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Sparen Sie Zeit und Kosten in IIoT-Einrichtungen mit drahtlosen Energy Harvesting Switches

Von Bill Giovino

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Die Fortschritte im industriellen Internet der Dinge (IIoT) haben sich aufgrund der verbesserten sensorgestützten Überwachung in einer gesteigerten Effizienz der Fabrik und der Fertigung niedergeschlagen. Verbesserungen bei Geräten mit menschlicher Schnittstelle wie Touchscreens und Membranschaltern haben ebenfalls geholfen. Dennoch gibt es Fälle, in denen aufgrund der Robustheit und der einfachen Handhabung von Steuersystemen immer noch ein mechanischer Schalter erforderlich ist. Probleme können manchmal auftreten, wenn dieser Schalter in einiger Entfernung von der zu steuernden Anlage betätigt werden muss.

Zu diesen Situationen gehört, wenn ein Gabelstaplerfahrer einen Eingang kontrollieren muss oder wenn das zu kontrollierende Gerät normalerweise nicht zugänglich ist oder sich an einem umweltgeschützten Ort befindet. In solchen Fällen, in denen die Verlegung von Kabeln unpraktisch und kostspielig sein kann, ist ein drahtloser Schalter die bessere Option. Selbst dann ist der Betrieb eines drahtlosen Schalters von der Lebensdauer der Batterie abhängig, so dass eine Wartung erforderlich ist, um die Batterie regelmäßig aufzuladen oder auszutauschen.

Dieser Artikel wird zeigen, wie batterielose Energy Harvesting-Schalter von ZF Electronics (ehemals Cherry Industrial Solutions) diese Probleme lösen können.

IIoT- und Energy-Harvesting-Schalteranwendungen

Bei der Migration zu einem IIoT-Rahmenwerk kann häufig auf vorhandene Ausrüstung zurückgegriffen werden, insbesondere wenn herkömmliche wandmontierte Geräte und Lichtschalter verwendet werden und an diesen Standorten Strom leicht verfügbar ist. Viele Produktionsanlagen sind jedoch so gebaut, dass sie leicht konfigurierbar sind, so dass die gegenwärtige Montagelinie schnell abgebaut und neu konfiguriert werden kann, um ein anderes Produkt herzustellen. Eine Rekonfiguration kann in Bezug auf Ausfallzeiten kostspielig sein, daher sollte jede Technologie oder Lösung, die die Rekonfigurationszeit verkürzen kann, einen zweiten Blick von Konstrukteuren und Anlagentechnikern erhalten. Eine solche zeitsparende Lösung sind die Energy Harvesting-Schalter.

Die meisten Fabrikmaschinen sind mit dem Hauptsteuerungs-Hub vernetzt und können von diesem zentralen Standort aus konfiguriert werden. Es gibt jedoch Situationen, in denen Geräte in der Fabrikhalle betrieben werden müssen, in denen es entweder unpraktisch oder unbequem oder beides ist, das System am Standort der Geräte zu steuern. Zu solchen Situationen gehören das ferngesteuerte Öffnen und Schließen von Türen, das Ein- und Ausschalten von Hochspannungsgeräten, der Betrieb von Geräteaufzügen, das Öffnen und Schließen von Ventilen, die Steuerung von umweltgeschützten oder empfindlichen Geräten oder Anlagen oder die Konfiguration von Entlüftungssystemen. Manchmal kann der Bedienungsschalter nicht an einem Ort montiert werden und muss beweglich sein, oder die verfügbare Montagefläche ist Glas oder Beton und kann daher keine Montagehalterung halten.

Obwohl es sich hierbei um sehr unterschiedliche Anwendungen handelt, haben sie doch alle eines gemeinsam - es handelt sich um nicht standardmäßige Switch-Anwendungen, bei denen normale Montage-, Kabelverbindungs- und Wartungsverfahren nicht zur Anwendung kommen. Für diese ungewöhnlichen Anwendungen hat ZF Electronics drahtlose, batterielose Schalter wie den Energy Harvesting Wippschalter AFIS-5003 entwickelt (Abbildung 1). Der Schalter ist in sich geschlossen und wartungsfrei und erfordert keine zusätzlichen Komponenten für den ordnungsgemäßen Betrieb.

Bild von ZF Electronics AFIS-5003 Energy Harvesting WippschalterAbbildung 1: Die ZF-Elektronik AFIS-5003 benötigt keine externe Stromversorgung oder Batterie. Stattdessen erzeugt er die für die Übertragung eines drahtlosen Signals verwendete Energie, indem er die beim Drücken des Schalters erzeugte Energie erntet. (Bildquelle: ZF Electronics)

Der AFIS-5003 sieht aus wie ein Standard-Wippschalter und kann in einer Standard-Montageöffnung von 27 x 12 Millimeter (mm) montiert werden. Anstelle von zwei Kontaktbefestigungslaschen auf der Rückseite befindet sich jedoch ein einziger 70 mm langer Draht, der senkrecht vom Schalter ausgeht. Dieser Draht ist eine Antenne, die zur Übertragung einer Schaltaktion an einen kompatiblen Empfänger verwendet wird. Der Schalter bezieht seine Leistung durch die Umwandlung der beim Drücken des Schalters erzeugten Energie. Das Drücken einer Seite des Schalters erfordert eine Kraft von 1,12 Pfund (lb), die von einem kleinen internen Generator aufgebracht wird.

Der Generator gibt eine Spannung aus, die ausreicht, um kurzzeitig eine Reihe von 330 Mikrowatt (µW) 48-Bit-Datenpaketen, die als Telegramme bezeichnet werden, zu übertragen, die den Zustand des Schalters an einen kompatiblen Empfänger senden. Der AFIS-5003 sendet über das 915-Megahertz-Band (MHz), und das Telegramm wird dreimal übertragen, obwohl der Schalter zur Erhöhung der Zuverlässigkeit für die Übertragung von bis zu sieben Telegrammen konfiguriert werden kann. Die Verzögerung zwischen den einzelnen gesendeten Telegrammen ist pseudozufällig, was dazu beiträgt, alle periodischen HF-Interferenzen zu überwinden, einschließlich anderer AFIS-5003-Schalter, die gleichzeitig aktiviert werden könnten. Jedes Telegramm enthält die eindeutige ID-Nummer des Schalters, den Schaltzustand und die Gesamtzahl der für diese Schalterbetätigung übertragenen Telegramme.

Der Schalter AFIS-5003 ist für 100.000 Betätigungen ausgelegt und damit robust genug für den häufigen Einsatz. Die Betriebstemperatur beträgt -40°C bis +85°C, so dass sie für die meisten industriellen Umgebungen geeignet ist. Der Schalter hat die Schutzart IP40 und ist somit gegen etwas Staub geschützt, obwohl er nicht feuchtigkeitsbeständig ist. Für eine industrielle Umgebung wird empfohlen, den Schalter in einem kleinen Gehäuse zu montieren. Das Gehäuse sollte aus Kunststoff sein, da Metall die Übertragung des Funksignals stören würde.

Da der Schalter keinen Strom benötigt, ist kein Aufladen oder Austauschen der Batterie erforderlich, was eine kostspielige Wartungsroutine überflüssig macht. Dies hilft auch bei der Fehlerbehebung, wenn es ein Problem beim Empfang der Telegramme gibt, da die Batterielebensdauer kein Diagnoseproblem ist. Darüber hinaus muss keine externe Stromversorgung zum Schalter geführt werden, was das Fabriklayout vereinfacht. Falls erforderlich, kann der Schalter in Sekundenschnelle an einen anderen Ort verlegt werden, anstatt Wartungspersonal für die Verlegung des Schalters und der Stromversorgung einzusetzen.

Betrieb des Aufzugs

Der Schalter hat zwei Antennen: Eine interne Leiterplattenantenne hat eine begrenzte Reichweite, die sowohl vom Gehäuse als auch von der Umgebung abhängt. Für größere Entfernungen ist eine 2,756-Zoll-Drahtantenne auf der Rückseite des Schalters dafür ausgelegt, ein Telegramm bis zu 100 Fuß zu übertragen. Eigene Tests von ZF Electronics haben jedoch gezeigt, dass diese Energy-Harvesting-Schalter bei klarer Sichtverbindung und minimaler Interferenz bis zu einer Höhe von 980 Fuß übertragen können.

Wie bei allen Hochfrequenzsendern (RF) ist die richtige Platzierung der Antenne entscheidend, um die Effektivität des Schalters zu maximieren. Die Drahtantenne darf nicht verdreht werden und darf nicht mit Metalloberflächen in Berührung kommen, da beides die Reichweite der Antenne einschränken könnte.

Eine praktische Anwendung für den AFIS-5003-Schalter wäre ein Gabelstapleraufzug. Ein Gabelstaplerfahrer fährt in den Aufzug und muss den Aufzug dann zwischen den Etagen bewegen. Anstatt Zeit zu verschwenden, um aus dem Gabelstapler auszusteigen und einen Wandschalter zu betätigen, kann ein AFIS-5003-Schalter von ZF Electronics beim Gabelstaplerfahrer sein, um den Aufzug zu aktivieren. Dies ist besonders nützlich für Einsätze, bei denen sich Gabelstapler aus anderen Einrichtungen vorübergehend am Standort der Fabrik befinden oder andere Gabelstapler an andere Einrichtungen versetzt werden können. Eine Kunststoffbox mit dem AFIS-5003-Schalter kann vorübergehend am Gabelstapler in Reichweite des Fahrers angebracht werden. Da der Schalter nur innerhalb des Aufzugs senden müsste, könnte diese Anwendung davon profitieren, wenn nur die interne Leiterplattenantenne des Schalters verwendet würde. Dies würde den Sendebereich einschränken und damit die Wahrscheinlichkeit einer Störung anderer Schalter oder Geräte in der Nähe verringern.

Energiegewinnungs-Schalterempfänger

Der Schalter überträgt sein Signal an einen kompatiblen ZF-Elektronik-Empfänger, wie z.B. das Empfängermodul AFZE-5003 (Abbildung 2). Ein Schaltsender wird mit einem Empfänger gepaart, indem die Paarungstaste am Empfänger gedrückt und dann der Energy Harvesting-Schalter aktiviert wird. Ein Licht blinkt auf dem Empfänger, um anzuzeigen, dass die Kopplung erfolgreich abgeschlossen ist. Dieser Empfänger kann Signale von bis zu 32 915 MHz-Sendern von ZF Electronics Energy Harvesting empfangen, wobei diese Zahl mit Unterstützung des Herstellers auf 256 Sender erhöht werden kann. Ein Energy-Harvesting-Schalter kann mit einer unbegrenzten Anzahl von Empfängern gekoppelt werden. Die Kopplung eines Switches mit zwei oder mehr Empfängern kann in kritischen Anwendungen nützlich sein, wenn Redundanz erforderlich ist oder wenn der Switch-Bereich erweitert werden muss, wenn dasselbe System von mehreren entfernten Standorten aus gesteuert werden muss.

Abbildung des ZF Electronics AFZE-5003 915 MHz-EmpfängermodulsAbbildung 2: Das ZF Electronics AFZE-5003 915 MHz-Empfängermodul (rechts) kann Signale von bis zu 32 Energy Harvesting-Sendern empfangen und kann auf bis zu 256 Sender erweitert werden. Es ist auch ohne das Gehäuse erhältlich, wie auf der linken Seite zu sehen. (Bildquelle: ZF Electronics)

Der AFZE-5003 kann an jeden Mikrocontroller, jede speicherprogrammierbare Steuerung (SPS) oder jeden Computer mit einer UART-Schnittstelle, die RS-232 oder RS-485 mit TTL-Logikpegeln unterstützt, angeschlossen werden. Wie in Abbildung 2 zu sehen ist, befindet sich der AFZE-5003 auf der rechten Seite in einem für eine industrielle Umgebung geeigneten Kunststoffgehäuse. Er verfügt außerdem über eine USB 2.0-Schnittstelle zum Anschluss an einen Host-PC für die Anwendungsentwicklung. Die operative Komponente des AFZE-5003 ist ein stempelgroßes Brett, wie auf der linken Seite zu sehen ist (Abbildung 2). Diese Karte ist auch als eigenständige Einheit zur Integration in ein größeres System erhältlich.

Der Empfänger kann über die USB-Schnittstelle oder ein externes 5-Volt-Netzteil mit Strom versorgt werden und behält die Paarungsinformationen auch dann bei, wenn er von der Stromversorgung getrennt wird. Der AFZE-5003 kann in der Nähe der zentralen SPS aufgestellt werden, wo er Telegramme von allen Energy Harvesting-Schaltern in der Fabrikhalle empfängt. Der Schaltzustand wird dann über den UART an die SPS gesendet, die dann die entsprechenden Geräte über Ethernet oder Wi-Fi konfiguriert.

Entwicklung von Energie-Ernte-Schaltern

Für die Entwicklung liefert ZF Electronics das AFIK-5002 Energy Harvesting Evaluation Kit (Abbildung 3).

Bild des ZF Electronics AFIK-5002-EvaluierungskitsAbbildung 3: Das AFIK-5002-Evaluierungskit von ZF Electronics enthält alles, was ein Entwickler benötigt, um ein Energy Harvesting-Schaltsystem zu evaluieren, einschließlich eines Wippschalters, eines Druckknopfes, eines eigenständigen Generators und eines Empfängers. (Bildquelle: ZF Electronics)

Das Evaluationskit enthält die gleiche Empfängereinheit und den gleichen Wippschalter, die bereits erwähnt wurden. Ein USB-Kabel ist ebenfalls im Lieferumfang enthalten. Das Kunststoff-Antennengehäuse für den Empfänger ist im mittleren Vordergrund von Abbildung 3 zu sehen. Das Evaluierungskit enthält auch einen Energy Harvesting-Druckschalter sowie einen eigenständigen Energy Harvesting-Generator, ähnlich dem ZF Electronics AFIG-0007, der in Abbildung 3 mit einer gelben Spule dargestellt ist. Dieser Generator ist das Herzstück eines jeden Energy Harvesting-Tasters oder Wippschalters von ZF Electronics und ist für die Umsetzung der Schalterbetätigung in das gesendete Telegramm verantwortlich. Entwickler können den Energy-Harvesting-Generator so verwenden, wie er ist, oder sie können mit Hilfe des Generators ihren eigenen Energy-Harvesting-Schalter bauen.

Das Evaluationskit ist einfach zu verwenden. Der Empfänger wird über USB an einen PC angeschlossen, auf dem die Demo-Software des Kits läuft. Jeder oder alle der mitgelieferten Schalter können mit dem Empfänger gekoppelt werden. Die Demosoftware zeigt den Status des Kopplungsvorgangs und zeigt außerdem alle empfangenen Telegramme einschließlich der 48-Bit-Rohdaten des Telegramms, eines Zeitstempels, der eindeutigen ID-Nummer des Schalters, des Schalterstatus, der Anzahl der für diese Schalterbetätigung gesendeten Telegramme und der Signalstärke an. Die Information über die Signalstärke ist besonders wichtig, da sie wesentlich dazu beiträgt, dass der Abstand und die Platzierung zwischen Sender und Empfänger eine zuverlässige Signalstärke ermöglicht.

Fazit

Energy Harvesting-Schalter können einzigartige Probleme in IIoT-Situationen lösen, die keine einfache Lösung zu haben scheinen. Wie gezeigt, können sie das Layout einer Industrieanlage erheblich vereinfachen, indem sie zusätzliche Flexibilität für die Platzierung von Schaltern an Orten bieten, an denen konventionelle Lösungen unpraktisch wären.

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Über den Autor

Bill Giovino

Bill Giovino ist Elektronikingenieur mit einem BSEE von der Syracuse University und einer der wenigen, die erfolgreich vom Entwicklungsingenieur über den Anwendungsingenieur zum Technologiemarketing wechselten.

Seit über 25 Jahren wirbt Bill für neue Technologien vor technischem und nicht-technischem Publikum für viele Unternehmen, darunter STMicroelectronics, Intel und Maxim Integrated. Während seiner Zeit bei STMicroelectronics trug Bill dazu bei, die frühen Erfolge des Unternehmens in der Mikrocontroller-Industrie voranzutreiben. Bei Infineon inszenierte Bill die ersten Erfolge des Unternehmens im Bereich Mikrocontroller-Design in den USA. Als Marketingberater für sein Unternehmen CPU Technologies hat Bill vielen Unternehmen geholfen, unterbewertete Produkte in Erfolgsgeschichten zu verwandeln.

Bill war zudem ein früher Anwender des Internets der Dinge, einschließlich der Implementierung des ersten vollständigen TCP/IP-Stacks auf einem Mikrocontroller. Die Botschaft von „Verkauf durch Aufklärung“ und die zunehmende Bedeutung einer klaren, gut geschriebenen Kommunikation bei der Vermarktung von Produkten im Internet sind Bills Anliegen. Er ist Moderator der beliebten „Semiconductor Sales & Marketing Group“ auf LinkedIn und spricht fließend B2E.

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Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key