Les Systèmes Fixes De Lecture/Écriture Rfid

Le 01/09/2013 à 13:30

L'essentiel

La mise en œuvre d'une application de RFID nécessite de prendre en compte un grand nombre de facteurs.

Le type de données que l'on souhaite lire, la portée attendue, la vitesse de passage de l'objet, ou encore l'environnement, orientent l'industriel dans le choix de ses équipements.

Suivant les besoins, il faudra aussi évaluer la capacité du système de lecture/écriture à communiquer avec l'infrastructure existante.

Pour assurer une identification automatique en milieu industriel, il existe trois grands types de solutions: les lecteurs laser, les “imageurs” basés sur un capteur d'images, et les systèmes d'identification par fréquences radio ou RFID. Les deux premiers lisent les codes à barres 1D ou 2D qui sont imprimés sur des étiquettes ou marqués directement sur les produits. Ils forment une solution simple et bon marché qui convient à une grande majorité d'ap-plications. Les lecteurs RFID, de leur côté, lisent les informations contenues dans des étiquettes électroniques (appelées tags ou transpondeurs). Le terme de lecteur est d'ailleurs peu approprié, puisque ces systèmes sont aussi capables d'écrire des données dans le tag pour compléter ou mettre à jour son contenu. Aladiffé-rence des deux premières solutions, l'étiquette RFID n'a pas besoin d'être “vue” pour être lue. Le système de lecture/écriture peut en effet identifier toutes sortes d'articles contenus dans des cartons ou chargés sur des palettes, du moment qu'ils se trouvent dans la zone de portée de l'émetteur radio. La lecture et l'écriture s'effectuent à distance, sur des articles à l'arrêt ou en mouvement. La capacité de mémoire d'une étiquette RFID permet d'enregistrer un plus grand nombre de données de traçabilité qu'un simple code 1D ou 2D. Enfin, le tag est aussi plus résistant aux environnements difficiles, et il peut être réutilisable…

Certains équipements de lecture/écriture RFID se composent d'un boîtier de contrôle associé à des antennes séparées. Ici les antennes peuvent être raccordées au boîtier par un connecteur M12 standard.

ifm electronic

Ces avantages, associés à une diminution des coûts et à l'évolution des normes qui régissent les transmissions radio, contribuent à une certaine démocratisation de la technologie. Par rapport aux solutions plus traditionnelles, le nombre d'utilisateurs reste bien sûr peu élevé, mais il est en croissance régulière. Selon une étude de Xerfi parue en juin dernier, le chiffre d'affaires des spécialistes français du secteur devrait progresser de 4% en 2013 et de 5% en 2014, avant de connaître un rebond plus franc en 2015. Le cabinet IDTechEx a de son côté évalué le marché global de la RFID fin 2012 à 7,5 milliards de dollars, en hausse de 17% par rapport à 2011. Un marché qui devrait, suivant la même étude, poursuivre une croissance soutenue au cours des années à venir et atteindre près de 26,2 milliards de dollars en 2022…

Mais de quoi parle-t-on exactement ? Rappelons qu'une application utilisant la RFID se compose de trois briques indissociables: le tag, le système de lecture/écriture (associé à une ou plusieurs antennes) et les différents équipements matériels et logiciels qui sont chargés du traitement des données. Le tag est formé d'une puce et d'une antenne. Il peut être actif (s'il embarque sa propre source d'énergie) ou passif, comme dans la plupart des applications industrielles. Dans ce cas, le système de lecture/écriture envoie un signal radio à l'étiquette située dans son champ. Il lui transmet ainsi l'énergie nécessaire pour l'activer, puis il l'interroge et reçoit en retour les informations stockées dans sa mémoire. Le “dialogue” s'établit suivant un protocole de communication défini et normalisé, et dans une certaine bande de fréquences. Dans les applications industrielles, la RFID utilise la basse fréquence BF (le plus souvent à 125kHz), la haute fréquence HF (13,56MHz) ou l'ultra haute fréquence UHF (869-950MHz suivant les zones). La bande VHF (2,45 et 5,4GHz), quant à elle, est réservée à l'identification automatique à partir de tags actifs. S'il existe des applications fonctionnant avec succès en boucle ouverte (où les tags, fixés sur le produit, sont acheminés sur différents sites de fabricants et clients), la grande majorité des besoins industriels se limite à un circuit fermé. Les tags sont alors fixés sur des bacs, cartons de produits ou palettes, et circulent au sein d'un même site industriel. Les marchés concernés sont nombreux : automobile, aéronautique, agroalimentaire, ferroviaire, emballage, etc. Du côté de l'offre en lecteurs fixes, on retrouve donc sans surprise une grande variété de solutions, et des fournisseurs venant de tous horizons. Des spécialistes de l'identification électronique (comme Balogh, Stid, ou encore iDTronic) côtoient ainsi des acteurs venant de l'informatique industrielle et de l'électronique grand public (tels qu'Intermec ou Motorola), ainsi que des fabricants de capteurs ou de solutions d'automatismes (ifm electronic, Sick, Balluff, Omron, Turck Banner, Siemens, etc.).

Installer un concentrateur et des antennes séparées permet d'obtenir de multiples points de lecture et d'identification à différentes étapes de la fabrication.

Balluff

Les systèmes fixes de lecture/écriture RFID sont souvent installés au plus près des lignes de production. Ils lisent alors le contenu des tags qui sont fixés sur les produits en mouvement (jusqu'à une certaine distance) et transmettent les données au système d'information.

ifm electronic

Comment faire son choix ?

Choisir un lecteur RFID fixe consiste tout d'abord à sélectionner une certaine bande de fréquences, suivant l'application envisagée. « Pour un suivi de production qui ne nécessite pas de lire un gros volume de données (un simple numéro de lot, par exemple), la basse fréquence est suffisante. Cette solution offre des portées faibles, mais elle est relativement économique , explique Christophe Szymaniak, chef de produits RFID et AS-i chez ifm electronic. En revanche, si l'application nécessite un volume de données à “transporter” d'un poste à l'autre, la haute fréquence doit être privilégiée. Il devient possible d'enregistrer un plus grand nombre d'informations (dates, numéros de lots, destinations, états de fabrication,etc.) .» Les lecteurs BF et HF se limitent à des applications monotag, où ils ne lisent qu'un tag à la fois. Mais ils se distinguent aussi par leur simplicité de mise en œuvre. Aujourd'hui, ces technologies se sont pratiquement banalisées, à tel point que les lecteurs RFID BF et HF sont désormais considérés comme de simples composants d'automatismes. Ils se fixent sur les convoyeurs au plus près du process, et lisent le contenu des tags comme un capteur inductif détecterait la présence d'un produit… « Le paramétrage de nos lecteurs HF, par exemple, ne nécessite pas de PC. L'opération s'effectue très simplement,à partir des touches qui sont situées sur le produit », indique Florent Poitrine, responsable produits Identification et Mesure chez Sick. La facilité d'utilisation des lecteurs HF, associée à des portées moyennes et à un coût relativement avantageux, contribue au succès de ces solutions. « En France,la majorité des applications privilégie encore cette bande de fréquences , poursuit Florent Poitrine. On l'utilise par exemple pour lire des tags intégrés à des produits ou des conteneurs en circulation sur un convoyeur, ou pour déterminer la position de véhicules autoguidés (en plaçant un lecteur sur l'AGV et des tags dans le sol) .» L'UHF, de son côté, offre des caractéristiques très différentes. Ici, pas d'obstacle lié à la portée: celle-ci s'élève théoriquement jusqu'à plusieurs mètres.De plus, la technologie offre l'avantage d'assurer un traitement multitag. Il est possible, par exemple,de lire simultanément une centaine d'étiquettes qui passent sous un portique équipé d'un lecteur UHF. Enfin l'utilisateur peut moduler la puissance d'émission de son système de lecture/écriture. La fonction s'avère utile par exemple s'il souhaite identifier certains tags situés dans la zone de portée du signal radio, et en ignorer d'autres. Dans le suivi de production, la bande de fréquence UHF est peu employée. Mais elle est très répandue dans les applications de logistique, avec des lecteurs positionnés sur des chariots élévateurs, des p o r t i q u e s, des tunnels, etc. Bien qu'elle soit beaucoup plus complexe à mettre en œuvre que la basse ou la haute fréquence, la technologie UHF connaît un succès croissant. « L'ouverture du marché est en UHF ! La logistique, en particulier, ne peut pas faire sans », confirme Christophe Szymaniak (ifm electronic).

Certains modèles permettent de disposer, à partir de la même interface,de deux technologies différentes. Le module BIET170, par exemple, convient à la fois aux applications en BF (125 kHz) et en HF (13,56 MHz). Par ailleurs, il s'intègre à l'infrastructure existante à l'aide d'interfaces EtherNet IP, Modbus TCP, TCP/IP.

Balogh

Certaines interfaces permettent de raccorder jusqu'à quatre têtes de lecture/écriture, et de gérer plusieurs entrées/sorties tout-ou-rien. Elles peuvent aussi intégrer un écran LCD et des indicateurs d'état à Led.

Pepperl+Fuchs

Les systèmes fixes de lecture/écriture RFID sont utilisés dans des applications variées : suivi de production, gestion de la chaîne logistique, contrôle des flux de matériel, gestion des biens, etc. La logistique, en particulier, privilégie les lecteurs UHF.

ifm electronic

Le choix est donc guidé par l'application. Des besoins en portées et en vitesses de transmission élevées orienteront plutôt l'utilisateur vers l'UHF, alors que des applications monotag à faible distance se contenteront d'un système d'identification BF ou HF. Enfin, tout dépend de l'environ-nement : la technologie BF, par exemple, est très peu sensible à la présence de métal ou d'humidité.

Notons cependant qu'il existe sur le marché des unités de traitement pouvant gérer plusieurs bandes de fréquence. « La tendance consiste à disposer, à partir de la même interface,de deux technologies : BF et HF, ou HF et UHF », souligne Laurent Maréchal, responsable projets d'identification chez Balluff. Une façon de passer de l'un à l'autre avec le même matériel, si les besoins de l'application le nécessitent…

La portée théorique du signal radio est bien sûr liée à la bande de fréquences utilisée. Mais en pratique, la distance de lecture/écriture d'un système RFID dépend de nombreux autres facteurs: la puissance d'émission, le type de tag utilisé (dimensions, type d'antenne…), la surface de l'an-tenne du lecteur, l'environnement (présence de métal ou d'humidité), etc.A ce niveau-là, « il y a souvent des compromis à faire. Il faut par exemple utiliser une tête de lecture compatible avec le diamètre de l'étiquette : on ne pourra pas obtenir une grande distance de lecture/écriture avec une étiquette de toute petite taille », précise Didier Folin, responsable produit Bus de terrain, RFID,Wireless chezTurck Banner. Pour avoir une idée de la portée que l'on peut atteindre dans une configuration donnée, certains fournisseurs mettent en ligne sur leur site internet des “simulateurs” dédiés à la RFID. « Il suffit d'indiquer les caractéristiques du matériel que l'on va utiliser (étiquette, lecteur), et l'outil calcule la portée que l'on pourra obtenir », poursuit Didier Folin.

Antenne intégrée ou pas ?

L'utilisateur est aussi amené à sélectionner un système de lecture/écriture à antenne intégrée ou séparée. Il existe en effet les deux types de solutions. Dans un cas, le système de lecture, l'antenne et l'interface réseaux sont intégrés dans un seul et même boîtier. Dans l'autre, le lecteur dispose d'interfaces réseau et de ports spécifiques sur lesquels peuvent être raccordées une ou plusieurs antennes, suivant les modèles. « Des antennes multiples sont utiles par exemple lorsqu'on doit lire des tags à plusieurs endroits d'une ligne de production, ou à plusieurs étapes de la fabrication d'un produit. L'utilisateur dispose ainsi de plusieurs points de lecture, mais d'un seul concentrateur », précise Florent Poitrine (Sick). L'avantage est essentiellement d'ordre financier. Le coût d'un lecteur est largement supérieur à celui d'une antenne. Si l'application nécessite différents points de lecture, il est donc plus avantageux de disposer plusieurs antennes reliées à un seul lecteur, que plusieurs lecteurs à antenne intégrée.

Mettre en place une application d'identification par radiofréquences nécessite de prendre en compte de multiples critères. Parmi eux, l'interopérabilité du matériel utilisé. En UHF, la tâche de l'utilisateur est simplifiée, car il n'existe qu'un seul protocole de communication radio normalisé : le standard EPC Gen 2, adopté par l'ISO en 2006.

Intermec

La plupart des modèles disponibles sur le marché permettent de relier deux ou quatre antennes, certains encore plus. Chez Balluff par exemple, « il est possible d'interconnecter jusqu'à 16 têtes de lecture/écriture sur un seul boîtier d'interface », précise Laurent Maréchal. Ceci dit, « les systèmes associés à deux antennes permettent déjà de satisfaire l'essentiel des besoins », nuance Christophe Szymaniak.

En termes de communication avec le réseau, il peut y avoir, là aussi, d'importantes différences d'un modèle à l'autre. On trouve aussi bien des lecteurs à antenne intégrée disposant d'une simple interface série, que des modèles susceptibles d'être raccordés à toutes sortes de bus de terrain… Les exigences de l'application orienteront alors l'industriel vers un système de lecture/écriture plus ou moins “communicant”.La polyvalence du lecteur et sa facilité d'intégration dépendent aussi de sa capacité à gérer des entrées/sorties tout-ou-rien (TOR). Certains modèles peuvent ainsi gérer plusieurs périphériques, tels que des détecteurs de présence, des voyants lumineux, etc. Chez Balluff, les lecteurs gèrent en particulier tout périphérique doté d'une interface IO-Link. On leur raccorde par exemple un capteur optique permettant de détecter une pièce ou de contrôler l'indexage d'une palette en position haute ou basse… Bref, il faut garder en mémoire qu'un lecteur RFID est susceptible de communiquer (si l'application le nécessite) avec de nombreux autres équipements industriels : capteurs, détecteurs, actionneurs, écrans, avertisseurs sonores, etc.

Le choix d'un système de lecture/écriture RFID doit tenir compte de l'environnement dans lequel il sera placé : présence de zones métalliques, humidité, hautes températures, produits chimiques, etc. En UHF, il est fortement conseillé d'effectuer des essais pour s'assurer que le matériel choisi répond bien aux attentes.

ifm electronic

Entre le modèle le plus simple, destiné à la lecture de numéros de lots en BF ou HF, et le lecteur UHF semblable à un petit ordinateur de poche qui piloterait les applications d'identification les plus complexes, il peut être difficile de s'y retrouver. En pratique, tout dépend du type d'applications : une gestion centralisée, dans laquelle on se contente de lire et transmettre une information à l'intelligence (qui décide de l'action), ne nécessite pas les mêmes fonctions embarquées qu'une gestion décentralisée, où chaque élément traite à son niveau l'information obtenue.

Certains modèles UHF à antenne intégrée se distinguent par leur compacité. On les utilise notamment dans la logistique, la traçabilité industrielle en entrepôt, le suivi de palettes, conteneurs, etc.

Stid

Mettre en œuvre une application de RFID nécessite aussi de prêter attention à l'interopérabilité de ses différents composants. Il s'agit en particulier de s'assurer que les tags que l'on utilise pourront bien être lus par les lecteurs choisis. Heureusement l'avènement de plusieurs standards de communication a grandement simplifié la tâche de l'industriel. Dans la bande UHF, en particulier, un seul standard régit désormais les communications radio: le protocole EPC Classe 1 Generation 2, dit “EPC Gen 2”,défini par EPC Global et adopté par l'ISO en 2006.Tous les équipements UHF conformes à ce standard peuvent ainsi communiquer sans aucun problème de compatibilité. Dans la bande HF, en revanche, coexistent deux protocoles de communication normalisés: ISO 15693 et ISO 14443. Mais l'affaire se complique surtout en basse fréquence, où l'on peut trouver un plus vaste choix.Avant de sélectionner les composants de son application, il faudra donc s'assurer qu'ils sont bien conformes au même standard. Cette interopérabilité, recherchée à la fois par les utilisateurs finaux et les intégrateurs, leur permettra d'utiliser des étiquettes de différents offreurs avec un même système de lecture/écriture.

Même si ce sont surtout les tags RFID qui peuvent être soumis à des conditions difficiles (hautes températures, traitements chimiques, etc.), les lecteurs destinés aux applications industrielles doivent aussi offrir une certaine robustesse. Ils se présentent ainsi dans des boîtiers dotés d'un indice de protection élevé et résistant aux hautes températures.

Sick

Enfin l'environnement joue un rôle majeur dans toute application d'identification par fréquences radio. Les milieux humides et la proximité de zones métalliques, en particulier, sont susceptibles de perturber la communication. De même, la présence de fluides corrosifs ou de températures élevées (dans les fours de cuisson, par exemple) impose d'utiliser un matériel spécifique. La plupart du temps, c'est le choix des étiquettes qui nécessite de prendre un plus grand nombre de précautions. Ce sont elles, en effet, qui sont amenées à cheminer avec le produit ou le conteneur à travers les différents postes de fabrication (fours de cuisson, tunnels de peinture, étapes de traitement thermique, chimique, etc.). « Le choix de l'étiquette est déterminant ! Il représente à lui seul 80 % de la problématique », confirme Didier Folin (Turk Banner). Le lecteur, de son côté, est soumis à des conditions moins difficiles. Ceci dit, certaines applications nécessiteront malgré tout de sélectionner des boîtiers durcis, offrant un indice de protection élevé et une large gamme d'utilisation en température. Les applications de RFID, on le voit, nécessitent de prendre en compte un grand nombre de facteurs, et de suivre une démarche rigoureuse. « Où veut-on installer le tag ? Est-ce une application en dynamique ou en statique ? Quel est le réseau sur lequel il faut se raccorder ? Quelles sont les distances attendues ? voilà quelques-unes des questions qu'il faut se poser avant de se lancer », précise Didier Folin. Pour mettre toutes les chances de son côté et éviter les mauvaises surprises, les essais en conditions réelles restent fortement conseillés, surtout en UHF. Ils permettent de mettre en évidence d'éventuels problèmes liés aux interférences, à l'environnement, ou encore à l'interopérabilité des différents équipements. Même si la technologie a gagné en fiabilité au cours de ces dernières années, « les règles de la physique, elles, n'ont pas changé, rappelle Christophe Szymaniak (ifm electronic). L'essai doit donc être systématique. En UHF, nous l'imposons pratiquement à chaque fois ». Enfin, les services et les conseils prodigués par le fournisseur restent un précieux atout. « Un réel partenariat devra s'établir entre le fournisseur, l'intégrateur et le fabricant de tags ou l'importateur », conclut Christophe Szymaniak.

Les applications de lecture/écriture RFID se composent de boîtiers de contrôle, d'antennes (séparées ou intégrées) et d'étiquettes électroniques. Les choix de ces composants sont intimement liés. Ils dépendent de multiples facteurs : le type de données que l'on souhaite lire, les distances et vitesses de passage des objets, l'environnement, le réseau existant, etc.

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