DD #010 Das digitale Typenschild – Möglichkeiten der Realisierung

Ob die Werkzeugmaschine im Industrieunternehmen, die Bohrmaschine im Fahrzeug des Handwerkers oder die heimische Kaffeemaschine – Typenschilder an Produkten begegnen uns immer wieder und in vielfältiger Form.

Typenschilder sind der Personalausweis, die ID-Card eines Produktes und bieten neben grundlegenden Angaben zu seiner Identifikation meist auch einige weitere Informationen wie die elektrische oder mechanische Leistung, die erforderliche Betriebsspannung, die Schutzklasse und andere mehr. Und nicht nur auf Maschinen und Geräten kommen sie vor, sondern beispielsweise auch an Textilien. Nur heißen sie hier meist Etikett. Wie auch immer sie benannt werden, Ihre Aufgabe ist im Prinzip stets die gleiche: Den Benutzer informieren.

Diese hierbei meist nur wenigen transportierten Informationen helfen dem Benutzer bei der Verwendung des Produktes. Typenschilder sind daher so etwas wie eine minimalistische Bedienungsanleitung. Der Benutzer erfährt, welche Betriebsspannung sein Produkt benötigt oder welche Temperatur beim Waschen des Kleidungsstückes nicht überschritten werden darf.

Alle Formen der klassischen Typenschilder haben etwas gemeinsam: Der Platz auf welchem die Informationen untergebracht werden können ist sehr gering und sie altern und unterliegen dem Verschleiß. So werden Typenschilder auf Maschinen die im Freien oder in Bereichen mit aggressiven Umgebungsbedingungen betrieben werden im Laufe der Zeit durch Korrosion unleserlich oder gar zerstört. Bei handgeführten Maschinen wie einer Bohrmaschine werden sie oft zerkratzt und daher unleserlich. Auch die Etiketten in Textilien leiden im Laufe der Zeit und sind irgendwann entweder gar nicht mehr vorhanden oder ihr Aufdruck verblasst.

Zudem ist ihr Inhalt statisch – bei erforderlichen Änderungen müsste ein neues Typenschild angebracht werden – schwierig bis unmöglich in den meisten Fällen.

Unter anderem aus diesen Gründen wird immer häufiger über die Verwendung digitaler Typenschilder nachgedacht, einige Hersteller setzen sie bereits ein. Ihre Vorteile sind klar: Quasi unbegrenzter Speicher für Informationen und jederzeitige Aktualisierbarkeit der bezogenen Inhalte sowie weitere Verwendbar- oder sogar Skalierbarkeit. Aber wo Licht ist, ist auch Schatten, dazu später mehr.

Digitales Typenschild – was verbirgt sich hinter diesem Begriff?

Wie der Name vermuten lässt, geht es darum dem Benutzer bestimmte Produktinformationen in digitaler Form zugänglich zu machen. Das ist eigentlich nichts Neues, denn Informationsprodukte wie Betriebs- oder Serviceanleitungen werden ja schon seit geraumer Zeit in digitaler Form publiziert – vom PDF-Dokument bis zur AR- oder VR-Anwendung. Derzeit sind wohl zwei Varianten digitaler Typenschilder bereits überwiegend in Verwendung: Der QR-Code und RFID.

Was ist der QR-Code?

Der QR-Code ist ein grafischer zweidimensionaler Code zur kontaktlosen Informationsübertragung. QR steht für Quick Response und kann Informationsinhalte bis zu 4.000 Zeichen aufnehmen. QR Codes können u.a. mit frei verfügbarer Software recht einfach generiert und anschließend als Grafikdatei oder im Druck ausgegeben werden. Dadurch lassen sie sich komfortabel sowohl in klassische Print- als auch digitale Informationsprodukte integrieren. Sie eignen sich auch recht gut zur Nachkennzeichnung bzw. ergänzenden Kennzeichnung von Produkten: Einfach den QR-Code als Aufkleber drucken und auf dem Produkt anbringen – beispielsweise beim routinemäßigen Wartungseinsatz. Der Zweck dieses Verfahrens kann die Verknüpfung grundlegender Produktinformationen (Spannung, Leistung, Waschtemperatur, etc.) des bereits vorhandenen klassischen Typenschildes mit weiterführenden Informationen (Bedienungs- oder Serviceanleitung, Pflegehinweise für Textilien, etc.) sein. Der QR-Code wird dann mit einem Smartphone oder einem Tablet gescannt und führt meist zu einer Website mit den gewünschten weiteren Informationen.

Dieses Verfahren birgt allerdings auch seine Tücken: Praktisch jeder kann mit Hilfe geeigneter Software und eines Druckers seinen eigenen QR-Code generieren und auf ein entsprechendes Objekt kleben. Der ahnungslose Servicetechniker oder Benutzer bekommt dann im schlimmsten Fall Informationen angezeigt, deren Anwendung zu Sach- oder Personenschäden führen kann. Einer Manipulation zumindest ansatzweise vorzubeugen dürfte wohl kaum sicher gelingen.

Was ist RFID?

RFID (Radio Frequency Identification) ist ebenfalls ein Verfahren zur kontaktlosen Informationsdatenübertragung. Das eingesetzte System besteht aus dem Informationsträger – dem sogenannten Transponder, der auch oft als Tag oder RFID-Chip bezeichnet wird – und einem Lesegerät zur Abfrage der in ihm gespeicherten Daten. Transponder können in vielen verschiedenen Formen produziert werden. Die kleinsten Ausführungen von ihnen finden beispielsweise in der Tiermedizin Verwendung wo sie unter die Haut injiziert werden und zusammen mit dem Impfpass des Tieres eine eindeutige Identifikation und Nachweis des Impfstatus erlauben. Andere kommen als münzgroße Scheibchen bei Warensicherungsanlagen im Handel oder in Form von Schlüsselanhängern oder in Scheckkartengröße bei Zutrittskontrollen zum Einsatz, die Verwendungsbandbreite ist also hoch.

Anders als bei der optischen Übertragung des QR-Codes basiert die RFID-Kommunikation auf der Übertragung von elektromagnetischen Wellen. Je nach Einsatzzweck werden hierzu Frequenzbereiche im Lang-, Kurz-, Ultrakurz- und Mikrowellenbereich genutzt.

Man unterscheidet in aktive, semiaktive und passive Transponder. Aktive und semiaktive Transponder benötigen eine Stromversorgung zur Datenspeicherung bzw. zur Datenübertragung. Passive Transponder werden im Moment des Auslesevorganges durch das elektromagnetische Wechselfeld des Lesegerätes mit Energie versorgt. Beim digitalen Typenschild wird man vermutlich aus praktischen Gründen den passiven Transponder einsetzen, da sich dieser – ein funktionsfähiges Lesegerät vorausgesetzt – quasi immer auslesen lässt und er normalerweise keiner Wartung unterliegt. Sind bei aktiven bzw. semiaktiven Transpondern die Pufferbatterien verbraucht ist nämlich ein Auslesen der Daten nicht mehr möglich, und der gespeicherte Inhalt sogar verloren.

Sprechen wir über digitale Typenschilder in Zusammenhang mit drahtloser Kommunikation mittels elektromagnetischer Wellen, denken wir automatisch an die Funkanlagenrichtlinie 2014/53/EU – auch als RED (Radio Equipment Directive) bekannt.

In diesem Zusammenhang möchte ich an dieser Stelle auf meine zweiteilige Podcastreihe

Funkanlagenrichtline – eine Einführung (Teil 1)

Funkanlagenrichtlinie – eine Einführung (Teil 2)

hinweisen.

Fällt ein RFID-Chip überhaupt unter die Funkanlagenrichtline – ist ein RFID-Chip also eine Funkanlage?

Schauen wir uns Artikel 2 der Richtlinie an:

Eine Funkanlage ist ein – Zitat: „… elektrisches oder elektronisches Erzeugnis, das zum Zweck der Funkkommunikation und/oder der Funkortung bestimmungsgemäß Funkwellen ausstrahlt und/oder empfängt, oder ein elektrisches oder elektronisches Erzeugnis, das Zubehör, etwa eine Antenne, benötigt, damit es zum Zweck der Funkkommunikation und/oder der Funkortung bestimmungsgemäß Funkwellen ausstrahlen und/oder empfangen kann.“

Und noch ein Zitat: „Funkkommunikation ist die elektronische Kommunikation mittels Funkwellen, Telekommunikation ist jede Übertragung, jede Aussendung und jeder Empfang von Zeichen, Signalen, Schriften, Bildern und Tönen oder Informationen jeglicher Art über Draht, Funk, optische oder andere elektromagnetische Systeme“ – soweit die RED und die VO-Funk.

Und Funkwellen sind qua dortiger Definition „elektromagnetische Wellen mit Frequenzen unter 3.000 GHz, die sich ohne künstliche Führung im Raum ausbreiten“ – um noch einmal die VO-Funk zu zitieren. Die VO-Funk (im englischen Radio Regulations) ist übrigens keine Fachzeitschrift der Hobbyfunker, wie man vielleicht meinen könnte, sondern ein weltweit verbindliches Regelwerk der ITU (Internationale Fernmeldeunion).

Damit dürfte also zunächst einmal einleuchten, dass ein RFID-System grundsätzlich unter die Funkanlagenrichtlinie fällt. Bei aktiven und semiaktiven Transpondern mag man das nun vielleicht noch nachvollziehen – aber beim passiven Transponder? Der hat ja nicht mal eine eigene Stromversorgung! Nun, der passive Transponder erhält seine elektrische Energie aus der elektromagnetischen Strahlung des Lesegerätes – die für diesen Zweck übrigens entsprechend stark sein muss. Das hierbei grundlegende Verfahren der drahtlosen Energieübertragung geht nebenbei bemerkt nicht zuletzt auf Nikola Tesla zurück, der um 1890 bereits entsprechende Beweise dafür erbrachte. Auch wenn der passive Transponder also im „Ruhezustand“ keine elektromagnetische Strahlung emittiert, sobald er mit einem Lesegerät getriggert wird, sendet auch er.

Die nächste Frage, die sich dann stellt: Fällt ein Produkt, das ich mit einem RFID-Chip versehe auch unter die Funkanlagenrichtlinie?

Betrachten wir ein Beispiel:

Ein Hersteller produziert eine Werkzeugmaschine, die keine Komponenten enthält, um drahtlos kommunizieren zu können, und ihr Typenschild besteht klassisch aus einer kleinen entsprechend bearbeiteten Aluminiumtafel. Dies ist selbstverständlich kein Fall für die RED.

Nun möchte der Hersteller mit der Zeit gehen und die gleiche Maschine künftig mit einem digitalen Typenschild ausstatten. Hier ergeben sich nun verschiedene Fragen:

• Wird der RFID-Transponder fest und dauerhaft in das Produkt eingebaut dürfte das Produkt vermutlich selbst zur Funkanlage werden und damit der RED unterliegen. Ähnliche Verhältnisse gibt es beispielsweise im Leuchtenbau. Daher wäre eine EU-Konformitätserklärung unter Bezugnahme auf die RED erforderlich. Gilt dies aber auch, wenn die Funktion des RFID-Chips und die Funktion des Produktes in keiner Weise voneinander abhängig sind? Denn anders als bei dem Leuchtenbeispiel bei denen Funkkomponenten dazu genutzt werden die Leuchten drahtlos ein- und auszuschalten – besteht zumindest auf rein funktioneller Ebene erst einmal keine Abhängigkeit zwischen der Maschine und dem RFID-Chip. Diese könnte sich aber möglicherweise ergeben, wenn sich der RFID-Chip nicht nur zur Wiedergabe von Informationen, sondern auch zum Starten der Maschine nutzen ließe (Stichwort: Nutzungsberechtigung mittels ID-Card o.ä.).
• Ist der RFID-Transponder ein eigenständiges Gerät, das auf einfache Weise von der Maschine getrennt werden kann, fällt die Maschine vermutlich nicht unter die RED. Gilt jedoch die Anbringung des digitalen Typenschildes außen am Gehäuse der Maschine als fest und dauerhaft oder als auf einfache Weise trennbar? Schließlich soll ja vermieden werden, dass sich das Typenschild selbst ablöst.
• Wird die Produktsicherheit berührt, wenn es nicht mehr möglich ist, über den RFID-Transponder auf das Typenblatt und weiterführende Informationsprodukte wie die Betriebsanleitung zuzugreifen (z. B. Defekt, Beschädigung, Verlust des Transponders)? Funktionsabhängigkeit?

Und weitere konstruktive Fragen sind ggfs. zu klären:

• Ist das Produkt – in dem Fall die Maschine – ausreichend gegen die Auswirkung der elektromagnetischen Strahlung des Lesegerätes bzw. der aktiven, semiaktiven und passiven Transponder abgeschirmt (Stichwort elektromagnetische Verträglichkeit)?
• Und auch wenn – wovon auszugehen ist – die Transponder hinsichtlich der Anforderungen der Funkanlagenrichtlinie und der EMV-Richtlinie keine Risiken darstellen – wie verhalten sie sich in Kombination mit der Maschine, an die sie angebracht werden (Störaussendungen, Funktionsstörungen in beiden Richtungen)? Ist also ggfs. ihre erneute Bewertung unter Berücksichtigung der vorliegenden Betriebsbedingungen durchzuführen?

Und mindestens noch ein weiterer Punkt kann beim Einsatz von RFID-Chips von Bedeutung sein:

Je nach System sind Reichweiten zwischen wenigen Zentimetern und bis zu 1000 m zwischen RFID-Tag und Lesegerät möglich. Dies zu beachten kann wichtig sein, wenn wir an eine Produktionshalle denken in denen etliche Maschinen auf engem Raum beieinanderstehen. Noch herausfordernder kann es sein, wenn beispielsweise RFID-getaggte Regelventilsysteme unterschiedlicher Konfiguration auf engem Raum angeordnet sind und die Gefahr bestehen könnte, versehentlich ein falsches Ventil auszulesen.

Diese und weitere Fragen in Zusammenhang mit RFID-Technik als digitales Typenschild sind vermutlich immer nur im Einzelfall zu klären und können an dieser Stelle gar nicht zufriedenstellend beantwortet werden. Weitere Hilfestellung bei der generellen Einschätzung der jeweiligen Situation bei Kombination einer Nicht-Funkanlage mit einer Funkanlage wie dem RFID-Chip könnten u.a. folgende Publikationen bieten:

• Das Positionspapier des ZVEI „Die Funkanlagenrichtlinie RED – Informationen für Hersteller von Beleuchtungsprodukten mit Funkkommunikation“
• Der ETSI Guide ETSI EG 203 367
• Der Guide to the Radio Equipment Directive 2014/53/EU

Aber ob nun QR-Code oder RFID-Chip als digitales Typenschild:

Ein weiterer wichtiger Punkt ist die Sicherstellung der Datenvorhaltung über die Dauer der Produktlebenszeit. So praktisch wie das digitale Typenschild bislang scheinen mag, so anspruchsvoll ist wohl auch der damit verbundene administrative Aufwand. Technisch ist es ja kein Problem das digitale Typenschild als Einstieg für weiterführende Informationsquellen zu nutzen. Entscheidend sind andere Kriterien:

Wie garantiere ich als Hersteller, dass alle Nutzungsinformationen die auf diese Weise publiziert werden, über die gesamte Produktlebensdauer verfügbar bleiben? Kann ich für mindestens 10 Jahre sicherstellen, dass meine dafür abgestellten Server jederzeit abgefragt werden können?
Was, wenn die Server ausfallen? Was bei außergewöhnlichen Ereignissen wie einem Blackout?

Kann ich als Hersteller sicherstellen, dass besonders sicherheitsrelevante Informationen nicht von dritter Stelle manipuliert werden? In diesem Zusammenhang sei an die Meldungen erinnert, die 2019 durch die Presse gingen: Herzschrittmacher und Insulinpumpen aber auch MRT-Geräte und Herzmonitore waren Opfer von Hackerangriffen geworden bzw. waren angreifbar. Und auch die Schifffahrt war – zumindest eine Zeitlang – nicht gegen Angriffe gefeit, so fand man vor 10 Jahren heraus, dass das Schiffsortungssystem AIS angreifbar war, was zu verheerenden Katastrophen hätte führen können.

Und welche Maßnahmen muss ich treffen damit meine digitalen Informationen auch in 10 Jahren noch von den dann aktuellen Endgeräten gelesen werden können (Stichwort: Technische Weiterentwicklung)?

Abseits aller bisherigen technischen Betrachtungen – welche Auswirkungen oder Bedeutungen haben digitale Typenschilder wohl für uns technische Redakteure?
Ich habe zwar sowohl mit QR-Codes als auch RFID-Tags mehrfach zu tun gehabt – allerdings bisher nie in der heute besprochenen Form. Von daher kann ich nur Mutmaßungen anstellen: Ich gehe davon aus, dass der reine informative Inhalt der über die digitalen Typenschilder abrufbar sein soll, für uns keine Herausforderung ist. So publizieren wir bei der GFT-Akademie unsere Informationsprodukte nicht nur in Printfassungen oder PDFs, sondern auch als HTML-Versionen direkt aus dem CMS heraus wobei sich vermutlich insbesondere Letztere besonders für diesen Anwendungszweck eignen. Die wirklichen Herausforderungen liegen aus meiner Sicht eher in den IT-Abteilungen der Hersteller: Jemand muss nämlich dafür Sorge tragen, dass die Verknüpfung zwischen digitalem Typenschild und den auszuliefernden Informationen immer reibungslos und sicher vonstattengeht.

Halten wir also fest:

• Digitale Typenschilder können je nach Anforderung einen deutlichen Mehrwert  gegenüber den klassischen analogen Typenschildern bieten.
• Bei Verwendung von RFID-Chips in Kombination mit Produkten, die bisher nicht unter die Funkanlagenrichtlinie fielen, ist zu prüfen, ob dies künftig der Fall ist.
• Die mit dem digitalen Typenschild verbundenen Informationen müssen mindestens über die Produktlebensdauer verfügbar sein. Das erfordert u. U. erheblichen administrativen und technischen Aufwand.
• Für die Eindeutige Zuordenbarkeit, Sicherheit und Authentizität der digitalen Informationen muss Sorge getragen werden.