EUR | USD

Bespaar tijd en kosten met draadloze omgevingsenergieschakelaars voor IIoT-installaties

Door Bill Giovino

Bijgedragen door De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key

Vooruitgang binnen het Industrial Internet of Things (IIoT) heeft geleid tot toegenomen efficiëntie in fabrieken en productie als gevolg van verbeterde sensorgebaseerde bewaking. Verbeteringen in invoerapparaten zoals touchscreens en membraanschakelaars hebben ook geholpen. Toch zijn er bepaalde besturingssystemen waarvoor nog een mechanische schakelaar nodig is vanwege hun robuustheid en gebruiksgemak. Soms is dit lastig als die schakelaar op enige afstand van de te regelen apparatuur moet worden bediend.

Voorbeelden zijn situaties waarbij een bestuurder van een vorkheftruck een toegangsdeur moet bedienen of wanneer de te besturen inrichting normaal gesproken ontoegankelijk is of zich op een locatie bevindt waarvoor milieubeschermende maatregelen gelden. In dergelijke gevallen is het gebruik van kabels onpraktisch en kostbaar en is een draadloze schakelaar een betere optie. Maar zelfs dan is het gebruik van een draadloze schakelaar afhankelijk van de levensduur van de batterij en moet de batterij regelmatig worden opgeladen of vervangen.

Dit artikel laat zien hoe batterijloze schakelaars van ZF Electronics (voorheen Cherry Industrial Solutions) deze problemen kan oplossen door energie uit hun omgeving te halen.

Toepassingen voor IIoT-omgevingsenergieschakelaars

Bij de migratie naar een IIoT-framework is het vaak mogelijk om bestaande apparatuur te gebruiken, vooral wanneer traditionele aan de muur bevestigde apparatuur en lichtschakelaars worden gebruikt en er op deze locaties elektriciteit beschikbaar is. Veel productiefaciliteiten worden echter zodanig gebouwd dat ze eenvoudig kunnen worden geconfigureerd, zodat een bestaande assemblagelijn snel kan worden afgebroken en opnieuw geconfigureerd voor de productie van een ander product. De downtime als gevolg van deze herconfiguratie kan echter duur zijn, dus ontwerpers en installatietechnici kunnen beter gebruik maken van elke technologie of oplossing die de herconfiguratietijd kan verkorten. Omgevingsenergieschakelaars (energy harvesting switches) die energie uit hun omgeving ‘oogsten’ zijn zo'n tijdbesparende oplossing.

De meeste machines in een fabriek zijn verbonden met de hoofdbesturingshub en kunnen vanaf die centrale locatie worden geconfigureerd. Soms moet apparatuur echter op de fabrieksvloer worden bediend, wat vaak onpraktisch en/of onhandig is. Denk bijvoorbeeld aan het op afstand openen en sluiten van deuren, het in- en uitschakelen van hoogspanningsapparatuur, het bedienen van liften, het openen en sluiten van kleppen, het configureren van ventilatiesystemen en het regelen van gevoelige apparaten of apparatuur waarvoor milieubeschermende maatregelen gelden. Ook zijn er gevallen waarbij de bedieningsschakelaar niet op een vaste plaats kan worden gemonteerd en moet deze mobiel zijn of is het beschikbare montagegebied van glas of beton zodat de beugel niet kan worden gemonteerd.

Hoewel elke van deze situaties anders is, hebben ze allemaal één ding gemeen: het zijn bijzondere schakeltoepassingen waarop normale procedures voor montage, bekabelde connectiviteit en onderhoud niet van toepassing zijn. Speciaal voor deze ongebruikelijke toepassingen heeft ZF Electronics draadloze, batterijloze schakelaars ontwikkeld zoals de AFIS-5003-omgevingsenergietuimelschakelaar (Afbeelding 1). De schakelaar is autonoom en onderhoudsvrij en vereist geen extra onderdelen.

Afbeelding van AFIS-5003 omgevingsenergietuimelschakelaar van ZF ElectronicsAfbeelding 1: De AFIS-5003 van ZF Electronics gebruikt geen externe stroom en heeft geen batterij. In plaats daarvan wordt de elektriciteit die wordt gebruikt om een draadloos signaal te verzenden, door het apparaat zelf gegenereerd wanneer de schakelaar wordt ingedrukt. (Bron afbeelding: ZF Electronics)

De AFIS-5003 ziet eruit als een standaard tuimelschakelaar en kan worden gemonteerd in een standaard montagegat van 27 x 12 millimeter (mm). In plaats van twee contactbevestigingslipjes aan de achterzijde is er echter een enkele draad van 70 mm lang die loodrecht uitsteekt. Deze draad dient als antenne en wordt gebruikt om een schakelactie naar een compatibele ontvanger te verzenden. De schakelaar wordt gevoed door de energie om te zetten die wordt gegenereerd wanneer de schakelaar wordt ingedrukt. Voor het indrukken van de schakelaar is een kracht van 1,12 pond (lbs) vereist, die door een kleine interne generator wordt opgewekt.

De generator levert voldoende spanning om tijdelijk een reeks 48-bits gegevenspakketten van elk 330 microwatt (µW), ook wel telegrammen genoemd, te verzenden die de status van de schakelaar naar een compatibele ontvanger doorgeven. De AFIS-5003 maakt gebruik van de 915 megahertz (MHz) frequentieband en het telegram wordt drie keer verzonden, hoewel voor een grotere betrouwbaarheid de schakelaar kan worden geconfigureerd om tot zeven telegrammen te verzenden. De tijdsduur tussen elk verzonden telegram is pseudo-willekeurig verdeeld, waardoor periodieke RF-interferentie kan worden vermeden, zoals met andere AFIS-5003-schakelaars die eventueel tegelijkertijd worden bediend. Elk telegram bevat het unieke id-nummer van de schakelaar, de schakelstatus en het totaal aantal telegrammen dat voor die schakelaarbediening wordt verzonden.

De AFIS-5003-schakelaar is geschikt voor 100.000 activeringen en is dus robuust genoeg voor frequent gebruik. De bedrijfstemperatuur is -40 °C tot 85 °C, waardoor de schakelaar geschikt is voor de meeste industriële omgevingen. De schakelaar is niet vochtbestendig, maar heeft een IP40-bescherming tegen stof. Voor industriële omgevingen is het raadzaam de schakelaar in een kleine behuizing te monteren. De behuizing moet van kunststof zijn, omdat metaal de overdracht van het draadloze signaal verstoort.

Omdat de schakelaar geen stroom nodig heeft, hoeft er geen batterij te worden opgeladen of vervangen, wat kostbare onderhoudsprocedures elimineert. Dit helpt ook bij het oplossen van problemen met het ontvangen van de telegrammen, omdat de levensduur van de batterij geen diagnostisch probleem is. Bovendien is er geen externe voeding nodig naar de schakelaar, wat zorgt voor een eenvoudiger productielay-out. Zo nodig kan de schakelaar binnen enkele seconden naar een andere locatie worden verplaatst zonder dat onderhoudspersoneel moet worden ingeschakeld om de schakelaar en de voeding te verplaatsen.

Liftbediening

De schakelaar is uitgerust met twee antennes. De interne antenne op de printplaat heeft een beperkt bereik dat afhankelijk is van zowel de behuizing als de omgeving. Voor grotere afstanden is er een 7cm-draadantenne aan de achterkant van de schakelaar die geschikt is voor het verzenden van telegrammen tot 30 meter (m). Uit tests door ZF Electronics zelf is echter gebleken dat deze omgevingsenergieschakelaars in direct zicht en met minimale interferentie over een afstand van wel 300 m kunnen verzenden.

Net als bij andere RF-zenders is de juiste plaatsing van de antenne van essentieel belang voor de beste werking. De draadantenne mag niet gedraaid zijn en mag niet in contact komen met metalen oppervlakken om te voorkomen dat het bereik van de antenne wordt beperkt.

Een praktische toepassing voor de AFIS-5003-schakelaar is bijvoorbeeld een vorkheftrucklift. De vorkheftruck rijdt in de lift en moet vervolgens de lift tussen de verdiepingen verplaatsen. In plaats van tijd te verspillen door uit de vorkheftruck te moeten stappen om een wandschakelaar te bedienen, kan de heftruckbestuurder de lift bedienen met een AFIS-5003-schakelaar van ZF Electronics. Dit is vooral handig voor werkzaamheden waarbij vorkheftrucks van andere faciliteiten tijdelijk op de fabriekslocatie worden gebruikt of als eigen vorkheftrucks aan andere faciliteiten worden toegewezen. Een kunststof kast met de AFIS-5003-schakelaar kan tijdelijk binnen handbereik van de bestuurder aan de heftruck worden bevestigd. Aangezien de schakelaar alleen in de lift hoeft te verzenden, hoeft deze toepassing slechts de interne antenne op de printplaat van de schakelaar te gebruiken. Dit beperkt het zendbereik, wat de kans op storing van andere schakelaars of apparaten in de buurt verminderd.

Omgevingsenergieontvangers

De schakelaar verzendt een signaal naar een compatibele ZF Electronics-ontvanger zoals de AFZE-5003 ontvangermodule (Afbeelding 2). De schakelaarzender wordt gekoppeld aan de ontvanger door op de koppelingsknop op de ontvanger te drukken en de omgevingsenergieschakelaar te activeren. Een lampje op de ontvanger gaat knipperen om aan te geven dat de ontvanger is gekoppeld. Deze ontvanger kan signalen ontvangen van maximaal 32 ZF Electronics 915MHz-omgevingsenergiezenders, hoewel dit met de hulp van de fabrikant kan worden uitgebreid tot 256 zenders. Elke omgevingsenergieschakelaar kan aan een onbeperkt aantal ontvangers worden gekoppeld. Het koppelen van een schakelaar met twee of meer ontvangers kan handig zijn bij kritieke toepassingen waar redundantie vereist is of waar het schakelbereik moet worden uitgebreid, bijvoorbeeld wanneer hetzelfde systeem vanaf meerdere afgelegen locaties moet worden bediend.

Afbeelding van de AFZE-5003 915MHz-ontvangermodule van ZF ElectronicsAfbeelding 2: De AFZE-5003 915MHz-ontvangermodule van ZF Electronics (rechts) kan signalen ontvangen van maximaal 32 omgevingsenergiezenders, wat eventueel kan worden uitgebreid tot 256 zenders. De module is ook verkrijgbaar zonder behuizing zoals links is afgebeeld. (Bron afbeelding: ZF Electronics)

De AFZE-5003 kan worden aangesloten op een microcontroller, programmeerbare logische controller (PLC) of computer met een UART-interface die RS-232 of RS-485 ondersteunt via TTL-logische niveaus. Zoals in afbeelding 2 te zien is, komt de AFZE-5003 (rechts) met een kunststof behuizing die geschikt is voor een industriële omgeving. Het apparaat heeft ook een USB 2.0-interface om verbinding te maken met een host-pc voor toepassingsontwikkeling. Het operationele deel van de AFZE-5003 is een kleine printplaat zoals links te zien is (opnieuw afbeelding 2). Deze printplaat is ook verkrijgbaar als aparte eenheid voor integratie in een groter systeem.

De ontvanger kan worden gevoed via de USB-interface of een externe 5V-voeding en behoudt de koppelingsinformatie, zelfs als de ontvanger niet is aangesloten op de netspanning. De AFZE-5003 kan in de buurt van de centrale PLC worden geplaatst en kan telegrammen ontvangen van alle omgevingsenergieschakelaars op de fabrieksvloer. De schakelstatus wordt vervolgens via de UART naar de PLC gestuurd, die vervolgens via ethernet of wifi de juiste apparatuur configureert.

Ontwikkelen met de omgevingsenergieschakelaar

Voor ontwikkelaars levert ZF Electronics de AFIK-5002 omgevingsenergie-evaluatiekit (Afbeelding 3).

Afbeelding van de AFIK-5002-evaluatiekit van ZF ElectronicsAfbeelding 3: De AFIK-5002-evaluatiekit van ZF Electronics bevat alles wat een ontwikkelaar nodig heeft voor het evalueren van een omgevingsenergieschakelaarsysteem, waaronder een tuimelschakelaar, een drukknop, een autonome generator en een ontvanger. (Bron afbeelding: ZF Electronics)

De evaluatiekit bevat dezelfde ontvangereenheid en tuimelschakelaar die hierboven zijn besproken. Verder wordt er ook een USB-kabel meegeleverd. De kunststof antennebehuizing voor de ontvanger is te zien vooraan in afbeelding 3. De evaluatiekit bevat tevens een omgevingsenergiedrukknop, evenals een autonome omgevingsenergiegenerator vergelijkbaar met de AFIG-0007 van ZF Electronics die in afbeelding 3 is weergegeven met een gele spoel. Deze generator vormt de kern van elke omgevingsenergiedrukknop of -tuimelschakelaar van ZF Electronics en is verantwoordelijk voor het omzetten van de schakelaarbediening naar het verzonden telegram. Ontwikkelaars kunnen de kant en klare omgevingsenergiegenerator gebruiken of met behulp van de generator hun eigen omgevingsenergieschakelaar bouwen.

De evaluatiekit is eenvoudig in gebruik. De ontvanger wordt via USB aangesloten op een pc waarop de demosoftware van de kit draait. Alle meegeleverde schakelaars kunnen met de ontvanger worden gekoppeld. De demonstratiesoftware toont de status van de koppeling en geeft ook alle ontvangen telegrammen weer, inclusief de onbewerkte 48-bits telegramgegevens, een tijdstempel, het unieke id-nummer van de schakelaar, de schakelstatus, het aantal telegrammen dat voor die schakelaarbediening wordt verzonden en de signaalsterkte. De informatie over de signaalsterkte is vooral belangrijk, omdat hiermee kan worden bepaald of de afstand en plaatsing tussen zender en ontvanger een betrouwbare signaalsterkte mogelijk maakt.

Conclusie

Omgevingsenergieschakelaars kunnen een unieke oplossing bieden voor IIoT-situaties die anders niet eenvoudig op te lossen zouden zijn. Zoals we hebben gezien, kunnen ze de een industriële productielay-out aanzienlijk vereenvoudigen door extra flexibiliteit te bieden voor het plaatsen van schakelaars op locaties waar conventionele oplossingen onpraktisch zouden zijn.

Disclaimer: The opinions, beliefs, and viewpoints expressed by the various authors and/or forum participants on this website do not necessarily reflect the opinions, beliefs, and viewpoints of Digi-Key Electronics or official policies of Digi-Key Electronics.

Achtergrondinformatie over deze auteur

Bill Giovino

Bill Giovino is een ingenieur in elektronica met een BSEE van de Syracuse University. Hij is een van de weinigen die met succes de overstap maakten van ontwerpingenieur naar ingenieur veldtoepassingen en vervolgens naar technologiemarketing.

Meer dan 25 jaar lang heeft Bill met veel toewijding nieuwe technologieën gepromoot ten overstaan van zowel technisch als niet-technisch publiek voor vele bedrijven, waaronder STMicroelectronics, Intel en Maxim Integrated. Toen hij bij STMicroelectronics actief was, hielp Bill bij de doorbraak van de eerste successen van het bedrijf in de sector van microcontrollers. Bij Infineon stond Bill in voor de eerste toepassingen van het microcontrollerontwerp van het bedrijf in de Amerikaanse autosector. Als marketing consultant voor zijn bedrijf CPU Technologies, hielp Bill vele bedrijven om laag presterende producten op te krikken en er een succesverhaal van te maken.

Bill was een van de eersten die het Internet of Things toepaste. Hij plaatste de eerste volledige TCP/IP-stack op een microcontroller. Bill is trouw aan het motto “Verkoop via opvoeding” en wijst op het toenemende belang van duidelijke, goed geschreven mededelingen om producten online te promoten. Hij is moderator van de populaire LinkedIn Semiconductor Sales & Marketing Group en spreekt vlot B2E.

Over deze uitgever

De Noord-Amerikaanse redacteurs van Digi-Key