bereich des Unterbodens ist die Antenne entsprechend der Abbildung 5-11 mit einer Rohrverlängerung von 1.5m versehen worden,
um eine Identifikation der gekennzeichneten Komponenten im Unterflur- und Fahrwerksbereich des Fahrzeugs zu ermöglichen. Dadurch wird ein Aufbocken des Fahrzeugs vermieden. Analog zum Innenraum ist bei der Identifikation der Bauteile im
Unterflur eine Schleifenbewegung nah an den gekennzeichneten Objekte anzustreben, um ein stetig wechselndes elektromagnetisches Feld zu gewährleisten und die
Lesewahrscheinlichkeit zu erhöhen (vgl. Abbildung 5-11).
Abbildung 5-11: Durchführung der Bauteilidentifikation und Bewegungsablauf im Unterflurbereich des Fahrzeugs
Im Bereich des Motorraums ist durch die Baugröße der Einzelantenne ein direktes
Eindringen nicht möglich. Analog zu den Bewegungsabläufen im Innenraum und im
Unterflurbereich des Fahrzeugs wurde die Antenne im Rahmen der Evaluierung an
der Oberfläche des Motorraums entsprechend Abbildung 5-12 im Zick-Zack-Kurs
bewegt.
157
Abbildung 5-12: Durchführung der Bauteilidentifikation im Motorraum des Fahrzeugs
Um die Übertragbarkeit und die Allgemeingültigkeit der Evaluierung zu gewährleisten, wurden insgesamt 50 Versuchsreihen mit möglichst identischem Bewegungsablauf entsprechend der obigen Darstellung durchgeführt. Als Umgebung für die
Versuchsreihe diente die Halle des Lehrstuhls für Fördertechnik Materialfluss Logistik
der TU München, wodurch die Randbedingungen einer produktionsähnlichen Umgebung und die Ergebnisübertragbarkeit gewährleistet waren.
Zur Bewertung der Leistungsfähigkeit im Rahmen der Evaluierung wurde folgende, in
Tabelle 5-4 dargestellte Einteilungsmatrix erarbeitet, um die gekennzeichneten Bauteile auf Basis ihrer Lesegüte Erfassungsgruppen zuzuweisen.
Tabelle 5-4: Kriterien zur Bewertung der Lesegüte der zu erfassenden Bauteile
Erfassungsgruppe
Kriterium
Generell erfassbar
Bauteil wird bei allen 50 Durchläufen bei einmaligen Überstreichen des Verbauortes sicher erfasst
Erfassbar mit Lagekenntnis und Wiederholungszyklen
Bauteil wird bei allen 50 Durchläufen bei genauer Kenntnis der Transponderlage und mehrmaligem Überstreichen (bis zu 3-mal) erfasst
Schlecht erfassbar
Bauteil wird nicht in allen 50 Durchläufen erfasst
Nicht erfassbar
Bauteil wird in keinem Durchlauf erfasst
158
5.3.3 Ergebnisse der Versuchsreihe
Die bei 50 Versuchsdurchläufen erzielte Erfassungsgüte ist in Abbildung 5-13 dargestellt.
Gekennzeichnete Bauteile
Generell erfassbar
Schlecht erfassbar
Nicht erfassbar
Anzahl Bauteile r
25
20
22
15
10
5
0
18
12
1
3
Vorderwagen / Unterflur
13
6
3
0
2
Zelle / Innenraum
Abbildung 5-13: Erfassungsgüte der gekennzeichneten Bauteile mit Hilfe des Lesekonzepts
„offenes Fahrzeug scannen“ bei einer Versuchsanzahl von n = 50
Das Szenario „offenes Fahrzeug scannen“ liefert dabei insbesondere bei den im
Innenraum verbauten mobilen Datenträgern eine sehr hohe Identifikationswahrscheinlichkeit. Hier können 13 von 18 gekennzeichneten Bauteilen in allen Durchgängen erfasst werden, weitere 3 Komponenten werden sicher mit Kenntnis der
genauen Transponderlage identifiziert. Damit sind nahezu 90 % der im Innenraum
gekennzeichneten Bauteile in allen Durchgängen erfasst worden. Signifikant sind
dabei die in der Theorie bereits vorhergesagten, deutlichen Reichweitenunterschiede
bei den einzelnen Komponenten. Speziell die Transponder in Verkleidungsteilen besitzen sehr große Erfassungsbereiche und sind teilweise auch außerhalb des Fahrzeugs bis zu einer Entfernung von zwei Meter empfangbar. Im Gegensatz dazu
können versteckte beziehungsweise tiefer verbaute Bauteile, wie beispielsweise der
Beifahrerairbag, zwar sicher erfasst werden, bedürfen aber ein dichtes Vorbeibewegen der Antenne am Verbauort. Im Falle des Beifahrerairbags ist die Antenne
direkt am Handschuhkasten entlang zuführen. Nicht erfasst werden können im Innenraum lediglich zwei Komponenten: Zum einen ist der Aufprallträger in der Tür
159
nicht erfassbar. Dieser befindet sich zwischen dem Außen- und Innenblech der Tür
und ist trotz einzelner Ausstanzungen im Innenblech zu metallnah verbaut, wodurch
er bereits ohne Türverkleidung nur eine sehr geringe Reichweite aufweist. Der Aufprallträger ist dadurch auch mit einem anderen Antennenkonzept aufgrund der Einbaulage nicht identifizierbar. Zum anderen ist der Motor zur Sitzlängsverstellung nicht
erfassbar. Dies liegt im Wesentlichen an der zu großen Antenne, die nicht unter dem
Sitz positioniert werden kann und lediglich eine Erfassung von oben möglich ist. Von
dieser Richtung sind die Verstellmotoren der Sitze aber fast vollständig durch die metallische Sitzwanne abgeschirmt. Mit einem kompakten Antennenkonzept hingegen
ist davon auszugehen, dass diese Bauteile von der Unterseite, an der die Motoren
frei liegen, erfasst werden können. Zusammenfassend ist die Erfassungsgüte der
jeweiligen Bauteile in Abbildung 5-14 dargestellt.
Zelle / Innenraum
Bewertung
Verkleidungen
Verkleidung A-Säule oben
Verkleidung A-Säule unten
Formhimmel
Innenausstattung Tür
Türverkleidung
Motor Fensterheber
Seitenaufprallverstärkung
Sitze
Sitzwanne (m)
Grundkörper Lehne (m)
Schaumteil Sitzwanne
Motor für Sitzlängsverstellung (m)
Insassenschutz
Beifahrerairbag (m)
Kopfairbag (m)
Gurtstraffer
Heizung
Wärmetauscher
Lenkung
Lenksäule (m)
Dichtungen
Fahrertürdichtung
Cockpit
Schalttafel
Kraftstoffanlage
Kraftstoffbehälter
++
++
++
++
+

++
++
++

++ Generell erfassbar
+
Erfassbar mit Lagekenntnis
und Wiederholungszyklen
•
Schlecht erfassbar

Nicht erfassbar
++
++
+
++
+
++
++
++
Abbildung 5-14: Erfassungsgüte der Innenraumbauteile
Für den Innenraum lässt sich durch die erzielten Ergebnisse folgern, dass mit Hilfe
des Lesekonzepts „offenes Fahrzeug scannen“ die zuverlässige Erfassung von verbauten Komponenten möglich ist. Nur metallisch fast vollständig abgeschirmte Bauteile, beispielsweise zwischen Innen- und Außenblech, sind nicht identifizierbar. Die
technische Machbarkeit einer Identifikation von im Innenraum verbauten Komponenten konnte dadurch im Rahmen der Versuchsreihe nachgewiesen werden. Dem zu
160
Folge ist nahezu jedes Bauteil mit Abmaßen im Bereich der Transpondergröße im
Innenraum kennzeichen- und erfassbar.
Für den Motorraum hingegen erweist sich das Antennenkonzept aufgrund der dichten metallischen Umgebung gepaart mit dem großen Abstand zu den mobilen Datenträgern als nicht zuverlässig. Hier können lediglich nahe an der Oberfläche sowie am
Unterboden verbaute Bauteile erfasst werden. Im Rahmen der Versuchsreihe wurden mit Hilfe der Einzelantenne 12 von 22 Transponder zuverlässig erkannt. Mit Hilfe
der Lagekenntnis kann noch zusätzlich eine Komponente verlässlich identifiziert werden. Die Transponder von drei weiteren Bauteilen wurden in circa der Hälfte der
Durchgänge gelesen. Zusammenfassend ist dadurch das Identifikationskonzept „offenes Fahrzeug scannen“ nur bedingt für die Identifikation von im Motorraum verbauten Bauteilen geeignet. Die Zwischenräume zwischen den Bauteilen reichen folglich
nicht für ein ausreichendes elektromagnetisches Feld im Motorraum aus. Für die
durchgängige stetige Erfassung von Komponenten im Motorraum ist ein Lesekonzept
notwendig, bei der die Antenne in den Motorraum eingebracht werden kann.
Die Erfassungsgüte der jeweiligen Bauteile im Motorraum ist in Abbildung 5-15 dargestellt.
161
Vorderwagen/Unterflur
Bewertung
Motor / Nebenaggregate / Antriebsstrang
Motor (m)
Generator (m)
Vakuumpumpe (m)
Klimakompressor (m)
Anlasser (m)
Getriebe (m)
Ladeluftkühler
Aggregatelagerung
Motorlager
Motorlagerkonsole (m)
Motorstütze (m)
Hilfsrahmen (m)
Motorkühlung / -schmierung
Kühlerlüfter
Ölwanne (m)
Bremssystem
Bremskraftverstärker (m)
Leuchten
Scheinwerfer
Verschlauchung
Luftschlauch Ladeluftkühler
Fahrwerk
Dämpferbein (m)
Führungslenker (m)
Schwenklager (m)
Stabilisator (m)
Karosserie
Rohkarosserie (m)
Pralldämpfer Stossfänger (m)
++




++
++
+
•
•
++
++ Generell erfassbar
+
Erfassbar mit Lagekenntnis
und Wiederholungszyklen
•
Schlecht erfassbar

Nicht erfassbar
++
++
++
++
++
•
++
++
++

Abbildung 5-15: Erfassungsgüte der Motorraumbauteile
5.4
Im Rahmen der praktischen Evaluierung des Identifikationskonzeptes „offenes Fahrzeug scannen“ hat sich gezeigt, dass das Konzept sehr leistungsfähig im Bereich
des Innenraums ist. Hier können die gekennzeichneten Bauteile zuverlässig erkannt
werden. Eine Ausnahme bilden Bauteile, die zwischen den Innen- und Außenblech
liegen, und dadurch fast vollständig vom Metall umgeben sind sowie unter dem Sitz
in engen Zwischenräumen verbaute Akuatoren. Letztgenannte sind aber mit einem
für enge Bauräume ausgelegten Antennenkonzept erfassbar.
Eine Leserate von 100 % wie im Rahmen der Anforderungsdefinition kann dadurch
nicht ganz erreicht werden. Dennoch ist auf Basis des Identifikationsszenarios eine
Erfassung von verbauten Komponenten im Interieur technisch machbar.
Im Bereich des Motorraums hingegen stößt das Konzept aufgrund der Antennenbaugröße und des dadurch bedingten Abstands zu den jeweiligen mobilen Datenträgern
an seine Grenzen. Dementsprechend können in diesem Bereich nur nahe an der
oberen beziehungsweise unteren Oberfläche liegende Bauteile erkannt werden, so
dass lediglich eine Leserate von knapp über 50 % erreicht wird. Für die Identifikation
162
von im Motorraum verbauten Komponenten ist dem zu Folge ein Antennenkonzept
entsprechend des Szenarios „Scanpunkte“ notwendig, wodurch die Antenne nah an
den gekennzeichneten Bauteilen positioniert werden kann. Hierfür ist die kompakte
Bauform der Antenne eine grundlegende Vorraussetzung. Da es derzeit auf dem
Markt kein dafür geeignetes Antennenkonzept für RFID-Systeme im UHF-Bereich
gibt, gilt es, im Rahmen des nächsten Abschnittes Antennenbauformen aus anderen
Frequenzbereichen hinsichtlich der notwendigen Anforderungen zu evaluieren und
für den Einsatzfall zu qualifizieren.
163
6 Antennenkonzepte für enge Bauräume
6
Antennenkonzepte für enge Bauräume
Das metallische Umfeld eines Motorraumes lässt entsprechend der Voruntersuchungen in Kapitel 5.3 die Erfassung von versteckt liegenden Bauteilen in diesem Bereich
von außen nicht zu.
Aus diesem Grund ist es entsprechend des Identifikationskonzepts „Scanpunkte“
notwendig, mit der Antenne direkt in den Motorraum einzudringen und dadurch in die
Nähe der gekennzeichneten Bauteile zu gelangen. Dies bedingt eine geringe Baugröße der Antenne, wodurch gängige, auf dem Markt erhältliche Antennenkonzepte
für UHF-RFID-Systeme aufgrund ihrer Auslegung auf maximale Reichweite nicht geeignet sind. Dem zu Folge gilt es im Rahmen der Arbeit neue Antennenbauformen
für UHF-Systeme zu entwickeln und auf ihre Leistungsfähigkeit in der metallhaltigen
Umgebung zu evaluieren.
Dazu werden bestehende Antennenbauformen auf ihre Eignung zum Einsatz im Motorraum analysiert und auf die Frequenz von UHF-Systemen übertragen. Die Vorgehensweise ist detailliert in Abbildung 6-1 dargestellt.
164
Ausgangssituation:
Neues Antennenkonzept zur Transponderidentifikation in engen Bauräumen
Aufstellung von
eigenschaftsbestimmenden
Antennenparametern
Kap. 6.1
Aufstellung möglicher Antennen für
den UHF-Frequenzbereich
Kap. 6.2
Ermittlung der Anforderungen an
Antennen für den Einsatz in engen
Bauräumen
Kap. 6.3
Auswahl eines geeigneten
Antennenkonzeptes
Kap. 6.4
Ausgestaltung und anwendungsbezogene
Optimierung des ausgewählten
Kap. 6.5
Antennenkonzeptes
Verifikation des ausgewählten
Antennenkonzeptes
Kap. 6.6
Abbildung 6-1: Vorgehensweise bei der Auswahl eines geeigneten Antennenkonzeptes für den
Einsatz zur automatischen Bauzustandsdokumentation in der Automobilindustrie
6.1
Antennenparameter
Zunächst werden kurz die wesentlichen Parameter von Antennen beschrieben, auf
Basis derer die Definition der technischen Anforderungen an die zu entwickelnde
Antenne erfolgt. Detailliert können die bestimmenden Eigenschaften wie auch Parameter für Antennen in [ROT-01] und [KRK-06] nachgelesen werden.
6.1.1 Impedanz
Ein wesentlicher Kennwert einer Antenne ist ihre Impedanz, die das Verhältnis von
Spannung und Strom am Speisepunkt der Antenne kennzeichnet. Die Impedanz ist
dabei kein reeller Wert, sondern wird in komplexen Zahlen ausgedrückt und ist frequenzabhängig. Aus diesem Grund muss die Impedanz der Antenne so eingestellt
werden, dass die Antenne im Bereich der Arbeitsfrequenz in Leistungsanpassung
165
betrieben wird und die Verluste durch Reduktion des Blindwiderstandes sowie Anpassung des Wirkwiderstandes minimiert werden (vgl. 2.4.3.3).
6.1.2 Reflexionsdämpfung
Für eine optimale Leistungsfähigkeit müssen Reflexionen auf der Antenne vermieden
werden. Insbesondere stehende Wellen auf der Antenne beeinträchtigen ihre Funktions- und Leistungsfähigkeit erheblich. Aus diesem Grund muss bei der Arbeitsfrequenz ein Reflexionsminimum herrschen beziehungsweise die Reflexionsdämpfung
maximal sein.
Die Reflexionsdämpfung lässt sich analog zur Resonanz im Wesentlichen durch mechanische Veränderungen, das heißt beispielsweise Variation der Länge einer Antenne sowie durch die Wahl des Speisepunktes, verändern und einstellen. Generell
schwingt eine längere Antenne bei tieferen Frequenzen und eine kürzere bei höheren.
In Abbildung 6-2 ist beispielhaft die Reflexionsdämpfung einer gut abgestimmten
UHF-Antenne dargestellt. Das Reflexionsminimum im Bereich der Arbeitsfrequenz
von 868 MHz ist deutlich zu erkennen (siehe Marker M1 in Abbildung 6-2).
Abbildung 6-2: Beispiel für die Reflexionsdämpfung einer Antenne im UHF-Frequenzband.
166
6.1.3 Gewinn
Eng mit der Richtwirkung verknüpft ist der Antennengewinn. Er gibt das Verhältnis
der maximalen Leistung an, die die zu vermessende Antenne im Vergleich zu einer
festgelegten Antenne (beispielsweise dem isotropen Strahler) im gleichen Feld empfängt.
Antennen mit starker Richtwirkung haben in Vorzugsrichtung einen hohen Antennengewinn, wodurch dieser direkt aus dem Strahlungsdiagramm abgelesen werden kann
[SPI-89]. Der Antennengewinn wird dabei maßgeblich durch die geometrische Bauart, der Antennenimpedanz und der Reflexionsdämpfung beeinflusst.
6.1.4 Sende- und Empfangsleistung
Die Sende- und Empfangsleistung gibt an, welche Leistung eine Antenne abgestrahlt
beziehungsweise aufgenommen hat. Sie wird dabei neben den oben genannten Parametern maßgeblich bestimmt durch die eingespeiste beziehungsweise ankommende Leistung, wodurch sie als absoluter Wert nur eine indirekte Aussagekraft über
die Antenneneigenschaften besitzt. Bei definierten Versuchsbedingungen und im
Rahmen einer vergleichenden Bewertung ist sie eine wesentliche Größe zur Auslegung und Leistungsbewertung von Antennen.
6.2
Antennenbauformen und ihre Eigenschaften
Im Rahmen dieses Kapitels werden mögliche für den UHF-Frequenzbereich geeignete Antennenbauformen und deren Eigenschaften vorgestellt, die die Grundlage für
die Auswahl eines für den Anwendungsfall geeigneten Antennenkonzepts im Verlauf
des Kapitels darstellen.
Aufgrund der Vielfalt ist bei den hier dargestellten Antennenbauformen im Vorfeld
bereits eine Auswahl hinsichtlich der grundsätzlichen Eignung zum Einsatz im Motorraum getroffen worden.
Ebenfalls werden komplexere Bauformen und verkürzte Antennen vernachlässigt, da
sich durch die dafür notwendigen Kompensations- und Anpassungsschaltungen die
Umgebungsabhängigkeit beziehungsweise -sensibilität der Antenne erhöht und der
Strahlungswirkungsgrad sinkt [JAZ-96]. Dadurch wären die Eigenschaften dieser
Bauformen in der herausfordernden Umgebung des Motorraums nicht mehr beherrschbar.
Die Einteilung der vorgestellten Bauformen erfolgt in folgende 3 Antennengruppen:
167
•
Dipole,
•
Stabantennen und
•
Flachantennen.
6.2.1 Dipole
Eine Dipolantenne besteht aus zwei gleich langen schwingenden Elementen, die
über die Mitte gespeist werden (vgl. Abbildung 2-29).
Im Folgenden werden die Arten
•
Halbwellen- und Ganzwellendipol,
•
Flächendipol sowie
•
Koaxialantenne
unterschieden und näher beschrieben.
6.2.1.1 Halb- und Ganzwellendipol
Je nach Länge der schwingenden Elemente im Verhältnis zur Wellenlänge der Arbeitsfrequenz werden Dipole in unterschiedliche Klasse eingeteilt. Am bedeutendsten
sind der Halb- und Ganzwellendipol, bei denen dünne Drähte als schwingende Elemente eingesetzt werden.
Bei der exakten Längenbestimmung muss zusätzlich ein Verkürzungsfaktor miteinbezogen werden, da die Ausbreitung der elektromagnetischen Welle auf der Antenne
mit einer anderen Geschwindigkeit als in Luft erfolgt. Dies führt entsprechend Formel
(2-1) zu einer Veränderung der Wellenlänge, auf die die Antennenlänge mit Hilfe des
Verkürzungsfaktors angepasst werden muss. Dieser ist generell bei der Auslegung
von Antennen zu berücksichtigen und wird durch
•
das Material,
•
die Materialstärke und
•
die Bauform
der Antenne bestimmt [ROT-88].
Dipolantennen um Linearantennen weisen eine lineare Polarisation auf (vgl.
Abbildung 2-34). Der Ganzwellendipol ist entsprechend Abbildung 6-3 im Vergleich
zum Halbwellendipol durch eine höhere Richtcharakteristik charakterisiert, wodurch
höhere Reichweiten in Vorzugsrichtung zu erwarten sind.
168
Abbildung 6-3: Winkelverteilung der Strahlung eines Halb- (a) und Ganzwellendipols (b)
(in Anlehnung an [WEI-00])
Da im Anwendungsfall die Baugröße höher als die zu erwartende Sendeleistung in
Vorzugsrichtung zu bewerten ist, wird im Folgenden lediglich der Halbwellendipol
weiterverfolgt.
6.2.1.2 Flächendipol
Flächendipole sind Dipolantennen, bei denen als Strahler Bleche oder dicke Leiter
verwendet werden, die breitbandiger strahlen als dünne Drähte. Das heißt, ihre Frequenzabhängigkeit und Fußpunktimpedanz sind über einen großen Frequenzbereich
konstant, wodurch sie sich für den Einsatz als Breitbandantennen eignen.
Typische Flächendipole sind der Schmetterlingsdipol oder der Fächerdipol (vgl.
Abbildung 6-4). Der Spreizwinkel θ bestimmt dabei Impedanz, Verkürzungsfaktor V
und Bandbreite. Durch die stark verbreiterten Dipol-Enden wird der Dipol zusätzlich
verkürzt, da die Enden eine erhöhte kapazitive Wirkung haben.
λ*
L=
λ
,73
0
≈
V(
)
θ
Abbildung 6-4: Flächendipol (in Anlehnung an [ROT-88])
169
Aufgrund der ebenen Bauform kann der Flächendipol auch vor einer Reflektorwand
montiert werden, um eine zusätzliche Richtwirkung zu erzielen. Trotz der Strahlerfläche ist er aufgrund seiner elektrischen Eigenschaften eine lineare Antenne.
6.2.1.3 Koaxial-Antenne
Eine Koaxialantenne besteht aus einem λ/4-Strahler, der mit dem Innenleiter des
Speisekabels verbunden ist, sowie einem Metallrohr ebenfalls in λ/4-Länge, das vom
Außenleiter des Kabels gespeist wird. Das Metallrohr arbeitet gleichzeitig als strahlende Dipolhälfte und als Viertelwellensperrtopf. Der Sperrtopf bewirkt, dass die Entstehung von Mantelwellen auf dem Kabel unterbunden wird [ROT-88], die generell
die Leistungsfähigkeit der Antennen negativ beeinflussen. Insgesamt ergibt sich für
die Koaxialantenne eine Gesamtlänge von einer halben Wellenlänge. Abbildung 6-5
zeigt den grundsätzlichen Aufbau einer Koaxialantenne.
Abbildung 6-5: Koaxialantenne [ROT-88]
Die Koaxialantenne ist ein vertikal polarisierter Rundstrahler, der eine relativ exakte
Rundcharakteristik aufweist. Da auch der Außenleiter als Strahler fungiert, ist die
Koaxialantenne vom Prinzip ein senkrechter Halbwellendipol.
170
Die Antennenform zählt aufgrund ihrer Endpunkspeisung klassischerweise nicht zu
den Dipolstrahlern, wird aber wegen der vergleichbaren Eigenschaften im Rahmen
der Arbeit in dieser Gruppe geführt.
6.2.2 Stabantennen
Stabantennen sind endgespeiste Antennen, die wie Dipole je nach Frequenzbereich
eine definierte Länge aufweisen müssen.
Im Folgenden werden die Arten
•
Marconi-Antenne und
•
Wendelantenne
unterschieden und näher beschrieben
6.2.2.1 Marconi-Antenne
Eine Marconi-Antenne ist eine Stabantenne der Länge λ/4. Die Antenne benötigt ein
Gegengewicht
am
Einspeisungspunkt,
das
beispielsweise
durch
die
Erde
(Groundplane-Antenne) oder eine Metallplatte dargestellt werden kann. Im UHFBereich ist die Antenne aufgrund der kurzen Wellenlänge sehr kompakt, so dass
auch das Metallgehäuse vieler Geräte als Gegengewicht fungieren kann.
Durch den elektrischen Gegenpol spiegelt sich die Antenne im Prinzip zu einem
Halbwellendipol. Im Speise- bzw. Spiegelungspunkt herrscht dabei ein Nullpotenzial.
Abbildung 6-6 zeigt das Prinzipbild einer geerdeten Marconi-Antenne mit Spannungs- und Stromverteilung.
Spiegelbild
Abbildung 6-6: Funktionsweise der Marconi-Antenne [TBZ-08]
171
Marconieantennen werden häufig als Mobilfunk-Außenantennen für das Fahrzeug
eingesetzt. Das Gegengewicht wird hierbei durch die Fahrzeugkarosserie gestellt.
6.2.2.2 Wendelantenne
Eine Wendel- oder Helixantenne ist eine Antennenbauform, mit der vor allem zirkular
polarisierte, elektromagnetische Wellen gesendet oder empfangen werden können.
Sie besteht aus einem (bei koaxialer Speisung) oder zwei (bei symmetrischer Speisung) gewundenen Leitern. Abbildung 6-7 zeigt beispielhaft eine Helixantenne für
Mobilfunk-Anwendungen.
Durchmesser und Steigung der Wendel hängen von der Einsatzfrequenz ab. Der
Durchmesser beträgt für eine zirkulare Polarisation 0,31 λ [ROT-01]. Für die Steigung sind nach [ROT-01] Werte zwischen 6° bis 24° zulässig, wobei die übliche Steigung 14° beträgt. Die Richtung und der Gewinn der Antenne erhöhen sich mit der
Länge der Wendel.
Abbildung 6-7: Wendelantenne [ROT-88]
Die Wendelantenne ist in der Lage, unbestimmt linear polarisierte Wellen zu empfangen. Zirkular polarisierte Wellen müssen jedoch zum Empfang denselben Drehsinn wie die Wendel aufweisen.
6.2.3 Flachantennen
Im Bereich der Flachantennen werden die beiden Arten
•
Schlitz und
•
Ringantenne
172
unterschieden.
6.2.3.1 Schlitzantenne
Die Schlitzantenne nutzt als strahlendes Element keinen Leiter, sondern das Fehlen
beziehungsweise die Unterbrechung von leitendem Material. So besteht eine Halbwellen-Schlitzantenne analog zum Halbwellendipol nicht aus einem Leiter der halben
Wellenlänge, sondern aus einer Metallplatte, aus der ein Schlitz der halben Wellenlänge ausgespart ist. Dadurch sind elektrisches und magnetisches Feld gegenüber
dem Dipol vertauscht, wodurch sich eine vertikal angeordnete Schlitzantenne verhält
wie ein horizontal angeordneter Dipol [ROT-88].
Der Speisepunkt der Schlitzantenne muss nicht mittig liegen, sondern kann zur Abstimmung entlang des Schlitzes verschoben werden. Der höchste Eingangswiderstand befindet sich in der Mitte des Schlitzes, zum Ende fällt er gegen Null ab.
Abbildung 6-8: Schlitzantenne [CTR-08]
Schlitzantennen werden vor allem bei hohen Frequenzen eingesetzt, bei denen die
Herstellung von Dipolen aufgrund der geringen Größe problematisch ist. Durch die
Möglichkeit der direkten Einbringung in die Struktur eines Objektes kommen Schlitzantennen des Weiteren in Bereichen zur Anwendung, bei dem keine Strukturen nach
außen stehen dürfen, wie beispielsweise bei Flugzeugen.
6.2.3.2 Ringantennen
Ring- oder Loopantennen sind magnetische Strahler. Das schwingende Element ist
dabei zu einem Kreis geformt. Im Gegensatz zu einer Dipolantenne, bei der das
elektrische Feld den Stromfluss erzeugt, wird die Spannung in der Ringantenne
durch das magnetische Feld verursacht. Zur Anpassung der Antenne ist im Regelfall
ein Spulen- oder Kondensator-Element integriert (vgl. Abbildung 6-9).
173
Abbildung 6-9: Loopantenne mit Spule als Anpassungselement
Der Umfang des Leiters entspricht dabei einer halben oder ganzen Wellenlänge.
Auch kürzere Loopantennen sind realisierbar, jedoch nicht für den UHF-Bereich, da
ihre Eigenschaften bezüglich Impedanz und Wirkungsgrad nicht mehr beherrschbar
sind [ROT-88]. Die Lage der Speisepunkte hat einen großen Einfluss auf die Funktion der Antenne.
6.3
Anforderungen an Antennenkonzepte an enge Bauräume
Um die Erfassung von Transpondern in engen metallhaltigen Bauräumen zu ermöglichen, muss die zu entwickelnde Antenne verschiedene technische, beziehungsweise
allgemeine und spezifisch auf den Anwendungsfall bezogene, Anforderungen erfüllen.
6.3.1 Technische Anforderungen
Im Folgenden werden die technischen Anforderungen an eine Antenne zum Einsatz
in der Bauzustandsdokumentation auf Basis der bereits dargestellten charakteristischen Eigenschaften von Antennen erläutert
6.3.1.1 Sende- und Empfangsleistung
Die zu entwickelnde Antenne muss ihr Leistungsmaximum und damit ihre Resonanzfrequenz in dem in Europa für UHF-Anwendungen freigegebenen Frequenzbereich
von 868 MHz haben. Dies bedeutet, dass ihre geometrischen Abmaße, ihr Antennengewinn und ihre Eingangsimpedanz sowie eventuell ihr Einspeisungspunkt auf
diese Arbeitsfrequenz ausgelegt werden müssen, um eine maximale Sende- und
Empfangsleistung zu erzielen.
Die Evaluierung der Sende- und Empfangsleistung erfolgt mit Hilfe einer vergleichenden Bewertung. Als Referenz wird eine auf den UHF-Bereich spezialisierte auf
174
dem Markt erhältliche Patch-Antenne verwendet. Für die Versuchseihe wurde die im
Rahmen des Lehrstuhls für Fördertechnik Materialfluss Logistik bei zahlreichen
Standardanwendungen eingesetzte und erprobte Patch-Antenne der Firma ausgesucht.
Als Zielwert für die zu entwickelnde Antenne erfolgt die Festlegung, dass die Dämpfung zwischen der Referenz- und der zu entwickelnden Antenne bei einem definierten standardisierten Versuchsaufbau bei der Arbeitsfrequenz von 868 MHz nicht
mehr als 10 dB über der Dämpfung zwischen zwei Referenzantennen liegen darf.
Dadurch ist eine ausreichende Lesereichweite zur Identifikation von Bauteilen im Motorraum gewährleistet.
6.3.1.2 Reflexionsdämpfung
Reflexionen mindern die Leistungsfähigkeit und Funktionalität der Antenne, da sie
eine Auslöschung oder Minderung der elektromagnetischen Wellen durch Überlagerung bei bestimmten Frequenzen bewirken können. Sie sind frequenzabhängig und
sollen im Funktionsbereich der Antenne minimal werden. Dem zu Folge muss die
Antenne die maximale Reflexionsdämpfung im Abstimmungsbereich aufweisen. Darüber hinaus soll die Reflexionsdämpfung nach [ROH-99] mindestens 50 dB betragen,
um Messunsicherheiten zu reduzieren und von unter 2 dB zu erreichen.
6.3.2 Spezifische Anforderungen für den Anwendungsfall
Um eine Funktion der Antenne im Motorraums zu gewährleisten, muss sie außer den
technischen Anforderungen, die die Funktionalität der Antenne im Arbeitsfrequenzbereich gewährleisten, auch bauraumspezifischen Anforderungen genügen.
6.3.2.1 Baugröße und Bauform
Die absoluten Maße der Antenne legen fest, inwieweit sie in den Motorraum eingebracht werden kann. In Abbildung 6-10 sind beispielhaft die Platzverhältnisse im Motorraum eines Audi 3.0 TDI dargestellt, der aufgrund seines 6-Zylinder Pumpe-DüseAggregats mit Turbolader als Referenz für einen dicht gepackten Motorraum herangezogen werden kann.
175
Abbildung 6-10: Motorraum eines AUDI A4 Avant 3.0 TDI
Um die Antenne in die vorhandenen Zwischenräume im Motorbereich einbringen zu
können, ist eine längliche Antennenform ideal, die lediglich über einen geringen
Durchmesser verfügt beziehungsweise bei nicht runden Antenne eine geringe Breite
und Tiefe besitzt.
Für die kritischen Werte des Durchmessers beziehungsweise der Kantenlängen wurde nach der Analyse der Zwischenräume des Referenzfahrzeugs und einem Abgleich mit anderen Fahrzeugtypen ein maximales Abmaß für eine allgemeingültig
einsetzbare Antenne im Motorraum eines Fahrzeugs von 20 mm Durchmesser beziehungsweise Kantenlänge festgelegt.
Die Baugröße einer Antenne bestimmt darüber hinaus je nach Bauart und Frequenzbereich im Wesentlichen auch den maximal erreichbaren Antennengewinn und damit
die Sende- und Empfangsleistung. Daraus ergibt sich im Rahmen der Antennenentwicklung ein Zielkonflikt zwischen Baugröße und erzielbarer Leistung.
Für das Einsatzszenario ist die Baugröße aber höher zu bewerten als die Maximalleistung, da die Möglichkeit der Einbringung in den Motorraum eine Grundvorrausetzung und ein Ausschluss-Kriterium darstellt. Außerdem kann die Antenne durch
kleine Abmaße im Motorraum relativ nah am auszulesenden Transponder positioniert
werden, wodurch der absoluten Lesereichweite im Verhältnis zur Baugröße nur eine
untergeordnete Rolle zukommt.
6.3.2.2 Breitbandigkeit
Speziell für den Einsatz in engen Bauräumen mit metallischem Umfeld muss die Antenne eine Breitbandigkeit aufweisen, die über das normale Maß hinausgeht.
176
Die metallische Umgebung bewirkt in der Antenne eine Verschiebung der Resonanzfrequenz (vgl. Abbildung 2-26). Daher ist es notwendig, dass die Antenne außerhalb
der Arbeitsfrequenz einen hohen Antennengewinn und eine hohe Sende- und Empfangsleistung aufweist.
In Abgleich mit anderen auf dem Markt erhältlichen Antennen ist eine Dämpfung von
maximal 3 dB im Frequenzbereich von 830 bis 950 MHz anzustreben. Dadurch ist
gewährleistet, dass das Antennenkonzept weltweit im UHF-Bereich einsetzbar ist
(vgl. Abbildung 2-45).
6.3.2.3 Robustheit
In der Praxis wird die Antenne zur Erfassung von Transpondern im Motorraum eingesetzt. Dabei sind mechanische Belastungen durch Stöße an Bauteilen unvermeidbar. Ebenso ist eine chemische Belastung durch an Bauteilen befindlichen
Betriebsflüssigkeiten wie Motoröl oder Bremsflüssigkeit sowie Spritzwasser zu erwarten. Plastische Veränderungen wie Verformung oder Bruch sowie Materialveränderungen durch chemische Einwirkung können die Funktion der Antenne stark
beeinträchtigen.
Die Antenne muss folglich derart stabil oder flexibel ausgelegt werden, dass sie mechanischen Belastungen über einen längeren Zeitraum ohne Beschädigungen
standhält. Das betrifft sowohl die Wahl der Bauform als auch des Materials für die
Antenne. Ebenso ist geeignetes Material oder eine Ummantelung zum Schutz vor
Korrosion vorzusehen.
6.3.2.4 Handhabung
Für den Einsatz der Antenne ist deren einfache Handhabbarkeit eine zentrale Anforderung. Zum einen muss der Aufwand zur Positionierung und Einbringung in den
Motorraum gering sein und zum anderen ist speziell im herausfordernden Umfeld
des Motorraums die Unabhängigkeit der Antenneneigenschaften von der Umgebung
von zentraler Bedeutung für deren Handhabbarkeit.
Im Motorraum ist bei der Einbringung der Antenne eine Berührung mit Metall nicht zu
vermeiden. Aus diesem Grund muss für eine einfache Handhabung der Antenne gewährleistet sein, dass der Metallkontakt nicht zu einer starken Minderung der Leistungsfähigkeit führt, da ansonsten der Positionieraufwand für den Nutzer stark
177
ansteigt. Eigenschaftskritische Stellen der Antenne müssen durch Bauart oder Ummantelung geschützt werden.
Ebenfalls wird die Handhabbarkeit im vorliegenden Anwendungsfall maßgeblich
durch die Kabelführung und die Einspeisung bestimmt. Beispielsweise eine Mitteneinspeisung ist aufgrund des sehr hohen Positionieraufwandes nicht geeignet. Für
den Einsatz im Motorraum ist dem zu Folge eine endgespeiste Antenne mit zugentlasteter Kabelführung anzustreben.
6.3.3 Zusammenfassung
Für den Einsatz einer Antenne in der herausfordernden metallhaltigen Umgebung
des Motorraums sind zahlreiche technische, aber auch bauraumspezifische Anforderungen zu erfüllen.
In Tabelle 6-1 sind zusammenfassend die im Rahmen des Kapitels erarbeiteten Anforderungen an eine allgemein einsetzbare Antenne zur Eindringung in den Motorraum und die Zielwerte zur Anforderungserfüllung dargestellt.
Tabelle 6-1: Übersicht Anforderungen an Antennenkonzepte zum Einsatz im Motorraum
Bewertungskriterien
Technische
Anforderungen
Bauraumspezifische
Anforderungen
6.4
Wert
Baugröße
Resonanzfrequenz
Sende- und Empfangsleistung
Reflexionsdämpfung
Durchmesser bzw. Kantenlänge < 20 mm
868 MHz
Dämpfung < (Feig-Antenne + 10 dB)
> 50 dBi bei 868 Mhz
Breitbandigkeit
Robustheit
Handhabbarkeit
max. 3 dB Zunahme bei +/- 50 Mhz
mechanische und chemische Belastung
Günstige Kabelführung
Endspeisung
Günstige Bauform zur Handhabung im Motorraum
Konzept zur Auswahl des geeigneten Antennenkonzepts
Die Auswahl eines geeigneten Antennenkonzepts erfolgt auf Basis der im vorherigen
Kapitel ermittelten Anforderungen.
Aufgrund ihrer elementaren Bedeutung für den praktikablen Einsatz in engen Bauräumen stellen dabei die Parameter Baugröße und Handhabbarkeit AusschlussKriterien für den Einsatz in der Bauzustandsdokumentation dar. Die maximale Sende- und Empfangsleistung kann – falls notwendig - für Antennen, die die elementaren
Anforderungen erfüllen, als Vergleichskriterium verwendet werden, während die
178
verbleibenden Kriterien Resonanzfrequenz, Reflexionsdämpfung sowie Robustheit
durch die Auslegung beziehungsweise Gestaltung der Antenne erreicht werden können und nicht vom grundlegenden Antennenkonzept abhängen.
Zusammenfassend ist der Prozess zur Auswahl eines geeigneten Antennekonzepts
in Abbildung 6-11 dargestellt.
Gängige Antennenkonzepte
nein
Erfüllung Anforderung
Baugröße
Antennenkonzept nicht für enge
Bauräume geeignet
ja
nein
Erfüllung Anforderung
Handhabbarkeit
ja
Direkter Vergleich der
Sende- und Empfangsleistung
Auswahl eines geeigneten
Antennenkonzeptes
Auslegung und Ausgestaltung
des ausgewählten Antennenkonzeptes
auf die Anforderungen Resonanzfrequenz,
Reflexionsdämpfung und Robustheit
Abbildung 6-11: Vorgehen bei der Auswahl des geeigneten Antennenkonzepts
6.5
Auswahl eines geeigneten Antennenkonzepts
Die in Kapitel 6.3 ermittelten Antennenbauformen werden im folgenden Abschnitt
hinsichtlich ihrer Eignung für den Anwendungsfall bewertet.
179
6.5.1 Anforderung Baugröße
Die Baugröße der Antenne stellt die zentrale Anforderung für den Einsatz zur Bauzustandsdokumentation in der Automobilindustrie dar.
Die im Rahmen des Unterkapitels errechneten Werte für die Antennengröße stellen
nur eine Abschätzung dar, da die exakten Abmaße beziehungsweise der Verkürzungsfaktor der Antenne stark von den Materialien der verwendeten Komponenten
abhängen (vgl. 6.1).
6.5.1.1 Dipole
Halbwellendipol
Die Abmessung von Dipolantennen wird bestimmt durch die Wellenlänge und dem
Verkürzungsfaktor. Dieser hängt bei Dipolen maßgeblich vom Schlankheitsgrad der
Antenne ab, der durch das Verhältnis der Länge L zum Durchmesser d der schwingenden Elemente ausgedrückt wird.
Aufgrund der kleinen Wellenlänge ergibt sich im UHF-Frequenzbereich im Regelfall
ein Schlankheitsgrad kleiner 100, wodurch die Halbwellendipole in diesem Bereich
zu den „sehr dicken Antennen“ [JAZ-96] zählen. Dadurch lässt sich ein Verkürzungsfaktor V von bis zu 0,93 realisieren [JAZ-96].
Die Länge L eines Halbwellendipols ergibt sich somit entsprechend der folgenden
Rechenvorschrift zu
1
1
L = V ⋅ ⋅ λ = 0,93 ⋅ ⋅ 0,346 m ≈ 161 mm .
2
2
(6-1)
Durch die sehr kurze Wellenlänge kann der Dipol darüber hinaus sehr kompakt hinsichtlich des Durchmessers ausgeführt werden. Selbst bei einem extremen Schlankheitsgrad von 10 [JAZ-96] nimmt der Durchmesser ein Maximum von 16,1 mm an
und liegt damit unter dem geforderten Wert von 20 mm. Der Halbwellendipol ist somit
aufgrund der länglichen Abmaße für einen Einsatz im Motorraum geeignet.
Fächerdipol
Der Flächendipol ist aufgrund der erhöhten Kapazität, bedingt durch die aufgefächerte Bauweise, durch einen hohen Verkürzungsfaktor V von 0,73 charakterisiert [ROT88].
Dadurch ergibt sich entsprechend Abbildung 6-4 für die Kantenlänge L mit der dargestellten Formel der folgende Wert:
180
L = V ⋅ λ = 0,73 ⋅ 0,346 m ≈ 253 mm .
(6-2)
Der Gesamtöffnungswinkel 2 Θ der Flächen beträgt bei UHF-Antennen im Normalfall
60-80° (vgl. [ROT-01]). Somit kann die minimal sinnvolle Breite des Fächerdipols mit
Hilfe der folgenden Formel berechnet werden:
B = sin
Θ
⋅ L = sin ( 30°) ⋅ 253 mm =126,5 mm .
2
(6-3)
Auf Basis seiner Abmaße ist dem zu Folge der Fächerdipol für den Einsatz im Motorraum nicht geeignet.
Koaxialantenne
Die Koaxialantenne kann als vertikaler Halbwellendipol betrachtet werden, wodurch
sich ebenfalls eine längliche Bauweise mit der Ausdehnung von einer halben Wellenlänge ergibt. Die eine Strahlerhälfte wird durch den Innenleiter des Anschlusskabels
gebildet und weist dadurch je nach verwendetem Anschlusskabel einen Durchmesser von deutlich unter 20 mm auf. Die zweite Strahlerhälfte wird durch ein λ/4-langes
metallisches Rohr repräsentiert, das ebenfalls als Sperrtopf fungiert. Dies muss vom
Durchmesser geringfügig größer als das Koaxialanschlusskabel ausgeführt sein, wodurch sich bei Verwendung eines entsprechenden Antennenkabels Werte von unter
20 mm realisieren lassen.
Exakte Werte hinsichtlich Durchmesser und Länge lassen sich erst bei der konkreten
Ausgestaltung der Antennen angeben, da dessen Eigenschaften und damit auch der
Verkürzungsfaktor unter anderem stark vom verwendeten Koaxialkabel und dem Material des Sperrtopfes bestimmt werden.
Aufgrund seiner länglichen Bauform kann aber durch eine gezielte Auslegung und
Komponentenauswahl die Anforderung hinsichtlich der begrenzten Abmaße erfüllt
werden.
6.5.1.2 Stabantenne
Marconi-Antenne
Die Marconi-Antenne scheint auf den ersten Blick durch ihre längliche Bauform prädestiniert für den Einsatz in engen Bauräumen. Da sie aber ein elektrisches schwingfähiges Gegengewicht benötigt, muss sie auf einer metallischen Grundplatte montiert
werden, die mindestens einen Durchmesser der halben Wellenlänge (≈ 17 cm) auf-
181
weisen muss. Dadurch kann die Vorgabe von einem maximalen Durchmesser von 20
mm von der Marconi-Antenne nicht erfüllt werden.
Bei einem Verzicht auf ein festes Gegengewicht kann der Gegenpol auch durch den
Benutzer dargestellt werden. Damit sind aber sehr große Leistungsverluste und eine
starke Leistungsvarianz in Abhängigkeit der Umgebung und des Benutzers verbunden, wodurch diese Bauform als nicht zweckmäßig erachtet wird.
Wendelantennen
Um eine zirkulare Polarisation zu erhalten, muss der Umlauf einer Wendel bei dieser
Antennenform der Wellenlänge λ entsprechen. Unter Berücksichtigung des Verkürzungsfaktors ergibt sich dadurch der Durchmesser D einer Wendelantenne auf Basis
von [Rot-88] mit Hilfe des Verkürzungsfaktors V von 0,31 zu
D = 0,31 ⋅ λ = 0,31 ⋅ 345,6 mm = 107,1 mm .
(6-4)
Voraussetzung für die Funktionsweise ist, dass mindestens 3 Windungen vorhanden
sind, wobei die Reinheit der Zirkularpolarisation mit der Anzahl der Windungen steigt.
Aus dem Standardsteigungswinkel von 14° ergibt sich somit ein Windungsabstand S
von 0,24λ, wodurch die Mindestlänge der Antenne
L = 3 ⋅ 0,24 ⋅ λ = 3 ⋅ 0,24 ⋅ 345,6 mm = 248,8 mm
(6-5)
beträgt.
Die Wendelantenne ist somit durch den großen Durchmesser von über 100 mm zu
groß, um die Anforderungen an die Antennenabmessungen zu erfüllen und kann dadurch nicht mehr in den Motorraum eingebracht werden. Somit ist sie für den vorliegenden Anwendungsfall ungeeignet.
6.5.1.3 Flachantennen
Schlitzantennen
Bei einer Schlitzantenne wird in ein leitfähiges Material ein Schlitz von etwa der halben Wellenlänge eingebracht. Der Verkürzungsfaktor sowie die elektrischen Eigenschaften der Antenne hängen dabei von der Breite des Schlitzes ab, der im
Verhältnis zur Länge sehr klein sein muss. Der Schlitzantenne kann als Rohrschlitzantenne oder ebene Schlitzantenne ausgeführt werden. Die Leistungsfähigkeit nimmt
mit der Reduktion des leitenden Materials um den Schlitz ab.
Bei der Gestaltung als Rohrschlitzantenne muss der Durchmesser mindestens 0,1λ
entsprechen, um einen Kurzschluss zu verhindern. Dadurch muss im vorliegenden
182
Anwendungsfall eine Rohschlitzantenne, in Abhängigkeit der UHF-Frequenz, einen
Mindestdurchmesser Dmin von
Dmin = 0,1 ⋅ λ = 0,1 ⋅ 345,6 mm = 34,56 mm
(6-6)
aufweisen. Dieser liegt deutlich über den geforderten 20 mm, wodurch diese Bauform die Anforderungen an die Abmessungen für den Einsatz zur Bauzustandsdokumentation nicht erfüllen.
Durch die Gestaltung als ebene Schlitzantenne können die Abmaße aufgrund der
offenen Enden bei Inkaufnahme einer Leistungsreduktion aber weiter reduziert werden, so dass die geforderte Kantenlänge von 20 mm erreichbar ist. Die ebene
Schlitzantenne ist dadurch prinzipiell für den Einsatzfall in engen Bauräumen geeignet.
Ringantennen
Ringantennen bestehen aus einer Leiterschleife mit dem Durchmesser einer halben
beziehungsweise einer ganzen Wellenlänge. Der Umfang einer Loopantenne entspricht bei 868 MHz einer Strecke von 172,8 mm oder 345,6 mm, wodurch sich folgende Durchmesser D für Ringantennen ergeben:
λ − Loop : D =  λ  =  345,6 mm  = 55 mm
2
2π
 2π  

 λ   345,6 mm 
λ − Loop : D =   = 
 = 110 mm
π
π  

(6-7)
Die in Formel (8-5) ermittelten Abmaße für die beiden möglichen Bauformen der
Loop-Antenne zeigen, dass die geforderten Werte nicht eingehalten werden, wodurch diese Antennenbauform für den Einsatz in engen Bauräumen ungeeignet ist.
Des Weiteren ist eine Verkürzung durch Anpassungsschaltungen im UHF-Bereich
nicht möglich, da dadurch die Eigenschaften der Antenne unbeherrschbar werden
[ROT-88].
6.5.1.4 Zusammenfassung
Zusammenfassend sind die Baugrößen der verschiedenen Antennen und deren Eignung für Einsatz in der Bauzustandsdokumentation in Tabelle 6-2 dargestellt.
183
Tabelle 6-2: Zusammenfassung der Evaluierung der Antennenkonzepte hinsichtlich der Erfüllung des Ausschluss-Kriteriums Baugröße
Abmaße (z, x, y)
Ausschluss-Kriterium
Baugröße erfüllt ?
Dipole
Halbwellendipol
Fächerdipol
Koaxialantenne
161 mm x ∅ (<< 16,1 mm)
253 mm x 126,5 mm x ( << 20 mm)
173 mm x ∅ (<< 20 mm)
ja
nein
ja
Marconi-Antenne
Wendelantenne
86,4 mm x 86,4 mm x 86,4 mm (Gegengewicht)
248,8 mm x ∅107,1 mm
nein
nein
Schlitzantenne
Ringantenne
161 mm x 20 mm x (<< 20 mm)
∅ 55 mm x (<< 20 mm)
ja
nein
Stabantenne
Flachantenne
6.5.2 Anforderung Handhabbarkeit
Der Halbwellendipol, die Koaxialantenne und die Schlitzantenne erfüllen die Anforderungen an die baulichen Abmaße für den Einsatz in der Bauzustandsdokumentation
und werden im Folgenden hinsichtlich der Handhabbarkeit bewertet.
Für eine einfache und stabile Handhabung müssen die Antennen dabei entsprechend Kapitel 6.3.2 folgende Anforderungen erfüllen:
•
Günstige Kabelführung mit Endspeisung
•
Günstige Bauform zur Handhabung im Motorraum
6.5.2.1 Halbwellendipol
Der Halbwellendipol wird in der Mitte gespeist, wodurch sich im vorliegenden
Einsatzszenario Nachteile in der Kabelführung und Positionierung im Motorraum ergeben.
Um eine längliche Bauform und damit das Einbringen in den Motorraum zu ermöglichen sowie darüber hinaus ein Verkanten des Dipols zwischen Komponenten zu
verhindern, muss das Kabel zwangsweise entlang des Dipols geführt werden. Dadurch werden die Eigenschaften der Antenne verändert und es ergibt sich ein erhöhter Aufbau. Folglich erweist sich der Halbwellendipol hinsichtlich seiner Handhabung
für den Einsatz im Motorraum als ungeeignet.
184
6.5.2.2 Koaxialantenne
Die Koaxialantenne ist im Vergleich zum Halbwellendipol durch ähnliche elektrische
Eigenschaften charakterisiert, ist aber aufgrund der Endspeisung für den Anwendungsfall durch eine erhebliche günstigere Kabelführung gekennzeichnet. Die Antenneneigenschaften werden durch das Kabel nicht beeinträchtigt und eine einfache
Positionierung im Motorraum ist möglich.
Des Weiteren kann durch die längliche Bauform mit rundem Durchmesser die Wahrscheinlichkeit des Verkantens im Motorraum reduziert werden.
Die Koaxialantenne erfüllt damit die aufgestellten Anforderungen zur Handhabbarkeit.
6.5.2.3 Schlitzantenne
Die Speisung der Schlitzantenne erfolgt direkt am Schlitz in Abhängigkeit der gewünschten Eingangsimpedanz. Durch die Notwendigkeit, dass der Schlitz ganz von
einem geschlossenen, leitfähigen Material umgeben ist, lässt sich somit keine Endspeisung realisieren.
Die notwendige breite Bauform der Schlitzantenne kombiniert mit der ungünstigen
Kabelführung ergibt eine ungünstige Handhabung zur Positionierung der Antenne im
Motorraum. Darüber hinaus tendiert die Antenne durch die Bauform zum Verkanten
im Motorraum. Ebenfalls führt eine Berührung der Antenne mit Metall zur Funktionsunfähigkeit der Antenne.
Die Schlitzantenne kann somit die gestellten Anforderungen an die Handhabung für
den vorliegenden Einsatzfall nicht erfüllen.
6.5.2.4 Zusammenfassung
Bei den evaluierten Antennenkonzepten erweist sich lediglich die Koaxialantenne
aufgrund ihrer Endspeisung und ihrer dadurch bedingten einfachen Positionierung im
Motorraum als geeignet. Die Koaxialantenne stellt somit durch ihre Bauform das ideale Antennenkonzept für den Einsatz in engen Bauräumen dar, wodurch sich ein direkter Vergleich der Sende- und Empfangsleistung der Konzepte erübrigt.
Zusammenfassend ist die Evaluierung der Handhabbarkeit der drei Antennenkonzepte für den Einsatz zur Bauzustandsdokumentation im Bereich des Motorraums in
Tabelle 6-3 dargestellt
185
Tabelle 6-3: Zusammenfassung der Evaluierung der Antennenkonzepte hinsichtlich der Erfüllung des Ausschluss-Kriteriums Handhabbarkeit
Kabelführung
Endspeisung
Einfache Handhabung und
Postionierung
Halbwellendipol
-
-
-
Koaxialantenne
+
+
+
Schlitzantenne
-
-
-
6.6
Auslegung und Gestaltung der Koaxialantenne
Im Rahmen dieses Abschnittes gilt es, das für den Einsatzfall ausgewählte Antennenkonzept einer Koaxialantenne beispielhaft auszugestalten, um die Erfüllung der
restlichen ermittelten Anforderungen zu überprüfen und im praktischen Test die Eignung zur Identifikation von Transpondern im Motorraum nachzuweisen.
Bei der Auslegung und Gestaltung von Antennen handelt es sich generell um einen
iterativen Prozess, da Länge, Dicke und Material der Komponenten deren Eigenschaften direkt beeinflussen. Um die Antenne auf eine bestimmte Resonanzfrequenz
einzustellen, gleichzeitig die Reflexionsdämpfung zu minimieren und eine große
Breitbandigkeit zu gewährleisten, müssen die oben genannten Faktoren in einem
experimentellen Verfahren iterativ optimiert werden. Zusätzlich muss im Anwendungsfall die Antenne durch geeignete Schutzmaßnahmen vor mechanischen und
chemischen Belastungen geschützt werden.
Die Koaxialantenne ist eine Sperrtopfantenne und besteht dadurch im Wesentlichen
aus einem Sperrtopf und einem Koaxialkabel als Speisekabel und Strahlelement.
Im Laufe der experimentellen Auslegung und Evaluierung der Koaxialantenne für den
Einsatz im Motorraum wurden mehrere Varianten einer Koaxialantenne aufgebaut,
die sich vor allem im Durchmesser und Material des Sperrtopfes und in der Ausführung des freien Leiterstückes unterscheiden. Im Folgenden wird lediglich das im Rahmen der Evaluierung ermittelte Best-Practise Konzept mit seinen Abmaßen
vorgestellt.
6.6.1 Aufbau der Best-Practise Koaxialantenne
Bei der iterativen praktischen Evaluierung verschiedener Koaxialantennen hat es
sich bewährt den Sperrtopf aus Kupfer mit einem Durchmesser von 12 mm und einer
Länge von exakt λ/4 auszuführen.
186
Durch den sehr schmalen Sperrtopf kann die Antenne sehr einfach und praktikabel in
den Motorraum eingebracht und gegenüber den Transpondern positioniert werden.
Gleichzeitig ergab sich in der praktischen Evaluierung eine hohe Leistungsfähigkeit
(vgl. Kap. 6.7).
Als Speisekabel kommt ein herkömmliches Koaxialkabel mit einem Durchmesser von
10 mm zum Einsatz, das auch das Strahlelement mit einer Länge von ebenfalls λ/4
bildet (siehe Abbildung 6-12).
Abbildung 6-12: Best-Practise Koaxialantenne mit 12 mm-Sperrtopf aus Kupfer
Im Folgenden werden die gemessenen Eigenschaften der entwickelten Antenne dargestellt.
6.6.2 Messung der Empfangsleistung
Zur Messung der Empfangsleistung einer Antenne ist ein Spektrum-Analyzer mit eingebautem oder separatem Tracking-Generator notwendig.
Sowohl die Sende- und die Empfangsantenne werden dabei direkt an den Analyzer
angeschlossen und in einem festen Abstand zueinander aufgebaut. Mit Hilfe des
Tracking-Generators kann das Gerät verschiedene definierte Frequenzbereiche
durchfahren und in die angeschlossene Sendeantenne einspeisen. Durch die Erfassung der von der Empfangsantenne zurück in den Spektrum-Analyzer gelieferten
Leistung kann anschließend die Empfangsleistung der Antenne und deren Breitbandigkeit bewertet werden.
Zu beachten ist, dass die Messung der Empfangsleistung durch die Abhängigkeit von
der Entfernung der Antennen zueinander und den Eigenschaften der Sendeantenne
sowie der eingespeisten Leistung nur im direkten Vergleich eine Aussage liefert.
Durch den direkten Zusammenhang der Empfangs- und Sendeleistung ist darauf
aufbauend ein Rückschluss und eine Übertragung der Empfangs- auf die Sendeleistung der Antenne möglich. Des Weiteren ist bei der Verwendung einer auf die er-
187
wünschte Resonanzfrequenz abgestimmten Sendeantenne eine direkte Bewertung
der Resonanzfrequenz der Empfangsantenne gegeben.
6.6.2.1 Versuchsaufbau
Im Rahmen der durchgeführten Messreihe kam als Spektrum-Analyzer ein Gerät der
Firma Rohde und Schwarz mit der Bezeichnung „R&S FSL 3“ (siehe Abbildung 6-13)
zum Einsatz, das Frequenzen in einem Bereich von 9 kHz bis 3 Ghz darstellen kann.
Der Anschluss der Antennen erfolgte entsprechend Abbildung 6-14.
Abbildung 6-13: Spektrum-Analyzer R&S FSL3
Abbildung 6-14: Anschluss für die Sende-
[ROH-06]
und Empfangsantenne
(in Anlehnung an [ROH-06])
Als Sendeantenne und Referenz-Empfangsantenne wurde die bereits in Kapitel
6.3.1.1 beschriebene Feig-Antenne verwendet. Der Abstand zwischen Sende- und
Empfangsantenne betrug im Rahmen der Versuchsdurchführung konstant 0,5 m. Mit
Hilfe des Trackinggenerators wurde eine Leistung von -0,20 dBm in die Sendeantenne eingespeist.
Zusammenfassend sind die Rahmenbedingungen des Versuchsaufbaus in Tabelle
6-4 dargestellt.
188
Tabelle 6-4: Rahmenbedingungen und Einstellungen zur Messung der Empfangsleistung
Verwendete Antennen
Sendeantenne
Referenzantenne
Geometrische Rahmenbedingungen
Abstand zwischen Sende- und Empfangsantenne
0,5 m
Einstellungen Spektrum-Analyzer
Output Power
-20 dBm
Center Frequency45
868 MHz
Span46
400 MHz
Sweeptime47
2,5 ms
6.6.2.2 Empfangsleistung der Koaxialantenne
Als Referenz wurde in einem ersten Schritt die Empfangsleistung der Feig-Antenne
im gemessenen Frequenzbereich ermittelt. Entsprechend Abbildung 6-15 ist dabei zu
erkennen, dass die Feig-Antenne zum einen sehr breitbandig und zum anderen auf
die Arbeitsfrequenz der RFID-UHF-Systeme von 868 MHz ausgelegt ist.
45
Die Center Frequency ist die Frequenz, auf die die Anzeige des Frequenzanalysegerätes zentriert
ist.
46
Als Span, oder Spannweite, wird jener Wertebereich verstanden, der von der Messung erfasst wird.
47
Als Sweeptime wird die Zeit bezeichnet, die das Frequenzanalysegerät für einen Durchlauf durch
den angegebenen Frequenzbereich benötigt. Eine geringe Sweeptime ist Voraussetzung für die
Messung kurzer Ereignisse, wie sie bei der messtechnischen Erfassung von Hochfrequenzwellen
vorkommen.
189
Abbildung 6-15: Empfangsleistung der Feig-UHF-Patchantenne
Speziell die breitbandige Auslegung der Feig-Antenne ist für die Bewertung der
Breitbandigkeit der entwickelten Koaxialantenne von entscheidender Bedeutung.
In Abbildung 6-16 ist im direkten Vergleich bei identischen Versuchsrandbedingungen die Empfangsleistung der entwickelten Koaxialdämpfung dargestellt.
Abbildung 6-16: Empfangsleistung der entwickelten Koaxial-Antenne
Dabei ist zu erkennen, dass der Verlauf sehr ähnlich zur der auf RFID-Anwendungen
im UHF-Bereich ausgelegten Feig-Antenne ist, wodurch die geometrische Auslegung
und Gestaltung der Antenne bestätigt wird. Das Maximum der Empfangsleistung ist
dabei zwar leicht unterhalb des Zielwertes von 868 MHz, aber durch den nahezu
190
konstanten Plateauverlauf der Empfangsleistung von 700 bis 950 MHz ist die Empfangsleistung in diesem Bereich nahezu konstant.
Dadurch kann die Anforderung, die zu konstruierende Antenne auf 868 MHz abzustimmen, verstärkt durch den vergleichbaren Kurvenverlauf mit der Referenzantenne
als erfüllt angesehen werden. Die im Rahmen der Anforderungsaufstellung geforderte maximale Zunahme der Dämpfung um 3 dBm im Bereich +/- 50 MHz zur Arbeitsfrequenz wird ebenfalls eingehalten und sogar unterschritten, wodurch die
konstruierte Koaxialantenne zum einen weltweit einsetzbar und zum anderen für die
metallhaltige Umgebung und die dadurch bedingte Beeinflussung der Antenne geeignet ist.
Der Wert der Empfangsleistung der Koaxialantenne bei 868 MHz unter den vorliegenden Messbedingungen liegt bei 45,01 dBm und damit etwa 8,5 dB über der
Dämpfung der auf maximale Reichweite ausgelegten Feig-Antenne. Dadurch kann
auch die Bedingung nach einer Dämpfung im Vergleich zur Referenzantenne von
<10 dB erfüllt werden.
6.6.3 Messung der Reflexionsdämpfung
Im Folgenden werden der Versuchsaufbau und die Ergebnisse zur Messung der Reflexionsdämpfung der Koaxialantenne beschrieben.
6.6.3.1 Versuchsaufbau
Um die Reflexionsdämpfung einer angeschlossenen Antenne zu messen, wird ebenfalls der im Rahmen der Empfangsleistungsmessung beschriebene SpektrumAnalyzer in Verbindung mit einem Trackinggenerator verwendet.
Allerdings müssen die beiden Messanschlüsse "RF output" und "RF input" durch eine
Messbrücke (Abbildung 6-17 zeigt die verwendete R&S Z2) verbunden werden.
Abbildung 6-17: Messbrücke R&S Z2 der Firma Rohde und Schwarz
191
Durch die Messbrücke wird die angeschlossene Antenne mit der durch den Trackinggenerator festgelegten Frequenz zum Schwingen gebracht, wodurch stehende
Wellen und damit die Reflexionsdämpfung direkt gemessen werden können. Die Antenne kann zur Messung beliebig im freien Raum positioniert werden.
Zusammenfassend sind die Einstellungen des Spektrum-Analyzers in Tabelle 6-5
dargestellt.
Tabelle 6-5: Einstellungen am Spektrum-Analyzer zur Messung der Reflexionsdämpfung
Einstellungen Spektrum-Analyzer
Widerstand an der Messbrücke
50 Ω
Center Frequency
868 MHz
Span
400 MHz
6.6.3.2 Reflexionsdämpfung der Koaxialantenne
Die Reflexionsdämpfung ist ein Indikator für Störeinflüsse. Bei Frequenzen, an denen
die Antenne eine hohe Reflexionsdämpfung aufweist, können sich störende stehende Wellen schlechter ausbilden und gewährleisten eine hohe Leistungsfähigkeit der
Antenne.
Entsprechend Abbildung 6-18 weist die konstruierte Koaxialantenne eine gute Reflexionsdämpfung auf, deren Maximum knapp unter der Arbeitsfrequenz von 868 MHz
liegt. Mit einem Dämpfungswert von 50,27 dBm kann die Anforderung nach einer
Reflexionsdämpfung > 50 dBm knapp erfüllt werden. Mit Hilfe einer veränderten geometrischen Auslegung könnte diese noch verbessert werden, allerdings hat sich die
gewählte Auslegung im Praxistest (vgl. Kap. 6.7) bewährt.
192
Abbildung 6-18: Reflexionsdämpfung entwickelte Koaxialantenne
Des Weiteren bestätigt die Messung der Reflexionsdämpfung durch die hohe Dämpfung der stehenden Wellen im Bereich der Arbeitsfrequenz die korrekte Auslegung
der Antenne auf die Arbeitsfrequenz von 868 MHz.
6.6.4 Sicherstellung der Antennenrobustheit und der einfachen Handhabung
Zur Gewährleistung der Langlebigkeit der Antenne für den Einsatz in Motorraum zur
RFID-gestützen Bauzustandsdokumentation muss die konstruierte Antenne entsprechend der entwickelten Anforderungen eine hohe mechanische und chemische Stabilität aufweisen.
Das mechanische schwächste Glied der Koaxialantenne bildet das freie Leiterstück.
Aus diesem Grund ist es notwendig, zur Erhöhung der mechanischen Stabilität das
freie Leiterstück zu verstärken, um ein Abknicken und Abbrechen zu verhindern. Als
zweckmäßig erweist sich hier die Verwendung von Kunststoff, beispielsweise Polypropylen, da hierdurch die elektrischen Eigenschaften des Leiters und damit der
Antenne nur minimal verändert werden. Zur Verstärkung der aufgebauten Antennen
wurde im Rahmen der Arbeit für eine einfache prototypische Umsetzung die Leiterisolierung als zusätzliche Verstärkung entsprechend Abbildung 6-12 verwendet.
Eine weitere Maßnahme, um die Koaxialantenne widerstandsfähig gegen chemische
Einflüsse auszuführen und sie gegenüber ihrer Umgebung zu isolieren, stellt die
Ummantelung der Antenne mit einem Schrumpfschlauch dar. Besonders geeignet
erweisen sich hier Schrumpfschläuche aus Polylefinen ([AIC-03], einer Polymer-Art,
193
die sich neben ihrer Isolationsfähigkeit durch eine gute chemische Beständigkeit auszeichnet (vgl. Abbildung 6-19).
Abbildung 6-19: Koaxialantenne mit Kunststoffummantelung
Um zusätzlich die Positionierung der Antenne im Motorraum zu verbessern, ist es
zielführend, die Antenne mit einem Kunststoffstab als Verlängerung zu versehen.
Dadurch wird die exakte Positionierung der Antennen im Motorraum ermöglicht und
damit die Handhabbarkeit verbessert. Abbildung 6-20 zeigt beispielhaft die prototypische Umsetzung der Koaxialantenne mit einem verlängerten Kunststoffstab von 50
cm Länge.
Abbildung 6-20: Koaxialantenne mit einer 50cm-Kunststoffverlängerung
6.7
Praktische Evaluierung der Koaxialantenne
Nach der Auslegung und Ausgestaltung der Koaxialantenne wird im Folgenden die
Leistungsfähigkeit der Antenne auf Basis einer praktischen Evaluierung bewertet.
6.7.1 Versuchdurchführung
Der Versuchsaufbau zur praktischen Evaluierung der entwickelten Koaxialantenne ist
identisch mit dem Aufbau zur Evaluierung der Leistungsfähigkeit des Identifikationsszenarios „offenes Fahrzeug scannen“ in Kapitel 5.3. Dadurch sind die Ergebnisse
der Koaxialantenne direkt mit den Ergebnissen der Referenzantenne der Firma Feig
vergleichbar, wodurch die Leistungsfähigkeit der Koaxialantenne umfassend bewertet werden kann
Die entwickelte Koaxialantenne wurde für den Einsatz in engen Bauräumen entwickelt, so dass im Rahmen der Evaluierung der Fokus auf den 22 im Motorraum gekennzeichneten Komponenten lag.
194
Zur Bewertung der Erfassungswahrscheinlichkeit der gekennzeichneten Bauteile
wurden die bereits in Kapitel 5.3 aufgestellten Bewertungskriterien herangezogen.
Da sich aufgrund der geringeren Reichweite die Komponenten generell nur mit Lagekenntnis des Transponders erfassen lassen, wurde im Rahmen der Evaluierung
das Kriterium „generell erfassbar“ nicht vergeben.
Analog zur Evaluierung des Erfassungsszenarios mit der Einzelantenne wurden jeweils 50 Durchläufe durchgeführt, hinsichtlich des Bewegungsablaufes der Antenne
wurden folgende, in Abbildung 6-21 dargestellte Einstichpunkte in Motorraum definiert, um die Koaxialantenne möglichst nahe an den jeweiligen Bauteilen zu platzieren.
Abbildung 6-21: Einstichpunkte der Koaxialantenne zur Erfassung von im Motorraum verbauten Komponenten
Da die Koaxialantenne im Vergleich zur Feig-Antenne einen geringeren Antennengewinn aufweist, musste im Rahmen der Versuchsreihe die Leistung des Readers
angepasst werden. Die Berechnung der einzuspeisenden Leistung für die entwickelte
Koaxialantenne von Seiten des Readers ist im nächsten Abschnitt beschrieben.
6.7.2 Festlegung der Sendeleistung
Jede Antenne setzt die zugeführte Leistung in eine Abstrahlleistung um, die vom Antennengewinn und der -polarisation sowie den Kabelverlusten abhängt. Dies hat zur
195
Konsequenz, dass nicht jede Antenne, die mit einer bestimmten Leistung gespeist
wird, die gleiche Leistung abstrahlt.
Gesetzliche Vorschriften beziehen sich daher auf die tatsächlich von der Antenne
abgestrahlte Leistung bezogen auf eine Dipolantenne, die so genannte Radiated
Equivalent Power (ERP). Die für Europa geltenden Werte sind in Tabelle 2-4 aufgeführt. Danach gilt für den hier relevanten Bereich von 865,6 MHz bis 867,6 MHz eine
Beschränkung auf 2,00 W ERP.
Darauf aufbauend ist die Berechnung der Leistungseinstellung für die Koaxialantenne in Tabelle 6-6 dargestellt, wobei ein Anschlusskabel von 5 m berücksichtigt wird.
Tabelle 6-6: Berechnung der Ausgangsleistung am Reader für die entwickelte Koaxialantenne
Calculation RF Output Power
radiated power
2.00 W ERP
<> 33.00 dBm
correction factor ERP -> EIRP
*
1.64
+
Radiated Power isotrop
=
3.28 W EIRP
= 35.10 dBm
Antenna Gain
1.60 dBi
-
1.60 dBi
Type of antenna
0.00
+
0.00 dB
+
2.75 dBm
cable losses
100m
5
55.00 dB
2.75 dB
radiated power
Sendeleistung in W am Reader
2.10 dB
= 36.25 dBm
= 33.00 +
ca. 2 x 2,00 W
=
3.00 W
maximum
Einstellung am Reader
3.25 dBi
4.00 W
Type of antenna:
linear antenna
0
"-0" dBm
circular antenna
1
"-3" dBm
Entsprechend der durchgeführten Berechnung dürfte die Leistung am Reader 4 Watt
betragen. Da der im Rahmen der Tests verwendete Reader der Firma Feig lediglich
auf 3 Watt eingestellt werden kann, erreicht die Koaxialantenne die maximal zulässige Abstrahlleistung von 2 Watt ERP nicht.
Somit kann durch eine ideale Gestaltung des Readermoduls mit einer höheren Leistung die Leistungsfähigkeit gegenüber der hier aufgezeigten praktischen Evaluierung
noch weiter verbessert werden.
196
6.7.3 Ergebnisse der Evaluierung
Im Rahmen der praktischen Evaluierung der entwickelten Koaxialantenne wurden
insgesamt 22 Bauteile im Motorraum mit Transpondern gekennzeichnet. Diese wurden in Kapitel 3.4 festgelegt.
Die bei 50 Messreihen ermittelte Leserate mit Hilfe der Koaxialantenne ist im direkten
Vergleich mit den Ergebnissen der Feig-Antenne in Abbildung 6-22 dargestellt.
Generell erfassbar
Schlecht erfassbar
Nicht erfassbar
Anzahl Bauteilee
25
22
20
15
10
12
5
0
1
3
6
"Offenes Fahrzeug
scannen"
"Scanpunkte"
Abbildung 6-22: Vergleich der Leserate der entwickelten Koaxial- und der Feig-Antenne von 12
im Motorraum befestigten Transpondern bei 10 Versuchsmessungen
Die entwickelte Koaxialantenne ermöglicht es, im Gegensatz zu der auf große Reichweite ausgelegten Feig-Antenne, durch die direkte Eindringung in den Motorraum
alle verbauten Transponder im vorliegenden Testszenario im Motorraum zu erfassen.
Durch die axiale Bauform und der Versteifung mit Hilfe des Kunststoffstabes ist dabei
im praktischen Einsatz eine exakte Positionierung im Motorraum gegeben, wodurch
auch stark eingebaute Komponenten, wie beispielsweise die Motorlagerkonsole, zuverlässig erfasst werden können. Sogar der gekennzeichnete Pralldämpfer, der sich
zwischen Kühler und Front-End befindet und damit fast vollständig verbaut ist, konnte durch den Einstichpunkt 10 sicher identifiziert werden (vgl. Abbildung 6-21).
Durch die lineare Polarisation der Koaxialantenne ist dabei aber eine stetige leichte
Antennenbewegung notwendig.
197
Ebenfalls zuverlässig und sicher konnte mit Hilfe der Koxialantenne der im Bereich
des Innenraums durch die Feig-Antenne nicht erfassbare Motor zur Sitzlängsverstellung auf Basis der Antennenpositionierung unterhalb des Sitzes entsprechend
Abbildung 6-23 gelesen werden.
Abbildung 6-23: Erfassung des Motors zur Sitzlängsverstellung durch Positionierung der Antenne unterhalb des Sitzes
Durch die Leistung der Antenne im Rahmen der Messreihen wird die Auswahl und
Auslegung der Antenne bestätigt. Das Konzept der Koaxialantenne erfüllt somit die
Anforderungen zur Identifikation von Komponenten in engen Bauräumen und stellt
dadurch eine elementare Säule zur Realisierung der RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation dar. Die technische Machbarkeit der Identifikation von im Motorraum
verbauten Bauteilen ist auf Basis der Versuchsreihe nachgewiesen worden.
6.8
Im Rahmen des Kapitels ist mit der Koaxialantenne ein Antennenkonzept auf Basis
ausgewählter Kriterien ermittelt worden, das für den generellen Einsatz zur Identifikation von Transpondern im Motorraum von Fahrzeugen oder engen Bauräumen geeignet ist. Durch die Endspeisung und der damit verbundenen idealen Kabelführung
kann die Antenne einfach positioniert werden und ist zudem durch die Verwendung
von Schrumpfschläuchen und einer Verstärkung des Leiters vor mechanischen und
chemischen Belastungen geschützt. Im praktischen Test erweist sich das ausgewählte Antennenkonzept als äußerst leistungsfähig und bietet im Gegensatz zu han-
198
delsüblichen Patchantennen die Option, Transponder an verwinkelten engen Positionen im Motorraum zu erfassen.
In Kombination mit der Erfassung von verbauten Komponenten mit Hilfe einer handelsüblichen UHF-Einzelantenne liegen damit Lesekonzepte vor, die eine durchgängige Erfassung von verbauten Komponenten im Fahrzeug ermöglichen und das bei
einer Leserate von annähernd 100 %. Durch die praktische Evaluierung wurden die
beiden Konzepte validiert, so dass die technische Machbarkeit einer RFID-gestützen
Bauzustandsdokumentation nachgewiesen und verifiziert ist.
199
7 Zusammenfassung und Ausblick
7
Zusammenfassung und Ausblick
Innovation, Derivatisierung, Individualisierung und Effizienzsteigerung stellen die
Schlüsselherausforderungen für die Automobilindustrie in den nächsten Jahren dar,
um im globalen Verdrängungswettbewerb verstärkt durch die Finanzkrise und der
daraus resultierenden negativen Wirtschaftsentwicklung bestehen zu können.
Die Bewältigung dieser Aufgaben bedingt eine ganzheitliche Optimierung auf allen
Ebenen des Produktentwicklungs- und Herstellungsprozesses. Ein zentraler Lösungsbaustein zur Beherrschung der Variantenvielfalt und Komplexität stellt dabei
die durchgängige Transparenz in der Entwicklungs- und Lieferantenkette dar.
Der Einsatz der RFID-Technologie zur Kennzeichnung von Fahrzeugbauteilen
schafft hier durch die Verbindung von Material- und Informationsfluss neue Chancen
und Potenziale zur Steigerung der Effizienz und Informationsgüte. Durch die Möglichkeit der Verfolgung der Komponenten ist über die Herstellung hinaus im AfterSales-Bereich eine durchgängige Nachvollziehbarkeit der Fahrzeugkonfiguration und
-historie gegeben.
Die Kennzeichnung und Erfassung von Fahrzeugeinzelteilen - insbesondere im
Fahrzeug - ist aber aufgrund der negativen Auswirkungen von Metall auf die Leis200
tungsfähigkeit von RFID-Systemen mit vielschichtigen Herausforderungen behaftet
und nicht mit einem auf dem Markt erhältlichen Standardsystem lösbar.
Das Ziel der Arbeit war daher die Entwicklung von technischen Konzepten zur Kennzeichnung und Identifikation von verbauten Bauteilen im Fahrzeug mit Hilfe der
RFID-Technologie und der Nachweis der technischen Machbarkeit einer RFIDgestützten Bauzustandsdokumentation.
Daraus resultieren die folgenden zwei zentralen Anforderungen:
•
Sämtliche kennzeichnungsrelevante Bauteile müssen unabhängig von ihrem
Werkstoff und eine Beeinflussung ihrer Eigenschaften gekennzeichnet werden
können.
•
Die Erfassung der gekennzeichneten Bauteile muss im verbauten Zustand
möglich sein.
Während für die Kennzeichnung von Objekten aus Kunststoff und für Elastomere
bereits technische Konzepte und Umsetzungen auf dem Markt existieren, sind die
derzeit verfügbaren mobilen Datenträger zur Aufbringung auf Metall aufgrund ihrer
Abmessungen und Bauform im Wesentlichen für den Einsatz auf Behälterebene geeignet. Die Anforderungen für eine direkte Kennzeichnung auf Bauteilebene ohne
Veränderung der Bauteileigenschaften erfüllen sie daher nicht.
Im Rahmen der Arbeit wurde aufbauend auf einer detaillierten Evaluierung bestehender Lösungen, ein Konzept im UHF-Frequenzbereich zur Entkopplung des mobilen Datenträgers von leitfähigen Materialien mittels eines Spezialabsorbers
weiterqualifiziert, um die für den Anwendungsfall essenzielle Kennzeichnung von
metallischen Bauteilen zu ermöglichen. Im Rahmen einer praktischen Evaluierung
wurde der Nachweis erbracht, dass dieser Ansatz das Potenzial bietet, alle gestellten
Anforderungen für die Kennzeichnung metallischer Bauteile im vorliegenden Einsatzszenario zu erfüllen.
Zur Lösung der zweiten Herausforderung, der Identifikation von mit Transpondern
versehener im Fahrzeug eingebauter Einzelteile wurden verschiedene technische
Antennenkonzepte betrachtet beziehungsweise entwickelt und auf deren Eignung für
den Einsatz in der RFID-gestützten Bauzustandsdokumentation überprüft.
Die Vision der Erfassung der Komponenten während der Vorbeifahrt von außerhalb
des Fahrzeugs aufgestellter fester Antennen, ist aufgrund der annähernd geschlossenen Oberfläche der Fahrzeugkarosserie die einen Faradayschen Käfig darstellt,
bereits theoretisch nicht realisierbar. Dadurch sind im vorliegenden Einsatzfall Lese201
konzepte zur Identifikation von verbauten Komponenten notwendig, bei denen die
Antenne nahe am Bauteil positioniert wird.
Mit Hilfe einer praktischen Evaluierung an einem repräsentativen Versuchsfahrzeug
mit gekennzeichneten Komponenten konnte im Rahmen der Arbeit gezeigt werden,
dass durch den Einsatz einer Einzelantenne und deren nahes vorbeiführen an den
jeweiligen Bauteilen eine zuverlässige Erkennung von Bauteilen im Innenraum und
Unterboden des Fahrzeug realisierbar ist. Lediglich fast vollständig vom Metall umgebene Bauteile, wie beispielsweise die Türverstärkung zwischen Türaußen- und
-innenblech, sind nicht erfassbar. Im Bereich des Motorraums hingegen stößt das
Konzept aufgrund der Antennenbaugröße und des dadurch bedingten Abstands zu
den jeweiligen mobilen Datenträgern an seine Grenzen. Dementsprechend können in
diesem Bereich nur nahe an der Oberfläche liegende Bauteile erkannt werden. Für
die Identifikation von im Motorraum verbauten Komponenten ist ein anderes Konzept
notwendig, bei dem die Antenne direkt in den Bauraum eingebracht werden kann.
Hierfür ist die kompakte Bauform der Antenne eine grundlegende Voraussetzung. Da
es derzeit auf dem Markt kein dafür geeignetes Antennenkonzept für RFID-Systeme
im UHF-Bereich gibt, ist im Rahmen der Arbeit auf Basis eines Vergleichs eine Antenne in Koaxialbauform entwickelt worden, die für den generellen Einsatz zur Identifikation von Transpondern im Motorraum von Fahrzeugen oder engen Bauräumen
geeignet ist. Durch die praktische Evaluierung am Versuchsfahrzeug konnte der
Nachweis der Eignung für den Einsatz zur Erfassung von im Motorraum verbauter
Komponenten erbracht werden.
Durch die gezielte Kombination der beiden Identifikationskonzepte für den Innen- und
den Motorraum wird eine durchgängige Erfassung von verbauten Komponenten im
Fahrzeug ermöglicht. Durch die Validierung an einem realen Versuchsfahrzeug
konnte die technische Machbarkeit einer RFID-gestützen Bauzustandsdokumentation nachgewiesen werden.
Die Arbeit legt damit den ersten Grundstein für den Einsatz der Technologie in der
Automobilindustrie. Bei den aufgezeigten und entwickelten technischen Lösungsansätzen handelt es sich aber um Konzepte, die für einen Einsatz konsequent in Richtung Serienproduktion weiter entwickelt werden müssten
Um darüber hinaus die Integration der Technologie im unternehmensweiten Netzwerk zu ermöglichen, ist die Entwicklung und Anpassung von Prozessen unabdingbar. Durch eine Technologie kann ein Prozess lediglich unterstützt und nicht
202
bestimmt werden. Darüber hinaus ist zur Gestaltung effizienter und wirtschaftlicher
RFID-Strukturen und Informationsflüsse die Erarbeitung wirtschaftlicher Grundmodelle auf Basis von Standardprozessen notwendig.
Der Einsatz in der Automobilindustrie wird sich zudem erst durch eine weitere Reduktion der Produktionskosten von mobilen Datenspeichern bei gleichzeitiger Generierung von Optimierungspotenzialen über alle Wertschöpfungsstufen ökonomisch
realisieren lassen. Dieser wird sich in einem ersten Schritt bei dokumentations-, eigenschaftsverantwortlichen und sicherheitskritischen Bauteilen ergeben.
Die Einführung der RFID-Technologie in einem Unternehmen ist aus wirtschaftlichen
und auch als technologischen Gründen durch Politprojekte in abgeschlossenen Bereichen anzustreben. In der Automobilindustrie bietet sich hierfür eine Anwendung in
der Fahrzeugenwicklung an. Durch den wesentlich höheren Teilepreis und den dynamischeren und ungeführteren Prozess im Rahmen der Bauteileigenschaftsentwicklung ergeben sich größere Nutzenpotenziale durch eine Steigerung der
Transparenz.
Die Technologie kann dann auf Basis von Technologie- und Preisentwicklung Schritt
für Schritt in die aus Prozesssicht anforderungskritischere Serienproduktion integriert
werden, um langfristig die Vision der selbststeuernden Bauteile im unternehmensübergreifenden Netzwerk Realität werden zu lassen.
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Technische Konzepte zur RFID

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