Qualitäts-Management bei Tierfutterherstellung mit RFID!

Überwachung der Produktion bei Tierfutterherstellung

RFID-Anwendungen kennen keine Limits, wenn es um die Verwendung dieser Technologie geht.

Der Futterhersteller (im Folgenden „Hersteller" genannt) hat sich auf die Herstellung von hochwertiger Heimtiernahrung spezialisiert. Das Produktportfolio umfasst eine breite Palette an Nassfutter für Hunde und Katzen, das auf die spezifischen Ernährungsbedürfnisse der Tiere abgestimmt ist. Mit mehr als xxxx Mitarbeitenden, ca. xxxx individuellen Rezepturen, 50 Exportländern, täglich 2,5 Mio. produzierten Einheiten sowie regelmäßige Sicherheits- und Qualitätszertifizierungen ist der Hersteller Europas führender Hersteller von Premium Nassfutter.

Produziert wird auf mehreren hochmodernen Produktionslinien für Konserven, Pouches und Schalen, die sich in Abfüll- und Etikettier-Linien aufteilen. Am Ende einer Abfülllinie werden die abgefüllten und verschlossenen Produkte in Transportkörben gesammelt. Die Körbe werden anschließend mit den Produkten in einen Autoklav (Druckbehälter) geschoben und gekocht/sterilisiert. Anschließend werden die Körbe mit den sterilisierten Produkten zur Etikettierung geleitet, dort entladen und die Produkte geprüft, etikettiert und verpackt.

Um die Überwachung und Steuerung dieser Körbe zu optimieren und damit die Effizienz der Produktionsprozesse weiter zu steigern, plant der Hersteller die Implementierung eines automatisierten Identifikationssystems für die Körbe, die die hergestellten Produkte enthalten.

Ziel

Das Ziel des Projektes „Korbtracking" ist die Entwicklung und Implementierung eines UHF-RFID-basierten Identifikationssystems zur automatischen Erkennung und Identifizierung von Transportkörben in der Produktionsumgebung von dem Hersteller.

Dieses System soll eine lückenlose Verfolgung der Körbe von der Abfüllung bis zur Etikettierung ermöglichen, um die Produktionsabläufe effizienter zu gestalten und die Fehleranfälligkeit zu reduzieren. Im Rahmen eines Proof of Concept (PoC) soll zunächst die Machbarkeit dieser Technologie überprüft werden.

Anforderungen

Bei der Umsetzung des Projektes ergeben sich nachfolgende Anforderungen:

1. UHF RFID Tags

a. Die Transportkörbe sollen von entsprechenden Lesegeräten an den jeweiligen Stationen (siehe Anforderungen UHF-RFID-Lesegeräte) zuverlässig erkannt werden.
b. Die Körbe müssen mit UHF RFID Tags ausgestattet werden, die unter extremen Bedingungen (bis zu 150 °C und 3 bar Druck) funktionstüchtig bleiben müssen.
c. Die RFID Tags müssen für die Montage auf Metall geeignet und nach mehreren tausend Sterilisationsprozessen noch lesbar sein.
d. Die RFID-Tags müssen mit Schrauben an den Körben befestigt werden.
e. Es soll eine geeignete Position an den Körben identifiziert werden, die bei allen drei Korbvarianten (Konserve, Pouch, Schale) identisch ist und den Produktionsablauf sowie die Produktionsmitarbeiter in ihrer Arbeit nicht beeinträchtigen.

2. UHF-RFID-Lesegeräte

a. Die Stationen zur Identifizierung der Körbe sind Autoklaven, Korbbelader und Korbentlader.
b. Die Lesegeräte und Antennen müssen fest an einer Station installiert werden und dürfen den Produktionsablauf sowie die Produktionsmitarbeiter in ihrer Arbeit nicht beeinträchtigen.
c. Die Lesegeräte und Antennen müssen mindestens der Schutzklasse IP67 entsprechen.
d. Die Lesegeräte müssen über einen OPC UA Server verfügen, der mindestens die UID des zuletzt gescannten Korbs/RFID Tags je Antenne zur Verfügung stellt.
e. RFID Tags, die nicht zu der jeweiligen Station gehören und somit eine Falschlesung darstellen, sollen nach Möglichkeit vom Lesegerät herausgefiltert werden (zu geringe Signalstärke, falsche Anfangs-ID, u. s. w.). Alternativ kann das Filtern vom SCADA-System übernommen werden. In diesem Fall muss der OPC UA Server zusätzlich die Signalstärke zur Verfügung stellen und einen gültigen/passenden Signalstärkebereich benennen.

Im Rahmen des PoC muss die Anforderung 1.d. nicht zwingend erfüllt werden. Das Austesten verschiedener Befestigungspositionen an den Körben kann im PoC durch Kleben (o. Ä.) der RFID Tags erfolgen. Voraussetzung hierfür ist, dass sich die Eigenschaften der RFID Tags in Abhängigkeit der Verbindungsmethode nicht verändern. Im Fall einer anschließenden Beauftragung ist eine Schraubverbindung zwischen RFID Tag und Korb zwingend erforderlich.

Bei Erfüllung dieser Anforderungen im PoC sowie in der ggf. anschließenden Umsetzung des Projektes durch die beauftragte Firma ist die Arbeit mit positiv zu bewerten, d. h. die Transportkörbe können an den verschiedenen Stationen zuverlässig identifiziert werden. Weitere Schritte nach der Identifizierung der Körbe werden von der Abteilung Digitalisierung vom Hersteller durchgeführt. Hierzu zählt beispielsweise die Verknüpfung der Körbe mit den jeweiligen Produktionschargen.

Produktionsablauf mit RFID

Die nachfolgende Abbildung (Abbildung 1) enthält eine schematische Darstellung des Produktionsablaufs. In gelb und grün sind die Stationen und Körbe gekennzeichnet, die mit RFID-Lesegeräten bzw. RFID Tags ausgestattet werden sollen.

Für das PoC werden mehrere Transportkörbe, vier Autoklaven sowie ein Korbbelader zu Testzwecken zur Verfügung gestellt.

Korbbelader sehr ähnelt, muss während des PoC nicht am Korbentlader gearbeitet werden. Die Möglichkeit hierfür besteht jedoch.

Proof of Concept

Die Herausforderung wurde so definiert, dass Transportkörbe automatisch durch die verschiedenen Stationen des Unternehmens befördert werden und an unterschiedlichen Stellen innerhalb des Prozesses erfasst werden.
Grundsätzlich dient die Erfassung der Prozessoptimierung und der Qualitätssicherung innerhalb des Produktionsprozesses.
Das geforderte System repräsentiert einen sogenannten geschlossenen Logistikprozess von der Korbbeladung über den Autoklaven bis zur Korbentladung.
Folglich müssen die Transportkörbe (mit der entsprechenden Ware) einzeln identifiziert und über die gesamte Transportkette hinweg verfolgt werden.
RFID als eine der leistungsstärksten Technologien zur berührungslosen Identifizierung einzelner Gegenstände stellt die „State of the Art"-Technologie für diese Art als Herausforderung dar.
RadioForce mit langjähriger Erfahrung in RFID-Anwendungen wurde als Partner für das POC ausgewählt, um mit seiner RFID-Expertise an dieser „High tech"-Lösung teilzunehmen und einen Beitrag zu leisten.

Die Aufgabe

Die Aufgabe wurde in mehrere Teile definiert:

a.) Anbringung der RFID Tags an einer Stelle die bei den 3 unterschiedlichen Körben (Konserve, Pouch, Schale) möglichst gleich ist.
b.) Temperaturbeständigkeit der RFID Tags bis ca. 150°C
c.) Lesen der Körbe, die an verschiedenen Stellen im Transportfluss an den vorgegebenen Stellen ohne den operativen Prozess einzuschränken. Die Lesereichweite muss die örtlichen Gegebenheiten entsprechend erfüllen (ca. 50-70 cm) und nachhaltig funktionieren.

Darüber hinaus wurde gefordert, das RFID-System maximal in die vom Hersteller entwickelte Infrastruktur zu integrieren. Die gesamte Systemkonstruktion besteht größtenteils aus Metallteilen (Edelstahl).
Dies stellt eine große Herausforderung für die RFID-Technologie dar. Ein Proof of Concept ist erforderlich, um die richtige RFID-Lösung für diese Art von Anwendung zu entwickeln.

Verschiedene Aspekte müssen berücksichtigt werden. RFID-Lesegeräte (fix oder mobil), Antennen, RFID-Transponder, Positionierung, Fixierung, Umgebungsbedingungen und viele andere Punkte.

RFID UHF-Komponenten

RFID UHF Transponder (Tag)

Die Auswahl der Transponder (im Folgenden Tags genannt) hängt von den unterschiedlichen Spezifikationen ab, die im Prozess der Fahrkörbe gefordert werden. Autoklav, Lesereichweite und die Fixierung der Tags sind entscheidende Elemente der gewünschten Funktion.

Natürlich ist ein Tag erforderlich, der in dieser schwierigen Umgebung über hervorragende Lesefähigkeiten verfügt.
Aus einer ausgewählten Menge verschiedener Tags hat RadioForce drei verschiedene Tag-Typen im Vorfeld ausgesucht, die den Zweck erfüllen.

Darüber hinaus hat RadioForce ein Befestigungssystem entwickelt, das eine einfache Handhabung nach dem Anbringen der Tags an den verschiedenen Körben ermöglicht. Dies ist allerdings bei diesem Projekt nicht sinnvoll/nötig. Diese Ausarbeitungen wurden im Vorfeld des POC durchgeführt.

3 unterschiedliche Transportkörbe:

1.) Transportkorb-Typ: Konserve
2.) Transportkorb-Typ: Pouch
3.) Transportkorb-Typ: Schale

Abschluss

Mit dem POC konnten die geforderten Leistungen erfolgreich dargestellt werden. Es bedarf allerdings noch weiterer Besprechungen und Definitionen (speziell im Bereich SW-Anbindung). Es ist ratsam, dieses Projekt in mehrere Phasen aufzuteilen.

HS = Hersteller
RFO = RadioForce

Phase* 1: Tagging. Anbringung der Tags an sämtliche Fahrkörbe HS
Phase* 2: Vorinstallation (Ethernet, Power 220 V, Antennenkabel) HS in Absprache mit RFO
Phase 3: Installation Hardware RFO
Phase 4: Software/Interfacing (Lastenheft seitens LG erforderlich) RFO und HS

*Phase 1 und 2 können parallel durchgeführt werden.