DKK | EUR | USD

Spar tid og penge i IIoT-anlæg med trådløse kontakter med energiindvinding

Af Bill Giovino

Bidraget af Digi-Keys nordamerikanske redaktører

Fremskridt inden for Industrial Internet of Things (IIoT) har udmøntet sig i øget effektivitet på fabrikker og i produktionen takket være forbedret sensorbaseret overvågning. Forbedringer inden for indtastningsenheder som touchscreens og membrankontakter har også hjulpet på det. Alligevel er der i visse tilfælde stadig behov for en mekanisk kontakt til kontrolsystemer, fordi de er robuste og nemme at bruge. Der kan sommetider opstå problemer, når denne kontakt skal betjenes fra en vis afstand af det udstyr, der skal betjenes.

Det kan eksempelvis være, når en gaffeltruckfører skal betjene en indkørsel, eller når den enhed, der skal betjenes, er utilgængelig på normal vis eller befinder sig på en placering i et beskyttet miljø. I sådanne tilfælde, hvor det kan være upraktisk eller dyrt at trække ledninger, vil en trådløs kontakt være et bedre valg. Dog afhænger en trådløs kontakts funktion af batterilevetiden, og der kræves således vedligeholdelse i form af opladning eller udskiftning af batteriet med jævne mellemrum.

I denne artikel vises det, hvordan batteriløse energiindvindingskontakter fra ZF Electronics (tidligere Cherry Industrial Solutions) kan løse disse problemer.

Anvendelse af IIoT og energiindvindingskontakter

Det er ofte muligt at anvende eksisterende udstyr, når der migreres til en IIoT-struktur, særligt når der bruges traditionelt vægmonteret udstyr og lyskontakter, og der er adgang til elektricitet på disse placeringer. Dog er mange produktionsfaciliteter bygget til at være nemme at konfigurere, så samlebåndet hurtigt kan tages ned og rekonfigureres til fremstilling af et andet produkt. Rekonfiguration kan være omkostningstungt med hensyn til nedetid, så enhver teknologi eller løsning, der kan forkorte den tid, der bruges på rekonfiguration, bør undersøges nærmere af designere og fabriksteknikere. Kontakter med energiindvinding er en af disse tidsbesparende løsninger.

De fleste fabriksmaskiner er forbundet via netværk til hovedkontrolhubben og kan konfigureres fra denne centrale placering. Der vil dog være situationer, hvor udstyr skal betjenes på fabriksgulvet, og hvor det er upraktisk og/eller besværligt at betjene systemet fra udstyrets placering. Sådanne situationer omfatter fjernbetjent åbning og lukning af døre, at slå højspændingsudstyr til og fra, betjening af udstyrselevatorer, åbning og lukning af ventiler, betjening af udstyr, der befinder sig i et beskyttet miljø, eller følsomt udstyr eller enheder samt konfiguration af ventilationssystemer. Sommetider kan betjeningskontakten ikke monteres på ét sted, og skal være mobil, eller måske er det tilgængelige monteringsområde konstrueret af glas eller beton og kan ikke bruges til et monteringsbeslag.

Mens disse alle er vidt forskellige anvendelseseksempler, har de alle én ting til fælles – ingen af dem er standardanvendelser af kontakter med normal montering, ledningsforbindelse og vedligeholdelsesprocedurer. Til disse usædvanlige anvendelser har ZF Electronics udviklet trådløse, batteriløse kontakter som f.eks.AFIS-5003-vippekontakten med energiindvinding (figur 1). Kontakten er selvforsynende og vedligeholdelsesfri og kræver ingen yderligere komponenter for at fungere.

Billede af ZF Electronics AFIS-5003-vippekontakt med energiindvindingFigur 1: ZF Electronics AFIS-5003 skal hverken bruge ekstern strøm eller batteri. I stedet genereres den strøm, den skal bruge til at sende et trådløst signal, ved at indvinde den energi, der genereres, når der trykkes på kontakten. (Billedkilde: ZF Electronics)

AFIS-5003 ligner en almindelig vippekontakt og kan monteres i et standardmonteringshul på 27 x 12 mm. Men i stedet for to monteringsflige bag på kontakten går der en enkelt 70 mm ledning ud vinkelret fra bagsiden. Denne ledning er en antenne, som bruges til at sende en kommando fra kontakten til en kompatibel modtager. Kontakten får strøm ved at konvertere den energi, der genereres, når der trykkes på kontakten. Det kræver et tryk med en kraft på 0,51 kg at trykke kontaktens ene side ned, som så indvindes af en lille indvendig generator.

Generatoren udsender en spænding, som er tilstrækkelig til momentant at sende en serie af 48-bit datapakker på 330 µW (mikrowatt), der kaldes telegrammer, og som sender kontaktens tilstand til en kompatibel modtager. AFIS-5003 sender over 915-MHz-båndet, og telegrammet sendes tre gange, men kontakten kan konfigureres til at udsende op til syv telegrammer for at øge pålideligheden. Hvert telegram udsendes med pseudotilfældige mellemrums forsinkelse, hvilket hjælper med at undgå eventuel periodisk RF-interferens, herunder fra andre AFIS-5003-kontakter, der aktiveres på samme tid. Hvert telegram indeholder kontaktens entydige ID-nummer, tilstand og samlet antal sendte telegrammer for den pågældende kontaktaktivering.

AFIS-5003-kontakten er normeret til 100.000 aktiveringer, så den er robust nok til hyppig brug. Driftstemperaturen er -40 °C til +85 °C, så den egner sig til brug i de fleste industrimiljøer. Kontakten er IP40-klassificeret, så den beskytter i nogen grad mod støv, men den ikke er fugtsikker. I industrimiljøer anbefales det, at kontakten monteres i en lille indkapsling. Indkapslingen skal være af plastic, da metal forstyrrer udsendelsen af det trådløse signal.

Da kontakten ikke kræver nogen strømtilførsel, er der ikke behov for opladning eller udskiftning af batterier, hvilket eliminerer dyre vedligeholdelsesrutiner. Dette kan også være en hjælp i forbindelse med fejlfinding, hvis der er problemer med at modtage telegrammerne, da batterilevetid med det samme kan udelukkes som et problem. Derudover er det ikke nødvendigt at trække ekstern strøm til kontakten, hvilket stiller færre krav til fabrikkens udformning. Om nødvendigt kan kontakten nemt flyttes til en anden placering på få sekunder, så der er ikke brug for installatører til at flytte kontakten og trække strøm.

Elevatorbetjening

Kontakten har to antenner: En intern PCB-antenne med begrænset rækkevidde, der afhænger af både indkapslingen og miljøet. Til længere afstande sidder der på kontaktens bagside en 7 cm lang ledningsantenne, som er dimensioneret til at sende et telegram op til 30 meter. Tests udført af ZF Electronics selv har dog påvist, at disse kontakter med energiindvinding kan sende helt op mod 300 meter, når der er fri sigtelinje og minimal interferens.

Lige som radiofrekvenssendere (RF) er korrekt placering af antennen afgørende for at maksimere kontaktens effektivitet. Ledningsantennen bør ikke snos og må ikke komme i kontakt med nogen metalflader, da begge ting kan begrænse antennens rækkevidde.

En praktisk anvendelse af AFIS-5003-kontakten kunne være en gaffeltruckelevator. En gaffeltruckfører kører ind i elevatoren og har derefter brug for at flytte elevatoren mellem etagerne. I stedet for at spilde tid på at stige ud af gaffeltrucken for at betjene en kontakt på væggen, kan føreren have en ZF Electronics AFIS-5003-kontakt hos sig og dermed aktivere elevatoren inde fra gaffeltrucken. Dette er især praktisk, hvis der midlertidigt benyttes gaffeltrucks fra andre anlæg på fabrikken, eller hvis andre gaffeltrucks flyttes til andre anlæg. Det er muligt at fastgøre en AFIS-5003-kontakt til gaffeltrucken midlertidigt, så føreren nemt kan nå den. Da der kun er brug for, at kontakten sender inde i elevatoren, kan man i dette tilfælde nøjes med at bruge kontaktens interne PCB-antenne. Dette vil begrænse senderækkevidden og dermed risikoen for interferens med andre kontakter eller enheder i nærheden.

Modtager til kontakt med energiindvinding

Kontakten sender sit signal til en kompatibel ZF Electronics-modtager som f.eks. AFZE-5003-modtagermodulet (figur 2). En kontaktsender parres med en modtager ved at trykke på parringsknappen på modtageren og derefter aktivere energiindvindingskontakten. Et blinkende lys på modtageren indikerer, at der er dannet par med kontakten. Denne modtager kan modtage signaler fra op til 32 forskellige ZF Electronics-energiindvindingssendere på 915 MHz, men dette kan øges til 256 sendere med producentens hjælp. Én energiindvindingskontakt kan parres med et ubegrænset antal modtagere. Man kan med fordel parre én kontakt med to eller flere modtagere på vigtige steder, hvor der er behov for redundans, eller hvor kontaktens rækkevidde skal forlænges, når samme system skal betjenes fra flere forskellige fjernplaceringer.

Billede af ZF Electronics AFZE-5003 915 MHz-modtagermodulFigur 2: ZF Electronics AFZE-5003 915 MHz-modtagermodulet (til højre) kan modtage signaler fra op til 32 energiindvindingssendere og kan udvides til op til 256 sendere. Det fås også uden indkapsling, sådan som det er vist til venstre. (Billedkilde: ZF Electronics)

AFZE-5003 kan tilsluttes enhver mikrocontroller, programmerbar logisk styreenhed (PLC) eller computer med UART-interface, der understøtter RS-232 eller RS-485 via TTL-logikniveauer. Som det kan ses i figur 2, er AFZE-5003 til højre indbygget i et plastikhus, som egner sig til et industrimiljø. Den har også et USB 2.0-interface til pc-tilslutning med henblik på applikationsudvikling. Funktionskomponenten i AFZE-5003 er et printkort på størrelse med et frimærke, som det kan ses til venstre (figur 2). Dette printkort fås også som enkeltstående enhed til at integrere i et større system.

Modtageren kan drives via USB-interfacet eller en ekstern 5-volts strømforsyning, og den bevarer parringsoplysningerne, selv når strømmen afbrydes. AFZE-5003 kan placeres i nærheden af en central PLC, hvor den modtager telegrammer fra alle energiindvindingskontakterne på fabriksgulvet. Kontaktens tilstand sendes så via UART til PLC'en, som så konfigurerer det rette udstyr via Ethernet eller Wi-Fi.

Kontakt med energiindvinding til udviklingsbrug

Til udviklingsformål tilbyder ZF ElectronicsAFIK-5002-evalueringskittet til energiindvinding (figur 3).

Billede af ZF Electronics AFIK-5002-evalueringskitFigur 3: ZF Electronics AFIK-5002-evalueringskittet indeholder alt, hvad en udvikler skal bruge for at evaluere et kontaktsystem med energiindvinding, herunder en vippekontakt, trykknap, enkeltstående generator og en modtager. (Billedkilde: ZF Electronics)

Evalueringskittet indeholder den samme modtagerenhed og vippekontakt, som blev omtalt tidligere. Der medfølger også et USB-kabel. Plasticindkapslingen til modtagerantennen er vist forrest midt for i figur 3. Evalueringskittet indeholder en trykkontakt med energiindvinding samt en enkeltstående energiindvindingsgenerator magen til ZF Electronics AFIG-0007, som kan ses med en gul spole i figur 3. Denne generator er livsnerven i enhver trykknap eller vippekontakt med energiindvinding fra ZF Electronics og sørger for at omsætte kontaktaktiveringen til udsendelsen af telegram. Udviklere kan bruge energiindvindingsgeneratoren, som den er, eller de kan bygge deres egen energiindvindingskontakt ved hjælp af generatoren.

Evalueringskittet er nemt at bruge. Modtageren tilsluttes via USB til en pc, som kører kittets demosoftware. En hvilken som helst af (eller alle) de medfølgende kontakter kan parres med modtageren. Demosoftwaren viser status for pardannelsen og viser også alle modtagne telegrammer, inklusive de rå 48-bit telegramdata, et tidsstempel, kontaktens entydige ID-nummer, kontakttilstand, antal sendte telegrammer for den pågældende kontaktaktivering samt signalstyrke. Oplysningerne om signalstyrke er særligt vigtige, fordi de i høj grad er med til at sikre, at placeringen og afstanden mellem sender og modtager giver mulighed for en pålidelig signalstyrke.

Konklusion

Kontakter med energiindvinding kan løse unikke problemer i IIoT-situationer, som der ellers ikke synes at være nogen nem løsning på. Som vist kan de i høj grad forenkle et industrianlægs udformning ved at give ekstra fleksibilitet til placering af kontakter på steder, hvor konventionelle løsninger ville være upraktiske.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Om denne forfatter

Bill Giovino

Bill Giovino is an Electronics Engineer with a BSEE from Syracuse University, and is one of the few people to successfully jump from design engineer, to field applications engineer, to technology marketing.

For over 25 years Bill has enjoyed promoting new technologies in front of technical and non-technical audiences alike for many companies including STMicroelectronics, Intel, and Maxim Integrated. While at STMicroelectronics, Bill helped spearhead the company’s early successes in the microcontroller industry. At Infineon Bill orchestrated the company’s first microcontroller design wins in U.S. automotive. As a marketing consultant for his company CPU Technologies, Bill has helped many companies turn underperforming products into success stories.

Bill was an early adopter of the Internet of Things, including putting the first full TCP/IP stack on a microcontroller. Bill is devoted to the message of “Sales Through Education” and the increasing importance of clear, well written communications in promoting products online. He is moderator of the popular LinkedIn Semiconductor Sales & Marketing Group and speaks B2E fluently.

Om udgiveren

Digi-Keys nordamerikanske redaktører