Oszczędzaj czas i pieniądze w obiektach IIoT dzięki bezprzewodowym przełącznikom pozyskującym energię z otoczenia

Postęp w dziedzinie przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) przełożył się na wzrost wydajności fabryk i producentów dzięki usprawnieniu monitorowania opartego na czujnikach. Pomocne okazały się również ulepszenia w urządzeniach do wprowadzania danych przez człowieka, takie jak ekrany dotykowe czy przełączniki membranowe. Nadal zdarzają się przypadki, w których ze względu na prostotę obsługi i wytrzymałość, w układach sterowania potrzebny jest przełącznik mechaniczny. Czasami mogą pojawić się problemy, gdy trzeba skorzystać z przełącznika w pewnej odległości od urządzenia.

Dotyczy to na przykład sytuacji, gdy kierowca wózka widłowego musi kontrolować wjazd, lub gdy urządzenie, którym steruje użytkownik, jest niedostępne lub znajduje się w chronionym środowisku. W takich przypadkach prowadzenie przewodów może być niepraktyczne i kosztowne - lepszym rozwiązaniem będzie przełącznik bezprzewodowy. Działanie przełącznika bezprzewodowego jest uzależnione od czasu pracy baterii, dlatego też konieczne są regularne prace konserwacyjne takie jak ładowanie lub wymiana baterii.

W niniejszym artykule pokazano jak problem ten mogą rozwiązać bezbateryjne przełączniki pozyskujące energię z otoczenia firmy ZF Electronics (wcześniej Cherry Industrial Solutions).

IIoT a zastosowania przełączników pozyskujących energię z otoczenia

Przy przejściu na strukturę IIoT często można wykorzystać istniejący sprzęt, zwłaszcza gdy stosuje się tradycyjne urządzenia naścienne i włączniki światła, a energia elektryczna jest łatwo dostępna. Wiele zakładów produkcyjnych jest jednak budowanych w sposób umożliwiający łatwą zmianę konfiguracji - można szybko rozebrać obecną linię produkcyjną i skonfigurować ją do produkcji czegoś innego. Zmiana konfiguracji może być kosztowna ze względu na czas przestoju, więc projektanci i technicy instalacji powinni zwrócić uwagę na każdą technologię lub rozwiązanie, które mogą skrócić czas ponownej konfiguracji. Jednym z rozwiązań oszczędzających czas są przełączniki pozyskujące energię z otoczenia.

Większość maszyn fabrycznych jest podłączona do głównej centrali sterującej i z tego miejsca można je konfigurować. Jednakże istnieją sytuacje, w których urządzenia trzeba obsługiwać w hali fabrycznej, gdzie sterowanie systemem w miejscu ich zainstalowania jest niepraktyczne lub niewygodne. Może to być zdalne otwieranie i zamykanie drzwi, włączanie i wyłączanie urządzeń wysokiego napięcia, obsługa podnośników, otwieranie i zamykanie zaworów, sterowanie urządzeniami i sprzętami wrażliwymi lub chronionymi pod względem ekologicznym, a także konfiguracja systemów wentylacyjnych. Czasami przełącznik nie może być zamontowany w jednym miejscu i musi być ruchomy, a czasem obszar, w którym można by go zamontować jest wykonany ze szkła lub z betonu, wskutek czego nie można zainstalować uchwytu mocującego.

Chociaż są to bardzo różne zastosowania, wszystkie one mają jedną wspólną cechę - są to niestandardowe zastosowania przełączników, w których nie można przeprowadzić zwykłego montażu i konserwacji oraz nie da się poprowadzić przewodów. W odpowiedzi na takie nietypowe zastosowania firma ZF Electronics opracowała bezprzewodowe, bezbateryjne przełączniki, takie jak np. przełącznik kołyskowy pozyskujący energię z otoczenia AFIS-5003 (ilustracja 1). Przełącznik ten jest niezależny i bezobsługowy, a do prawidłowej pracy nie wymaga żadnych dodatkowych elementów.

Ilustracja 1: przełącznik AFIS-5003 firmy ZF Electronics nie korzysta ani z zewnętrznego zasilania, ani z baterii. Generuje on moc wykorzystywaną do transmisji sygnału bezprzewodowego, zbierając energię wytwarzaną podczas naciskania przełącznika. (Źródło ilustracji: ZF Electronics)

AFIS-5003 wygląda jak standardowy przełącznik kołyskowy i może być montowany w standardowym otworze montażowym o wymiarach 27 x 12 milimetrów (mm). Jednak zamiast dwóch zaczepów mocujących, z tyłu przełącznika znajduje się jeden prostopadły przewód o długości 70mm. Przewód ten jest anteną używaną do przesyłania danych działania przełącznika do kompatybilnego odbiornika. Swoją moc przełącznik uzyskuje poprzez konwersję energii generowanej po naciśnięciu przełącznika. Przyciśnięcie jednej strony przełącznika wymaga przyłożenia siły 5N (1,12lbf), którą pozyskuje niewielki wewnętrzny generator.

Generator wytwarza napięcie wystarczające do chwilowej transmisji serii 330 mikrowatowych (µW) 48-bitowych pakietów danych, zwanych telegramami, które wysyłają stan przełącznika do kompatybilnego odbiornika. Przełącznik AFIS-5003 nadaje w paśmie 915 megaherców (MHz), a telegram jest nadawany trzy razy, chociaż w celu zwiększenia wiarygodności, przełącznik można skonfigurować tak, aby nadawał nawet siedem telegramów. Opóźnienie pomiędzy każdym nadawanym telegramem jest rozłożone pseudolosowo, co pomaga pokonać wszelkie okresowe zakłócenia radiowe, w tym dane z innych przełączników AFIS-5003, które mogą być aktywne w tym samym czasie. Każdy telegram zawiera unikalny numer identyfikacyjny przełącznika, jego stan oraz łączną liczbę telegramów wysłanych dla danego uruchomienia przełącznika.

Przełącznik AFIS-5003 został zaprojektowany z myślą o 100 tysiącach włączeń, dzięki czemu jest wystarczająco wytrzymały do częstego użytkowania. Pracuje w zakresie temperatur od -40°C do +85°C - nadaje się więc do większości środowisk przemysłowych. Przełącznik ma stopień ochrony IP40, więc jest zabezpieczony przed pyłem, choć nie jest odporny na wilgoć. W środowisku przemysłowym zaleca się montaż przełącznika w małej obudowie. Obudowa powinna być wykonana z tworzywa sztucznego, ponieważ metal będzie zakłócał transmisję sygnału bezprzewodowego.

Ponieważ przełącznik nie wymaga zasilania, nie jest konieczne ładowanie ani wymiana baterii, dzięki czemu można uniknąć kosztów związanych z konserwacją. Pomaga to również w rozwiązywaniu problemów z odbiorem telegramów, ponieważ czas pracy baterii nie stanowi problemu diagnostycznego. Dodatkowo do przełącznika nie trzeba doprowadzać zasilania zewnętrznego, co upraszcza układ fabryki. W razie potrzeby przełącznik można łatwo przenieść w kilka sekund w inne miejsce, zamiast zlecać personelowi utrzymania ruchu zmianę lokalizacji przełącznika i zasilania.

Sterowanie windą przemysłową

Przełącznik posiada dwie anteny. Wewnętrzna antena na płytce drukowanej ma ograniczony zasięg, który zależy zarówno od obudowy jak i otoczenia. W przypadku większych odległości, z tyłu przełącznika zamontowano antenę o długości 70mm ( 2,756"), która umożliwia przesyłanie telegramu na odległość do 30,5m (100'). Jednak testy przeprowadzone przez firmę ZF Electronics wykazały, że jeśli pole widzenia jest nieprzesłonione, a zakłócenia są minimalne, te przełączniki mogą przesyłać dane na odległość do 300m (980').

Jak w przypadku wszystkich przekaźników wysokiej częstotliwości (RF), kluczowa jest lokalizacja anteny w celu zmaksymalizowania efektywności przełącznika. Przewód anteny nie powinien być skręcony i nie może stykać się z żadnymi metalowymi powierzchniami, które mogłyby ograniczyć zasięg anteny.

Praktycznym zastosowaniem przełącznika AFIS-5003 jest winda dla wózków widłowych. Operator wózka widłowego wjeżdża do windy, a następnie przemieszcza się między piętrami. Zamiast marnować czas na wychodzenie z wózka i włączanie przełącznika, może on mieć przy sobie przełącznik AFIS-5003 firmy ZF Electronics i sterować windą. Jest to szczególnie przydatne w przypadku operacji, w których wózki widłowe, używane zwykle w innych obiektach, tymczasowo znajdują się na terenie zakładu. Umożliwia to również przeniesienie wózków widłowych do innych obiektów. Plastikową obudowę zawierającą przełącznik AFIS-5003 można tymczasowo przytwierdzić do wózka w zasięgu operatora. Ponieważ przełącznik musi przesyłać dane jedynie w obrębie windy, w takiej sytuacji przełącznik może korzystać tylko z wewnętrznej anteny na płytce drukowanej. To rozwiązanie ogranicza zasięg transmisji danych, dzięki czemu istnieje mniejsze prawdopodobieństwo interferencji sygnałów z innych przełączników i urządzeń.

Odbiornik do przełącznika pozyskującego energię z otoczenia

Przełącznik przesyła sygnał do kompatybilnego odbiornika, takiego jak AFZE-5003 firmy ZF Electronics (Rys. 2). Nadajnik przełącznika można sparować z odbiornikiem naciskając przycisk parowania na odbiorniku, a następnie aktywując przełącznik pozyskujący energię z otoczenia. Miganie lampki na odbiorniku oznacza, że parowanie powiodło się. Odbiornik może zbierać sygnały nawet z 32 nadajników ZF Electronics pozyskujących energię z otoczenia i pracujących na częstotliwości 915MHz, choć z pomocą producenta liczbę tą można zwiększyć do 256 nadajników. Jeden przełącznik pozyskujący energię z otoczenia można sparować z nieograniczoną liczbą odbiorników. Sparowanie jednego przełącznika z dwoma lub większą liczbą odbiorników może się przydać w kluczowych zastosowaniach wymagających redundancji lub w których zasięg przełącznika musi być większy, ponieważ jednym systemem trzeba sterować z wielu odległych miejsc.

Ilustracja 2: odbiornik AFZE-5003 915MHz firmy ZF Electronics (po prawej) może odbierać sygnały nawet z 32 nadajników pozyskujących energię z otoczenia, a liczbę tą można zwiększyć do 256 nadajników. Jest on również dostępny bez obudowy (po lewej). (Źródło ilustracji: ZF Electronics)

Odbiornik AFZE-5003 można podłączyć do dowolnego mikrokontrolera, programowalnego sterownika logicznego (PLC) lub komputera z interfejsem UART obsługującego standardy RS-232 lub RS-485 wykorzystujące poziomy stanów logicznych TTL. Jak widać na ilustracji 2, odbiornik AFZE-5003 po prawej znajduje się w plastikowej obudowie dostosowanej do środowiska przemysłowego. Posiada on również interfejs USB 2.0 do podłączenia do komputera głównego w celu tworzenia aplikacji. Komponentem operacyjnym odbiornika AFZE-5003 jest płytka wielkości znaczka pocztowego (ilustracja 2 po lewej). Płytka ta jest również dostępna jako autonomiczna jednostka, którą można zintegrować z większym systemem.

Odbiornik może być zasilany przez interfejs USB lub zewnętrzny zasilacz 5V i zachowuje informacje o parowaniu z innymi urządzeniami nawet po odłączeniu od zasilania. Odbiornik AFZE-5003 może być umieszczony w pobliżu centralnego sterownika PLC, gdzie odbiera telegramy ze wszystkich przełączników na hali fabrycznej. Stan przełącznika jest wysyłany przez UART do sterownika PLC, który następnie konfiguruje odpowiednie urządzenia za pomocą sieci Ethernet lub Wi-Fi.

Prace rozwojowe z przełącznikiem pozyskującym energię z otoczenia

Na potrzeby prac rozwojowych firma ZF Electronics opracowała zestaw ewaluacyjny AFIK-5002 pozyskujący energię z otoczenia (ilustracja 3).

Ilustracja 3: zestaw ewaluacyjny AFIK-5002 firmy ZF Electronics zawiera wszystko, co jest potrzebne deweloperowi do oceny systemu przełącznika pozyskującego energię z otoczenia, w tym przełącznik kołyskowy, przycisk, autonomiczny generator i odbiornik. (Źródło ilustracji: ZF Electronics)

Zestaw ewaluacyjny zawiera omówiony wcześniej odbiornik i przełącznik kołyskowy. Do zestawu dołączono również kabel USB. Plastikową obudowę anteny dla odbiornika widać na środku pierwszego planu ilustracji 3. Zestaw ewaluacyjny zawiera również przełącznik przyciskowy pozyskujący energię z otoczenia, a także autonomiczny generator pozyskujący energię z otoczenia, podobny do AFIG-0007 firmy ZF Electronics widocznego na ilustracji 3 (urządzenie z żółtą cewką). Generator ten jest sercem każdego przełącznika przyciskowego lub kołyskowego firmy ZF Electronics i jest odpowiedzialny za konwertowanie aktywacji przełącznika w przesyłany telegram. Deweloperzy mogą korzystać z generatora pozyskującego energię z otoczenia w istniejącej postaci lub zbudować własny przełącznik wykorzystując generator.

Zestaw ewaluacyjny jest łatwy w użyciu. Odbiornik jest podłączony przez USB do komputera, na którym uruchamiane jest oprogramowanie demonstracyjne zestawu. Z odbiornikiem można połączyć dowolny przełącznik lub wszystkie z nich. Oprogramowanie demonstracyjne pokazuje status operacji parowania urządzeń, a także wyświetla wszystkie odebrane telegramy, w tym surowe dane 48-bitowego telegramu, znacznik czasu, unikalny numer identyfikacyjny przełącznika, stan przełącznika, liczbę wysłanych telegramów podczas danego uruchomienia przełącznika oraz siłę sygnału. Informacja o sile sygnału jest szczególnie ważna, ponieważ w znacznym stopniu pomaga zadbać o to, by odległość pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem i położenie tych urządzeń pozwalały na uzyskanie wiarygodnej siły sygnału.

Podsumowanie

Przełączniki pozyskujące energię z otoczenia mogą rozwiązać na pierwszy rzut oka trudne problemy w zastosowaniach IIoT. Jak wykazano powyżej, mogą one znacznie uprościć układ obiektu przemysłowego, ponieważ zapewniają dodatkową elastyczność w zakresie rozmieszczenia przełączników w miejscach, w których konwencjonalne rozwiązania byłyby niepraktyczne.