Protokolluavhengig kommunikasjon i sanntid

Innen industriell automatisering foretas energi- og dataoverføring vanligvis med pluggforbindere. Hvis disse må løses og plugges ofte, har de begrenset levetid, da kontakter kan bli bøyd eller utsatt for slitasje. Det fører til ikke planlagt respektiv uforutsigbar produksjonsstans og hyppige vedlikeholdsintervaller. Kontaktløse sanntidskommunikasjonssystemer, som NearFi-koblerne som er utviklet av Phoenix Contact, kommer her til unnsetning.

Et informativt eksempel på slitasje i pluggforbindere finner vi innen bilproduksjon: Hver dag foretas det mange hundre pluggsykluser mellom en robotarm og dennes utskiftbare verktøy. Dette skyldes den tiltagende automatiseringen av prosesser. Roboter må derfor være i stand til å utføre stadig mer, og de må kunne styre de mest forskjellige verktøyer automatisert. På grunn av de mange pluggsyklusene ved verktøyskift er pluggforbindernes brukstidsrom betydelig redusert, da kontaktene «brennes», blir tilsmusset eller bøyer seg under de konstante verktøyskiftene. Det fører til stillstand som ikke kan planlegges og som ikke er forutsigbar. Som forebyggende tiltak kommer kostnadene for regelmessige vedlikeholdsintervaller raskt opp i syvsifrede beløp. Pluggforbindere benyttes også ofte i førerløse transportsystemer, dreiende og roterende bord og applikasjoner som innebærer bruk av sleperinger. Samtlige løsninger som har blitt benyttet så langt, viser seg å enten ikke ha tilstrekkelig ytelse, de blir lett utsatt for feil eller de er meget vedlikeholdskrevende og dermed dyre i drift. 

Her er kontaktløs overføring av energi og data via en luftspalte en velegnet løsning. Denne tilnærmingen tilrettelegger ikke bare for slitasje- og vedlikeholdsfrie forbindelser, men til og med videreføring gjennom glassvegger eller andre ikke-ledende medier, som igjen åpner for mange forskjellige bruksmuligheter. Som eksempel kan nevnes kontaktløs tilgang til områder som er vanskelig tilgjengelige eller overhodet ikke tilgjengelige, som låste automasjonskap, høyspentområder og renrom.

Bitorientert fullduplekskommunikasjon

Innen industriell automatisering baseres dagens dataoverføring vanligvis på Ethernet (100 mbit/s). Ved enkelte av protokollene som benyttes, for eksempel Profinet IRT, Sercos og Ethercat – er dette såkalte «sanntidsprotokoller» som forutsetter kommunikasjon med meget lav latens. Denne utviklingen drives av utfordringene som følger med digital produksjon og tilhørende mål om økonomisk effektiv produksjon fra stykktall 1. Videre må bedriftenes globale konkurransedyktighet og effektivitet langs hele verdiskapningskjeden – fra utvikling og helt til brukeren – være sikret.

Phoenix Contact er den første bedriften som nå kan tilby kontaktløs Ethernet-tilkobling uten nevneverdig latens. Datautvekslingen baserer på en trådløs 60 GHz-kommunikasjon på nærfeltområdet. På denne måten er bitorientert overføring mulig, for eksempel slik den også benyttes ved fiberoptisk kommunikasjon. Samtlige andre etablerte radiosignaloverføringsteknologier baserer på pakkeorientert videreføring av dataene, noe som alltid fører til betydelige latenser. For pakkene må først tas imot, pakkes om, og sendes trådløst. Tilsvarende på mottakersiden, der pakkene også må tas imot, pakkes ut og sendes ut igjen. Denne prosessen involverer mange asynkrone og latensutløsende prosesser, som ved hjelp av den innovative kommunikasjonsteknikken fra Phoenix Contact fjernes i sin helhet. Overføringen av sanntids-Ethernet-protokoller forutsetter utover dette en fulldupleksvidereføring, det vil si samtidig datautveksling i begge retninger. Dette utgjør også et problem for veldig mange trådløsteknologier, for eksempel WLAN eller 5G.

Latens under 1 µs

I den NearFi-baserte løsningen fra Phoenix Contact benyttes to 60 GHz-forbindelser – en Uplink og en Downlink – parallelt på adskilte frekvensbånd for å tilrettelegge for fulldupleksdrift. Til sammenligning: Ved en Ethernet-kommunikasjon genererer WLAN en latens på rundt 10 til 20 ms (10 000 til 20 000 µs). For 5G jobbes det mot 1 ms (1000 µs)i fremtiden. NearFi, derimot, gir en latens under 1 µs, og er dermed rundt 1000 ganger raskere enn 5G. NearFi tilrettelegger også for kontaktfri og tilnærmet latensfri Ethernet-overføring opptil 100 mbit/s i sanntid, og fungerer protokolluavhengig. Dermed er teknologien også egnet for fremtidige utviklinger.

Fordi radiosignalkommunikasjonen på nærfeltområder foregår på meget kort avstand, oppstår det så og si ikke noe støyspekter rundt enhetene, slik at mange forskjellige NearFi-systemer kan benyttes parallelt og sameksistens med tilgjengelige radiosignalteknologier er gitt – for eksempel WLAN eller Bluetooth. Industrielle støyspektre, som oppstår for eksempel ved lysbuesveising, kan heller ikke påvirke NearFi-teknologien. NearFi benyttes for første gang i de nye NearFi-koblerne fra Phoenix Contact. Enhetene tilrettelegger for videreføring av 50 W energi (24 V, 2 A) samt sanntids-Ethernet-data over en luftspalte opptil en avstand på noen centimeter. Det robuste IP65-huset med M12-tilkoblinger for Ethernet og spenning gjør NearFi-koblerne egnet også i krevende omgivelser.

Konstant effekt på 50 W

Energien overføres induktivt. Via en spole genererer basekobleren et magnetisk felt som induseres i remotekoblerens spole. Den aktive reguleringen velger alltid de parameterene som er best egnet for energioverføringen. Det betyr at effekten ikke reduseres over avstanden, men holdes konstant på 50 W over hele arbeidsområdet. Sluttutstyr, som for eksempel I/O-stasjoner eller Switches, kan dermed forsynes kontaktløst med energi. Koblingen foregår automatisk, konfigurering eller programmering er derfor ikke nødvendig.

I motsetning til de vanlige pluggforbinderløsningene kan base- og remotekoblerne føres mot hverandre fra forskjellige retninger, og også roterende. Videre trenger ikke brukeren å sentrere enhetene nøyaktig. De kan stå overfor hverandre med forskyvning, eller i en tangential vinkel. Dette reduserer presisjonskravene til den mekaniske bevegelsen i to uavhengige anleggsdeler betraktelig. Ved pluggforbindere må plugg og bøssing derimot posisjoneres meget nøyaktig, da de ømfintlige stiftene ellers fort kan bli skadet.

I roterende anvendelser benyttes det ofte sleperinger eller optiske rotasjonstransformatorer. Begge systemer innebærer høy mekanisk slitasje. Videre må de produseres etter en meget nøyaktig standard, noe som driver kostnader og sviktrater oppover. Med NearFi-koblere, derimot, er en enkel, unøyaktig posisjonering av base- og remoteenhet tilstrekkelig for å sikre pålitelig, slitasjefri overføring. Koblerne sikres fra tre forskjellige sider direkte eller ved bruk av festevinkler, ved hjelp av M5- eller M6-skruer. På denne måten kan de monteres universelt og fleksibelt.

Lavere kostnader med optimaliserte produksjonsprosesser

Bruk av NearFi-koblere resulterer dermed i redusert antall servicetiltak, vedlikeholdskostnader bortfaller og man får økt anleggstilgjengelighet. Reduserte tiltak og optimaliserte produksjonsprosesser forkorter amortiseringstiden betraktelig.

Oversikt over fordelene ved NearFi-kobleren

• Ethernet i sanntid

NearFi viderefører Ethernet-data med en datahastighet opptil 100 mbit/s protokolltransparent og latensfritt. Brukere kan dermed benytte alle vanlige Ethernet-protokoller.

• Induktiv energioverføring

Koblerne tilrettelegger også for induktiv energioverføring. På grunn av den aktive reguleringen holdes effekten over et arbeidsområde på noen centimeter, konstant på 50 W.

• Enkel idriftsetting og synlig diagnostikk hele veien

I forbindelse med kommunikasjon kreves minst to enheter: En base- og en remotekobler. Med basekobleren kan et vilkårlig antall remotekoblere kombineres, og omvendt. Koblerne forutsetter ingen konfigurasjon, og kan slik benyttes like enkelt som en pluggforbindelse. Via en integrert utrettingshjelp signaliseres det straks enhetene er optimalt tilkoblet. Det lysende koblerhuset viser koblingsstrekningens driftsklarhet helt tydelig selv på vanskelig tilgjengelige monteringsplasser. Via en digital utgang kan koblerne i tillegg diagnostiseres via et overordnet styringssystem. En digital inngang på basekobleren tilrettelegger for definert inn-/utkobling av remotekobleren.