Analyse und Validierung von Merkmalen für die Integration der RFID-Technologie in der Produktion unter Einbeziehung der Supply Chain

  Analyse und Validierung von Merkmalen für die Integration der RFID-Technologie  

  in der Produktion unter Einbeziehung der Supply Chain  2

Inhaltsverzeichnis

Abbildungsverzeichnis.................................................................................................5

  Abkürzungsverzeichnis................................................................................................6  

1  Einführung 8  

1.1  Problemstellung 8  

1.2  Vorgehensweise 9  

2  Technologien 10  

2.1  RFID Technologie 10  

2.1.1  Die frühen Anfänge 10  

2.1.2  Grundlagen der RFID-Technologie 12  

2.1.3  Unterscheidungsmerkmale von RFID-Systemen 13  

2.1.4  Funktionsweise 15  

2.1.4.1  Energieversorgung 15  

2.1.4.2  Sendefrequenzen Signalkopplung und Reichweite 15  

2.1.5  Pulk-Lesefähigkeit 17  

2.1.6  Transponder-Bauformen 17  

2.2  Das EPC-Netzwerk 18  

2.2.1  Der Electronic Product Code (EP)C 20  

2.2.2  Voraussetzungen zur RFID-Nutzung im EPC-Netzwerk 22  

2.2.2.1  Transponder 22  

2.2.2.2  Lesegeräte 23  

2.2.3  Middleware-Konzept Savant 23  

2.2.4  Object Naming Service (ONS) 24  

2.2.5  EPC Information Service 24  

2.2.6  EPC Discovery Service 25  

2.2.7  Physical Markup Language (PML) 25  

2.2.8  Stand der Dinge und Aussichten 25  

3  RFID in der Anwendung 26  

3.1  RFID - Einsatz in der industriellen Fertigung 27  

3.1.1  Zentrale Steuerung 28  

3.1.2  Dezentrale Steuerung 29  

3.1.3  Nutzenpotentiale durch RFID 31  

3.1.3.1  Flexible Steuerung des Materialflusses 31  

3.1.3.2  Überwachung des Bearbeitungsfortschrittes 31  

3.1.3.3  Ausfallsicherheit 32  

3.1.3.4  Datensicherheit 32  

3.1.3.5  Geringer Einfluss von Umweltbedingungen 32  

3.1.3.6  Sensorik 33  

3.1.3.7  Transparenz des Warenbestandes 33  

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3.1.3.8  Produktverfolgung und Qualitätskontrolle 33  

3.1.3.9  Arbeitsproduktivität 33  

3.1.3.10  Instandhaltung 34  Instandhaltung....................................................................................34

3.1.4  Erweiterte Anwendungsmöglichkeiten in der Fertigung 34  

3.1.4.1  E-Kanban-System 34  

3.1.4.2  Lean Production 35  

3.1.5  Geeignete RFID Systeme im Fertigungsbereich 36  

3.2  Erweiterte Betrachtung Einbeziehung der Supply Chain 37  

3.2.1  Verknüpfungen innerhalb der Supply Chain 38  

3.2.1.1  Just-in-Time (JIT) und Just-in-Sequence (JIS) 39  

3.2.1.2  Bullwhip Effekt 40  

3.2.2  Nutzenpotentiale für den Hersteller 40  

3.2.2.1  Lagermanagement 41  

3.2.2.2  Echtheitsnachweis und Schwundkontrolle 42  

3.2.2.3  Distribution 43  

3.2.2.4  Rückverfolgbarkeit 44  

3.2.3  Nutzenpotentiale für die Zulieferer 44  

3.2.3.1  Liefertreue 44  

3.2.3.2  Wettbewerbsfähigkeit 45  

3.2.4  Nutzenpotentiale im After-Sales Bereich 45  

3.2.4.1  Wartung und Reparatur 45  

3.2.4.2  Recycling 46  

4  Rahmenbedingungen 47  

4.1  Ungelöste Probleme 47  

4.1.1  Anwendungseinschränkungen 47  

4.1.2  Fehlende Standardisierung 50  

4.2  Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen 51  

4.2.1  Kostensenkung als Erfolgsvoraussetzung 52  

4.2.2  Kosten Nutzen Verteilung in der Supply Chain 54  

4.3  Sicherheitsaspekte und Datenschutz 55  

5  RFID Systemintegration 56  

5.1  Vorgehensweise 57  

5.1.1  Strategische Zielvereinbarungen 57  

5.1.2  Bildung eines Projektteams 57  

5.1.3  Definition und Prozessanalyse 57  

5.1.4  Entwicklungsphase 59  

5.1.5  Integrationsphase 59  Integrationsphase......................................................................................59

5.1.5.1  Validierung durch Pilot- und Feldversuche 60  

5.1.5.2  Einbindung in den Gesamtprozess 60  

5.1.6  Integrationsabschluß 61  

5.2  Technische Analyse und Objektidentifikation 61  

5.3  Auswahlkriterien für geeignete RFID-Systeme 64  

5.4  Wirtschaftliche Bewertungsmodelle 66  

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5.4.1  Nutzenbewertung 70  

5.4.2  Bewertung der Kosten 71  

6  Zusammenfassung und Ausblick 72  

  Literaturverzeichnis  74

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Abbildungsverzeichnis

  Abbildung 1: schematische Darstellung eines RFID-Systems 12  

  Abbildung 2: Prinzipieller Aufbau des RFID-Transponders 13  

  Abbildung 3: Unterscheidungskriterien von RFID-Systemen 14  

  Abbildung 4: Bauformen von RFID-Transponder 18  

  Abbildung 5: EPC-Netzwerk mit einzelnen Systemkomponenten 19  

  Abbildung 6: Aufbau des EPC im Vergleich zum EAN-Code 21  

  Abbildung 7: EPCglobal- Kommunikationsspezifikationen 23  

  Abbildung 8: Zentrale Steuerung 29  

  Abbildung 9: Dezentrale Steuerung 30  

  Abbildung 10: Vereinfacht dargestellte Wertschöpfungskette 38  

  Abbildung 11: Kosten Nutzen-Vergleich auf verschiedenen Ebenen der  

  Kennzeichnung (schematisch) 42  

  Abbildung 12: EPC-konformer Space Tag für die Anwendung auf Metalloberflächen  

  48  

  Abbildung 13: Anordung der Transponder im HF-Lesefeld 49  

  Abbildung 14: Hemmfaktoren für den RFID-Einsatz 51  

  Abbildung 15: Erwartete Absatzprognose von RFID-Transponder 53  

  Abbildung 16: RFID-Nutzenpotentiale 67  

  Abbildung 17: Shareholder-Value-Tree zur RFID-Nutzenbewertung 68  

  Abbildung 18: Nutzenpotentiale für RFID-Einsatz (Auswahl) 70  

  Abbildung 19: Kostenbestimmung für den RFID-Einsatz (Auswahl) 71  

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Abkürzungsverzeichnis

Absetzung für Abnutzung

Automatische Identifikation

Betriebsdatenerfassungssystem

Balanced Scorecard

Cyclic Redundancy Check

Domain Internet Service

European Article Number

Electronic Article Surveillance

Electronic Data Interchange

Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory

Electronic Product Code

Enterprise Reseach Planning

Europäische Union

High Frequency

Hertz

Internet Protocol

International Protection

Informationstechnik

Just-In-Sequence

Just-In-Time

Local Area Network

Low Frequency

Massacchussetts Institute of Technology

Mikrowelle

Object Naming Service

Personal Computer

Physical Markup Language

Radio Frequency Identification

Return-On-Invest

Read-Only Memory

Radio Sector (serielle Schnittstelle)

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Spezial-Ladungsträger

Speicherprogrammierbare Steuerung

Shareholder-Value-Tree

Tracking and Tracing

Uniform Code Council

Ultra High Frequency

Uniform Product Code

United States of America

Wireless Local Area Network

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1 Einführung

Im Zuge der fortschreitenden Globalisierung und der damit einhergehenden Öffnung der Märkte wird der Druck auf die Unternehmen hinsichtlich Kosten- reduzierung und Umsatzsteigerung immer stärker.

Die kontinuierliche Verbesserung von bestehenden Prozessabläufen ist daher essentiell, um am weltweiten Markt erfolgreich tätig zu sein.

In den letzten Jahren hat eine aussichtsreich scheinende Technologie das Interesse der Industrie und der Öffentlichkeit geweckt: die Identifikation mittels Funkwellen, die sogenannte Radio Frequency Identification (dt. = Radio- frequenz Identifikation, kurz: RFID).

Beschäftigt man sich mit der Thematik etwas genauer, stößt man schnell auf eine weitere Technologie, die das volle Potential von RFID erst offen legen wird.

Mit Hilfe des sogenannten Electronic Product Code (EPC) kann die RFID- Technologie in der Supply Chain eines jeden Unternehmens effizient und nutzenoptimiert angewandt werden.

Die EPC-Technologie soll zukünftig einmal jedem einzelnen Artikel eine ein- deutige Identifikationsnummer zuordnen und damit ein produktbezogenes Tracking & Tracing (T&T) ermöglichen.

1.1 Problemstellung

Die Schnelligkeit von Material-, Produkt- und nicht zuletzt Informationsflüssen ist eine erfolgskritische Größe.

Fehlmengen führen zu Produktionsausfällen, die innerhalb der verschachtelten und komplexen Prozessstrukturen einen Schneeballeffekt auf parallel- und nachgelagerte Prozesse haben können.

Lagerüberbestände führen zu unnötigen Kapitalbindungen und erschweren die Lagerlogistik.

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Diese sogenannten Medienbrüche verzögern nicht nur den Informationsfluss, sondern können durch menschliche Irrtümer oder nicht optimierter Technik zu Übertragungsfehlern führen.

In der Supply Chain verstärkt sich dieses Problem, weil häufig elektronische Dateninformationen zwischen Zulieferer und Hersteller nicht kompatibel sind. Mittels einer geeigneten RFID-Technologie kann die Geschwindigkeit der Material-, Produkt- und Informationsflüsse erhöht und gleichzeitig Fehler durch Medienbrüche vermieden werden.

So sind bereits für lokale Anwendungen in der Fertigung und Montage durch relativ einfache RFID-Systeme deutliche Prozessverbesserungen zu erreichen. Erweiterte Anwendungen, wie beispielsweise innerhalb einer Zulieferer- Hersteller-Beziehung bedürfen hingegen schon einer komplexeren RFID- Lösung, da über die Unternehmensgrenze hinweg Material- und Datenflüsse gesteuert werden müssen.

Nutzt man die RFID-Technologie innerhalb der kompletten Supply Chain so kommt man für eine zukunftssichere Lösung nicht um die Verwendung des EPC umher.

Erst mit Nutzung des EPC und die Integration in das sogenannte EPC- Netzwerk wird die medienbruchfreie Verbindung von Informationen und Produkt innerhalb der Supply Chain erreicht.

1.2 Vorgehensweise

Die Arbeit ist inhaltlich in 4 Hauptkapitel gegliedert.

Das erste Hauptkapitel beschreibt die Technologien RFID und EPC. Einleitend wird der Aufbau und die Arbeitsweise der RFID-Technologie erklärt. Im zweiten Abschnitt wird das EPC-Netzwerk beschrieben und welche Vorbedingungen zum Einsatz gegeben sein müssen. Abschließend werden die Voraussetzungen zum Einsatz der RFID-Technologie innerhalb des EPC- Netzwerkes dargestellt.

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Im dritten Hauptkapitel werden die Rahmenbedingungen dargestellt, welche bei der Einführung der RFID-Technologie in bestehende Prozesse beachtet werden müssen. Neben der obligaten Wirtschaftlichkeitsbetrachtung werden die noch existierenden Probleme bei der Implementierung der RFID-Techno-logie sowie die Aspekte der Sicherheit und des Datenschutzes beleuchtet.

Im abschließenden vierten Hauptkapitel wird die RFID-Systemeinführung beschrieben und eine mögliche Vorgehensweise zur RFID-Einführung vorgestellt.

2 Technologien

Sowohl RFID als auch EPC können als eigenständige Technologie verstanden werden. Die RFID-Technologie beschreibt hierbei das eigentliche Identifizieren mittels Funkwellen, wohingegen die EPC-Technologie die eindeutige und standardisierte Produktzuordnung mittels EPC und die dafür notwendige IT- Infrastruktur umfasst.

2.1 RFID – Technologie

2.1.1 Die frühen Anfänge

Die Ursprünge der RFID-Technologie liegen bereits einige Jahrzehnte zurück. Bereits in den 20er Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelte man das Radar, um mit Hilfe von ausgesandten Radiowellen, Objekte durch Reflexion dieser Wellen zu orten.

Während des 2.Weltkrieges wurden alliierte Flugzeuge mit einfachen Sender/ Empfänger–Einheiten (Transponder) zur gegenseitigen Erkennung aus- gestattet. Zu dieser Zeit hatten die Transponder noch die Größe eines Reise-

Die Weiterentwicklungen auf den Gebiet der Elektronik und der Mikroprozessortechnik ließen die Baugrößen kleiner und die Technik besser werden. Von RFID spricht man erst seit den 1950er Jahren. Erste Anwendungen beim US-Militär und einigen wenigen Großunternehmen hatten

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aufgrund der noch unhandlichen und teueren RFID-Komponenten den Status von Feldversuchen. Eine erste große kommerzielle Anwendung der RFID- Technologie war Ende der 1960er Jahre die Entwicklung des elektronischen Artikelüberwachungssystems (EAS). Dieses auch heute noch gebräuchliche System verwendet einen 1-bit-Transponder, welcher an der zu sichernden Ware angebracht wird und nur die Signale 0 und 1 kennt. Sofern der Transponder nicht am Kassensystem deaktiviert wird, meldet ein Signal beim Passieren einer bestimmten Stelle den unbezahlten Gegenstand. Dieser ein- fache und kostengünstige Transponder ermöglicht eine wirksame Diebstahl- kontrolle.

In den 1970er Jahren entstanden die ersten Ideen zum Einsatz in der industriellen Fertigung und der Logistik. Aufgrund der noch nicht ausreichend vorangeschrittenen technologischen Entwicklung verloren diese Ansätze ihren properitären Charakter meist nicht.

Ab den 1980er Jahre etablierten immer mehr Firmen einfache RFID- Anwendungen und entwickelten diese Systeme weiter.

Heutzutage trifft man RFID-Systeme bereits regelmäßig im täglichen Leben an. Sei es das Maut-Erfassungssystem „Toll-Collect“, die Diebstahlsicherung des eigenen PKW’s oder der kontaktlose Skipass beim Wintersport.

Insbesondere im Bereich Logistik und Prozessautomatisierung herrscht mo- mentan Aufbruchstimmung und es ist zu erwarten, dass sich die RFID- Technologie in vielen Anwendungsgebieten progressiv verbreiten wird. So erwartet das RFID-Marktforschungsinstitut IDTechEx in den kommenden 10 Jahren eine Wertsteigerung des RFID-Marktes von 1,9 Mrd. Dollar auf knapp

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2.1.2 Grundlagen der RFID-Technologie

RFID-Systeme bestehen immer aus drei Komponenten:

dem Datenträger (Transponder oder auch als „Tag“ bezeichnet), welcher

am zu identifizierenden Objekt angebracht wird

dem Schreib/Lesegerät, welches zum Auslesen der auf dem Datenträger

befindlichen Informationen verwendet wird. Bei geeigneten Aus-

führungen kann der Datenträger auch beschrieben werden.

dem Rechner mit entsprechender Applikationssoftware zur Steuerung

des Schreib/Lesegerätes

schematische Darstellung eines RFID-Systems

Quelle: Finkenzeller: RFID-Handbuch, 2002, S. 7.

Das RFID Lesegerät ist über eine Schnittstelle mit dem Rechnersystem (zum

Beispiel ein PC) verbunden. Diese Schnittstelle kann über eine serielle Schnitt-

stelle wie beispielsweise RS 232 oder RS 485 (vorzugsweise im industriellen

Bereich der Feldbustechnik eingesetzt) realisiert werden. Eine andere gängige

Schnittstellenlösung ist die Verbindung mittels Netzwerkverbindungen (LAN

beziehungsweise WLAN).

Die auf dem Rechner befindliche Applikation sendet Kommandos an das RFID-

Lesegerät und erhält die angeforderten Daten im Gegenzug zurück.

Das RFID-Lesegerät erzeugt anhand der erhaltenen Anweisungen ein mag-

netisches oder elekromagnetisches Wechselfeld.

Bei jedem RFID-System werden Daten auf dem elektrischen Datenträger, dem

Transponder, gespeichert. Der Begriff Transponder ist ein Kunstwort und setzt

sich aus den Begriffen „Transmitter“ (dt.:Sender) und „Responder“

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Der Datentransfer zwischen Transponder und Lesegerät (Reader) sowie die Energieversorgung des Datenträgers erfolgen unter Verwendung des vom

4

Der RFID-Transponder besteht aus einer Antenne bzw. Spule und dem elektronischen Mikrochip. Diese beiden Komponenten sind in einem Gehäuse integriert oder im einfachsten Fall auf einer Klebefolie aufgebracht (sogenannte „Smart Labels“).

Die Antenne (elektomagnetische Kopplung) oder Spule (induktive Kopplung) bildet die Kopplungseinheit zu dem vom Lesegerät erzeugten Feld. Der elek- tronische Mikrochip ist der eigentliche Informationsträger und besitzt einen unveränderten Festspeicher (ROM) und gegebenenfalls einen wieder- beschreibbaren Speicher (EEPROM).

Außerhalb des vom Lesegerätes erzeugten Feldes verhält sich ein Transponder ohne eigene Spannungsversorgung passiv.

Prinzipieller Aufbau des RFID-Transponders

Quelle: Eigene Darstellung in Anlehnung an Finkenzeller: a.a.O., S. 9.

2.1.3 Unterscheidungsmerkmale von RFID-Systemen

Die am Markt befindlichen RFID-Systeme weisen in vielen technischen Eigen- schaften Unterschiede auf. Je nach dem geplanten Verwendungszweck müssen diese technischen Merkmale untersucht und validiert werden. Die wichtigsten technischen Unterscheidungskriterien sind die Art der Energie- versorgung der RFID-Transponder, die Sendefrequenz und Kopplung, die auf

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dem Transponder ablegbare Datenmenge sowie die effektive Reichweite des

Systems.

Die nachfolgende Abbildung zeigt einen Vergleich der verschiedenen RFID-

Systeme:

Unterscheidungskriterien von RFID-Systemen

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in der Produktion unter Einbeziehung der Supply Chain 15

Die in der Abbildung 3 nach den genutzten Frequenzbereichen kategorisierten RFID-Systeme zeigen zum Teil signifikante Unterschiede bezüglich den tech- nischen Eigenschaften und den sich daraus ergebenden Einsatzbereichen. Dies soll im folgenden Kapitel näher untersucht werden.

2.1.4 Funktionsweise

2.1.4.1 Energieversorgung

Die RFID-Transponder benötigen Energie, um den integrierten Mikrochip zu betreiben und Daten an das Lesegerät zu senden. Hierbei unterscheidet man drei Arten der Energieversorgung:

Passive RFID-Transponder besitzen keine eigene Stromversorgung und können nur innerhalb der Reichweite des aktivierten Lesegerätes mit Energie versorgt werden.

Semi-aktive RFID-Transponder besitzen eine integrierte Stützbatterie, welche den Mikrochip permanent mit Energie versorgt. Die Energie wird allerdings nur zum Sichern der auf dem wiederbeschreibbaren Speicher enthalten Daten genutzt. Zum Senden und Empfangen wird nur die Energie aus dem Feld des RFID-Lesegerätes verwendet. Aufgrund der beschränkten Lebensdauer der Batterie ist auch die Gebrauchsdauer des Transponders eingeschränkt.

Aktive RFID-Transponder verwenden ebenfalls eine interne Batterie, die neben der permanenten Energieversorgung des Mikrochips jedoch auch zur Erhöhung der Sende- und Empfangsleistung eingesetzt wird.

2.1.4.2 Sendefrequenzen, Signalkopplung und Reichweite

Zur Einordnung der RFID-Systeme werden sehr häufig die genutzten Sende- frequenzen heran gezogen.

Aufgrund der physikalischen Gesetzmäßigkeiten ergibt sich hieraus auch die Art der Signalkopplung.

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zum Betrieb und zum Senden benötigte Energie aus dem magnetischen Wechselfeld des RFID-Lesegerätes.

Zur induktiven Kopplung besitzen die Transponder Spulenwicklungen, welche aufgrund der großen Wellenlänge bei den LF-Transpondern größer als bei den HF-Tranpondern sind. Zum Betrieb ist es notwendig die Resonanzfrequenz des Transponders auf die Frequenz des Lesegerätes anzupassen, um die in- duzierte und gleichgerichtete Spannung im Transponder zu verstärken. Die Übertragung der Daten erfolgt durch Lastmodulation. Die Daten werden in ein digitales Signal umgewandelt, welches einen Widerstand ein- und ausschaltet. Die Veränderung des Widerstandes ändert damit auch das in- duktive Feld des Transponders. Die Veränderung des induktiven Feldes des Transponders erzeugen im Lesegerät kleine Spannungsveränderungen, welche nach Umwandlung als Daten erkannt werden.

5

Die im Ultra High Frequency Band (UHF) und im Mikrowellen-Bereich ar- beitenden Transponder nutzen das Backscatter-Verfahren. Dieses Verfahren beschreibt die Reflexion von elektromagnetischen Wellen. Die Antenne des RFID-Lesegerätes erzeugt bei Aktivierung eine elektromagnetische Welle. Trifft diese Wellenfront auf die im Transponder integrierte Antenne wird eine Wechselspannung erzeugt, welche gleichgerichtet zur Energieversorgung eines passiven Transpondern dient.

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5

Vgl. Finkenzeller: a.a.O., S. 44 ff.

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