靈活制造和無線連接是現(xiàn)今工廠的兩大需求。制造商需要對不斷變化的客戶需求、定制化和較短的產(chǎn)品生命周期做出快速響應。他們需要可互換的工藝和設備,可以重新配置、修改和更換為免維護連接器,從而降低成本和停機時間。然而,工廠車間的許多可互換設備仍然依賴于傳統(tǒng)的物理連接器,這些連接器會有磨損,進而影響材料成本和工業(yè)生產(chǎn)力。
想象一下,在一家工廠里,物理連接器已經(jīng)消失;命令指令在機器人子系統(tǒng)之間以無線方式發(fā)送,能夠快速有效地更改工具集和設置,在降低成本的同時提高了生產(chǎn)速度。這樣的工廠場景還會遠嗎?不,Phoenix Contact公司的回答是否定的。該公司是工業(yè)自動化、互聯(lián)和接口解決方案提供商,以開發(fā)精密連接器著稱。
Phoenix Contact有一個愿景,那就是用快速的工業(yè)無線連接器實現(xiàn)當今制造業(yè)的飛躍。然而Phoenix Contact需要一個在毫米波(RF)技術方面具有專長的合作伙伴,以便更快地進入市場,實現(xiàn)目標。為此,這家行業(yè)創(chuàng)新企業(yè)與憑借深厚領域知識和技術專長而聞名的ADI公司合作,以迎接挑戰(zhàn)并共同開發(fā)具有緊湊、超低延遲、協(xié)議無關毫米波解決方案的無線連接器。下一代技術將使工業(yè)無線連接器得以大規(guī)模部署,打開了通往一個有盈利潛力的新工業(yè)市場領域的大門。
挑戰(zhàn)
在汽車制造過程中存在非常明顯的連接器磨損。機器人手臂和不斷變化的工具組之間每天都會有數(shù)百次配接周期(如圖1)?!坝捎诠ぞ吒鼡Q過程中的配接周期很多,觸點容易‘燒壞’,連接器的使用壽命大大縮短。在不斷更換過程中,它們會變臟或彎曲。”Phoenix Contact通信接口產(chǎn)品營銷部的Benjamin Fiene說道,“這會導致無法預測的計劃外停機時間。定期預防性維護周期的成本很快就會達到七位數(shù)?!?/p>
據(jù)IBM統(tǒng)計,對損壞的零件和設備做出響應所花費的維護時間能占到80%。
在制造廠惡劣的工作環(huán)境中,物理連接器的可靠性和使用壽命會受到限制,需要定期維護。連接器中的插頭和插座必須精確定位;否則,脆弱的針腳會很快損壞。連接器錯位可能會導致觸點彎曲和停機,需要立即更換整個連接器組件。
Phoenix Contact設想的無線連接器是非接觸式的,完全不會有接觸。與傳統(tǒng)的連接器解決方案不同,耦合器可以從任何方向或在旋轉中相互連接(如圖3所示)。最顯著的成本節(jié)約來自于減少了不可預測的生產(chǎn)停工時間。
理想情況下,合適的無線解決方案必須比以往任何時候都能更快地傳輸和接收數(shù)據(jù),以確保實時通信,包括免許可操作,不受網(wǎng)絡干擾,并且支持所有標準的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。所有這些都要在一個小尺寸的外形內(nèi)實現(xiàn)。擬議的解決方案將不僅是芯片級的,而是一個完整系統(tǒng)設計挑戰(zhàn)。
一款工業(yè)無線解決方案
Phoenix Contact通信接口營銷與開發(fā)總監(jiān)Frank Hakemeyer指出:“我們已經(jīng)勾勒出最終產(chǎn)品的外觀,并決心開發(fā)和制造我們自己的無線連接器。但我們需要一個在射頻技術方面具有專長的合作伙伴,那就是ADI?!?/p>
2019年8月,Phoenix Contact與ADI合作開發(fā)了一項新的工業(yè)創(chuàng)新—沒有電線卻能實現(xiàn)電線功能—就這樣誕生了。
Phoenix Contact的完整無線連接器解決方案名為NearFi耦合器,包括三個主要功能模塊,分別是數(shù)據(jù)鏈路、電源鏈路和基帶電子器件。它們?nèi)患傻揭粋€緊湊設計中,使最終產(chǎn)品能夠無縫應用于眾多工業(yè)應用。ADI負責開發(fā)數(shù)據(jù)鏈路。利用Phoenix Contact的NearFi技術,上行鏈路和下行鏈路信號可提供雙向同步數(shù)據(jù)交換,即全雙工操作。NearFi技術的響應速度是5G的500倍。換句話說,它是無延遲的。
適合Phoenix Contact的全套解決方案
ADI利用射頻專業(yè)技術,將現(xiàn)有的收發(fā)器芯片組(HMC6300/HMC6301)和兩個專用天線集成在一個層壓板上。為了向Phoenix Contact提供全套的定制解決方案,ADI還開發(fā)了一個專門配套的印刷電路板,用來為層壓板供電,并將其基帶部分連接到終端設備。結果開發(fā)出了ADMV9611/ADMV9621(圖4)。這是一款完整的60GHz數(shù)據(jù)鏈路解決方案,也是實現(xiàn)Phoenix Contact新開發(fā)的NearFi的一項技術。
圖4. ADI ADMV9611/ADMV9621 PCB解決方案
該數(shù)據(jù)鏈路為目標應用提供了緊湊且經(jīng)濟高效的數(shù)據(jù)互連,并以較低的成本實現(xiàn)了更好的性能,其優(yōu)勢包括:
不受電磁干擾—可實現(xiàn)免維護、高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸,對所有電磁干擾具有很強的抵抗力。
不受環(huán)境污染影響—確保在灰塵和污染的工業(yè)環(huán)境中進行可靠的通信(該解決方案可以“看穿”這樣的環(huán)境)。與其他可能會被灰塵阻礙的高速無線光纖鏈路相比,這是一個關鍵的優(yōu)勢。
處理對準誤差—即使在高對準誤差和收發(fā)器對存在大間距/間隔的情況下,也可以不間斷地運行。
協(xié)議無關—由于設計的實現(xiàn)是完全不受協(xié)議限制的,因此可兼容全部的以太網(wǎng)協(xié)議。
允許耦合器共存—允許幾個NearFi耦合器和其他60GHz應用在一個非常狹窄的空間內(nèi)共存。
其他應用
Phoenix Contact現(xiàn)在已經(jīng)做好準備利用其NearFi耦合器,或在整個旋轉滑環(huán)應用中傳輸數(shù)據(jù)和電力,這些應用包括廣泛用于生產(chǎn)線的旋轉臺機構,比如食品和飲料行業(yè)使用的瓶子灌裝機;制造業(yè)的汽車裝配廠;通信業(yè)的機場指揮塔上的旋轉天線;或可再生資源行業(yè)的風車葉片。旋轉工具或機器的旋轉方式不適合使用電線,因為電線會扭曲。在工業(yè)應用中,電線是不實用的,因為需要在靜止物體和旋轉物體之間建立連接。因此,它使用的是由電刷和細小的電導絲組成的機電觸點。
這些產(chǎn)品容易出現(xiàn)高機械磨損,需要精確制造,從而推高了成本和故障率。Phoenix Contact的NearFi耦合器只需要簡單的、不甚精確的位置,也可確保可靠、無磨損的傳輸。利用NearFi耦合器的優(yōu)勢,可以通過旋轉組件中的旋轉連接處傳輸數(shù)據(jù)和電力。這項技術將擴大制造商的應用和商業(yè)機會。
ADI與Phoenix Contact的合作創(chuàng)造了一款產(chǎn)品,即用于工業(yè)環(huán)境中高速無線通信的數(shù)據(jù)鏈路。它可用于任何協(xié)議,幾乎沒有信號傳輸延遲。雙方的合作還催生了一種用于廣泛工業(yè)應用的新型獨立產(chǎn)品——ADMV9611/ADMV9621。ADI將從2021年秋季開始向其他客戶提供這款產(chǎn)品。
ADI正在研究為使用計算機斷層掃描(CT掃描)或其他成像相關設備等醫(yī)療設備的客戶調(diào)整其全套數(shù)據(jù)鏈路解決方案(圖5)。
其他可能的應用領域包括機器人組件、工業(yè)制造設備,以及任何無線連接器傳輸要穿過玻璃墻或液體的應用——這是物理連接器無法實現(xiàn)的。這是一個價值幾百萬美元的機會。
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