Spar tid og kostnader på IIoT-anlegg med trådløse energihøstingsbrytere

Fremskritt innen IIoT (Industrial Internet of Things) har ført til økt produktivitet for fabrikker og produksjonslinjer takket være forbedret sensorbasert overvåking. Forbedringer innen menneskelige grensesnittenheter, for eksempel berøringsskjermer og membranbrytere, har også hjulpet. Det er likevel tilfeller hvor det fortsatt er nødvendig med en mekanisk bryter for styringssystemer på grunn av deres robusthet og brukervennlighet. Noen ganger kan det oppstå problemer når bryteren må betjenes et stykke unna utstyret som skal kontrolleres.

Disse situasjonene omfatter tilfeller hvor en gaffeltruckfører må kontrollere et inngangsparti, eller når enheten som skal kontrolleres vanligvis ikke er tilgjengelig eller plassert på et miljøbeskyttet sted. En trådløs bryter er et bedre alternativ i tilfeller hvor det er upraktisk og kostbart å legge ledninger. Funksjonaliteten til en trådløs bryter er likevel avhengig av batteri, så den krever vedlikehold i form av opplading eller bytting av batteriet med regelmessige mellomrom.

Denne artikkelen viser hvordan batterifrie energihøstingsbrytere fra ZF Electronics (tidligere Cherry Industrial Solutions) kan løse disse problemene.

Applikasjoner for IIoT og energihøstingsbrytere

Det er i mange tilfeller mulig å bruke eksisterende utstyr når du migrerer til et IIoT-rammeverk, spesielt når tradisjonelt veggmontert utstyr og lysbrytere brukes, og strømforsyning er lett tilgjengelig på disse stedene. Mange produksjonsanlegg er imidlertid konstruert på en slik måte at de er lett konfigurerbare, og den nåværende produksjonslinjen raskt kan demonteres og konfigureres på nytt slik at et annet produkt kan produseres. Rekonfigurasjon kan være kostbart med tanke på nedetid, så alle teknologier eller løsninger som kan redusere tiden det tar å rekonfigurere fortjener å bli sett nærmere på av utviklere og anleggsteknikere. Energihøstingsbrytere er en av disse tidsbesparende løsningene.

De fleste fabrikkmaskiner er tilkoblet hovedkontrollhubben, og kan konfigureres fra dette sentrale stedet. Det oppstår imidlertid situasjoner hvor utstyr må betjenes fra fabrikkgulvet, og dette kan være enten upraktisk eller besværlig, eller begge deler, for å kontrollere systemet på utstyrsstedet. Slike situasjoner omfatter å åpne og lukke dører eksternt, slå av og på høyspenningsutstyr, betjene utstyrsheiser, åpne og lukke ventiler, kontrollere miljøbeskyttet eller sensitivt utstyr eller enheter, eller konfigurere ventilasjonssystemer. Noen ganger kan ikke betjeningsbryteren monteres på et fast sted og er nødt til å være mobil, eller det tilgjengelige monteringsområdet er av glass eller betong, så er derfor ikke i stand til å holde på plass en monteringsbrakett.

Selv om disse er vidt forskjellige applikasjoner, har de alle en ting til felles – de er ikke-standard bryterapplikasjoner hvor normal montering, kablet tilkobling og vedlikeholdsprosedyrer ikke kan brukes. For disse uvanlige applikasjonene har ZF Electronics utviklet trådløse, batteriløse brytere, for eksempel vippebryteren AFIS-5003 med energihøsting (figur 1). Bryteren er frittstående og vedlikeholdsfri, og krever ingen ekstra komponenter for å fungere riktig.

Figur 1: ZF Electronics AFIS-5003 bruker ikke ekstern strømforsyning eller batteri. Den genererer i stedet kraften som brukes til å overføre et trådløst signal ved å høste inn energien som genereres når bryteren trykkes. (Bildekilde: ZF Electronics)

AFIS-5003 ser ut som en standard vippebryter, og kan monteres i et standard monteringshull på 27 x 12 millimeter (mm). I stedet for to kontaktmonteringsfester på baksiden, har den istedet en enkelt ledning på 70 mm som stikker loddrett ut av bryteren. Denne ledningen er en antenne som brukes til å overføre en bryterhandling til en kompatibel mottaker. Bryteren drar nytte av energien som genereres når bryteren trykkes. Kraften som kreves for å trykke den ene siden av bryteren er 0,5 kg (1,12 lb), og denne innhøstes av en liten intern generator.

Generatoren produserer en spenning som er tilstrekkelig til å umiddelbart overføre en serie med 48-biters datapakker på 330 mikrowatt (μW), referert til som telegram, som sender bryterenes tilstand til en kompatibel mottaker. AFIS-5003 overfører signaler over 915 megahertz (MHz)-båndet, og telegrammet sendes tre ganger. Bryteren kan imidlertid konfigureres til å overføre opptil syv telegram, for å oppnå bedre pålitelighet. Forsinkelsen mellom hvert overførte telegram er fordelt på en pseudo-tilfeldig måte, noe som bidrar til å omgå alle typer periodisk RF-interferens, deriblant andre AFIS-5003-brytere som kan aktiveres samtidig. Hvert telegram inneholder bryterenes unike ID-nummer, brytertilstanden og summen av alle telegram som er overført for denne bryteraktiveringen.

AFIS-5003-bryteren har en merkekapasitet på 100 000 aktiveringer, noe som gjør den robust nok for hyppig bruk. Driftstemperaturen er fra -40 °C til +85 °C, så den er godt egnet for de fleste industrielle miljøer. Bryteren er IP40-klassifisert, så den er beskyttet mot en viss mengde støv, men den ikke er fuktbestandig. Hvis bryteren er i et industrielt miljø, anbefales det at den monteres i et lite kabinett. Kabinettet må være laget av plast, fordi metall gir interferens på det trådløse signalet.

Siden bryteren ikke krever strøm, er det ikke nødvendig å lade eller skifte batteri, noe som eliminerer kostbare vedlikeholdsprosedyrer. Dette hjelper også med feilsøking hvis du har problemer med å motta telegrammene, siden batterilevetid ikke er et diagnostisk problem. Det er heller ikke behov for en ekstern strømkilde til bryteren, og dette forenkler den fabrikkmessige layouten. Bryteren kan enkelt flyttes til et annet sted i løpet av få sekunder, i stedet for å gjøre planer om flytting av bryteren og strømtilførselen.

Heisdrift

Bryteren har to antenner: En intern antenne på kretskortet har begrenset rekkevidde som er avhengig av både kabinettet og omgivelsene. For større avstander, er en 70 mm (2,756 tommer) trådantenne på baksiden av bryteren merket for overføring av et telegram opptil 30 m (100 fot). Testingen som ZF Electronics selv har utført viser at disse energihøstingsbryterne kan overføre signaler opptil 300 m (980 fot), hvis de har åpen siktlinje og minimal interferens.

I likhet med alle radiofrekvenssendere, er riktig plassering av antennen avgjørende for å maksimere effektiviteten til bryteren. Trådantennen må ikke vris eller komme i kontakt med metalloverflater, da dette kan begrense antennens rekkevidde.

En praktisk applikasjon for AFIS-5003-bryteren kan være i en heis for gaffeltrucker. En gaffeltruckoperatør kjører inn i heisen, og må deretter bevege heisen mellom etasjene. I stedet for å kaste bort tid på å tre ut av gaffeltrucken for å betjene en veggbryter, kan AFIS-5003-bryteren fra ZF Electronics være med gaffeltruckoperatøren slik at vedkommende kan aktivere heisen. Dette er spesielt nyttig i situasjoner hvor gaffeltrucker fra andre anlegg er midlertidig på fabrikkstedet eller når andre gaffeltrucker tilordnes andre anlegg. En plastboks med AFIS-5003-bryteren kan midlertidig festes til gaffeltrucken, slik at den er innen lett rekkevidde for operatøren. Siden bryteren kun trenger å sende signaler på innsiden av heisen, fungerer denne applikasjonen ved å kun bruke bryterens interne kretskortantenne. Dette vil begrense signalets overføringsområde, og derfor gjøre det mindre sannsynlig at det forstyrrer andre brytere eller enheter i nærheten.

Mottaker for energihøstingsbryter

Bryteren overfører signalet til en kompatibel ZF Electronics-mottaker, for eksempel AFZE-5003-mottakermodulen (figur 2). En brytersender pares med en mottaker ved å trykke på paringsknappen på mottakeren, og deretter aktivere energihøstingsbryteren. En lampe blinker på mottakeren for å indikere at den er paret. Denne mottakeren kan motta signaler fra opptil 32 energihøstingssendere på 915 MHz-båndet fra ZF Electronics, men dette kan økes til 256 sendere med litt hjelp fra produsenten. En energihøstingsbryter kan pares med et ubegrenset antall mottakere. Det kan være nyttig å pare en bryter med to eller flere mottakere i kritiske applikasjoner hvor det er behov for redundans, eller i situasjoner hvor bryterrekkevidden må utvides når det samme systemet må kontrolleres fra flere fjerntliggende steder.

Figur 2: Den 915 MHz mottakermodulen AFZE-5003 fra ZF Electronics (til høyre) kan motta signaler fra opptil 32 energihøstingssendere, noe som kan utvides til opptil 256 sendere. Den er også tilgjengelig uten huset, som vist på venstre side. (Bildekilde: ZF Electronics)

AFZE-5003 kan kobles til en hvilken som helst mikrokontroller, PLS eller datamaskin som har et UART-grensesnitt som støtter RS-232 eller RS-485 med TTL-logikknivå. Som vist i figur 2, er AFZE-5003, på høyre side, i et plasthus som er egnet for industrielle omgivelser. Den har også et USB 2.0-grensesnitt slik at den kan kobles til en vertsdatamaskin for applikasjonsutvikling. Den operative komponenten til AFZE-5003 er et kort på størrelse med et frimerke, som vist til venstre (figur 2, igjen). Dette kortet er også tilgjengelig som en frittstående enhet for integrering med et større system.

Mottakeren kan drives av USB-grensesnittet eller en ekstern strømforsyning på 5 V, og opprettholder paringsinformasjon selv når den ikke er strømsatt. AFZE-5003 kan være plassert i nærheten av den sentrale PLS-en, der den mottar telegrammer fra alle energihøstingsbryterne på fabrikkgulvet. Bryterstatusen blir deretter sendt over UART-en til PLS-en, som deretter konfigurerer det egnede utstyr via Ethernet eller Wi-Fi.

Energihøstingsbryter for utviklingsformål

ZF Electronics leverer AFIK-5002, et evalueringssett for energihøsting som brukes til utviklingsformål (figur 3).

Figur 3: Evalueringssettet AFIK-5002 fra ZF Electronics inneholder alt en utvikler trenger for å evaluere et system med energihøstingsbrytere, som omfatter en vippebryter, trykknapp, frittstående generator og en mottaker. (Bildekilde: ZF Electronics)

Evalueringssettet inneholder den samme mottakerenheten og vippebryteren som ble omtalt tidligere. En USB-kabel er også inkludert. Plastantennehuset for mottakeren vises nederst i midten på figur 3. Evalueringssettet inneholder også en energihøstende trykknappbryter og en frittstående energihøstingsgenerator som ligner på ZF Electronics AFIG-0007, som er vist med en gul spole i figur 3. Denne generatoren er grunnlaget i alle energihøstende trykknapper og vippebrytere fra ZF Electronics, og er ansvarlig for å oversette bryteraktiveringen til det sendte telegrammet. Utviklere kan bruke energihøstingsgeneratoren slik den er, eller de kan bygge sin egen energihøstingsbryter ved å bruke generatoren.

Evalueringssettet er enkelt å bruke. Mottakeren er koblet til via USB til en datamaskin som kjører demoprogramvaren til settet. Enhver eller alle medfølgende brytere kan pares med mottakeren. Demoprogramvaren viser status for paringsoperasjonen samt alle mottatte telegram, inkludert de rå 48-biters telegramdataene, et tidsstempel, bryterens unike ID-nummer, brytertilstand, totalt antall sendte telegrammer for denne bryteraktiveringen og signalstyrke. Informasjon om signalstyrken er spesielt viktig, ettersom den i stor grad bidrar til at avstanden og plasseringen mellom sender og mottaker gir pålitelig signalstyrke.

Konklusjon

Energihøstingsbrytere kan løse unike problemer i IIoT-situasjoner som ikke ser ut til å ha noen enkel løsning. Som vist, kan de kraftig forenkle layouten av et industrielt anlegg ved å tilby ekstra fleksibilitet under plassering av brytere på steder hvor konvensjonelle løsninger er upraktisk.