Bartneck/Klaas/Schönherr Prozesse optimieren mit RFID und Auto-ID

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2 Bartneck/Klaas/Schönherr Prozesse optimieren mit RFID und Auto-ID

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4 Prozesse optimieren mit RFID und Auto-ID Grundlagen, Problemlösungen und Anwendungsbeispiele Herausgeber: Norbert Bartneck, Volker Klaas, Holger Schönherr Redaktion: Markus Weinländer Publicis Corporate Publishing

5 Bibliografische Information Der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über abrufbar. Herausgeber und Verlag haben alle Texte in diesem Buch mit großer Sorgfalt erarbeitet. Dennoch können Fehler nicht ausgeschlossen werden. Eine Haftung des Verlags oder des Autors, gleich aus welchem Rechtsgrund, ist ausgeschlossen. Die in diesem Buch wiedergegebenen Bezeichnungen können Warenzeichen sein, deren Benutzung durch Dritte für deren Zwecke die Rechte der Inhaber verletzen kann. Lektorat: Dorit Gunia, Publicis Corporate Publishing ISBN Herausgeber: Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München Verlag: Publicis Corporate Publishing, Erlangen 2008 by Publicis KommunikationsAgentur GmbH, GWA, Erlangen Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwendung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen, Bearbeitungen sonstiger Art sowie für die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Dies gilt auch für die Entnahme von einzelnen Abbildungen und bei auszugsweiser Verwendung von Texten. Printed in Germany

6 Vorwort Herbert Wegmann Dipl.-Ing. Herbert Wegmann ist Leiter des Geschäftszweiges Factory Sensors bei der Siemens AG, Sektor Industry. Er ist zudem mit der Leitung der konzernweiten RFID-Initiative der Siemens AG betraut. RFID die Abkürzung von Radio Frequency Identification ist ein wahres Zauberwort. Die kontaktlose Identifikation von Objekten aller Art mit elektronisch beschreibbaren Datenträgern im absoluten Low-Cost-Bereich bei Reichweiten von mehreren Metern bietet die Möglichkeit für viele neue Anwendungen: Die Ideen reichen von der dezentralen Steuerung von Logistikzentren ( Internet der Dinge ) bis zum intelligenten Kühlschrank, der automatisch Waren nachbestellen kann. Tatsächlich ist aber die drahtlose Funk-Identifikation als solche keine Innovation und wird seit langem in industriellen Anwendungen eingesetzt. Siemens, als führender Hersteller von RFID-Systemen, hat bereits vor 25 Jahren das erste industrielle RFID-System auf den Markt gebracht. Moby M so der Name dieses ersten Produkts erreichte einen Leseabstand zwischen Transponder und Antenne von maximal 40 mm, aber die Datenträger verfügten bereits über eine Speicherkapazität von 64 Bytes. Inzwischen wird RFID in vielen Bereichen erfolgreich angewandt. Doch so dynamisch sich die Entwicklung von RFID darstellt es ist nicht die einzige Möglichkeit zur Identifikation von Objekten aller Art. Optische Codes wie der Barcode bekannt von jedem Konsumgut im Supermarkt gelten zwar als überholt. Aber die spezifischen Vorteile der optischen Verfahren, die zum Beispiel beim 2D-Matrix-Code zum Tragen kommen, machen RFID-Systemen in manchen Anwendungen zu Recht Konkurrenz. Technologie ist faszinierend und der Schlüssel für den wirtschaftlichen Fortschritt doch Technologie ohne Anwendungsfokus verfolgt nur einen Selbstzweck. Deshalb betrachten wir in diesem Buch bei- 5

7 Vorwort des: die technischen Grundlagen ebenso wie erfolgreiche Anwendungen. Dabei geht es darum, wie bestehende Prozesse durch den Einsatz von RFID und optischen Codes optimiert werden können, um Kosten zu senken und die Qualität zu erhöhen. In verschiedenen Kapiteln wird gezeigt, wie automatische Identifikations-Systeme technisch zuverlässig und ökonomisch sinnvoll eingesetzt werden von der Fabrikhalle bis ins Krankenhaus. Es macht mich stolz, dass die Autoren, die diese außerordentliche inhaltliche Breite zusammengestellt haben, allesamt aus unserem Haus stammen oder zumindest einige Jahre für Siemens gearbeitet haben. Mit ihren Beiträgen unterstreichen sie nachdrücklich die Technologie- und Lösungskompetenz von Siemens für RFID und Auto-ID. Mein Dank gilt deshalb allen Autoren und dem Herausgeber-Team Norbert Bartneck, Volker Klaas und Holger Schönherr. Ein herzlicher Dank auch Markus Weinländer und Kerstin Springer für das Projekt-Management und die umfassende redaktionelle Bearbeitung. 6

8 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Geschichtliche Entwicklung In vielen Anwendungen bewährt Innovation als Treiber Teil 1: Technische Grundlagen RFID-Technologie Was ist ein RFID-System? Die Komponenten eines RFID-Systems Lesegerät Antenne Transponder Klassifizierung von RFID-Systemen Passive Systeme Semi-aktive Systeme Aktive Systeme Frequenzbänder und deren Eigenschaften Optische Codes Erfolg und Grenzen der Strichcodes Standards rund um den 2D-Code Technologiestandards Applikationsstandards Merkmale des Data-Matrix-Code Aufbau eines Data-Matrix-Code Codierbare Daten mit Data-Matrix ECC Fehlerkorrektur und Sicherheitsaspekte Aufbringen und Markierungsmethoden Einsatz von Etiketten Verfahren zur Direktmarkierung Verifikation der Codequalität Lesesysteme und ihre Eigenschaften Komponenten eines Data-Matrix-Lesesystems Stationäre Lesesysteme Mobile Lesesysteme

9 Inhaltsverzeichnis Spezielle Lesesysteme Physikalische und datentechnische Integration Gute Leseergebnisse erreichen Optimierung der optischen Bedingungen Minimierung der Einflüsse von Material und Umgebungsbedingungen Erfüllen der technologischen Anforderungen Ausblick und neue Entwicklungen Systemarchitektur Überblick Software in RFID-und Auto-ID-Systemen Systemmerkmale Prozesse, Applikationen und Randbedingungen Systemebenen Komponenten Topologien Applikationsschichten Edgeware Integration Systemschnittstellen Kommunikationsschichten Technologien Datenfluss und Datenmanagement RFID- und Auto-ID-Daten Objektidentifikation Verteilte, mobile Datenbanken Hybride Ansätze System-Management Device-Management Edge-Server-Management Sicherheit Verfügbarkeit Erweiterbarkeit und Adaptierbarkeit Abrechnungsfunktionen Das EPCglobal Network Überblick EPCIS und ALE Zusammenfassung Kriterien zur Systemauswahl Automatische Identifikation mit Data-Matrix-Code Open-Loop -Anwendungen mit RFID

10 Inhaltsverzeichnis 5.3 Closed-Loop -Anwendungen mit RFID Fazit: Beide Technologien ergänzen sich Standardisierung und Normung Warum ist Standardisierung wichtig? Die Grundlagen für die Standardisierung bei RFID Der zentrale RFID-Standard ISO Weitere nützliche Normen und Richtlinien Normung optischer Codes Standardisierung durch EPCglobal und GS Fazit und Ausblick Teil 2: RFID und Auto-ID praktisch einsetzen Prozessgestaltung und Wirtschaftlichkeit Die Furcht vor der Fehlinvestition Am Anfang stehen Visionen und Ziele Wie funktioniert das Unternehmen? Der Business Case für RFID Begriff der Wirtschaftlichkeitsberechnung Vorgehensweise bei RFID-Projekten Der RFID Business Case in der Praxis Technik kann begeistern aber sie muss passen Einführung von RFID in der Praxis Machbarkeitstest/Feldtest Ziele eines Machbarkeitstests/Feldtests Durchführung der Tests Ergebnisse des Machbarkeits- bzw. Feldtests Lösungsdesign und Pilotbetrieb Ziele des Pilotbetriebs Ergebnisse des Pilotbetriebs Roll-out Teil 3: Applikationen heute von der Fabrikhalle bis ins Krankenhaus Fertigungssteuerung Das Dilemma des modernen Wettbewerbs Produktion von individualisierten Serienprodukten Autonome Produktionssysteme mit Auto-ID

11 Inhaltsverzeichnis 9.4 Dezentralisierung der Fertigungsdaten durch RFID Technische Anforderungen Rechnet sich RFID in der Fertigung? Produktionslogistik Logistik und Unternehmenserfolg Abläufe in der Produktionslogistik RFID in der Produktionslogistik Anwendungsbeispiele Automatische Auftragszusammenführung erhöht die Effizienz RFID optimiert die Kommissionierung für die Montagebereitstellung Transparente Prozesse bei Mehrweg-Transportgebinden Nachschub gesichert Der passende Sitz zum richtigen Auto Zusammenfassung und Ausblick Container- und Asset-Management Anforderungen an das Container-Management Motivation Ziele Standardisierung Technische Spezifikationen Datenstrukturen Weitere Randprozesse Wirtschaftlichkeit Container- und Asset-Management in der Praxis Geschäftsmodelle Vermietung Verkauf- und Rückkaufmodell Ausblick Tracking and Tracing Anwendungsbereiche Diskrete Fertigung Prozessindustrie Tracking and Tracing in der Logistik Treiber für Tracking and Tracing Betriebliche Vorteile Gesetzliche Regelungen, Standards Verbraucherschutz Transparenz für Endverbraucher

12 Inhaltsverzeichnis 12.3 Vorteile durch Tracking and Tracing Reaktives Qualitätsmanagement Proaktive Qualitätssicherung Tracking and Tracing in der Praxis Ausblick Optimierung von Supply Networks Steigende Variantenvielfalt Wandel der Anforderungen an Geschäftsprozesse Neue Geschäftsprozesse erfordern neue Technologien Vorteile durch übergreifenden RFID-Einsatz Möglichkeiten der Weiterentwicklung Fahrzeuglogistik Spezielle Anforderungen Technische Grundlagen Anwendungsszenarien Einsatz bei Automobilkonzernen Fuhrparkmanagement im öffentlichen Nahverkehr Dock & Yard-Management RFID am Flughafen Prozesse in der Flughafenlogistik RFID-Einsatzgebiete in der Flughafenlogistik Prozessoptimierung auf Air- und Landside RFID an Behälterförderanlagen RFID BagTag RFID-gestützte Wartung Verbesserung im Catering-Bereich RFID in Cargo Logistics Vorteile durch RFID Perspektiven Postautomatisierung Auto-ID in der Postlogistik RFID die innovative Auto-ID-Technik RFID-basierte Anwendungssysteme Ausblick Druckbare Transponder in Polymertechnologie RFID-Transponder mit visuell lesbarer Information Internet der Dinge RFID in der Postlogistik der Zukunft

13 Inhaltsverzeichnis 17 RFID im Krankenhaus Potenzial von RFID im Gesundheitssektor Referenzprojekte Jacobi Medical Center und Klinikum Saarbrücken MedicAlert Klinikum rechts der Isar Der wirtschaftliche Nutzen von RFID RFID in der Zukunft Fazit Teil 4: Wie geht es weiter? RFID gedruckt auf der Rolle Markenschutz mit gedruckter Elektronik und RFID Markenschutz für makellose Mixturen Ohne Reue zubeißen können Identifizierbarkeit schafft Klarheit in der Supply Chain Technologische Grundlagen Mögliche Lösungen mit gedruckten RFID RFID und Sensorik Motivation Technische Grundlagen Schematischer Aufbau von RFID-Sensoren Dezentrale Speicherung der Sensorikdaten Verfügbare Systeme Zentrale Speicherung der Sensorikdaten Erste Anwendungen Temperaturüberwachung von Blutkonserven Qualitätssicherung bei weltweiten Container-Transporten Mögliche künftige Anwendungen Temperatur Temperatur und relative Luftfeuchte Beschleunigung RFID-Sicherheit Datenschutz Persönlichkeitsprofile Angriffe aus der Ferne Informationssicherheit Schutz der gespeicherten Daten Schutz der Datenübertragung

14 Inhaltsverzeichnis 20.3 Klassische Schutzmaßnahmen Symmetrische Verschlüsselung Probleme beim Einsatz symmetrischer Verschlüsselung Schutz gegen komplexe Bedrohungen Erstellen von RFID-Klonen Schutzmaßnahmen durch zertifikatsbasierte Lösungen Asymmetrische Kryptografie und PKI RFID und PKI Sicherheit in der RFID-Standardisierung Epilog: Auf dem Weg zum Internet der Dinge Herausgeber und Autoren Stichwortverzeichnis

15 1 Einleitung Holger Schönherr Das Bestreben, Dinge und Personen in unserer Umwelt klar und eindeutig zu bezeichnen, ist so alt wie die Menschheit selbst. Namen sind ein zentrales Element in allen Kulturen und allen Sprachen und eine Wurzel unserer persönlichen Identität. Namen schaffen eine Basis für den gezielten Austausch von Informationen: Sie sind ein Zugriffsindex auf eine Informationsmenge über ein Individuum oder eine Sache. Namen sind somit einer Person, einem Gegenstand, einer organisatorischen Einheit oder einem Begriff zugeordnete Informationen, die der Identifizierung und Individualisierung ermöglichen. Für die Automation von Geschäftsprozessen ist die Maschinenlesbarkeit des Namens bzw. seiner Symbolisierung von zentraler Bedeutung. Unzählige Gegenstände tragen deshalb maschinenlesbare, individuelle Bezeichnungen in Form von Klartext, Barcode oder elektronisch gespeicherten Informationen: Waren im Supermarktregal, Postsendungen, Maschinenteile, Werkstücke, Transportbehälter oder Ausweisdokumente. Das Themengebiet der automatischen Identifizierung umfasst die Vergabe, die Zuordnung, die Übermittlung und die Verarbeitung dieser Bezeichnungen. Die Ergebnisse stehen dann für Informationszwecke, weitere Auswertungen, Statistiken, Steuerungsaufgaben und zur Entscheidungsfindung zur Verfügung. Wesentlich ist, dass die Abläufe und Zustände aus der realen Welt direkt in der Welt der Informationssysteme (IT) abgebildet werden. Hieraus ergeben sich enorme Vorteile für die gesamte Wertschöpfungskette von der Produktion über die Logistik bis zum Konsumenten. Am weitesten verbreitet sind heute die optischen Codes mit einem geschätzten Anteil von 75 % am Gesamtaufkommen von Identsystemen. Die Symbole werden mit Scannern erfasst, die den Barcode anstrahlen und das reflektierte Licht messen. Die enthaltenen Informationen werden decodiert und in IT-Systemen weiterverarbeitet. Neben dem Reflexionsprinzip gibt es auch Scanner, die wie eine Digitalkamera funktionieren. Eine Welt ohne optische Codes ist kaum mehr vorstellbar. Es gibt mittlerweile rund 50 verbreitete Ausprägungen, die je 14