Gagner du temps et réduire les coûts dans les installations IIoT grâce aux commutateurs à récupération d'énergie sans fil

Les progrès de l'Internet industriel des objets (IIoT) se sont traduits par une efficacité accrue des usines et de la fabrication grâce à une surveillance améliorée basée sur les capteurs. Des améliorations des dispositifs à interface humaine comme les écrans tactiles et les commutateurs à membrane ont également contribué à ce résultat. Pourtant, il existe des cas où il faut toujours utiliser des commutateurs mécaniques pour les systèmes de commande en raison de leur robustesse et de leur facilité d'utilisation. Des problèmes peuvent parfois survenir lorsqu'il est nécessaire d'actionner le commutateur en question à une certaine distance de l'équipement à contrôler.

Par exemple, un conducteur de chariot élévateur peut avoir à contrôler une entrée, ou le dispositif à contrôler peut être inaccessible ou se situer dans un endroit protégé. Dans de telles circonstances, lorsque le passage de fils peut s'avérer peu pratique et coûteux, un commutateur sans fil constitue une meilleure option. Même dans ce cas, le fonctionnement d'un commutateur sans fil dépend de la durée de vie de la batterie. Il est donc nécessaire d'effectuer des opérations de maintenance pour charger ou remplacer régulièrement la batterie.

Cet article explique comment les commutateurs à récupération d'énergie sans batterie de ZF Electronics (anciennement Cherry Industrial Solutions) peuvent résoudre ces problèmes.

IIoT et applications avec commutateur à récupération d'énergie

Il est souvent possible d'utiliser des équipements existants lors de la migration vers une infrastructure IIoT, en particulier lorsque des équipements muraux et des interrupteurs d'éclairage traditionnels sont utilisés, et que l'électricité est facilement disponible à ces emplacements. Cependant, de nombreuses installations de fabrication sont conçues pour être facilement configurables afin de pouvoir démonter et reconfigurer rapidement la ligne d'assemblage actuelle pour fabriquer un autre produit. La reconfiguration peut être coûteuse en termes de temps d'arrêt. Les concepteurs et les techniciens d'usine doivent donc s'intéresser de près aux technologies ou solutions permettant de réduire le temps de reconfiguration. Les commutateurs à récupération d'énergie constituent l'une de ces solutions qui permettent de gagner du temps.

La plupart des machines d'usine sont connectées en réseau au concentrateur de contrôle principal et peuvent être configurées à partir de cet emplacement central. Cependant, il existe des situations où les équipements doivent fonctionner dans des zones de l'usine où il est impossible ou peu pratique (ou les deux) de contrôler le système. C'est le cas par exemple de l'ouverture et de la fermeture de portes à distance, de la mise sous tension et hors tension d'équipements haute tension, de l'utilisation d'élévateurs d'équipement, de l'ouverture et de la fermeture de vannes, du contrôle d'équipements ou de dispositifs protégés ou sensibles, ou de la configuration de systèmes de ventilation. Parfois, il est impossible de monter le commutateur de commande à un emplacement précis, car il doit être mobile, ou la zone de montage disponible est en verre ou en béton et ne peut donc pas accueillir de support de montage.

Bien qu'il s'agisse d'applications très différentes, elles ont toutes un point commun : ce sont des applications de commutation non standard où les procédures normales de montage, de connectivité câblée et de maintenance ne s'appliquent pas. Pour ces applications inhabituelles, ZF Electronics a développé des commutateurs sans batterie et sans fil comme l'interrupteur à bascule à récupération d'énergie AFIS-5003 (Figure 1). Il s'agit d'un interrupteur autonome et sans entretien, ne nécessitant aucun composant supplémentaire pour fonctionner correctement.

Figure 1 : L'AFIS-5003 de ZF Electronics n'utilise ni alimentation ni batterie externe. Il génère la puissance utilisée pour transmettre un signal sans fil en récupérant l'énergie générée lors de l'appui sur l'interrupteur. (Source de l'image : ZF Electronics)

L'AFIS-5003 ressemble à un interrupteur à bascule standard et peut être monté dans un orifice de montage standard de 27 mm x 12 mm. Cependant, au lieu de deux languettes de montage à contact à l'arrière, il y a un seul fil de 70 mm s'étendant perpendiculairement à l'interrupteur. Ce fil est une antenne utilisée pour transmettre une action de commutation à un récepteur compatible. L'interrupteur tire sa puissance de la conversion de l'énergie générée lorsqu'on appuie dessus. Pour abaisser un côté de l'interrupteur, il faut exercer une force de 508 grammes (1,12 lb), qui est alors récupérée par un petit générateur interne.

Le générateur produit une tension suffisante pour transmettre momentanément une série de paquets de données 48 bits de 330 microwatts (µW), appelés télégrammes, qui envoient l'état de l'interrupteur à un récepteur compatible. L'AFIS-5003 transmet ces données sur la bande de 915 mégahertz (MHz) et le télégramme est transmis trois fois, bien que l'interrupteur puisse être configuré pour transmettre jusqu'à sept télégrammes pour une fiabilité accrue. Le délai entre chaque télégramme transmis est défini de manière pseudo-aléatoire, ce qui permet de surmonter toute interférence RF périodique, notamment celles provenant d'autres interrupteurs AFIS-5003 qui pourraient être activés en même temps. Chaque télégramme contient le numéro d'identification unique de l'interrupteur, l'état de commutation et le nombre total de télégrammes transmis pour l'actionnement de cet interrupteur.

L'interrupteur AFIS-5003 est conçu pour 100 000 actionnements, ce qui le rend suffisamment robuste pour une utilisation fréquente. Sa température de fonctionnement s'étend de -40°C à +85°C, ce qui le rend adapté à la plupart des environnements industriels. Avec son indice de protection IP40, cet interrupteur est protégé contre la poussière, mais n'est pas résistant à l'humidité. Pour un environnement industriel, il est recommandé de le monter dans un petit boîtier. Ce boîtier doit être en plastique, car le métal interférerait avec la transmission du signal sans fil.

Étant donné que l'interrupteur ne nécessite aucune alimentation, la charge ou le remplacement de la batterie n'est pas nécessaire, ce qui élimine une routine de maintenance coûteuse. Cela facilite également le dépannage en cas de problème de réception des télégrammes, car l'autonomie de la batterie n'est pas un problème de diagnostic. De plus, il n'est pas nécessaire d'acheminer une alimentation externe vers l'interrupteur, ce qui simplifie la configuration en usine. Au besoin, on peut facilement déplacer l'interrupteur à un autre emplacement en quelques secondes, sans avoir à demander au personnel de maintenance de déplacer à la fois l'interrupteur et l'alimentation.

Utilisation avec un élévateur

Le commutateur est muni de deux antennes : une antenne à circuit imprimé interne a une portée limitée qui dépend à la fois du boîtier et de l'environnement. Pour de plus grandes distances, une antenne filaire de 70 mm à l'arrière du commutateur peut transmettre un télégramme jusqu'à 30 mètres. Cependant, les propres tests de ZF Electronics ont montré qu'avec une visibilité directe dégagée et une interférence minimale, ces commutateurs à récupération d'énergie peuvent transmettre des données jusqu'à 300 mètres.

Comme tous les émetteurs radiofréquences (RF), le placement correct de l'antenne est essentiel pour optimiser l'efficacité du commutateur. L'antenne filaire ne doit pas être tordue et ne doit pas entrer en contact avec des surfaces métalliques, car ces deux phénomènes pourraient limiter sa portée.

Un chariot élévateur constitue une application pratique pour l'interrupteur AFIS-5003. L'opérateur s'installe aux commandes du chariot élévateur et doit ensuite se déplacer dans l'usine d'un étage à un autre. Au lieu de perdre du temps à descendre du chariot élévateur pour actionner un interrupteur mural, l'opérateur peut avoir avec lui un interrupteur AFIS-5003 de ZF Electronics pour activer l'élévateur. Cela est particulièrement utile pour les opérations où des chariots élévateurs d'autres sites peuvent être temporairement sur le site de l'usine ou dans le cas où d'autres chariots élévateurs sont réaffectés à d'autres sites. Un boîtier en plastique contenant l'interrupteur AFIS-5003 peut être temporairement fixé au chariot élévateur à portée de main de l'opérateur. Étant donné que l'interrupteur a seulement besoin de transmettre des données à l'intérieur de l'élévateur, cette application peut se contenter de l'antenne à circuit imprimé interne de l'interrupteur. La portée de transmission est ainsi réduite, ce qui limite les interférences avec d'autres commutateurs ou dispositifs à proximité.

Récepteur de commutateur à récupération d'énergie

Le commutateur transmet son signal à un récepteur ZF Electronics compatible, comme le module récepteur AFZE-5003 (Figure 2). Un émetteur de commutation est couplé à un récepteur en appuyant sur le bouton de couplage du récepteur, puis en activant le commutateur à récupération d'énergie. Un voyant clignote sur le récepteur pour indiquer qu'il a bien été couplé. Ce récepteur peut recevoir des signaux de jusqu'à 32 émetteurs à récupération d'énergie 915 MHz de ZF Electronics, bien que ce nombre puisse être porté à 256 émetteurs avec l'assistance du fabricant. Un commutateur à récupération d'énergie peut être couplé à un nombre illimité de récepteurs. Le couplage d'un commutateur avec deux récepteurs ou plus peut être utile dans les applications critiques où la redondance est requise, ou lorsque la portée du commutateur doit être étendue si le même système doit être contrôlé à partir de plusieurs emplacements à distance.

Figure 2 : Le module récepteur AFZE-5003 de 915 MHz de ZF Electronics (à droite) peut recevoir des signaux de jusqu'à 32 émetteurs à récupération d'énergie, avec possibilité d'étendre ce nombre jusqu'à 256 émetteurs. Il est également disponible sans logement, comme illustré sur la gauche. (Source de l'image : ZF Electronics)

L'AFZE-5003 peut se connecter à n'importe quel microcontrôleur, contrôleur logique programmable (PLC) ou ordinateur doté d'une interface UART prenant en charge les protocoles RS-232 ou RS-485 à l'aide de niveaux logiques TTL. Comme le montre la Figure 2, l'AFZE-5003 à droite est contenu dans un logement en plastique adapté à un environnement industriel. Il est également équipé d'une interface USB 2.0 pour se connecter à un PC hôte pour le développement d'applications. Le composant opérationnel de l'AFZE-5003 est une carte de la taille d'un timbre, comme illustré à gauche de la Figure 2. Cette carte est également disponible en tant qu'unité autonome pour une intégration dans un système plus grand.

Le récepteur peut être alimenté par l'interface USB ou par une alimentation externe de 5 V, et conserve les informations de couplage même lorsque l'alimentation est coupée. L'AFZE-5003 peut être situé à proximité du PLC central où il reçoit des télégrammes de la part de tous les commutateurs à récupération d'énergie dans l'usine. L'état du commutateur est ensuite envoyé via l'UART au PLC, qui configure ensuite les équipements appropriés via Ethernet ou Wi-Fi.

Développement de commutateurs à récupération d'énergie

Pour le développement, ZF Electronics fournit le kit d'évaluation de récupération d'énergie AFIK-5002 (Figure 3).

Figure 3 : Le kit d'évaluation AFIK-5002 de ZF Electronics contient tout ce dont un développeur a besoin pour évaluer un système de commutation à récupération d'énergie, notamment un interrupteur à bascule, un bouton-poussoir, un générateur autonome et un récepteur. (Source de l'image : ZF Electronics)

Le kit d'évaluation contient le même récepteur et le même interrupteur à bascule dont il a été question précédemment. Un câble USB est également inclus. Le logement d'antenne en plastique pour le récepteur est représenté au premier plan de la Figure 3, au milieu. Le kit d'évaluation contient également un bouton-poussoir à récupération d'énergie ainsi qu'un générateur autonome à récupération d'énergie similaire à l'AFIG-0007 de ZF Electronics, représenté avec une bobine jaune dans la Figure 3. Ce générateur est au cœur de chaque bouton-poussoir ou interrupteur à bascule à récupération d'énergie de ZF Electronics, et est chargé de traduire l'actionnement de l'interrupteur en télégramme à transmettre. Les développeurs peuvent utiliser le générateur à récupération d'énergie tel quel ou construire leur propre commutateur à récupération d'énergie à l'aide du générateur.

Le kit d'évaluation est facile à utiliser. Le récepteur se connecte par USB à un PC qui exécute le logiciel de démonstration du kit. Tous les commutateurs inclus peuvent être couplés au récepteur. Le logiciel de démonstration affiche le statut de l'opération de couplage ainsi que tous les télégrammes reçus, y compris les données brutes du télégramme 48 bits, un horodatage, le numéro d'identification unique du commutateur, l'état du commutateur, un décompte du nombre de télégrammes transmis pour l'actionnement de ce commutateur, et la force du signal. Les informations sur la force du signal sont particulièrement importantes, car elles contribuent grandement à garantir que la distance entre l'émetteur et le récepteur ainsi que leur placement offrent une force de signal fiable.

Conclusion

Les commutateurs à récupération d'énergie permettent de résoudre des problèmes uniques dans des situations IIoT complexes. Comme illustré ici, ils peuvent considérablement simplifier l'aménagement d'un site industriel en offrant une plus grande flexibilité de placement des commutateurs à des endroits où les solutions traditionnelles peuvent s'avérer peu pratiques.