השתמשו בהעברת הספקת-כוח ונתונים ללא-מגעים עבור פתרונות תעשייתיים ללא בלאי ועם תחזוקה נמוכה

חיבורים גמישים ואמינים ביותר הם חיוניים ביישומים תעשייתיים, כגון אלה המשמשים בכלי רובוט ובהתקנים מסתובבים כמו שולחנות אינדקסציה מדויקים. מערכות אלו חוות תנועה וסיבוב גבוהים ולעתים הן חשופות ללכלוך ולרעידות העלולים לגרום לכשל של מחברים או טבעות החלקה קונבנציונליות.

המתכננים זקוקים לאפשרויות חדשות כדי להתגבר על המגבלות של פתרונות קונבנציונליים ביישומים מאתגרים אלה ואחרים. האפשרות החדשה חייבת להיות מסוגלת לתמוך בחיבורי Ethernet דו-צדדיים מאובטחים של עד Mbps‏ 100‏ ולהעביר עד W‏ 50‏ של הספקת-כוח עבור חיישנים ורכיבים אחרים על פני מרווח של 12 מ"מ (או 40 מ"מ עבור נתונים בלבד).

אפשרויות הרכבה גמישות נחוצות כדי לתמוך במגוון רחב של תכני מערכות, ונדרש מחוון LED פשוט וגלוי עבור אבחון מהיר.

פעולה בסביבות תעשייתיות קשות דורשת דירוג סביבתי IP65, והפתרון חייב לעמוד בתקן IK06 לפי EN 62262‏, המצביע על כך שהוא יכול לעמוד בפני פגיעות מכניות חיצוניות באנרגיה של עד 1‏ ג'אול. התקנה או החלפה פשוטות יכולות למזער את עלויות התחזוקה ואת זמן ההשבתה.

מאמר זה מתחיל בסקירה קצרה של האתגרים הכרוכים בשימוש במחברים וטבעות החלקה קונבנציונליים ביישומים תעשייתיים שונים. לאחר מכן המאמר מתעמק ביכולות של מצמדי NearFi‏ של Phoenix Contact‏, ומפרט כיצד הם עונים על הצרכים החשמליים ומכניים ושל האבטחה של העברת הספקת-כוח ונתונים ללא-מגעים ביישומים תעשייתיים מאתגרים.

אתגרי אמינות ברובוטים

החלפות כלים תכופות עבור רובוטים המשמשים בתהליכי הרכבה אוטומטיים עלולות להוות אתגרים משמעותיים עבור המחברים. החלפות כלים אלה יכולות לדרוש מאות מחזורי חיבור/ניתוק מדי יום.

כל מחזור חושף את המגעים למזהמים וגורם לבלאי עקב חיכוך המגעים. אם המחברים אינם מיושרים במדויק, המגעים עלולים להתעקם.

התוצאה היא אמינות מופחתת של המחברים וזמן השבתה בלתי צפוי לצורך תחזוקה. בנוסף למחברים לחיבור כלים, חלק מהרובוטים משתמשים בטבעות החלקה להעברת נתונים והספקת-כוח בזרועות ומפרקים מסתובבים.

מגבלות טבעת החלקה

טבעות החלקה ניתן למצוא גם בטורבינות רוח, כמו גם בקווי עיבוד ואריזה של מזון ותרופות, ובתהליכים תעשייתיים אחרים. כמו מחברים קונבנציונליים, טבעות החלקה עלולות להינזק מחשיפה למזהמים ועלולות לחוות בלאי מכני חריג.

טבעות החלקה יכולות להתחמם עקב חיכוך ועשויות לדרוש תשומת לב לניהול תרמי. ביישומים מסוימים, טבעות החלקה עלולות להיות נתונות לרעידות חזקות או לפגיעות פתאומיות העלולות לגרום נזק, לחץ מגעים לא יציב או אפילו כשל מכני.

גם מחברים קונבנציונליים וגם טבעות החלקה יכולים ליצור אתגרים בתכנון המכונה הקשורים לאילוצי גודל ותנועה, כמו גם לדרישות גישה לצורך תחזוקה. זה מוסיף לאתגרים הרבים ביישומים, כולל חיבורים לסירוגין הנגרמים מרעידות, אבק, לכלוך ובלאי מגעים, בין היתר.

פתרון NearFi

שימוש במחברים "טובים יותר" עשוי להציע הזדמנות לשיפור הדרגתי בביצועים או באמינות. אבל מה שבאמת נחוץ זו גישה מתוך-הקופסה שתבטל את אתגרי המחברים המעצבנים ביותר. זהו NearFi.

NearFi היא טכנולוגיה ללא-מגעים התומכת בתקשורת והספקת-כוח אמינה וללא שחיקה על פני מרווח אוויר של כמה סנטימטרים או דרך חומרים לא-מתכתיים, כגון פלסטיק, זכוכית ועץ. בעת שידור נתונים בלבד, NearFi יכול להתחבר על פני מרווח אוויר של 40 מ"מ. הספקת-כוח, או העברות משולבות של ונתונים והספקת-כוח, יכולים להתחבר על פני מרווח אוויר של 12 מ"מ.

NearFi משתמש בטכנולוגיית אלחוט GHz‏ 60‏ להעברת נתונים ובצימוד אינדוקטיבי להעברת הספקת-כוח ממצמד בסיס למצמד מרוחק. למצמדים יש מארז בדירוג IP65 ו-IK06, יחד עם טכנולוגיית חיבור M12, המבטיחים פעולה ללא-בלאי ותחזוקה בסביבות תעשייתיות תובעניות.

מערכת NearFi מעניקה למתכננים את הבחירה בין שלושה פתרונות:

• ניתן להעביר נתונים והספקת-כוח בו-זמנית באמצעות מצמד הבסיס 1234224‏ עם מצמד מרוחק 1234225.
• ניתן לחבר את הספקת-הכוח ללא תמיכה בנתונים באמצעות בסיס 1234226 עם 1234229‏ מרוחק.
• ניתן להעביר נתונים ללא הספקת-כוח באמצעות בסיס 1234232‏ עם 1234234‏ מרוחק.

Ethernet‏ דופלקס-מלא

עם NearFi, נתונים מוחלפים בו-זמנית בשני הכיוונים ללא שיהוי (Latency‏). השימוש בשני חיבורי GHz‏ 60‏ מקבילים בפסי תדרים נפרדים, אחד לקישור-מעלה ואחד לקישור-מטה מטה, מאפשר שידור נתונים דופלקס-מלא בזמן-אמת. זה הופך אותו למתאים עבור פרוטוקולים תעשייתיים קריטיים בזמן, כגון PROFINET ו-EtherCAT. מכיוון שטכנולוגיית ההעברה היא בלתי-תלויה בפרוטוקול, ניתן להשתמש בה עם כל פרוטוקול Ethernet סטנדרטי (איור 1).

איור 1: NearFi תומך ב-Ethernet דופלקס-מלא Mbit/s‏ 100‏ אגנוסטי-לפרוטוקול. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

השימוש בתקשורת שדה-קרוב (NFC) הוא גורם מפתח בביצועי NearFi. בניגוד לתקשורת שדה-רחוק קונבנציונלית, המסתמכת על התפשטות גלים אלקטרומגנטיים הנעים ללא הגבלת זמן בחלל, האנרגיה ב-NFC אינה מקרינה החוצה ללא הגבלת זמן. הגלים דועכים במהירות עם המרחק. NFC היא טכנולוגיה בהספק-נמוך המפחיתה עוד יותר את האפשרות של הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI).

השימוש ב-NFC מבטיח גם דו-קיום אמין עם טכנולוגיות אלחוט קיימות, כגון WLAN או Bluetooth. כמו כן, ספקטרומים של הפרעות תעשייתיות סטנדרטיים אינם משפיעים על שידורי NearFi, מה שחוסך את הצורך בתכנון תדרים בעת פריסת NearFi.

הטווח המוגבל פירושו שניתן להפעיל מספר קישורי NearFi בקרבת מקום ללא הפרעה. השורה התחתונה היא ש-NFC מאפשר העברת נתונים אמינה, ללא תחזוקה ובמהירות גבוהה עם חסינות משמעותית בפני EMI. לבסוף, טבעת LED על בתי המצמד מציגה את מצב החיבור ומקלה על פתרון בעיות, ובכך מאיצה את ההתקנה והאבחון.

שידורים מוכווני-ביטים

השימוש בטכנולוגיית שידור סינכרונית, מוכוונת-ביטים, הוא מפתח נוסף לביצועי NearFi. טכנולוגיה מוכוונת-ביטים עומדת בניגוד לשידור מוכוון-מנות (Packet‏) של תקשורת אלחוטית אחרת.

יישומים מוכוון-מנות (Packet‏) סובלים בדרך כלל משיהוי (Latency‏) משמעותי. הנתונים מגיעים למשדר ויש להכניס אותם לתוך מנות לפני השידור. בצד המקלט, המנות מפורקות לפני שהנתונים מועברים למערכת.

בשידורים סינכרוניים של NearFi, הנתונים נשלחים ישירות, ביט אחר ביט, עם הגעתם, ללא צורך באריזה או פירוק. זה מייצר זרם נתונים רציף ומבטל כמעט לחלוטין את השיהוי. זו הסיבה ש-NearFi מתאים היטב עבור פרוטוקולי Ethernet תעשייתיים קריטיים-בזמן, כגון רשתות רגישות-לזמן (TSN‏), PROFINET ו-EtherCAT (איור 2).

איור 2: NearFi משתמש בשידורים מוכווני-ביטים כדי למתן אתגרי שיהוי הקשורים בדרך כלל לתקשורת מסורתית מבוססת-מנות (Packet‏). (מקור התמונה: Phoenix Contact)

בנוסף, מכיוון שהנתונים משודרים ללא חציצה או אריזה, NearFi הוא שקוף-לפרוטוקול ויכול להתמודד עם כל פרוטוקול Ethernet מבלי לדרוש הגדרת תצורה.

NearFi מטפל בשיקולי אבטחה על ידי הגבלת התקשורת למרחק קצר. זה יכול גם לתמוך באמצעי אבטחה ברמה גבוהה, כגון הצפנה, אימות וטוקניזציה.

העברת הספקת-כוח

מערכת NearFi משתמשת בהולכת הספק אינדוקטיבית עם תחום תדרים של 100 עד 148.5 קילוהרץ, בדומה לזה המשמש במטענים אלחוטיים מסוימים עבור סמארטפונים. ניתן להעביר עד W‏ 50‏ (_DC‏V‏ 24‏, A‏ 2‏), ועם חיבור מקבילי, עד W‏ 100‏.

בקרת חוג-סגור אקטיבית מעניקה העברת כוח קבועה על פני כל אזור העבודה. העברת שני מתחים מבודדים חשמלית (W‏ 50‏ כל אחד) נתמכת גם היא. כמו חיבורי נתונים, העברת הספק משתמשת במצמד בסיס ובמצמד מרוחק.

מצמד הבסיס מקבל מתח _DC‏V‏ 24‏ מהמקור, כגון בקר. ממיר מתח הספקת-כוח/חיישן תקשורת משולב, המכונה גם ממיר US (כאשר "U" הוא הסימון עבור מתח בגרמנית), ממיר _DC‏V‏ 24‏ להספק בתדר גבוה עבור שידור אינדוקטיבי. המצמד המרוחק מקבל הספק אינדוקטיבי בתדר גבוה וממיר אותו בחזרה ל-_DC‏V‏ 24‏ בממיר UA‏ (Actuator Voltage‏, מתח מפעיל) לשימוש ב-I/O, מתגים, חיישנים, מפעילים ופונקציות אחרות (איור 3).

איור 3: הספקת-כוח מצומדת אינדוקטיבית בין מצמד הבסיס למצמד המרוחק. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

אתחול מהיר

פונקציית האתחול המהיר של NearFi מאפשרת יצירה-מחדש מהירה (< ms‏ 500‏) של קישורים זמן-אמת. זה אפשרי משום שהעברת הספקת-הכוח ותקשורת הנתונים מתחילות בזמן שמצמדי NearFi עדיין נמצאים בתהליך של התקרבות זה לזה.

אתחול מהיר יכול לקצר משמעותית את זמני המחזור ביישומים כמו החלפת כלי רובוטי (איור 4). יכולת העברת הנתונים הדו-כיוונית של NearFi מאפשרת גם לכלי החדש (או לאביזר אחר) לזהות את עצמו למערכת, ולאשר שמדובר בפריט הנכון.

איור 4: שימוש אפשרי ב-NearFi בתחנת החלפת כלי רובוט. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

רעיונות יישומים נוספים

ניתן לחבר מצמדי NearFi זה לזה כשהם פונים זה לזה, עם אופסט, או בזווית משיקית. ניתן להשתמש בהם גם ביישומים שבהם מצמד הבסיס נייח בעוד שהמצמד המרוחק מסתובב (איור 5). מצמדי NearFi מוכנים לשימוש ישר-מהקופסה, חוסכים את הצורך בתכנות ומזרזים פיתוח ופריסה של יישומים.

איור 5: ביישום זה, המצמד המרוחק משמאל מסתובב בעוד שמצמד הבסיס מימין נייח. (מקור התמונה: Phoenix Contact)

אותם מאפיינים ההופכים את NearFi למתאים לשימוש בהחלפת כלי רובוט יכולים גם לתמוך בצרכים של יישומים כגון רכבים מונחים אוטומטיים (AGV) ונשאי חומרים וחלקי עבודה.

אנטנות מסתובבות, כמו אלו שנמצאות בשדות תעופה, יכולות להפיק תועלת מהחלפת טבעות החלקה קונבנציונליות במצמדים NearFi. בדומה, שולחנות אינדקסציה מדויקת משמש ביישומים תעשייתיים, כמו גם במילוי בקבוקים בתעשיות המזון והמשקאות והתרופות.

סיכום

טכנולוגיית NearFi פותרת שורה של בעיות שנראות בלתי-פתירות. הוא מספק באופן אלחוטי רשת Ethernet‏ Mbit/s‏ 100‏ אגנוסטי-לפרוטוקול, ובנוסף W‏ 50‏ של הספק, והוא גמיש וקל לשימוש. מצמדי NearFi מתוכננים עבור שימוש בסביבות תעשייתיות קשות, וכוללים דירוגי IP65 ו-IK06, כמו גם חיבוריות M12. כיצד תשתמשו ב-NearFi כדי לבדל את התכן הבא שלכם?

קריאה מומלצת:

1. בקרי PLC‏ חדשים עוזרים להאיץ את פיתוח תהליכי אוטומציה מורכבים וקריטיים
2. פרישת תחזוקה חזויה עבור השגת התועלת המקסימלית במתקני Industry 4.0‏
3. שיקולי ביצועי תנועה בעת בחירת כבלי VFD עבור רובוטיקה
4. אופטימיזציה של ארכיטקטורות תקשורת Industry 4.0 באמצעות רכזות I/O‏ וממירים רבי-פרוטוקולים
5. כיצד להתגבר על האתגרים של פיתוח ממשקי משתמש מרתקים עבור המטא-וורס