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在 IIoT 設施中使用無線能源擷取開關來節省時間與成本
[作者 Rich Miron]   2020年08月06日 星期四 瀏覽人次: [66320]

隨著以感測器為基礎的監測功能逐步改善,工業物聯網 (IIoT) 取得了長足的進步,令工廠和製造效率得以提升。而人機介面裝置 (如觸控式螢幕和薄膜開關) 的改善也進一步推動效率提升。但是在某些情況下,控制系統仍需要使用機械開關,原因在於這種開關堅固耐用,使用起來非常簡單。當該開關須與所控制的設備相隔一段距離時,有時會出現問題。


例如,當堆高機駕駛員必須控制入口通道時,或是受控制的裝置在正常情況下無法靠近或處於環境受保護的位置時。在此類情況下,若佈線不可行且成本高昂,無線開關將是一個更好的選擇。然而,無線開關的運作會受電池續航力的約束,您需要定期進行維護,以為電池充電或更換新電池。


本文將介紹 ZF Electronics (前身為 Cherry Industrial Solutions) 的無電池能源擷取開關如何解決這些問題。


IIoT 與能源擷取開關應用

移轉至 IIoT 架構時,往往能繼續使用現有的設備,特別是在使用傳統壁掛式設備和燈具開關的情況下,這些地方可輕鬆取得電力。不過,許多製造設施都已打造為能夠輕鬆配置,可迅速拆卸並重新配置現有的裝配線來生產不同的產品。重新配置可能會因為停機時間造成高昂的代價,因此任何能縮短重新配置時間的技術或解決方案,設計人員和工廠技術人員都應該再次考量。能源擷取開關就是這樣一種省時的解決方案。


大多數的工廠機器,都連線到主控制中心並可從這個中央位置進行配置。但在某些情況下,必須在廠區難以和/或不便的位置操作設備,以便控制設備所處位置的系統。這種情況包括在遠端開門和關門、開啟和關閉高電壓設備、操作設備電梯、打開和關閉閥門、控制受環境保護或敏感性的設備或裝置,或者配置通風系統。有時,操作開關無法安裝在一個地方而須四處移動,或是安裝在無法固定安裝支架的玻璃或混凝土之類的地方。


這些應用雖然不盡相同,但都有一個共通點,即都是非標準的開關應用。在這些應用中,常規的安裝、有線連接和維護程序都不適用。針對這些不常見的應用,ZF Electronics 開發出無線式無電池開關,如 AFIS-5003 能源擷取翹板開關 (圖 1)。這是一款免維護的自足式開關,不需要搭配額外元件即可正常運作。



圖1 : ZF Electronics 的 AFIS-5003 未使用外部電源或電池。此產品會擷取按下開關時所產生的能源,藉此產生傳輸無線訊號所需的電力。(source:ZF Electronics)
圖1 : ZF Electronics 的 AFIS-5003 未使用外部電源或電池。此產品會擷取按下開關時所產生的能源,藉此產生傳輸無線訊號所需的電力。(source:ZF Electronics)

AFIS-5003 的外觀很像標準的翹板開關,可安裝在標準的 27 x 12 mm 安裝孔中。但是,其背面不是兩個觸點安裝接片,而是有條從開關垂直延伸出來的 70 mm 電線。這條電線是天線,用於將開關動作傳輸到相容的接收器。開關會轉換在按下開關時所產生的能源,藉此取得電力。按下開關的一側需要 1.12 lb 的力,該力將由小型內部產生器擷取。


產生器會輸出足夠的電壓,瞬時傳輸一系列 330 μW 的 48 位元數據封包 (稱為電報),由其將開關的狀態傳送到相容的接收器。AFIS-5003 會透過 915 MHz 頻帶來傳輸三次電報,但若想提升可靠性,該開關可配置為最多傳輸七次電報。每個傳輸的電報之間會以偽隨機間隔產生延遲,這有助於克服任何週期性 RF 干擾,包括同時啟動其他 AFIS-5003 開關所帶來的干擾。每個電報都會包含開關的唯一識別碼、切換狀態以及該次開關致動所傳輸的總電報數。


AFIS-5003 開關的額定致動次數為 100,000 次,優異的耐用性足以讓其頻繁使用。此開關的工作溫度為攝氏-40度至+85度,因此適用於大多數工業環境。其防護等級達到 IP40,雖無法防潮,但可防塵。對於工業環境,建議將開關裝於小型外殼內。外殼應為塑膠材質,因為金屬會干擾無線訊號的傳輸。


由於此開關不需要電源,因此不需要充電或更換電池,省去了昂貴的維護作業。若在接收電報時發生問題,這也有助排除故障,因為不需要診斷電池續航力有沒有問題。此外,無需為開關提供外部電源,從而可簡化工廠的佈局。在必要時,還能在幾秒內將開關輕鬆移到另一個位置,而不必安排維護人員來移動開關和電源。


電梯作業

此開關有兩條天線:內部 PC 板天線可提供有限的範圍,傳輸距離取決於外殼及所處的環境。而開關背面的 2.756 in 電線天線則可提供更長的距離,額定的電報傳輸距離高達 100 ft。不過,ZF Electronics 測試顯示,當視線清楚且干擾微乎其微時,這些能源擷取開關的傳輸距離可達 980 ft。


和所有無線射頻 (RF) 發射器一樣,正確放置天線是最大化提升開關效率的關鍵。這個電線天線不能扭曲,也不能接觸任何金屬表面,這兩種情況都可能會限制天線的範圍。


AFIS-5003 開關的一個實際應用是堆高機電梯。堆高機操作人員將堆高機駛入電梯,然後需要搭乘電梯前往不同的樓層。操作人員可直接使用攜帶的 ZF Electronics 的 AFIS-5003 開關來啟動電梯,而不必浪費時間走出堆高機,操作壁式開關。對於來自其他廠房的堆高機可能臨時停放在廠房,或是其他堆高機可能重新指派到其他廠房的情況,這將會特別有用。AFIS-5003 開關隨附一個塑膠盒,可暫時掛在堆高機方便操作人員觸碰的地方。


對於此應用,由於開關只需要在電梯內實現傳輸,因此只使用開關內建的 PC 板天線就夠了。這可限制傳輸範圍,盡可能避免干擾到其他開關和附近裝置。


能源擷取開關接收器

此開關會將訊號傳輸到相容的 ZF Electronics 接收器,例如 AFZE-5003 接收器模組 (圖2)。按下接收器上的配對按鈕,然後啟動能源擷取開關,即可建立開關發射器與接收器的配對。配對成功時,接收器的指示燈會閃爍。此接收器最多可接收 32 個 ZF Electronics 能源擷取 915 MHz 發射器的訊號,但若有製造商的協助,則可增加到 256 個發射器。一個能源擷取開關可與無限數目的接收器配對。在需要備援或者需要延伸開關範圍,以從多個遠端位置控制同一系統的關鍵應用中,將一個開關與兩個或更多接收器配對會很實用。


AFZE-5003 可連接到任何微控制器、可編程邏輯控制器 (PLC) 或具有 UART 介面的電腦上,且此介面支援使用 TTL 邏輯位準的 RS-232 或 RS-485。如圖 2 所示,右邊的 AFZE-5003 放在塑膠外罩裡,適合用於工業環境。其還具有 USB 2.0 介面,可連接到主機 PC 進行應用開發。AFZE-5003 的工作元件是一個郵票大小的板件,如下圖所示 (圖 2)。這個板件也可作為獨立單元提供,與更大的系統進行整合。



圖2 : ZF Electronics 的 AFZE-5003 915 MHz 接收器模組 (右) 可接收多達 32 個能源擷取發射器的訊號,並可擴展至多達 256 個發射器。另外還提供無外罩款,如圖2所示。(source:ZF Electronics)
圖2 : ZF Electronics 的 AFZE-5003 915 MHz 接收器模組 (右) 可接收多達 32 個能源擷取發射器的訊號,並可擴展至多達 256 個發射器。另外還提供無外罩款,如圖2所示。(source:ZF Electronics)

接收器可透過 USB 介面或外部 5 V 電源供應器供電,即使在斷開電源後,也能保留配對資訊。AFZE-5003 可放在中央 PLC 的附近,並從此處接收廠區所有能源擷取開關的電報。開關狀態隨後會透過 UART 傳送到 PLC,然後由其透過乙太網路或 Wi-Fi 配置合適的設備。


能源擷取開關的開發

對於開關的開發,ZF Electronics 推出了 AFIK-5002 能源擷取評估套件 (圖3)。



圖3 : ZF Electronics 的 AFIK-5002 評估套件含有開發人員評估能源擷取開關系統所需的所有元件,包括翹板開關、按鈕、獨立產生器以及接收器。(source:ZF Electronics)
圖3 : ZF Electronics 的 AFIK-5002 評估套件含有開發人員評估能源擷取開關系統所需的所有元件,包括翹板開關、按鈕、獨立產生器以及接收器。(source:ZF Electronics)

此評估套件含有前面探討過的接收器單元和翹板開關,並隨附有 USB 纜線。圖3 下排中間是接收器的塑膠天線外罩。另外,此評估套件還含有能源擷取按鈕開關以及類似於 ZF Electronics AFIG-0007 的獨立能源擷取產生器 (圖 3 帶有黃色線圈的項目)。該產生器是每個 ZF Electronics 能源擷取按鈕開關或翹板開關的核心,負責將開關致動動作轉譯成發射的電報。開發人員可按原設計使用能源擷取產生器,也可使用產生器打造自己的能源擷取開關。


此評估套件使用簡單。接收器可透過 USB 連接到執行套件示範軟體的 PC 上。任何隨附的開關都可與接收器配對。示範軟體不僅會顯示配對作業的狀態,還會顯示所有收到的電報,包括原始 48 位元電報資料、時間戳記、開關的唯一識別碼、開關狀態、該次開關致動發射的電報數以及訊號強度等。訊號強度資訊特別重要,這些資訊極大程度確保了發射器和接收器之間的距離與放置能達到可靠的訊號強度。


結論

能源擷取開關可解決工業物聯網中看似無法輕鬆解決的特殊問題。如本文所述,這些開關在放置時具有更高的彈性,可放在傳統解決方案不可行的位置上,極大簡化了工業設施的佈局。


(本文由Digi-Key公司提供,作者Rich Miron為Digi-Key北美編輯群之一)


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