Um die Zuverlässigkeit von Anlagen zu sichern, ist es notwendig, systemrelevante Komponenten kontinuierlich oder in bestimmten Zeitintervallen mithilfe von Sensoren zu überwachen. Solche Messaufgaben können drahtlos in schwer zugänglichen Bereichen, in ortsveränderlichen Anlagen oder im Feldbereich, weitgehend wartungsfrei ohne Batteriewechsel mittels UHF-RFID-Transponder mit Sensoren durchgeführt werden.
Der Autor: Wolf-Joachim Fischer, Geschäftsfeldleiter, Fraunhofer IPMS, Dresden
Der Vermeidung plötzlich auftretender Systemausfälle kommt eine immer größer werdende Bedeutung zu. Neben dem eigentlichen Schaden an der betroffenen Anlage kommt es in vielen Fällen zu noch wesentlich größeren finanziellen Folgeschäden, wenn komplexe Systeme plötzlich für oft längere Zeit ausfallen. Eine frühzeitige Erkennung sich anbahnender Schäden mittels Sensoren ist daher sehr wichtig.
Ein rechtzeitiger Austausch von Teilen in Abhängigkeit von den Sensordaten ist dabei einem prophylaktischen Bauteiltausch in festen Zeitabständen aus ökonomischen Gründen vorzuziehen. Es kann dabei notwendig sein, die Sensoren an Stellen anzuordnen, wo eine kabelgebundene Energie- und Datenübertragung ausscheidet. Die in solchen Fällen oft verwendeten funkbasierten Systeme haben den Nachteil, dass in der Regel eine Energieversorgung mittels Batterien notwendig ist, was mit einem hohen Wartungsaufwand verbunden ist.
Eine Alternative stellt der Einsatz von RFID-Transpondern mit Sensoren dar. RFID-Transponder bestehen grundsätzlich aus einem Lesegerät (Reader) sowie dem eigentlichen Transponder (Tag), der einen Siliziumchip sowie die Antenne beinhaltet. Der Energie- und Datenaustausch erfolgt ausschließlich über das elektromagnetische Feld. Eine Batterie ist im Transponder nicht erforderlich, daher werden solche Systeme auch als passiv bezeichnet.
Neben magnetisch gekoppelten RFID-Systemen, die vorzugsweise im 13,56-MHz-Frequenzband arbeiten, gewinnen UHF-RFID-Transponder, die auf dem aus der Radartechnik bekannten Backscatter-Prinzip basieren und den Frequenzbereich zwischen 850 und 950 MHz nutzen, zunehmend an Bedeutung. Ursprünglich wurden RFID-Transponder ausschließlich für Identifikationszwecke eingesetzt. Jeder Transponder enthält eine weltweit einmalige Identifikationsnummer. Später kam die Möglichkeit hinzu, anwendungsspezifische Informationen auf einem chipinternen, zerstörungsfreien Speicher (E2PROM) abzulegen, auszulesen und auch zu verändern.
Transponder mit Sensoren
Völlig neue Möglichkeiten ergeben sich, wenn der Transponder um Sensoren erweitert wird. Solche Sensoren können entweder auf dem Siliziumchip mit integriert werden oder die Sensoren werden extern über ein auf dem Chip vorhandenes digitales bzw. analoges Interface angeschlossen. Die große Herausforderung besteht darin, dass neben der Energie für den Betrieb des Transponders auch die Energie für die Sensoren aus dem elektromagnetischen Feld gewonnen werden muss. Daher haben Transponder mit Sensoren nur eine Reichweite von wenigen Metern, während Transponder, die nur zur Identifikation eingesetzt werden, durchaus bis zu 10 m Reichweite erreichen können. Aus den genannten energetischen Gründen kommen nur Sensoren mit extrem niedrigem Energiebedarf infrage.
Das Fraunhofer-Institut IPMS Dresden hat einen passiven UHF-RFID-Transponder entwickelt, der einen Temperatursensor auf dem Chip enthält und über ein digitales Interface den Anschluss externer Sensoren ermöglicht. Ein programmierbarer Controller auf dem Chip ermöglicht die Ausführung einfacher Signalverarbeitungsaufgaben. Standardmäßig verfügt der Transponder über ein digitales I2C-Interface. Aufgrund der Programmiermöglichkeit sind auch andere Interfaceprotokolle wie SPI realisierbar.
Die Leistungsfähigkeit eines Transponders, insbesondere auch die Reichweite, wird wesentlich durch die angeschlossene Antenne bestimmt. Neben einer klassischen gestreckten oder abgewinkelten Dipolantenne ist auch der Anschluss einer magnetisch gekoppelten Dipolantenne möglich. Damit können Antenne und Elektronik im Transponder räumlich getrennt werden. Für den Betrieb des Transponders auf Metallflächen steht eine Patchantenne zur Verfügung.
Für Entwicklungsaufgaben wird ein Evaluation-Kit angeboten, das einen Reader, eine Transponderplatine mit Antenne sowie maximal drei Sensoren (Temperatur, Feuchte, Druck) und die notwendige PC-Systemsoftware zur Anzeige und Weiterverarbeitung der Messdaten enthält. Über Steckerkontakte ist auch der Anschluss anderer digitaler Sensoren prinzipiell möglich.
Überwachung von Schaltanlagen
Die Firma Köhl setzt dieses passive UHF-RFID-Transponder-System zur Überwachung von Schaltanlagen ein. In solchen Anlagen fließen in den Kupferschienen Ströme von bis zu 4000 A. An den Verbindungsstellen der Schienen kann es im Laufe der Zeit zu einer Erhöhung des Übergangswiderstandes kommen, was mit einer extrem hohen Erwärmung an einer solchen Stelle verbunden ist. Die gesamte Schaltanlage kann dabei in Sekundenschnelle explosionsartig zerstört werden. In der Anlage sind daher an den gefährdeten Verbindungsstellen insgesamt bis zu 30 Transponder mit externem Temperatursensor angeordnet.
Die Messwerte werden dabei von einem Reader ausgelesen. Mit dem System wird ein Temperaturmonitoring durchgeführt, um eventuelle Wartungsarbeiten geplant durchzuführen und somit unkontrollierbare Notabschaltungen auszuschließen. Mit der Methode können unnötige Verlustleistungen vermieden werden. Das Beispiel zeigt, dass in einer elektrisch extrem harschen Umgebung mit sehr hohen Feldern, die einen kabelgebundenen Betrieb der Sensoren nicht erlauben, Transponder mit Sensoren zuverlässig betrieben werden können. I
Info & Kontakt
Fraunhofer IPMS, Dresden Prof. Dr. Wolf-Joachim Fischer
Geschäftsfeldleiter Wireless Microsystems Tel.: 0351 8823-202 wolf-joachim.fischer@ipms.fraunhofer.de www.ipms.fraunhofer.de
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