Spara tid och pengar i IIoT-anläggningar med omkopplare för trådlös energiutvinning

Framsteg inom IIoT (det industriella sakernas internet) har lett till ökad effektivitet inom industri och tillverkning tack vare förbättrad sensorbaserad övervakning. Förbättringar av mänskliga gränssnitt, som pekskärmar och membranbrytare har också varit en bidragande orsak. Det finns emellertid fortfarande situationer där det i styrsystem behövs mekaniska omkopplare, på grund av dessas robusthet och användarvänlighet. Problem kan ibland uppkomma när omkopplaren måste vara placerad på ett visst avstånd från den utrustning som ska styras.

Exempel på sådana situationer är en gaffeltruckförare som måste manövrera en port, eller när enheten som ska manövreras normalt inte är tillgänglig eller är placerad på en miljöskyddad plats. I dessa fall kan det vara opraktiskt eller mycket dyrt att dra kablar, vilket betyder att en trådlös omkopplare är ett bättre alternativ. Trådlösa omkopplare är batteridrivna och behöver därför regelbundet underhåll i form av laddning eller batteribyte.

I denna artikel ska vi se hur batterilösa omkopplare med energiutvinning från ZF Electronics (tidigare Cherry Industrial Solutions) kan användas för att lösa dessa problem.

Omkopplartillämpningar med IIoT och energiutvinning

Det är vanligtvis möjligt att använda befintlig utrustning vid migrering till IIoT-ramverk, särskilt när traditionell, väggmonterad utrustning och belysningsströmbrytare används och det finns strömförsörjning på dessa platser. Många tillverkningsanläggningar är emellertid utformade att vara enkelt konfigurerbara så att den befintliga monteringslinjen snabbt kan demonteras och byggas om för tillverkning av en annan produkt. Omkonfiguration kan leda till dyra stillestånd, så teknik eller lösningar som kan minska denna tid bör verkligen övervägas av konstruktörer och anläggningstekniker. Omkopplare med energiutvinning är en sådan tidsbesparande lösning.

De flesta fabriksmaskiner är nätverksanslutna till kontrollhubben och konfigureras från denna centrala plats. Det finns emellertid situationer där utrustningen måste användas på fabriksgolvet där det är antingen opraktiskt eller obekvämt (eller både och) att kontrollera systemet från den plats där utrustningen är placerad. Exempel på sådana situationer är rutinmässig öppning och stängning av dörrar, till- och frånslag av högspänningsutrustning, manövrering av utrustningshissar, öppning och stängning av ventiler, reglering av utrustning eller anordningar som lyder under miljöskydd eller konfigurering av ventilationssystem. Ibland kan manöveromkopplaren inte monteras på en plats utan måste vara mobil. Det kan också vara så att den enda tillgängliga platsen för montering är av glas eller betong, så att det inte går att montera fästet där.

Alla dessa är mycket olika tillämpningar, men de har en sak gemensamt – de är icke-standardtillämpningar för omkopplare där normala förfaranden för installation, trådbunden anslutning och underhåll inte krävs. För dessa vanliga tillämpningar har ZF Electronics utvecklat trådlösa, batterilösa omkopplare som vippomkopplaren AFIS-5003 med energiutvinning (figur 1). Omkopplaren är fristående och underhållsfri, vilket betyder att den inte behöver några ytterligare komponenter för att fungera.

Figur 1: ZF Electronics AFIS-5003 behöver inte extern strömförsörjning eller batteri. Den genererar istället den energi som krävs för att sända den trådlösa signalen med den energi som utvinns när omkopplaren trycks in. (Bildkälla: ZF Electronics)

AFIS-5003 ser ut som en vippomkopplare av standardtyp och kan monteras i ett monteringshål av standardtyp (27 x 12 mm). Istället för två monteringsflikar på baksidan finns en tråd (70 mm) som sticker ut i rät vinkel från omkopplaren. Tråden är en antenn som används för att överföra omkopplarens signal till en kompatibel mottagare. Omkopplaren får sin strömförsörjning genom att utvinna energin som genereras när omkopplaren trycks in. Det krävs 5 N kraft att trycka in omkopplarens ena sida, och denna energi utvinns av en liten inbyggd generator.

Generatorn matar ut tillräckligt hög spänning för att momentant sända en serie paket med 48-bitarsdata (330 µW) kallade telegram, vilka överför omkopplarens status till en kompatibel mottagare. AFIS-5003 sänder telegrammet över 915 MHz-bandet (det sänds tre gånger, men omkopplaren kan konfigureras att sända upp till sju telegram för att öka tillförlitligheten). Fördröjningen mellan varje sänt telegram är pseudoslumpmässigt fördelad, vilket bidrar till att övervinna eventuell periodisk RF-interferens (inklusive övriga omkopplare av typen AFIS-5003 som kan ha aktiverats samtidigt). Varje telegram innehåller omkopplarens unika ID-nummer, omkopplingsstatus och totalt antal sända telegram för den omkopplaraktiveringen.

Omkopplaren AFIS-5003 är klassad för 100 000 aktiveringar, vilket gör den tillräckligt robust för frekvent användning. Drifttemperaturen är −40 till +85 °C, vilket gör att den är lämplig för de flesta industriella miljöer. Omkopplaren har kapslingsklass IP40, vilket betyder att den är skyddad mot vissa typer av damm (den är inte skyddad mot fukt). Vid användning i industrimiljö rekommenderar vi att omkopplaren monteras i ett litet skyddshölje. Skyddshöljet ska vara av plast (metall stör sändningen av den trådlösa signalen).

Eftersom omkopplaren inte kräver strömförsörjning behövs inte laddning eller byte av batteri, vilket annars är en dyr underhållsrutin. Detta underlättar också felsökning om det uppstår problem att ta emot telegram, eftersom batterilivslängden inte behöver diagnostiseras. Dessutom krävs ingen extern strömförsörjning, vilket i sin tur underlättar layouten på anläggningen. Vid behov kan omkopplaren enkelt flyttas till en annan plats på bara några sekunder. Detta underlättar mycket jämfört med om underhållspersonal ska anlitas för att flytta omkopplaren och dra om strömförsörjningen.

Drift av hissar

Omkopplaren har två antenner. En intern kretskortsantenn med begränsad räckvidd, vilken är beroende av både skyddskåpan och miljön. För längre avstånd finns det en 70 mm antenn på omkopplarens baksida, vilken har ett klassat sändningsavstånd på upp till 30 m. ZF Electronics egna tester har emellertid visat att dessa omkopplare med energiutvinning vid fri sikt och minimala störningar kan sända så långt som 300 m.

Precis som alla sändare som sänder på radiofrekvens (RF) är korrekt placering av antennen kritiskt för att maximera omkopplarens verkningsgrad. Trådantennen får inte vridas eller komma i kontakt med metallyta (antennens räckvidd kan begränsas).

En praktisk tillämpning för omkopplare AFIS-5003 skulle till exempel vara en hiss för gaffeltruckar. Gaffeltruckföraren kör in i hissen för att ta sig till en annan våning. Istället för att behöva spilla tid på att hoppa ur gaffeltrucken för att trycka på väggomkopplaren kan föraren ha ZF Electronics omkopplare AFIS-5003 med sig för att styra hissen. Detta är särskilt användbart för arbetsmoment där gaffeltruckar från någon annan anläggning tillfälligt används på fabriken eller om gaffeltruckar ska användas på andra anläggningar. En plastlåda som innehåller omkopplaren AFIS-5003 kan tillfälligt fästas på gaffeltrucken inom bekvämt räckhåll för föraren. Eftersom omkopplaren uteslutande sänder inuti hissen behövs vid denna tillämpning endast kretskortets interna antenn. Detta begränsar sändningens räckvidd, vilket också minimerar risken för störning av andra omkopplare eller närliggande anordningar.

Mottagare för omkopplare med energiutvinning

Omkopplaren sänder sin signal till en kompatibel mottagare från ZF Electronics som, exempelvis, mottagarmodulen AFZE-5003 (figur 2). En sändare på omkopplaren parkopplas (genom en knapptryckning) med en mottagare, vilken sedan aktiverar omkopplaren med energiutvinning. En lampa på mottagaren blinkar och indikerar slutförd parkoppling. Denna mottagare kan ta emot signaler från upp till 32 sändare (915 MHz) från ZF Electronics med energiutvinning, men detta kan utökas till 256 sändare med tillverkarens assistans. En omkopplare med energiutvinning kan parkopplas med ett obegränsat antal mottagare. Parkoppling av en omkopplare med två eller fler mottagare kan vara användbart i kritiska tillämpningar där det krävs redundans eller där omkopplarens räckvidd måste utökas när samma system behöver kontrolleras från flera avlägsna platser.

Figur 2: ZF Electronics mottagarmodul AFZE-5003 (915 MHz) (till höger) kan ta emot signaler från upp till 32 sändare med energiutvinning (kan utökas till upp till 256 sändare). Den finns även i version utan hölje (se vänster). (Bildkälla: ZF Electronics)

AFZE-5003 kan anslutas till alla microcontrollers, PLC:er (programmerbar logikstyrenhet) eller datorer med UART-gränssnitt som stödjer RS-232 eller RS-485 med TTL-logiknivå. I figur 2 har AFZE-5003-modulen till höger plasthölje som är lämpligt för industrimiljö. Den har även USB 2.0-gränssnitt för anslutning till värddator för applikationsutveckling. Hjärnan i AFZE-5003 är ett frimärksstort kort (se till vänster i figur 2). Detta kort finns även som fristående enhet för integrering i större system.

Mottagaren kan strömförsörjas med USB-gränssnitt eller extern strömförsörjning (5 V), och dess information om parkoppling sparas även när den kopplas bort från strömförsörjningen. AFZE-5003 kan placeras nära den centrala PLC:n och ta emot telegram från alla omkopplare på fabriksgolvet som har energiutvinning. Status för omkopplaren skickas därefter över UART till PLC:n, vilken konfigurerar lämplig utrustning via Ethernet eller Wi-Fi.

Utveckling av omkopplare med energiutvinning

För utveckling har ZF Electronics utvärderingssatsen AFIK-5002 för energiutvinning (figur 3).

Figur 3: ZF Electronics utvärderingssats AFIK-5002 har allt som utvecklare behöver för att utvärdera ett omkopplarsystem med energiutvinning inklusive vippomkopplare, tryckknapp, fristående generator och en mottagare. (Bildkälla: ZF Electronics)

Utvärderingssatsen innehåller samma mottagarenhet och vippomkopplare som vi tittade på tidigare. USB-kabel medföljer också. Mottagarens antennhus av plast ses i framkant i mitten på figur 3. Utvärderingssatsen innehåller också en tryckknappsomkopplare med energiutvinning samt en fristående generator med energiutvinning liknande ZF Electronics AFIG-0007 (se generator med gul spole i figur 3). Denna generator är hjärtat i alla tryckknappar eller vippomkopplare med energiutvinning från ZF Electronics och omvandlar omkopplaraktiveringen till det sända telegrammet. Utvecklare kan använda generatorn med energiutvinning som den är eller bygga en egen omkopplare med energiutvinning baserat på generatorn.

Utvärderingssatsen är enkel att använda. Mottagaren ansluts via USB till dator på vilken satsens demoprogramvara körs. Medföljande omkopplare kan parkopplas med mottagaren, en och en eller alla samtidigt. Demoprogramvaran visar status för parkoppling och alla mottagna telegram (inklusive 48-bitars rådata för telegram), en tidsstämpel, omkopplarens unika ID-nummer, omkopplarstatus, antal sända telegram för omkopplaraktiveringen samt signalstyrka. Information om signalstyrka är särskilt viktigt eftersom det i mycket stor utsträckning bidrar till att säkerställa avstånd och placering mellan sändare och mottagare som ger tillförlitlig signalstyrka.

Slutsats

Omkopplare med energiutvinning kan lösa unika problem i IIoT-tillämpningar som det inte verkar finnas någon enkel lösning för. Som vi har sett kan dessa underlätta layouten för industrianläggningar genom att bidra med extra flexibilitet när det gäller placering av omkopplare på platser där konventionella lösningar inte skulle vara praktiska.