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L’identification radiofréquence en milieu industriel

Nous vous proposons dans ce numéro un répertoire dédié aux solutions industrielles d’identification par radiofréquences (RFID). Après une envolée difficile, l’offre commerciale est désormais abondante. Avant de passer à la présentation des solutions proposées par les principaux fournisseurs dans ce domaine, un petit retour aux fondamentaux s’impose.
Nous vous proposons ce mois-ci un répertoire dédié aux solutions industrielles d’identification par radiofréquences (RFID). Après une envolée difficile, l’offre commerciale est désormais abondante. Mais avant de passer à la présentation des solutions proposées par les principaux fournisseurs dans ce domaine, un petit retour aux fondamentaux s’impose.
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RFID signifie littéralement Radio Frequency Identification. C’est un terme générique utilisé pour désigner toutes technologies utilisant les ondes radio pour identifier automatiquement des objets ou articles individuels. L’utilisation la plus courante de la technologie RFID est le stockage d’un numéro de série sur une puce reliée à une antenne, pour identifier un produit (identifiant unique), et éventuellement d’autres informations (poids, couleurs, etc…). L’ensemble puce-antenne s’appelle transpondeur RFID ou étiquette (tag) RFID. L’antenne permet à la puce de transmettre les informations d’identification au lecteur, qui convertit les ondes radio émises par cette étiquette RFID en données qui peuvent être utilisées par n’importe quel progiciel dédié (Système de Gestion d’Entrepôts, Planification de Ressources, Gestion Cycles de Vie).
Des débuts difficiles
Il ne fait désormais plus aucun doute que la technologie RFID aura dans les années à venir un impact notable sur la gestion des chaînes d’approvisionnement, de l’usine de fabrication jusqu’au rayon du détaillant, et ce dans un grand nombre de secteurs industriels : l’agroalimentaire, l’automobile, l’industrie pharmaceutique, pour ne citer que les principaux. Pourtant, contrairement à ce que l’on pourrait croire, la notion d’identification par radiofréquence est loin d’être nouvelle. Son apparition, liée au développement de la radio et du radar, remonte en réalité à l’époque de la seconde guerre mondiale ! Longtemps restée confidentielle et cantonnée au giron des applications militaires, la technologie RFID s’est peu à peu répandue dans le secteur privé, à partir de la fin des années 70, l’une des premières applications commerciales ayant été l’identification de bétail en Europe. Par la suite, de nombreuses sociétés européennes et américaines se sont mises à proposer des systèmes RFID, permettant d’identifier toutes sortes d’objets au moyen d’étiquettes électroniques « intelligentes » (transpondeurs ou tags), constituées d’un circuit intégré connecté à une antenne. En raison de volumes insuffisants pour faire baisser le prix des étiquettes jusqu’à un niveau raisonnable, il faudra tout de même attendre 2003 et la décision prise par Wal-Mart, le géant américain de la distribution, d’imposer à ses principaux fournisseurs l’adoption de la technologie RFID, pour que celle-ci se voit offrir le premier grand test de déploiement industriel. Emboîtant le pas de Wal-Mart de nombreuses multinationales telles que Tesco, Mark and Spencer ou Nokia, se sont lancées à leur tour dans l’aventure. Le marché a enfin pu décoller. Aujourd’hui, les ventes explosent.
Selon l’analyste américain IDTechEx, le marché de la RFID (tags, systèmes et services inclus) représenterait aujourd’hui dans le monde un chiffre d’affaires de plus de 1.8 milliards de dollars, tous secteurs confondus. Le chiffre prévisionnel pour l’année 2006 s’élève quant à lui à 2.7 milliards de dollars, et IDTechEx nous promet une croissance exponentielle d’ici à 2016, date à laquelle le marché de la RFID devrait dépasser en valeur les 26 milliards de dollars ! Ces chiffres portent évidemment sur l’ensemble des applications de la technologie RFID, incluant le contrôle d’accès, les systèmes anti-vol, la gestion des stocks, la logistique, la traçabilité, l’identification de bagages, de livres, de documents, etc. Pour la partie industrielle qui nous intéresse, difficile en revanche d’avancer des chiffres précis. Laurent Prunier-Duparge, responsable du développement chez Turck Banner, évoque des « investissements variants entre 10 et 30%, selon les études », pour un « marché très dynamique qui enregistre une croissance de plus de 30% par an ». Il semblerait donc que la technologie RFID soit désormais prête à s’imposer dans les environnements industriels, y compris les plus rudes. Le principe est toujours le même : des étiquettes intelligentes contiennent toutes les données de production et de fabrication. Elles accompagnent le produit à travers les chaînes-transferts et les lignes d’assemblage et de production, dans le but d’assurer un pilotage optimal des flux de matières.
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RFID : quels avantages ?
Les principaux avantages de la technologies RFID par rapport aux systèmes d’identification classiques utilisés en automatisation industrielle sont désormais bien connus. Tout d’abord, contrairement aux systèmes à codes barres ou au marquage au laser, les tags RFID n’ont pas besoins d’être vus pour être lus. Puisque la transmission des informations est réalisée par le biais d’ondes radio, il suffit que l’étiquette se trouve à portée du lecteur, pour que ce dernier soit en mesure d’accéder aux informations qu’elle contient. Notons que les portées varient énormément d’un système à un autre. Typiquement, elle peuvent aller de quelques centimètres à plusieurs dizaine de mètres, en fonction du type de tag, de la fréquence de fonctionnement, de l’encombrement de l’environnement et des normes en vigueur dans la zone géographique concernée. Mais nous reviendrons sur ces points un peu plus tard. Un autre avantage de la technologie RFID est que celle-ci permet l’enrichissement, la modification ou bien encore la suppression des données stockées dans la mémoire des tags. Ainsi, il est devient possible d’y inscrire, à l’aide d’un module de lecture/écriture, des données complémentaires relatives à l’objet, pour suivre son historique ou bien encore pour programmer les paramètres des opérations auxquelles il sera soumis. La quantité d’informations pouvant être stockée à l’intérieur d’un tag dépend de la taille de la mémoire de celui-ci, laquelle varie entre quelques octets et plusieurs dizaines de kilo-octets selon les modèles. De manière générale, cette mémoire peut être soit à lecture seule, soit à écriture unique et lecture multiple (WORM pour Write Once Read Many), soit à lecture/écriture. Très robustes, ces véritables bases de données mobiles peuvent être conditionnées à l’intérieur de boîtiers (métallique, résine époxy, etc.) offrant un degré de protection adapté aux environnements les plus sévères rencontrés dans l’industrie.
Les composantes
En règle générale, un système d’identification par radiofréquence industriel est constitué des éléments suivants : un transpondeur, un module de lecture/écriture et une interface établissant la connexion entre un bus de terrain et un ou plusieurs modules de lecture/écriture. Le cas échéant, il est possible de travailler directement avec le module de lecture/écriture sans passer par l’interface, par exemple au moyen d’une connexion RS422. A l’inverse, l’interface peut disposer d’un module de lecture/écriture intégré.
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Tags actifs vs tags passifs
On distingue essentiellement deux grandes catégories d’étiquettes, celles qui possèdent une source d’alimentation interne (pile ou batterie), et celles qui en sont dépourvues. Les premières sont généralement qualifiées d’étiquettes « actives », tandis que les secondes, vous l’aurez deviné, sont dites « passives ». Mais attention : pour les puristes, en toute rigueur, les termes actif et passif sont impropres à qualifier le mode d’alimentation des tags. Ils désignent en réalité la présence ou l’absence d’un émetteur RF au sein de l’étiquette. Ainsi, les étiquettes actives sont celles qui sont équipés d’un émetteur RF, lequel nécessite souvent la présence d’une source d’alimentation interne. Les étiquettes passives, quant à elles, n’intègrent pas d’émetteur et sont généralement télé alimentées. Dans ce cas, c’est la puissance de l’onde électromagnétique émise par la tête de lecture qui alimente en énergie la puce électronique contenue dans l’étiquette, le temps que celle-ci délivre ses informations aux lecteur. Pour cela l’étiquette passive utilise, non pas un émetteur, puisque par définition elle en est dépourvue, mais le principe de modulation par rétro-reflexion. La modulation par rétroréflexion consiste à faire varier la proportion de l’énergie qui est réfléchie par l’antenne du transpondeur, en faisant varier l’impédance de ce dernier. On réalise ainsi une modulation en amplitude du signal réfléchi. Mais une étiquette passive peut très bien posséder une alimentation interne, pouvant être utilisée à d’autres fins, par exemple pour la réalisation de mesures (température, humidité). On dit alors que l’on a affaire à des tags passifs, assistés d’une batterie, ou par abus de langage, à des tags « semi-passifs ».
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Le principal avantage que présente l’utilisation d’étiquettes actives est lié au fait qu’elles intègrent une alimentation (pile ou batterie) ainsi qu’un émetteur RF. De ce fait, elles sont capables d’une part de capter des signaux plus faibles, et d’autre part d’émettre des signaux plus forts que leurs homologues passives, autorisant donc une plus grande distance de lecture/écriture. Avec une étiquette active, celle-ci peut atteindre 50 à 100 mètres en champ libre à 2,45 GHz ! Par ailleurs, contrairement à une étiquette passive, une étiquette active n’a pas besoin d’attendre d’être interrogée par un lecteur pour pouvoir transmettre ses informations. Les principaux inconvénients sont bien évidemment une durée de vie limitée (qui peut tout de même atteindre 5 à 10 ans suivant les cas), ainsi qu’un coût plus élevé que celui des étiquettes passives, en raison d’une taille supérieure et d’une plus grande sophistication. La distance de lecture des étiquettes passives dépend de plusieurs facteurs : la fréquence de fonctionnement, la puissance du lecteur, l’interférence avec les objets métalliques, présence d’eau ou d’autres équipements RFID, etc. En règle générale, les étiquettes basse-fréquence peuvent être lues jusqu’à 30 cm max. Aux USA, les étiquettes haute-fréquence peuvent être lues jusqu’à 1 m et les étiquettes UHF de 3 à 5 m. En Europe, en raison des règlementations en vigueur, les étiquettes peuvent être lues jusqu’à 1 m au maximum (en France, cette distance pourrait être moindre).
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Les fréquences
Tags et lecteurs RFID doivent être sur la même longueur d’onde pour pouvoir communiquer. Les systèmes RFID utilisent plusieurs fréquences différentes, mais généralement les plus courantes sont : les basses-fréquences (autour de 125KHz), les hautes-fréquences (13,56MHz) et les Ultra Hautes Fréquences (850-900 MHz). Notons que les micro-ondes (2,45GHz) sont aussi utilisées dans certaines applications. Les ondes radio se comportent différemment en fonction des fréquences, par conséquent l’utilisateur doit choisir celle qui conviendra le mieux en fonction des caractéristiques de son application. Par exemple, les étiquettes basse-fréquence sont plus économiques, consomment moins et pénètrent plus dans les matières non métalliques que celles en UHF. Les fréquences UHF, quant à elles, offrent typiquement une meilleure portée et un transfert de données plus rapide. Mais elles consomment plus et pénètrent moins dans la matière. Et comme elles sont plus directives, elles nécessitent un chemin dégagé entre le tag et le lecteur. Les tags UHF sont plus adaptés pour scanner des boîtes de marchandises passant par un portique d’entrepôt. Toutefois il faut faire attention car tous les pays n’utilisent pas la même fréquence, ce qui rend difficile la lecture de tags RFID en Europe associés à des marchandises en provenance d’Asie ou de l’Amérique du Nord par exemple. Pour résoudre ce problème, les fabricants de puces sont en train d’étudier des tags multi-fréquence. Les gouvernements réglementent aussi la puissance des lecteurs pour limiter les interférences avec les autres équipements. Quelques groupes comme le GCI (Global Commerce Initiative), sont en train d’essayer d’encourager les gouvernements à se mettre d’accord sur les fréquences et les puissances. Les fabricants de tags et de lecteurs sont aussi en train de développer des systèmes pouvant gérer plusieurs fréquences pour contourner le problème.
Conclusion
La technologie RFID a atteint aujourd’hui un haut niveau maturité, et elle ne manque pas d’atouts pour séduire les industriels. Malgré tout, il est fort probable que RFID et systèmes traditionnels (codes barres) continueront de coexister pour l’identification des produits sur les lignes d’assemblage et de production industrielle, et ce durant de nombreuses années encore. En effet, l’implémentation d’un système d’identification radiofréquence n’a rien d’anodin et nécessite dans la plupart des cas une modification en profondeur des systèmes de contrôle chargés du pilotage de la production, si toutefois l’on esp&egra
e;re en tirer pleinement les bénéfices. Outre l’acquisition et l’installation des équipements RFID proprement dit, cela implique de revoir les stratégies d’exécution, de re-calibrer les systèmes d’informations d’usine, et d’intégrer l’ensemble au système d’entreprise, de sorte que la production puisse être synchronisée avec la chaîne d’approvisionnement.

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