Berührungslose Energie- und Datenübertragung für verschleißfreie und wartungsarme Industrielösungen

Flexible und hochzuverlässige Verbindungen sind in industriellen Anwendungen unerlässlich, z. B. bei Roboterwerkzeugen und rotierenden Geräten wie Präzisionsschalttischen. Diese Systeme sind starken Bewegungen und Rotationen ausgesetzt und werden häufig durch Schmutz und Vibrationen belastet, die zum Ausfall herkömmlicher Steckverbinder oder Schleifringe führen können.

Entwickler brauchen neue Möglichkeiten, um die Grenzen herkömmlicher Lösungen bei diesen und anderen anspruchsvollen Anwendungen zu überwinden. Die neue Option muss sichere Duplex-Ethernet-Verbindungen mit bis zu 100 Mbit/s unterstützen und bis zu 50 W Leistung für Sensoren und andere Komponenten über einen Spalt von 12 mm (oder 40 mm für reine Daten) übertragen können.

Flexible Montageoptionen sind erforderlich, um eine breite Palette von Systemdesigns zu unterstützen, und eine einfache, sichtbare LED-Anzeige ist für eine schnelle Diagnose erforderlich.

Für den Betrieb in rauen Industrieumgebungen ist die Schutzart IP65 erforderlich, und die Lösung muss IK06 gemäß EN 62262 erfüllen, was bedeutet, dass sie externen mechanischen Stößen mit einer Energie von bis zu 1 Joule standhalten kann. Eine einfache Installation oder ein einfacher Austausch kann die Wartungskosten und Ausfallzeiten minimieren.

Dieser Artikel beginnt mit einem kurzen Überblick über die Herausforderungen, die mit der Verwendung konventioneller Steckverbinder und Schleifringe in verschiedenen industriellen Anwendungen verbunden sind. Anschließend wird auf die Fähigkeiten der NearFi-Koppler von Phoenix Contact eingegangen und detailliert beschrieben, wie sie die elektrischen, mechanischen und sicherheitstechnischen Anforderungen für die kontaktlose Energie- und Datenübertragung in anspruchsvollen industriellen Anwendungen erfüllen.

Herausforderungen bei der Zuverlässigkeit von Robotern

Häufige Werkzeugwechsel bei Robotern, die in automatisierten Montageprozessen eingesetzt werden, können für Steckverbinder eine große Herausforderung darstellen. Diese Werkzeugwechsel können täglich Hunderte von Steckzyklen (Stecken/Trennen) erfordern.

Bei jedem Zyklus sind die Kontakte Verunreinigungen ausgesetzt und verschleißen durch die Kontaktreibung. Wenn die Stecker nicht genau ausgerichtet sind, können die Kontakte verbogen werden.

Das Ergebnis ist eine geringere Zuverlässigkeit der Steckverbinder und unvorhersehbare Ausfallzeiten für die Wartung. Zusätzlich zu den Steckverbindern für die Werkzeugbefestigung verwenden einige Roboter Schleifringe für die Übertragung von Daten und Energie in rotierenden Armen und Gelenken.

Einschränkungen von Schleifringen

Schleifringe finden sich auch in Windkraftanlagen sowie in Verarbeitungs- und Verpackungsanlagen für Lebensmittel und Arzneimittel und in anderen industriellen Prozessen. Wie herkömmliche Steckverbinder können auch Schleifringe durch den Kontakt mit Verunreinigungen beschädigt werden und einem übermäßigen mechanischen Verschleiß unterliegen.

Schleifringe können aufgrund von Reibung heiß werden und erfordern unter Umständen ein entsprechendes Wärmemanagement. Bei einigen Anwendungen können Schleifringe starken Vibrationen oder plötzlichen Stößen ausgesetzt sein, die zu Schäden, instabilem Anpressdruck oder sogar zu mechanischem Versagen führen können.

Sowohl herkömmliche Steckverbinder als auch Schleifringe können die Maschinenkonstruktion vor Herausforderungen stellen, die mit der Größe und den Bewegungseinschränkungen sowie den Zugangsanforderungen für die Wartung zusammenhängen. Hinzu kommen die zahlreichen Herausforderungen bei der Anwendung, wie z. B. unterbrochene Verbindungen aufgrund von Vibrationen, Staub, Schmutz und Kontaktverschleiß, um nur einige zu nennen.

NearFi-Lösung

Die Verwendung „besserer“ Steckverbinder kann eine Möglichkeit zur schrittweisen Verbesserung der Performance oder Zuverlässigkeit bieten. Was jedoch wirklich benötigt wird, ist ein Ansatz, der die lästigsten Verbindungsprobleme beseitigt. Das ist NearFi.

NearFi ist eine berührungslose Technologie, die eine verschleißfreie und zuverlässige Kommunikation und Energieübertragung über einen Luftspalt von wenigen Zentimetern oder durch nichtmetallische Materialien wie Kunststoff, Glas und Holz ermöglicht. Wenn nur Daten übertragen werden, kann NearFi eine Verbindung über einen Luftspalt von 40 mm herstellen. Energie- oder kombinierte Energie- und Datenübertragungen können über einen Luftspalt von 12 mm erfolgen.

NearFi nutzt die 60GHz-Funktechnologie zur Datenübertragung und die induktive Kopplung zur Energieübertragung von einem Basiskoppler zu einem entfernten Koppler. Die Koppler verfügen über ein Gehäuse der Schutzart IP65 und IK06 sowie über M12-Anschlusstechnik, die einen verschleiß- und wartungsfreien Betrieb in anspruchsvollen industriellen Umgebungen gewährleistet.

Mit dem NearFi-System haben Entwickler die Wahl zwischen drei Lösungen:

• Mit dem Basiskoppler 1234224 und dem Remote-Koppler 1234225 können Daten und Energie gleichzeitig übertragen werden.
• Die Stromversorgung kann ohne Datenunterstützung gekoppelt werden, indem der Basiskoppler 1234226 mit der Remote-Koppler 1234229 verwendet wird.
• Mit dem Basiskoppler 1234232 und dem Remote-Koppler 1234234 kann die Datenübertragung ohne Energieübertragung erfolgen.

Vollduplex-Ethernet

Mit NearFi werden Daten gleichzeitig in beide Richtungen ohne Latenzzeit ausgetauscht. Die Verwendung von zwei parallelen 60GHz-Verbindungen auf getrennten Frequenzbändern, eine für den Uplink und eine für den Downlink, ermöglicht Vollduplex-Echtzeit-Datenübertragungen. Damit ist er für zeitkritische Industrieprotokolle wie PROFINET und EtherCAT geeignet. Da die Übertragungstechnik protokollunabhängig ist, kann sie mit jedem Standard-Ethernet-Protokoll verwendet werden (Abbildung 1).

Abbildung 1: NearFi unterstützt protokollunabhängiges Vollduplex-Ethernet mit 100 Mbit/s. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Die Nutzung der Nahfeldkommunikation (NFC) ist ein Schlüsselfaktor für die Leistung von NearFi. Im Gegensatz zur konventionellen Fernfeldkommunikation, die auf der Ausbreitung elektromagnetischer Wellen beruht, die sich unbegrenzt durch den Raum bewegen, strahlt die Energie bei NFC nicht unbegrenzt aus. Sie nimmt mit der Entfernung schnell ab. NFC ist eine Technologie mit geringem Stromverbrauch, die die Möglichkeit elektromagnetischer Störungen (EMI) weiter verringert.

Die Verwendung von NFC gewährleistet auch eine zuverlässige Koexistenz mit bestehenden Funktechnologien wie WLAN oder Bluetooth. Darüber hinaus haben die Standard-Industriestörspektren keine Auswirkungen auf die NearFi-Übertragungen, so dass bei der Bereitstellung von NearFi keine Frequenzplanung erforderlich ist.

Die begrenzte Reichweite bedeutet, dass mehrere NearFi-Links in unmittelbarer Nähe betrieben werden können, ohne dass es zu Störungen kommt. Unterm Strich ermöglicht NFC zuverlässige, wartungsfreie Highspeed-Datenübertragungen mit weitgehender Immunität gegen elektromagnetische Störungen. Schließlich zeigt ein LED-Ring an den Kupplungsgehäusen den Verbindungsstatus an und erleichtert die Fehlersuche, wodurch die Einrichtung und Diagnose beschleunigt werden.

Bitorientierte Übertragungen

Die Verwendung einer synchronen, bit-orientierten Übertragungstechnologie ist ein weiterer Schlüssel zur Leistung von NearFi. Die bitorientierte Technologie steht im Gegensatz zur paketorientierten Übertragung anderer drahtloser Kommunikationsmittel.

Bei paketorientierten Implementierungen kommt es im Allgemeinen zu erheblichen Latenzzeiten. Die Daten kommen beim Sender an und müssen vor der Übertragung in Paketen angeordnet werden. Auf der Empfängerseite werden die Pakete entpackt, bevor die Daten an das System ausgegeben werden.

Bei der synchronen NearFi-Übertragung werden die Daten direkt, Bit für Bit, gesendet, sobald sie ankommen, ohne dass sie gepackt oder entpackt werden. Dadurch wird ein kontinuierlicher Datenstrom erzeugt und die Latenzzeit praktisch eliminiert. Deshalb eignet sich NearFi gut für zeitkritische industrielle Ethernet-Protokolle wie Time-Sensitive-Networking (TSN), PROFINET und EtherCAT (Abbildung 2).

Abbildung 2: NearFi nutzt bit-orientierte Übertragungen, um Latenzprobleme zu verringern, die üblicherweise mit der traditionellen paketbasierten Kommunikation verbunden sind. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Da die Daten ohne Pufferung oder Paketierung übertragen werden, ist NearFi zudem protokolltransparent und kann jedes Ethernet-Protokoll verarbeiten, ohne dass eine Konfiguration erforderlich ist.

NearFi begegnet Sicherheitsbedenken, indem es die Kommunikation auf eine kurze Distanz beschränkt. Es kann auch hochgradige Sicherheitsmaßnahmen unterstützen, wie Verschlüsselung, Authentifizierung und Tokenisierung.

Energieübertragung

Das NearFi-System nutzt eine induktive Energieübertragung mit einem Frequenzbereich von 100 bis 148,5 kHz, ähnlich wie bei einigen drahtlosen Ladegeräten für Smartphones. Es können bis zu 50 W (24 V_DC, 2 A) übertragen werden, bei Parallelschaltung bis zu 100 W.

Die aktive Regelung sorgt für eine konstante Energieübertragung über den gesamten Arbeitsbereich. Die Übertragung von zwei galvanisch getrennten Spannungen (je 50 W) wird ebenfalls unterstützt. Wie bei den Datenverbindungen werden auch bei der Energieübertragung ein Basiskoppler und ein Remote-Koppler verwendet.

Der Basiskoppler wird von einer Quelle, z. B. einem Steuergerät, mit 24 V_DC versorgt. Der integrierte Kommunikations-Power/Sensor-Spannungswandler, auch bekannt als US-Wandler (wobei „U“ die deutsche Bezeichnung für Spannung ist), wandelt die 24V_DC-Leistung in Hochfrequenzleistung für die induktive Übertragung um. Der Remote-Koppler empfängt hochfrequente induktive Energie und wandelt sie im UA-Wandler (Aktorspannung) in 24 V_DC zur Verwendung in I/Os, Schaltern, Sensoren, Aktoren und anderen Funktionen zurück (Abbildung 3).

Abbildung 3: Energie wird induktiv zwischen dem Basiskoppler und dem Remote-Koppler gekoppelt. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Schnelle Inbetriebnahme

Die Funktion „NearFi Fast Startup“ ermöglicht den schnellen (<500 ms) Wiederaufbau von Echtzeitverbindungen. Das ist möglich, weil die Energieübertragung und die Datenkommunikation bereits beginnen, während sich die NearFi-Koppler noch annähern.

Durch schnelles Anfahren können die Zykluszeiten bei Anwendungen wie dem Wechsel von Roboterwerkzeugen erheblich reduziert werden (Abbildung 4). Dank der bidirektionalen Datenübertragung von NearFi kann sich das neue Werkzeug (oder ein anderes Anbaugerät) im System identifizieren und so bestätigen, dass es sich um das richtige Objekt handelt.

Abbildung 4: Möglicher Einsatz von NearFi in einer Roboter-Werkzeugwechselstation. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Weitere Anwendungsideen

NearFi-Koppler können gegenüberliegend, versetzt oder in einem tangentialen Winkel zusammengeführt werden. Sie können auch in Anwendungen eingesetzt werden, bei denen der Basiskoppler feststeht, während der Remote-Koppler rotiert (Abbildung 5). NearFi-Koppler sind sofort einsatzbereit, so dass keine Programmierung erforderlich ist und die Entwicklung und Bereitstellung von Anwendungen beschleunigt wird.

Abbildung 5: In dieser Anwendung dreht sich der Remote-Koppler auf der linken Seite, während der Basiskoppler auf der rechten Seite stationär ist. (Bildquelle: Phoenix Contact)

Die gleichen Merkmale, die NearFi für den Einsatz beim Werkzeugwechsel von Robotern geeignet machen, können auch die Anforderungen von Anwendungen wie fahrerlosen Transportsystemen (FTS) und Material- und Werkstückträgern unterstützen.

Rotierende Antennen, wie sie z. B. auf Flughäfen zu finden sind, können davon profitieren, wenn herkömmliche Schleifringe durch NearFi-Koppler ersetzt werden. In ähnlicher Weise werden Präzisionsschalttische in industriellen Anwendungen sowie in Flaschenfüllern in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie und in der pharmazeutischen Industrie eingesetzt.

Fazit

Die NearFi-Technologie löst eine Vielzahl von scheinbar unlösbaren Problemen. Er liefert drahtlos protokollagnostisches 100-Mbit/s-Ethernet sowie 50 W Leistung und ist flexibel und einfach zu bedienen. NearFi-Koppler sind für den Einsatz in rauen Industrieumgebungen konzipiert und verfügen über die Schutzklassen IP65 und IK06 sowie über M12-Anschlüsse. Wie werden Sie NearFi nutzen, um Ihr nächstes Design zu differenzieren?

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