Dank optischer Identifikationssysteme und der Identifikation mit Funkwellen (RFID) ist die industrielle Identifikation von Werkzeugen, Material und Erzeugnissen Stand der Technik. Aber: Sie erlaubt nur die punktuelle Erfassung einzelner Objekte, die sich am jeweiligen Lesegerät vorbei bewegen, nicht jedoch eine flächige Erfassung aller Objekte im Werk. Hier bieten sich Echtzeit-Ortungssysteme (Real-Time Locating Systems, kurz RTLS) an, die stets verfügbare Verknüpfungen der Art eines Objekts (was?) mit dem Ort (wo?) und dem Zeitpunkt der Ortsbestimmung (wann?) liefern. Als typische Anwendungen in der Industrie sei hier beispielsweise an folgende gedacht:

• In großen Fertigungen können mehrere tausend Objekte im Umlauf sein – von Paletten und Behältern mit angeliefertem Material bis hin zu Teil- und Fertig-Erzeugnissen. Die stets aktuelle Abbildung und Verfolgung dieser Materialflüsse lässt sich zur Analyse und Optimierung des Produktionsprozesses ebenso verwenden wie zur tatsächlichen Steuerung von Produktionsabläufen. So sind Rüstprozesse durchführbar, sobald ein bestimmtes Material an eine Maschine angeliefert wurde. Selten zur Verfügung stehende Betriebsmittel wie Hallenkräne oder temporäre Lagerflächen lassen sich effizienter einsetzen, wenn die aktuell im Umlauf befindlichen Güter bekannt sind, teure Such- und Zuordnungsprozesse können entfallen. 
• Fahrerlose Transportsysteme benötigen Ortsinformationen des Fahrzeugs und der zu transportierenden Objekte zur freien Navigation sowie für Be- und Entladeprozesse.
• Support-Prozesse wie Anlagen-, Fahrzeug- oder Container-Wartung können von Ortsinformationen profitieren, in-dem Suchprozesse verkürzt und falsche Zuordnungen zwischen Anlage und Werkzeug vermieden werden.
• Fertigungsabläufe lassen sich fehlerfrei gestalten, wenn die Verwendung eines Werkzeugs erst bei korrekter Positionierung freigegeben wird, beispielsweise bei einer Vielzahl manueller Schraubvor­gänge mit Drehmomentvorgabe. Auch die automatisierte Dokumentation des Werkzeug-Einsatzes wird dadurch möglich.

Komponenten lokaler Funkortungs­systeme

Ein lokales Funkortungssystem wie zum Beispiel ‚Simatic RTLS‘ von Siemens besteht in der Regel aus einer Infrastruktur, die ortsfest montiert ist, und mobilen Komponenten, die durch die Infrastruktur geortet werden sollen. Für Infrastruktur-Komponenten haben sich Begriffe wie Anker (Anchor), Knoten (Nodes), Basisstation oder Sensor durchgesetzt. Gateways sind bei vielen Systemen Anker mit zusätzlichen IT-Schnittstellen wie beispielsweise Ethernet oder WLAN. Mobile Komponenten heißen zumeist Transponder oder Tag. Transponder gibt es in sehr vielen Bauformen – von sehr kleinen Bauformen bis hin zu Geräten mit Eingabe- und Ausgabemöglichkeiten wie Taster, LEDs und ePaper-Display. 

Beim Messverfahren Time Difference of Arrival (TDOA) sendet nur der Transponder, wodurch sich einige tausend Transponder mit einer Messrate im Sekundenbereich ­lokalisieren lassen.

© Siemens

Die erzielbare Messgenauigkeit in industriellen Fertigungsumgebungen wird maßgeblich durch die zur Ortung verwendeten Signale bestimmt. UWB-Signale (Ultra Wide Band) etwa erreichen eine Genauigkeit von maximal 30 cm. Deutlich schlechter ist die Ortung mit schmalbandigen Kommunikationssignalen wie Bluetooth und WLAN, bei deren Verwendung Fehler im Meter-Bereich auftreten können. Insbesondere in Hallen mit vielen metallischen Oberflächen ist die UWB-Technologie deutlich robuster.

Die zur Ortung ebenfalls erforderliche Datenkommunikation der Transponder und Anker untereinander kann auf unterschiedlichen Wegen erfolgen. Grob lässt sich zwischen einer klassischen drahtgebundenen oder drahtlosen Netzwerk-Infrastruktur und der Kommunikation über die zur Messung verwendete Drahtlosstrecke unterscheiden. Vor der Entscheidung für ein System gilt es, die Vor- und Nachteile – Kosten, Störanfälligkeit und Echtzeit-Verhalten – gegeneinander abzuwägen; speziell in Anwendungen mit großen Transponder-Populationen ist darauf zu achten, dass die zur Verfügung stehende Kanalkapazität für die Laufzeitmessung nicht unnötig durch die Kommunikation aufgebraucht wird.

Üblicherweise erledigen zentrale Ortungs-Server – beispielsweise ‚Simatic Locating Manager‘ – die Berechnung der Positionen aller Transponder. Bei einigen tausend Objekten und einer hohen ­Messrate ist dies keine leichte Aufgabe, entsprechend mächtig sollte die Hardware sein. Eine redundante Auslegung der Hardware und die Replikation der gemessenen Ortsinformationen in der Software sorgen für einen unterbrechungsfreien Betrieb. 

Messverfahren der Funkortung

Beim Messverfahren Time Difference of Arrival (TDOA) sendet nur der Transponder, wodurch sich einige tausend Transponder mit einer Messrate im Sekundenbereich ­lokalisieren lassen.

© Siemens

Üblicherweise werden heute zwei Verfahren zur Funkortung eingesetzt, die je nach Anwendung unterschiedliche Vor- und Nachteile aufweisen: 
Bei großen Transponder-Populationen, hohen Messraten und der Forderung nach langer Batterielebensdauer ist die Messung von Laufzeit-Unterschieden besonders vorteilhaft. Hierbei senden die mobilen Transponder Signale aus, die die Ortungsinfrastruktur empfängt. Dieses Verfahren wird als ‚Time Difference of Arrival‘ (TDOA) bezeichnet. Durch den gleichzeitigen Empfang an vielen Ankern skaliert solch ein System sehr gut mit steigender Transponder-Anzahl. Und da die Transponder nur kurze Signale aussenden – auch ‚Blinken‘ genannt – resultiert dieses Verfahren in niedrigem Energieverbrauch am Transponder. Mehrjährige Laufzeiten im Batteriebetrieb werden dadurch möglich. Mit dem TDOA-Messverfahren lassen sich einige tausend Transponder mit einer Messrate im Sekundenbereich vermessen. 

‚Two Way Ranging‘ (TWR), auch ‚Roundtrip Time of Flight‘ (RTOF) genannt, ermöglicht die direkte Abstandsmessung zwischen einem Anker und einem Tag. Diese Messmethode wirkt sich nachteilig auf die Anzahl möglicher Transponder auf einem Gelände aus, da sehr viele Kommunikationsverbindungen notwendig sind, die Zeit, Kanalkapazität und Energie kosten. Auch die Batterielebensdauer ist dadurch stark eingeschränkt. Durch Abstandsmessung zu mehreren Ankern lässt sich die 2D- oder 3D-Position des Transponders nach Methoden der Tri- und Multi-Lateration berechnen. Anzuwenden ist dieses Messverfahren vorzugsweise bei Anwendungen mit hohen Genauigkeitsanforderungen und nur wenigen Transpondern wie beispielsweise der Werkzeugortung.
 

Die Echtzeit-Funkortung

Der Echtzeit-Begriff in RTLS bezeichnet die stets verfügbare Positionsinformation aller Objekte, die mit einem Transponder ausgestattet sind. Dabei hängt die Aktualität der Messung maßgeblich von der eingestellten Messrate – üblicherweise im Sekunden- oder Minutenbereich – ab. Wichtig ist dies etwa bei der Steuerung von Produktionsprozessen anhand von Ortungsereignissen.

Ausschnitt aus dem 'Simatic RTLS'-Portfolio mit dem Gateway RTLS4030G sowie den Transpondern RTLS4030T für Kleinladungsträger und RTLS4084T mit ePaper-Display zur Anzeige von Informationen direkt am Objekt.

© Siemens

Die große Anzahl denkbarer Zielsys-teme setzt Schnittstellen voraus, die der Server bieten muss, um Ortsinformationen gezielt zur Verfügung zu stellen. Eine Filterung und Verteilung auf unterschiedliche Kommunikationskanäle kann beispielsweise anhand der Objektart – Behälter, Fahrzeug, Werkzeug – erfolgen. Die Ableitung von Ereignissen aus Positionsdaten – ‚Material erreicht Maschine‘ anstatt der x-/y-Position des Materials – ermöglicht eine qualifizierte Reaktion durch das Zielsystem.

Über ein Manufacturing-Execution-System lässt sich ein Rüstvorgang bei einer erwarteten Materialanlieferung auslösen und dabei dem Werker gleichzeitig die Position des zu rüstenden Werkzeugs im Werkzeuglager anzeigen. Im ‚Enterprise Resource Planning‘ werden Betriebsmittel dank stets aktueller Ortsinformationen effizient verwaltet, da Suchprozesse entfallen und lokale Engpässe oder Überangebot schnell erkannt werden können. Und auch in der Steuerungs- und Prozessleitebene sind Positionsangaben beispielsweise zum Öffnen und Schließen von Schranken und zum Stellen von Weichen verwendbar.

Siemens bietet mit ‚Simatic RTLS‘ ein Echtzeit-Funkortungssystem mit UWB-Signalen sowie den Messverfahren TDOA und TWR an. Neben Gateways und Anchors, mit denen eine RTLS-Infra­struktur aufgebaut wird, steht eine breite Auswahl an Transpondern für unterschiedliche Einsatzgebiete in der Industrie sowie im öffentlichen Personennahverkehr zur Verfügung. Ein auf Wunsch mehrfach redundant ausgelegter Server (Simatic Locating Manager) berechnet die Orts­informationen und stellt sie übergeordneten Systemen zur Verfügung. Als Basis für die Industrial-Ethernet- und Industrial-WLAN-Netzwerk-Infrastruktur kann die ‚Scalance‘-Familie verwendet werden, um Gateways untereinander und mit dem Server zu vernetzen.

Autor: 
Dr. Stefan Schwarzer ist Produktmanager für ­industrielle Identifikations- und Lokalisierungssysteme bei ­Siemens in Nürnberg.