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在 IIoT 设施中使用无线能源撷取开关来节省时间与成本
[作者 Rich Miron]   2020年08月06日 星期四 浏览人次: [65138]

随着以感测器为基础的监测功能逐步改善,工业物联网 (IIoT) 取得了长足的进步,令工厂和制造效率得以提升。而人机介面装置 (如触控式萤幕和薄膜开关) 的改善也进一步推动效率提升。但是在某些情况下,控制系统仍需要使用机械开关,原因在於这种开关坚固耐用,使用起来非常简单。当该开关须与所控制的设备相隔一段距离时,有时会出现问题。


例如,当堆高机驾驶员必须控制入囗通道时,或是受控制的装置在正常情况下无法靠近或处於环境受保护的位置时。在此类情况下,若布线不可行且成本高昂,无线开关将是一个更好的选择。然而,无线开关的运作会受电池续航力的约束,您需要定期进行维护,以为电池充电或更换新电池。


本文将介绍 ZF Electronics (前身为 Cherry Industrial Solutions) 的无电池能源撷取开关如何解决这些问题。


IIoT 与能源撷取开关应用

移转至 IIoT 架构时,往往能继续使用现有的设备,特别是在使用传统壁挂式设备和灯具开关的情况下,这些地方可轻松取得电力。不过,许多制造设施都已打造为能够轻松配置,可迅速拆卸并重新配置现有的装配线来生产不同的产品。重新配置可能会因为停机时间造成高昂的代价,因此任何能缩短重新配置时间的技术或解决方案,设计人员和工厂技术人员都应该再次考量。能源撷取开关就是这样一种省时的解决方案。


大多数的工厂机器,都连线到主控制中心并可从这个中央位置进行配置。但在某些情况下,必须在厂区难以和/或不便的位置操作设备,以便控制设备所处位置的系统。这种情况包括在远端开门和关门、开启和关闭高电压设备、操作设备电梯、打开和关闭阀门、控制受环境保护或敏感性的设备或装置,或者配置通风系统。有时,操作开关无法安装在一个地方而须四处移动,或是安装在无法固定安装支架的玻璃或混凝土之类的地方。


这些应用虽然不尽相同,但都有一个共通点,即都是非标准的开关应用。在这些应用中,常规的安装、有线连接和维护程序都不适用。针对这些不常见的应用,ZF Electronics 开发出无线式无电池开关,如 AFIS-5003 能源撷取翘板开关 (图 1)。这是一款免维护的自足式开关,不需要搭配额外元件即可正常运作。



图1 : ZF Electronics 的 AFIS-5003 未使用外部电源或电池。此产品会撷取按下开关时所产生的能源,藉此产生传输无线讯号所需的电力。(source:ZF Electronics)
图1 : ZF Electronics 的 AFIS-5003 未使用外部电源或电池。此产品会撷取按下开关时所产生的能源,藉此产生传输无线讯号所需的电力。(source:ZF Electronics)

AFIS-5003 的外观很像标准的翘板开关,可安装在标准的 27 x 12 mm 安装孔中。但是,其背面不是两个触点安装接片,而是有条从开关垂直延伸出来的 70 mm 电线。这条电线是天线,用於将开关动作传输到相容的接收器。开关会转换在按下开关时所产生的能源,藉此取得电力。按下开关的一侧需要 1.12 lb 的力,该力将由小型内部产生器撷取。


产生器会输出足够的电压,瞬时传输一系列 330 μW 的 48 位元数据封包 (称为电报),由其将开关的状态传送到相容的接收器。AFIS-5003 会透过 915 MHz 频带来传输三次电报,但若想提升可靠性,该开关可配置为最多传输七次电报。每个传输的电报之间会以伪随机间隔产生延迟,这有助於克服任何周期性 RF 干扰,包括同时启动其他 AFIS-5003 开关所带来的干扰。每个电报都会包含开关的唯一识别码、切换状态以及该次开关致动所传输的总电报数。


AFIS-5003 开关的额定致动次数为 100,000 次,优异的耐用性足以让其频繁使用。此开关的工作温度为摄氏-40度至+85度,因此适用於大多数工业环境。其防护等级达到 IP40,虽无法防潮,但可防尘。对於工业环境,建议将开关装於小型外壳内。外壳应为塑胶材质,因为金属会干扰无线讯号的传输。


由於此开关不需要电源,因此不需要充电或更换电池,省去了昂贵的维护作业。若在接收电报时发生问题,这也有助排除故障,因为不需要诊断电池续航力有没有问题。此外,无需为开关提供外部电源,从而可简化工厂的布局。在必要时,还能在几秒内将开关轻松移到另一个位置,而不必安排维护人员来移动开关和电源。


电梯作业

此开关有两条天线:内部 PC 板天线可提供有限的范围,传输距离取决於外壳及所处的环境。而开关背面的 2.756 in 电线天线则可提供更长的距离,额定的电报传输距离高达 100 ft。不过,ZF Electronics 测试显示,当视线清楚且干扰微??其微时,这些能源撷取开关的传输距离可达 980 ft。


和所有无线射频 (RF) 发射器一样,正确放置天线是最大化提升开关效率的关键。这个电线天线不能扭曲,也不能接触任何金属表面,这两种情况都可能会限制天线的范围。


AFIS-5003 开关的一个实际应用是堆高机电梯。堆高机操作人员将堆高机驶入电梯,然後需要搭乘电梯前往不同的楼层。操作人员可直接使用携带的 ZF Electronics 的 AFIS-5003 开关来启动电梯,而不必浪费时间走出堆高机,操作壁式开关。对於来自其他厂房的堆高机可能临时停放在厂房,或是其他堆高机可能重新指派到其他厂房的情况,这将会特别有用。AFIS-5003 开关随附一个塑胶盒,可暂时挂在堆高机方便操作人员触碰的地方。


对於此应用,由於开关只需要在电梯内实现传输,因此只使用开关内建的 PC 板天线就够了。这可限制传输范围,尽可能避免干扰到其他开关和附近装置。


能源撷取开关接收器

此开关会将讯号传输到相容的 ZF Electronics 接收器,例如 AFZE-5003 接收器模组 (图2)。按下接收器上的配对按钮,然後启动能源撷取开关,即可建立开关发射器与接收器的配对。配对成功时,接收器的指示灯会闪烁。此接收器最多可接收 32 个 ZF Electronics 能源撷取 915 MHz 发射器的讯号,但若有制造商的协助,则可增加到 256 个发射器。一个能源撷取开关可与无限数目的接收器配对。在需要备援或者需要延伸开关范围,以从多个远端位置控制同一系统的关键应用中,将一个开关与两个或更多接收器配对会很实用。


AFZE-5003 可连接到任何微控制器、可编程逻辑控制器 (PLC) 或具有 UART 介面的电脑上,且此介面支援使用 TTL 逻辑位准的 RS-232 或 RS-485。如图 2 所示,右边的 AFZE-5003 放在塑胶外罩里,适合用於工业环境。其还具有 USB 2.0 介面,可连接到主机 PC 进行应用开发。AFZE-5003 的工作元件是一个邮票大小的板件,如下图所示 (图 2)。这个板件也可作为独立单元提供,与更大的系统进行整合。



图2 : ZF Electronics 的 AFZE-5003 915 MHz 接收器模组 (右) 可接收多达 32 个能源撷取发射器的讯号,并可扩展至多达 256 个发射器。另外还提供无外罩款,如左边所示。(图片来源:ZF Electronics)
图2 : ZF Electronics 的 AFZE-5003 915 MHz 接收器模组 (右) 可接收多达 32 个能源撷取发射器的讯号,并可扩展至多达 256 个发射器。另外还提供无外罩款,如左边所示。(图片来源:ZF Electronics)

接收器可透过 USB 介面或外部 5 V 电源供应器供电,即使在断开电源後,也能保留配对资讯。AFZE-5003 可放在中央 PLC 的附近,并从此处接收厂区所有能源撷取开关的电报。开关状态随後会透过 UART 传送到 PLC,然後由其透过乙太网路或 Wi-Fi 配置合适的设备。


能源撷取开关的开发

对於开关的开发,ZF Electronics 推出了 AFIK-5002 能源撷取评估套件 (图3)。



图3 : ZF Electronics 的 AFIK-5002 评估套件含有开发人员评估能源撷取开关系统所需的所有元件,包括翘板开关、按钮、独立产生器以及接收器。(source:ZF Electronics)
图3 : ZF Electronics 的 AFIK-5002 评估套件含有开发人员评估能源撷取开关系统所需的所有元件,包括翘板开关、按钮、独立产生器以及接收器。(source:ZF Electronics)

此评估套件含有前面探讨过的接收器单元和翘板开关,并随附有 USB 缆线。图3 下排中间是接收器的塑胶天线外罩。另外,此评估套件还含有能源撷取按钮开关以及类似於 ZF Electronics AFIG-0007 的独立能源撷取产生器 (图 3 带有黄色线圈的项目)。该产生器是每个 ZF Electronics 能源撷取按钮开关或翘板开关的核心,负责将开关致动动作转译成发射的电报。开发人员可按原设计使用能源撷取产生器,也可使用产生器打造自己的能源撷取开关。


此评估套件使用简单。接收器可透过 USB 连接到执行套件示范软体的 PC 上。任何随附的开关都可与接收器配对。示范软体不仅会显示配对作业的状态,还会显示所有收到的电报,包括原始 48 位元电报资料、时间戳记、开关的唯一识别码、开关状态、该次开关致动发射的电报数以及讯号强度等。讯号强度资讯特别重要,这些资讯极大程度确保了发射器和接收器之间的距离与放置能达到可靠的讯号强度。


结论

能源撷取开关可解决工业物联网中看似无法轻松解决的特殊问题。如本文所述,这些开关在放置时具有更高的弹性,可放在传统解决方案不可行的位置上,极大简化了工业设施的布局。


(本文由Digi-Key公司提供,作者Rich Miron为Digi-Key北美编辑群之一)


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