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Das Internet der Dinge - Materialflüsse einfach steuern mit RFID

Ausgangssituation

Das "Internet der Dinge" – ein Begriff, eine Vision, eine neue Perspektive.

Die Grundidee ist einfach: Päckchen, Paletten und Behälter werden durch einen Chip gekennzeichnet, der neben Produktinformationen zusätzlich auch deren Transportziel speichert. Wie Datenströme im Internet finden Sendungen ihren Weg zum Ziel selbst. Kommt eine Sendung an eine Sortiermaschine, teilt sie den Bestimmungsort mit, wird entsprechend eingeordnet und zielgerichtet weiterbefördert. Diese Prozesse laufen schnell und autonom ohne eine zentrale Instanz ab. Mit anderen Worten: Selbst ist das Paket!

Die Vision des Internet der Dinge

Die Lebenszykluszeiten einer Anlage verkürzen sich, so dass diese ständig an den logistischen Prozess angepasst werden müssen. Dieser Vorgang wird durch das "Internet der Dinge" vereinfacht.

Standardisierte Komponenten mit dezentraler Eigenintelligenz (Entitäten) ermöglichen eine Teil-Inbetriebnahme einzelner Komponenten. Lokale Ausfälle haben nur Auswirkungen auf die beteiligten Entitäten. Das "Internet der Dinge" erlaubt eine Adaption eines bestehenden Systems an neue Gegebenheiten.

Das Internet – technisches Vorbild

Das Netz der Netze ist zur alltäglichen Selbstverständlichkeit geworden. Ein Mausklick liefert die verlinkten Informationen: sofort, kostengünstig und aktuell. Ob die Daten aus New York, Berlin oder von einem anderen Ort auf der Welt kommen, spielt keine Rolle. Globale Netze mit Standards wie dem TCP/IP-Protokoll sorgen für einen reibungslosen Datenaustausch von Rechner zu Rechner.

Das Internet entwickelt sich zum allgegenwärtigen Medium. Doch nicht nur Rechner, sondern auch die uns umgebenden Dinge werden zunehmend vernetzt. Der Weg zum »Ubiquitous Computing« - der Verfügbarkeit künstlicher Intelligenz an jedem Ort – und zur »Ambient Intelligence« im Sinne einer intelligenten Umgebung, die sich auf die Bedürfnisse des Menschen einstellt, ist vorgezeichnet.

RFID – funkende Etiketten und mehr

Die Basistechnologie für eine Vernetzung von Waren, Gütern und deren Umgebung ist RFID - Radio Frequency Identification. Diese Technologie nutzt die Funkübertragung, um Daten berührungslos von Etiketten - den Tags – zu lesen bzw. auf diese zu schreiben und so Informationen direkt an einem Gut zu verwalten. Auf diese Weise werden Prozesse in der Logistik und auch in vielen Bereichen des täglichen Lebens, wie z.B. in der Medikamentenversorgung, deutlich vereinfacht.

Die Dinge kennen den Weg

Das "Internet der Dinge", wie es von der Fraunhofer-Gesellschaft zu einem von zwölf Top-Forschungsthemen benannt wurde, geht einen entscheidenden Schritt über die bloße Speicherung der Daten auf einem RFID-Tag hinaus. RFID-Tags und die Dinge, an denen sie befestigt sind, werden zu eigenständigen Objekten, die ihren Weg durch das "Internet der Dinge" selbst finden und die Systeme steuern, in denen sie sich bewegen.

Diese Entwicklung vollzieht sich in mehreren Schritten, die am Beispiel der Logistik und Materialflusssteuerung anschaulich illustriert werden können.

Standards sichern Verbreitung

Die Standardisierung von Tags wird wesentlich durch das europäisch-amerikanische Konsortium EPCglobal bestimmt, getragen von UCC (Uniform Code Council) und EAN (European Article Number), die in Deutschland durch GS1 vertreten sind. Ein wichtiges Ergebnis dieser, als notwendig erkannten Standardisierung, ist der nunmehr in der zweiten Generation verfügbare und seit Mitte 2005 in Erprobung befindliche 256 Bit breite Electronic Product Code (EPC). Dieser Chip speichert neben den Herstellerangaben, Land und Artikelcode weitere Informationen über Chargen oder Seriennummern. Mit diesen 256 Bit ist es möglich, jedes einzelne Warenstück eindeutig zu kennzeichnen. Über 100 Auslesungen pro Sekunde sind möglich und die Tags können außerdem beschrieben werden. Mit diesen Tags der Generationen I und II wird die Verbreitung von RFID im Handel durch Unternehmen wie Wal Mart oder Metro bereits eingeleitet.

Die Route auf dem Chip

Über den EPC hinaus lassen sich auf einem Tag zusätzlich der Zielort und dynamisch änderbare Zwischenziele eines Objektes ablegen. Beginnend am Wareneingang werden in alle logistischen Objekte, z.B. mit Tags ausgestattete Behälter, die nächsten Zielinformationen geschrieben. Entscheidungsstellen, an denen diese Information ausgelesen wird, können mit vorliegenden - lokalen - Informationen die Behälter autonom zum Ziel steuern. Für den Fall von Störungen sind auch alternative Wege (Routings) auf dem Tag gespeichert. So kann ein Behälter auf verschiedenen Wegen zum Ziel finden und dabei ggf. auch andere Transportmittel, etwa einen Stapler, anfordern. Diese einfache und sehr zuverlässige Materialflusssteuerung verbindet die Zielinformation und Routings fest mit dem Objekt. Ein Datenverlust ist dadurch praktisch ausgeschlossen, Material und Informationsfluss bleiben so stets synchron. Zusätzlich ergeben sich die typischen Vorteile der RFID-Technik, wie z.B.:

Artikelsicherung
Rückverfolgbarkeit
automatisierte Retourenabwicklung
vereinfachtes Mehrwegbehältermanagement

Autonomie durch Agenten

Müssen neben der Routenfindung z. B. Reihenfolgen gebildet oder Ressourcen optimal disponiert werden, brauchen die Dinge zusätzliche Intelligenz. Hierzu werden kleine Programme, die »mobilen Software-Agenten«, in die Tags eingespeichert. Sie sorgen dafür, dass Weichen, Sorter, Puffer usw. in geeigneter Weise angesteuert werden. Dazu kommunizieren sie untereinander und mit der Umgebung, in der sie sich bewegen.

Diese Ausprägung der künstlichen Intelligenz ist seit einigen Jahren bekannt und theoretisch weit entwickelt. Ansätze der Selbstorganisation mobiler Agentengruppen wie beispielsweise Ameisen- oder Schwarmalgorithmen finden durch das "Internet der Dinge" erstmalig eine praktische Umsetzung. Entscheidungen werden damit vor Ort und echtzeitnah auf die autonomen Objekten verlagert.

Systemtechnik: Offenheit und Standards

Die Leistungsfähigkeit der Steuerungstechnik steigt unvermindert an. Schnellere Zykluszeiten, mehr Speicher und leistungsfähigere Programmbausteine ermöglichen immer weiter integrierte Steuerungslogik. Offene Standards aus dem Netzwerkbereich wie Ethernet und TCP/IP etablieren sich auch für speicherprogrammierbare Steuerungen und Antriebe. Neben den weit verbreiteten CAN- und Profibusschnittstellen erobert das Internet die Welt der echtzeitnahen Steuerung. Diese Entwicklung ist die Grundlage offener, selbstgesteuerter Systeme.

Im Forschungsprojekt "Internet der Dinge" wird deshalb konsequent auf offenen Standards aufgesetzt. Auch wird der Schulterschluss zu Gremien und Verbänden gesucht, um das Thema weiter zu fördern. Ein Beispiel ist der Arbeitskreis Systemarchitektur für die Intralogistik des VDMA, der eine dezentrale funktionsorientierte Steuerungsarchitektur diskutiert.

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