Phoenix Contact & Analog Devices: conectori wireless industriali și fabrica viitorului

Inginer care repară brațul unui robot automat din industria auto sau într-o fabrică inteligentă. (© ADI)

Fabricile din ziua de azi presupun o producție flexibilă și conectivitate wireless. Producătorii de top trebuie să reacționeze rapid la nevoile în schimbare ale clienților, la personalizare și la ciclurile scurte de viață ale produselor. Ei au nevoie de procese și echipamente interschimbabile, care pot fi reconfigurate, modificate și înlocuite cu ușurință, cu conectori fără întreținere care reduc costurile și timpii de nefuncționare. Cu toate acestea, o mare parte din echipamentele interschimbabile din fabricile de producție se bazează, încă, pe conectori fizici tradiționali care sunt supuși uzurii și efectelor acesteia asupra costurilor materialelor și productivității industriale.

Imaginați-vă o fabrică în care conectorii fizici au dispărut; instrucțiunile de comandă sunt trimise wireless între subsistemele de roboți pentru a schimba seturile de scule și configurațiile, rapid și eficient, crescând viteza de producție și reducând în același timp costurile. Este, aceasta. fabrica unui viitor îndepărtat? Nici vorbă, potrivit Phoenix Contact, lider de piață în domeniul automatizării industriale, al interconectării și al soluțiilor de interfață și renumit pentru expertiza sa în dezvoltarea de conectori de precizie.

Figura 1: Uzura conectorilor se regăsește în procesul de fabricație auto. (© ADI)

Phoenix Contact are viziunea de a face un salt înainte în producția de astăzi cu ajutorul conectorilor industriali rapizi cu conexiune wireless. Cu toate acestea, Phoenix Contact avea nevoie de un partener colaborator cu expertiză în tehnologia mmW (RF) pentru a ajunge mai repede pe piață și a-și atinge obiectivul. Inovatorul industrial a încheiat un parteneriat cu Analog Devices, Inc. (ADI), cunoscut pentru experiența sa tehnică și cunoștințele sale aprofundate în domeniu, pentru a face față provocării și pentru a dezvolta, în comun, conectori wireless bazați pe o soluție mmW compactă, cu latență foarte mică și agnostică față de protocol. Tehnologia de ultimă generație va permite implementarea pe scară largă a conectorilor wireless industriali și va deschide ușa către o nișă de piață industrială nouă și potențial lucrativă.

Privire de ansamblu

COMPANIA

Phoenix Contact, unul dintre principalii producători de tehnologie pentru automatizări industriale și producător de conectori de precizie, se află în avangarda tehnologiei wireless de ultimă generație.

APLICAȚII

Creează conectori și soluții wireless de conectare robot-utilaj pentru industrie, automobile, producție și echipamente.

PROVOCĂRI

Aducerea pe piață a unei alternative wireless pentru transmiterea simultană de energie și de date ca soluție compactă, care să ofere de două ori mai multă putere în comparație cu produsele concurente în privința energiei și performanțe asemănătoare celor oferite de tehnologia prin cablu, pe partea de date.

OBIECTIV

Dezvoltarea unei soluții industriale unice, care face un salt înainte în domeniul producției către un sistem wireless mult mai flexibil, cu abilitatea unică de a transfera simultan atât date, cât și energie, suportând în același timp toate protocoalele Ethernet.

80%: Timpul alocat întreținerii pentru a acționa în cazul unor piese și echipamente defecte – Sursa: IBM

Un exemplu clar de uzură a conectorilor se regăsește în procesul producției auto. Aici au loc sute de cicluri de împerechere, în fiecare zi, între un braț robotizat și setul său de unelte, care se schimbă.

Figura 2: Detaliu privind uzura conectorilor. (© ADI)

“Din cauza numărului mare de cicluri de împerechere în timpul schimbării sculelor, durata de viață utilă a conectorilor este redusă semnificativ deoarece contactele se uzează. Acestea se murdăresc sau se îndoaie în timpul înlocuirilor repetate” a declarat Benjamin Fiene, Product Marketing Communication Interfaces, Phoenix Contact. “Acest lucru are ca rezultat timpi de nefuncționare care nu pot fi prevăzuți sau programați. Costul pentru intervalele regulate de întreținere preventivă se poate ridica rapid la șapte cifre.”

Brațul robotului cu conectori fizici trebuie să fie aliniat cu o precizie foarte mare.

Fiabilitatea și durata de viață utilă a conectorilor fizici sunt limitate în mediul de operare dur al unei unități de producție și necesită o întreținere periodică. Ștecărul și soclul dintr-un conector trebuie să fie poziționate cu precizie; în caz contrar, pinii delicați sunt rapid deteriorați. Nealinierea conectorului poate duce la îndoirea contactelor și la întreruperi ale activității, necesitând înlocuirea imediată a întregului ansamblu de conectori.

Conectorii wireless prevăzuți de Phoenix Contact sunt fără contact și nu se ating niciodată. Spre deosebire de soluțiile de conectare convenționale, cuplajele pot fi dirijate între ele din orice direcție sau în rotație. Cele mai importante economii de costuri rezultă din reducerea timpilor de întrerupere imprevizibili ai producției.

Provocarea

Figura 3: Conectorii wireless nu au contact și nu se ating niciodată. (© ADI)

Cu o experiență de aproape un secol și un portofoliu de 60.000 de produse, Phoenix Contact era la curent cu evoluția sectorului automatizărilor industriale. Concentrată pe creșterea productivității și reducerea costurilor de întreținere, aceasta a identificat comunicația wireless de mare viteză ca fiind soluția preferată pentru transferul eficient de date de la robot la unealtă. Cea mai mare provocare a fost găsirea tehnologiei wireless potrivite.

Ideal, soluția wireless potrivită trebuie să transmită și să primească mai rapid ca oricând pentru a asigura o comunicație în timp real, să includă operarea fără licență, să fie lipsită de interferențe de rețea și să suporte toate protocoalele Ethernet industriale standard − toate acestea într-o formă compactă. Soluția propusă nu ar fi doar la nivel de cip, ci o provocare de proiectare a unui sistem complet.

Frank Hakemeyer, Director Marketing and Development for Communication Interfaces, Phoenix Contact

Colaborarea: 1 + 1 > 2

“Aveam o viziune despre cum ar trebui să arate produsul final și eram hotărâți să dezvoltăm și să fabricăm propriul nostru conector wireless. Dar aveam nevoie de un partener cu expertiză în tehnologia RF pe care am găsit-o la ADI.”

“Aveam conceptul de bază pe hârtie și știam cum ar trebui să funcționeze” spune Frank Hakemeyer, Director Marketing and Development for Communication Interfaces, Phoenix Contact. “Am fi putut achiziționa cipurile de la ADI și să le integrăm într-un proiect, împreună cu antenele de conectare, dar am simțit că am fi operat în afara competenței noastre de bază. Suntem experți în comunicații Ethernet industriale, dar nu suntem specialiști în comunicații RF la nivel de gigaherți. Dacă am fi decis să accelerăm și să facem totul pe cont propriu, am fi avut nevoie de mai mult timp. Așadar, competența de bază și timpul de lansare pe piață au fost, evident, factori importanți în alegerea unui partener.”

Phoenix Contact a apelat la partenerul său tradițional ADI pentru expertiza sa în tot spectrul RF. A cerut companiei ADI să identifice cele mai bune tehnologii, să co-proiecteze întregul sistem RF și să livreze o soluție wireless completă și personalizată de transmisie de date pentru conectorii săi wireless industriali de ultimă generație.

Phoenix Contact a contactat ADI pentru prima dată în august 2017 cu privire la viziunea sa și a urmat testarea cipsetului standard de emisie-recepție ADI HMC6300/HMC6301.

“M-am întâlnit pentru prima dată cu Phoenix Contact în aprilie 2018, la cel mai mare târg industrial din lume − expoziția de la Hanovra” a declarat Anton Patyuchenko, Staff Field Applications Engineer (FAE), ADI. “Reprezentanții companiei au menționat că se gândeau să utilizeze cipsetul de emisie-recepție în bandă V original/standard de la ADI pentru produsul său de conectori wireless industriali.”

Dezvoltat inițial pentru aplicații de tip ‘backhaul’ pentru celule mici, HMC6300/HMC6301 a inclus o combinație unică de caracteristici funcționale de bază. Acestea ar putea permite funcționarea în bandă largă cu latență foarte redusă necesară pentru sistemele industriale sensibile din punct de vedere al timpului, de care Phoenix Contact avea nevoie.

“În cursul discuțiilor tehnice care au urmat, mi-am dat seama că acest lucru urma să evolueze într-o proiectare de sistem complet” a precizat Anton. “Proiectarea unui sistem complet necesită să ne implicăm în mod diferit și să fim chemați încă de la începutul procesului, fără să ne așteptăm să ni se spună, exact, ce anume are nevoie clientul. Pentru a crea o valoare reală și pentru a ne angaja în rezolvarea și explorarea problemelor în colaborare, trebuie să înțelegem în profunzime aplicația Phoenix Contact. Acest lucru nu este la îndemâna oricărei companii de semiconductori.”

A urmat o succesiune de apeluri și dialoguri față în față. În numeroase ocazii, echipa ADI s-a deplasat la sediul Phoenix Contact, a lucrat cu echipa acesteia, a analizat idei, a efectuat măsurători și a răspuns la întrebări.

În august 2019, după un an de planificare, Phoenix Contact a dat undă verde pentru dezvoltarea tehnologiei propuse. În afară de atribuirea unui FAE special, ADI a creat o echipă de proiect dedicată la nivel de grup tehnologic (TG), formată dintr-o echipă de bază de șase persoane din diferite discipline. Au urmat convorbiri bisăptămânale în cadrul proiectului.

Ceea ce a rezultat a fost o nouă inovație industrială − o performanță precum cea a unei linii cablate, dar fără cabluri.

O soluție wireless de nivel industrial

Soluția completă de conectare wireless de la Phoenix Contact, denumită cuplor NearFi, cuprinde trei blocuri funcționale principale reprezentate de conexiunea de date, conexiunea de alimentare și electronica de bază. Toate acestea sunt integrate într-un design compact, permițând ca produsul final să fie integrat perfect în numeroase aplicații industriale. Analog Devices a fost responsabilă pentru dezvoltarea conexiunii de date. Utilizând tehnologia NearFi de la Phoenix Contact, semnalele uplink și downlink asigură un schimb de date simultan în ambele direcții − adică o funcționare full-duplex. Tehnologia NearFi permite un răspuns de 500 de ori mai rapid decât 5G. Cu alte cuvinte, este fără latență.

SOLUȚIA COMPLETĂ PENTRU PHOENIX CONTACT

“ADI a dezvoltat un nou produs pe baza cerințelor Phoenix Contact” a declarat Chris O’Neill, Senior Product Marketing Director, ADI. “Compania ne-a furnizat specificațiile cheie ale aplicației sale țintă. De asemenea, a testat prototipurile noastre, ceea ce ne-a ajutat să identificăm punctele slabe și să le rezolvăm.”

Folosindu-și expertiza în domeniul RF, ADI a integrat cipset-ul de emisie-recepție existent (HMC6300/HMC6301) și două antene dedicate într-un singur substrat. Pentru a oferi o soluție personalizată completă pentru Phoenix Contact, ADI a dezvoltat, de asemenea, o placă de circuit imprimat însoțitoare destinată alimentării substratului și interfațării părții sale de bază cu echipamentul final. Rezultatul este ADMV9611/ADMV9621 − un produs complet pentru conexiunea de date de 60 GHz și o tehnologie care a permis crearea noii soluții NearFi dezvoltate de Phoenix Contact.

AVANTAJELE SOLUȚIEI COMPLETE DATA LINK DE LA ADI

Data link-ul oferă o interconectare de date compactă și rentabilă pentru aplicația țintă și obține o performanță mai bună la un cost mai mic. Alte soluții wireless oferă comunicație cu latență redusă; cu toate acestea, data link-ul de la ADI include multe alte avantaje semnificative.

IMUNITATE LA INTERFERENȚE ELECTROMAGNETICE

Permite o transmisie de date fără a necesita întreținere, de mare viteză și complet fiabilă, cu o imunitate puternică la toate interferențele electromagnetice.

IMUNITATE LA MEDIILE CONTAMINATE

Asigură o comunicație fiabilă în medii industriale prăfuite și contaminate (prin care soluția poate “vedea”). Acesta este un avantaj esențial în comparație cu link-urile optice wireless alternative de mare viteză, pe care praful le poate masca.

GESTIONEAZĂ PROBLEMELE DE ALINIERE

Permite funcționarea neîntreruptă chiar și în cazul unei nealinieri pronunțate sau în cazul unei separări/spațieri mari a perechii de transmițătoare.

AGNOSTICĂ FAȚĂ DE PROTOCOL

Acceptă o gamă completă de protocoale Ethernet, deoarece implementarea proiectului nu s-a bazat pe un anumit protocol.

PERMITE COEXISTENȚA MAI MULTOR CUPLOARE

Permite coexistența mai multor cuploare NearFi și a altor aplicații de 60 GHz într-un spațiu foarte restrâns.

AGNOSTIC FAȚĂ DE PROTOCOALE: UN AVANTAJ COMERCIAL CHEIE

În lumea Ethernet-ului industrial se înregistrează o dezvoltare semnificativă, inclusiv progresul în domeniul rețelelor sensibile la timp. Dar schimbările nu vor avea un impact asupra eficienței soluției data link de la ADI și nici nu vor contribui la ieșirea ei din uz. Soluția wireless de 60 GHz va transmite întotdeauna în orice proiect nou sau protocol îmbunătățit, ceea ce face ca dezvoltarea sa să fie o investiție excelentă pe termen lung.

“Soluția permite nu numai o interconectare de date compactă și eficientă din punct de vedere al costurilor pentru aplicația vizată, ci, datorită reconfigurabilității sale ridicate și abordării inovatoare, devine, de asemenea, un candidat convingător pentru elaborarea de concepte de aplicații de ultimă oră.” a declarat Anton Patyuchenko, Staff Field Applications Engineer, ADI

Alte aplicații

Phoenix Contact este acum pregătită să valorifice cuplorul său NearFi pentru a transmite date și energie în cadrul unor aplicații cu inele colectoare rotative, cum ar fi mecanismele pentru mese rotative utilizate pe scară largă în liniile de producție: dispozitive de umplere a sticlelor utilizate în industria alimentară și a băuturilor, în industria prelucrătoare: uzinele de asamblare a automobilelor, în comunicații: antenele rotative de pe turnurile de comandă din aeroporturi sau în domeniul resurselor regenerabile: palele unei mori de vânt. Uneltele sau mașinile rotative se învârt într-un mod în care cablurile nu pot fi folosite – deoarece s-ar răsuci. În aplicațiile industriale în care trebuie să se facă conexiuni între ceva fix și ceva care se rotește, utilizarea unui cablu nu este o soluție practică. Așadar, se folosesc contacte electromecanice realizate din perii și filamente.

Acestea sunt supuse unei uzuri mecanice ridicate și necesită o fabricație precisă, ceea ce duce la creșterea costurilor și a ratei de defecțiune. Cuploarele NearFi de la Phoenix Contact asigură o transmisie fiabilă, fără uzură și sunt tolerante în privința poziționărilor imprecise. Valorificarea avantajelor cuplorului NearFi ar permite transferul de date și energie prin conexiuni rotative într-un ansamblu care se rotește. Tehnologia ar extinde atât aplicațiile, cât și oportunitățile de afaceri pentru producător.

O soluție care schimbă jocul

Ceea ce a rezultat din colaborarea dintre ADI și Phoenix Contact a fost o schimbare radicală a jocului: un link de date pentru comunicații wireless de mare viteză într-un mediu industrial, care funcționează cu orice protocol și care nu are, practic, nicio întârziere de transfer a semnalului. De asemenea, parteneriatul a dat naștere unui nou produs de sine stătător − ADMV9611/ADMV9621 − pe care ADI l-a oferit altor clienți pentru o gamă largă de aplicații industriale, începând cu toamna anului 2021.

Și acesta este doar începutul. Soluția de “performanță precum cea a unei linii cablate, dar fără fire” oferă ADI acces la o nouă nișă de piață, care nu exista anterior, cu un potențial semnificativ de creștere și venituri.

ADI investighează adaptarea soluției sale complete de conexiune de date pentru clienții care utilizează echipamente medicale, cum ar fi tomograful computerizat (CT) sau alte echipamente legate de imagistică.

Peste 80 de milioane de tomografii computerizate sunt efectuate în SUA în fiecare an.

O gamă largă de alte aplicații posibile include ansambluri robotizate, echipamente de producție industrială și orice altceva în care transmisia prin intermediul unui conector wireless se face prin pereți de sticlă sau prin lichid − ceea ce nu pot realiza conectorii fizici. Este o oportunitate de ordinul multor milioane de dolari.

Viitorul

Provocările de-a lungul călătoriei către o tehnologie inovatoare și soluții de utilizare finală nu pot fi realizate de către o singură companie. Pentru a aduce mai repede produsele pe piață și a genera mai repede venituri, companiile trebuie să își aleagă partenerii nu doar pentru expertiza tehnică și cunoștințele profunde în domeniu, ci și pentru abilitatea de a lucra împreună.

“ADI a creat în colaborare atât o soluție personalizată pentru Phoenix Contact, cât și o aplicație pentru o bază largă de clienți și o multitudine de piețe” a declarat Mark Barry, General Manager Industrial Automation and Energy, ADI. “Parteneriate în colaborare, precum acesta, sunt necesare pentru a dezvolta tehnologia și a împinge întreaga industrie înainte.”

În prezent, adevăratele parteneriate în colaborare, formate din cooperare, participare și schimb de informații, propulsează companii de top, precum ADI și Phoenix Contact, pentru a crea soluții complete și de impact, generând în același timp rezultate comerciale reciproc avantajoase.

“În ADI am găsit un partener pentru comunicații wireless cu frecvențe mmW pentru a ne realiza viziunea noastră de comunicații wireless industriale cu latență zero.” a declarat Martin Müller

Vicepreședinte, BU Automation Infrastructure, Phoenix Contact.
https://www.analog.com/en/signals/articles/industrial-wireless-connectors.html

Analog Devices