Utilizzo della trasmissione di energia e dati senza contatto per soluzioni industriali senza usura e a bassa manutenzione

Nelle applicazioni industriali, ad esempio negli utensili dei bracci robotici e nei dispositivi rotanti come i tavoli di indicizzazione di precisione, sono fondamentali collegamenti flessibili e altamente affidabili. Questi sistemi sono infatti soggetti a movimenti e rotazioni elevati e sono spesso esposti a sporcizia e vibrazioni che possono causare il malfunzionamento dei connettori o degli anelli collettori convenzionali.

I progettisti hanno bisogno di nuove opzioni per superare i limiti delle soluzioni convenzionali in queste e altre applicazioni difficili. La nuova opzione deve essere in grado di supportare connessioni Ethernet duplex sicure fino a 100 Mbps e di trasferire fino a 50 W di potenza per sensori e altri componenti attraverso un traferro di 12 mm (o 40 mm per i soli dati).

Sono necessarie opzioni di montaggio flessibili per supportare un'ampia gamma di progetti di sistemi e un indicatore LED semplice e visibile per la diagnostica rapida.

Il funzionamento in ambienti industriali difficili richiede un grado di protezione ambientale IP65 e la soluzione deve essere conforme a IK06 secondo EN 62262, a indicarne la resistenza a impatti meccanici esterni con un'energia fino a 1 Joule. La semplicità di installazione e sostituzione consente di ridurre al minimo i costi di manutenzione e i tempi di inattività.

Questo articolo inizia con una breve rassegna delle sfide associate all'uso di connettori e anelli collettori convenzionali in varie applicazioni industriali. Passa poi ad approfondire le funzionalità degli accoppiatori NearFi di Phoenix Contact, spiegando come questi soddisfano i requisiti elettrici, meccanici e di sicurezza per la trasmissione di energia e dati senza contatto in applicazioni industriali complesse.

Le sfide dell'affidabilità dei robot

Il frequente cambio di utensili dei bracci robotici utilizzati nei processi di assemblaggio automatizzato può rappresentare una sfida significativa per i connettori. Questi cambi di utensili possono richiedere centinaia di cicli di accoppiamento/disaccoppiamento ogni giorno.

Ogni ciclo espone i contatti ai contaminanti e provoca usura dovuta all'attrito dei contatti. Se i connettori non sono allineati con precisione, i contatti possono piegarsi.

Il risultato è una minore affidabilità dei connettori e tempi di fermo imprevedibili per la manutenzione. Oltre ai connettori per il fissaggio degli utensili, alcuni robot utilizzano anelli collettori per la trasmissione di dati ed energia nei bracci rotanti e nelle articolazioni.

Le limitazioni degli anelli collettori

Gli anelli collettori si trovano anche nelle turbine eoliche, nelle linee di lavorazione e confezionamento dei prodotti alimentari e farmaceutici e in altri processi industriali. Come i connettori convenzionali, gli anelli collettori possono essere danneggiati dall'esposizione ai contaminanti e possono subire un'usura meccanica eccessiva.

Gli anelli collettori possono inoltre surriscaldarsi a causa dell'attrito, richiedendo pertanto un'attenta gestione termica. In alcune applicazioni, gli anelli collettori possono essere soggetti a forti vibrazioni o a urti improvvisi che possono causare danni, pressione di contatto instabile o addirittura guasti meccanici.

Sia i connettori che gli anelli collettori convenzionali possono presentare delle sfide nella progettazione delle macchine, in termini di vincoli di dimensioni e movimento, nonché di requisiti di accesso per la manutenzione. Questo in aggiunta alle numerose sfide applicative, come i collegamenti intermittenti causati da vibrazioni, polvere, sporcizia e usura dei contatti.

La soluzione NearFi

L'uso di connettori "migliori" può offrire l'opportunità di un miglioramento incrementale delle prestazioni o dell'affidabilità. Ma ciò che serve davvero è un approccio pronto all'uso in grado di eliminare le sfide più spinose per i connettori. È qui che entra in gioco NearFi.

NearFi è una tecnologia senza contatto che supporta la comunicazione e la distribuzione di energia affidabili e senza usura attraverso un traferro di pochi centimetri o attraverso materiali non metallici, come plastica, vetro e legno. Per la trasmissione di soli dati, NearFi è in grado di stabilire una connessione attraverso un traferro di 40 mm. Per la trasmissione di energia o di energia e dati combinati, è in grado di stabilire una connessione attraverso un traferro di 12 mm.

NearFi utilizza la tecnologia wireless a 60 GHz per la trasmissione di dati e l'accoppiamento induttivo per la trasmissione di energia da un accoppiatore base a un accoppiatore remoto. Gli accoppiatori sono dotati di un alloggiamento con grado di protezione IP65 e IK06 e di una tecnologia di connessione M12 che garantisce un funzionamento esente da usura e senza manutenzione in ambienti industriali difficili.

Il sistema NearFi offre ai progettisti tre soluzioni da cui scegliere:

• L'accoppiatore base 1234224 con l'accoppiatore remoto 1234225 per il trasferimento simultaneo di dati ed energia.
• L'accoppiatore base 1234226 con l'accoppiatore remoto 1234229 per l'accoppiamento dell'energia senza il supporto per i dati.
• L'accoppiatore base 1234232 con l'accoppiatore remoto 1234234 per la trasmissione di dati senza l'energia.

Ethernet full-duplex

Con NearFi, i dati vengono scambiati simultaneamente in entrambe le direzioni senza latenza. L'uso di due connessioni parallele a 60 GHz su bande di frequenza separate, una per l'uplink e l'altra per il downlink, consente trasmissioni di dati full-duplex in tempo reale. Questo rende NearFi adatto per i protocolli industriali time-critical, come PROFINET ed EtherCAT. Poiché la tecnologia di trasmissione è indipendente dal protocollo, può essere utilizzata con qualsiasi protocollo Ethernet standard (Figura 1).

Figura 1: NearFi supporta Ethernet a 100 Mbit/s full-duplex indipendente dal protocollo. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

L'uso della comunicazione near-field (NFC) è un fattore chiave per le prestazioni di NearFi. A differenza della comunicazione far-field convenzionale, che si basa sulla propagazione delle onde elettromagnetiche che viaggiano indefinitamente attraverso lo spazio, l'energia nella comunicazione near-field non si irradia all'infinito, ma decade rapidamente con la distanza. L'NFC è una tecnologia a bassa potenza che riduce ulteriormente il rischio di interferenze elettromagnetiche (EMI).

L'uso dell'NFC garantisce inoltre la coesistenza affidabile con le tecnologie wireless esistenti, come WLAN o Bluetooth. Inoltre, gli spettri di interferenza industriali standard non hanno alcun impatto sulle trasmissioni NearFi, eliminando la necessità di pianificare le frequenze al momento dell'implementazione di NearFi.

Grazie alla portata limitata, è possibile utilizzare più collegamenti NearFi in prossimità senza il rischio di interferenze. In definitiva, l'NFC consente trasmissioni di dati ad alta velocità affidabili senza manutenzione, con una sostanziale immunità alle EMI. Infine, un anello LED sugli alloggiamenti degli accoppiatori permette di visualizzare lo stato della connessione e facilita la risoluzione dei problemi, velocizzando così la configurazione e la diagnostica.

Trasmissioni orientate al bit

L'uso di una tecnologia di trasmissione sincrona orientata al bit è un altro aspetto chiave delle prestazioni di NearFi. La tecnologia orientata al bit si contrappone alla trasmissione orientata al pacchetto che caratterizza altre tecnologie di comunicazione wireless.

Le implementazioni orientate al pacchetto soffrono generalmente di una significativa latenza. I dati arrivano al trasmettitore e devono essere inseriti in pacchetti prima della trasmissione; giunti all'estremità ricevitore, i dati devono essere estratti dai pacchetti prima di poter essere inviati al sistema.

Nelle trasmissioni sincrone NearFi, i dati vengono invece inviati al sistema direttamente, bit per bit, nel momento stesso in cui arrivano, senza dover essere inseriti in pacchetti o estratti dai pacchetti. In questo modo si ottiene un flusso di dati continuo che in pratica elimina del tutto la latenza. Ecco perché NearFi è adatto ai protocolli Industrial Ethernet time-critical, come Time-Sensitive Networking (TSN), PROFINET ed EtherCAT (Figura 2).

Figura 2: NearFi utilizza trasmissioni orientate al bit per attenuare i problemi di latenza comunemente associati alla comunicazione tradizionale basata sui pacchetti. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Inoltre, poiché i dati vengono trasmessi senza buffering o creazione di pacchetti, NearFi è trasparente ai protocolli e può gestire qualsiasi protocollo Ethernet senza richiedere alcuna configurazione.

NearFi risolve i problemi di sicurezza limitando la comunicazione a una piccola distanza. Può anche supportare misure di sicurezza di alto livello, come la crittografia, l'autenticazione e la tokenizzazione.

Trasmissione di energia

Il sistema NearFi utilizza la trasmissione induttiva di energia con un campo di frequenza compreso tra 100 e 148,5 kHz, simile a quello utilizzato in alcuni caricatori wireless per smartphone. È possibile trasmettere fino a 50 W (24 V_c.c., 2 A) e, con il collegamento in parallelo, fino a 100 W.

Il controllo attivo a circuito chiuso assicura una trasmissione di energia costante sull'intera area di lavoro. È supportata anche la trasmissione di due tensioni elettricamente isolate (ciascuna da 50 W). Come per le connessioni dati, la trasmissione di energia utilizza un accoppiatore base e un accoppiatore remoto.

L'accoppiatore base riceve l'energia a 24 V_c.c. da una fonte, ad esempio un controller. Il convertitore di alimentazione/tensione di comunicazione integrato, noto anche come convertitore US (dove "U" è la notazione per la tensione in tedesco), converte l'energia a 24 V_c.c. in potenza ad alta frequenza per la trasmissione induttiva. L'accoppiatore remoto riceve l'energia induttiva ad alta frequenza e la riconverte a 24 V_c.c. nel convertitore UA (tensione dell'attuatore) per l'utilizzo in I/O, interruttori, sensori, attuatori e altre funzioni (Figura 3).

Figura 3: Accoppiamento induttivo dell'energia tra l'accoppiatore base e l'accoppiatore remoto. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Funzione Fast Startup

La funzione Fast Startup di NearFi consente di ristabilire rapidamente (<500 ms) i collegamenti in tempo reale. Questo è possibile perché la trasmissione di energia e la comunicazione di dati iniziano quando gli accoppiatori NearFi sono ancora in fase di avvicinamento.

La funzione Fast Startup consente di ridurre significativamente i tempi di ciclo in applicazioni quali i cambi di utensili dei bracci robotici (Figura 4). La capacità di trasferimento dati bidirezionale di NearFi consente inoltre al nuovo utensile (o altro accessorio) di identificarsi all'interno del sistema, confermando che si tratta dell'elemento corretto.

Figura 4: Possibile utilizzo di NearFi in una stazione di cambio utensili di bracci robotici. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Altre idee per applicazioni

Gli accoppiatori NearFi possono essere accostati uno di fronte all'altro, ad un determinato offset o ad un angolo tangenziale. Possono essere utilizzati anche in applicazioni in cui l'accoppiatore base è stazionario mentre quello remoto ruota (Figura 5). Gli accoppiatori NearFi sono pronti all'uso, eliminando la necessità di programmazione e accelerando lo sviluppo e l'implementazione delle applicazioni.

Figura 5: In questa applicazione, l'accoppiatore remoto a sinistra ruota mentre l'accoppiatore base a destra è stazionario. (Immagine per gentile concessione di Phoenix Contact)

Le stesse caratteristiche che rendono NearFi adatto all'uso nel cambio di utensili dei bracci robotici possono supportare anche le esigenze di applicazioni quali i veicoli a guida automatica (AGV) e i trasportatori di materiali e pezzi.

Le antenne rotanti, come quelle presenti negli aeroporti, possono trarre vantaggio dalla sostituzione degli anelli collettori convenzionali con accoppiatori NearFi. Allo stesso modo, i tavoli di indicizzazione di precisione vengono utilizzati in applicazioni industriali, nonché in riempitrici per bottiglie nell'industria alimentare e farmaceutica.

Conclusione

La tecnologia NearFi risolve una serie di problemi apparentemente irrisolvibili. Fornisce in modalità wireless 100 Mbit/s di comunicazione Ethernet indipendente dal protocollo, nonché 50 W di potenza, ed è flessibile e facile da usare. Gli accoppiatori NearFi sono progettati per l'uso in ambienti industriali difficili, offrendo gradi di protezione IP65 e IK06 e connettività M12. Come utilizzerai NearFi per distinguere il tuo prossimo progetto?

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