Säästä aikaa ja kustannuksia IIoT-toteutuksissa käyttämällä langattomia, energiaa talteen ottavia kytkimiä

Teollisen esineiden internetin (IIoT) edistysaskeleet ovat johtaneet tehtaiden ja valmistuksen tehostumiseen anturipohjaisen valvonnan parantuessa. Myös käyttöliittymien, kuten kosketusnäyttöjen ja kalvokytkinten parannuksista on ollut apua. Joissakin tapauksissa ohjausjärjestelmät vaativat kuitenkin mekaanisia kytkimiä, sillä ne ovat tukevia ja helppokäyttöisiä. Ongelmia saattaa seurata, jos kytkintä täytyy käyttää matkan päästä ohjattavasta laitteistosta.

Tällaisia tilanteita ovat muun muassa se, jos trukin kuljettajan täytyy ohjata sisäänkäyntiä tai kun ohjattavan laitteen luokse ei pääse tai se sijaitsee ympäristöltä suojatussa paikassa. Langaton kytkin on parempi vaihtoehto tällaisissa tapauksissa, joissa johtojen vetäminen voi olla hankalaa tai kallista. Tällöinkin langattoman kytkimen käyttöä määrittää pariston tai akun kestoikä, ja sen lataaminen tai vaihto edellyttää huollon toimenpiteitä.

Tässä artikkelissa kerrotaan, miten nämä ongelmat voidaan ratkaista käyttämällä ZF Electronicsin (aiemmin Cherry Industrial Solutions) paristottomia, energian talteenottoa käyttäviä kytkimiä.

IIoT ja energiaa talteen ottavat kytkinsovellukset

IIoT-teknologian käyttöön siirryttäessä on usein mahdollista käyttää olemassa olevia laitteita, erityisesti kun käytetään perinteisiä seinäkiinnitteisiä laitteita ja valokytkimiä ja kun asennuspaikassa on käytettävissä sähkövirtaa. Monet valmistustilat on kuitenkin rakennettu helposti konfiguroitaviksi, jotta nykyinen kokoonpanolinja voidaan nopeasti purkaa ja määrittää toisen tuotteen valmistusta varten. Uudelleenkonfigurointi aiheuttaa kalliita käyttökatkoja, joten suunnittelijoiden ja laitosteknikoiden kannattaa huomioida teknologiat ja ratkaisut, joilla käyttökatkon kestoa voidaan lyhentää. Energian talteenottoa tukevat kytkimet ovat eräs tällainen aikaa säästävä ratkaisu.

Useimmat tehtaan koneet on yhdistetty verkon kautta keskittimeen, jonka kautta ne voidaan konfiguroida. Joissakin tilanteissa laitteistoa on kuitenkin ohjattava tehdassalissa myös silloin, kun ohjaus paikan päällä on hankalaa tai epäkäytännöllistä. Tällaisia tilanteita ovat muun muassa ovien avaaminen ja sulkeminen etäohjatusti, korkeajännitelaitteiden kytkeminen päälle ja pois, nostimien käyttäminen, venttiilien avaaminen ja sulkeminen, ympäristöltä suojattujen tai herkkien laitteiden ohjaaminen tai tuuletusjärjestelmien ohjaus. Toisinaan käyttökytkintä ei voi kiinnittää yhteen paikkaan ja sen on oltava liikuteltava, toisinaan taas kiinnitysalue on lasia tai betonia eikä sovellu asennuskiinnikkeelle.

Vaikka nämä ovat hyvin erilaisia sovelluksia, niillä on jotakin yhteistä – ne ovat epästandardeja kytkinsovelluksia, joihin normaalit kiinnitys-, johdotus- ja kunnossapitomenettelyt eivät sovellu. Näihin epätavallisiin sovelluksiin ZF Electronics on kehittänyt langattomia ja paristottomia kytkimiä, kuten energian talteenotolla varustetun AFIS-5003-keinukytkimen (kuva 1). Kytkin on muista osista riippumaton ja huoltovapaa, eikä se tarvitse toimiakseen mitään lisäosia.

Kuva 1: ZF Electronics AFIS-5003 ei tarvitse ulkoista sähkövirtaa tai paristoa. Se luo langattoman signaalin lähettämiseen tarvittavan tehon ottamalla talteen kytkintä painettaessa syntyvän energian. (Kuvan lähde: ZF Electronics)

AFIS-5003 näyttää normaalilta keinukytkimeltä, ja se voidaan asentaa standardin mukaiseen 27 × 12 millimetrin (mm) kiinnitysaukkoon. Takaosassa on kuitenkin kahden kontaktiliuskan sijaan yksi kohtisuora 70 mm:n mittainen johdin. Tämä johdin on antenni, jolla kytkimen ohjaus lähetetään yhteensopivalle vastaanottimelle. Kytkin saa virtansa muuntamalla energiaa, jota syntyy kytkintä painettaessa. Kytkimen yhden puolen painamiseen tarvitaan 1,12 paunan (lb) voima, joka otetaan talteen pienen sisäisen generaattorin kautta.

Generaattori tuottaa jännitteen, joka riittää lähettämään sarjan 330 mikrowatin (µW) 48-bittisiä sähkeiksi kutsuttuja datapaketteja. Niillä kytkimen tila lähetetään yhteensopivalle vastaanottimelle. AFIS-5003 lähettää sähkeen 915 megahertsin (MHz) taajuusalueella, ja sähke lähetetään kolmesti, vaikka luotettavuuden lisäämiseksi on mahdollista ottaa käyttöön myös seitsemän lähetyskertaa. Viive sähkeiden välillä on osittain satunnaistettu, mikä auttaa ehkäisemään RF-taajuisia häiriöitä, joita voivat synnyttää esimerkiksi muut samaan aikaan aktivoidut AFIS-5003-kytkimet. Jokainen sähke sisältää kytkimen yksilöivän tunnisteen, kytkennän tilan sekä kyseisestä kytkimen liikkeestä lähetettyjen sähkeiden kokonaismäärän.

AFIS-5003-kytkin on luokiteltu kestämään 100 000 kytkentäkertaa, mikä tekee siitä riittävän tukevan usein toistuvaan käyttöön. Toimintalämpötila on -40 °C – +85 °C, joten se sopii useimpiin teollisuusympäristöihin. Kytkin on IP40-luokiteltu ja näin pölysuojattu, vaikka se ei olekaan kosteutta kestävä. Teollisessa ympäristössä kytkin suositellaan asennettavaksi pieneen koteloon. Kotelon tulisi olla muovinen, sillä metalli häiritsee langattoman signaalin lähetystä.

Koska kytkin ei tarvitse teholähdettä, akkua ei tarvitse ladata eikä paristoa vaihtaa, mikä eliminoi kalliit huoltotoimenpiteet. Tämä auttaa myös sähkeiden vastaanottoon liittyvien ongelmien vianetsinnässä, sillä akun kestoikä ei ole enää ongelma. Lisäksi kytkimelle ei tarvitse viedä ulkoista virtaa, mikä helpottaa tehtaan suunnittelua. Kytkin voidaan tarvittaessa siirtää toiseen paikkaan muutamassa sekunnissa, sen sijaan että pitäisi tilata kunnossapitohenkilöstöä siirtämään kytkin ja sen virransyöttö.

Nostimen käyttö

Kytkimessä on kaksi antennia: piirilevyllä olevalla antennilla on rajallinen kantama, joka riippuu sekä kotelosta että ympäristöstä. Mikäli pidempi kantama on tarpeen, kytkimen takaosassa oleva 70 mm:n (2,756 tuuman) antenni voi teknisten tietojen mukaan lähettää sähkeen jopa 30 metrin (100 jalan) päähän. ZF Electronicsin omissa testeissä on kuitenkin osoittautunut, että jos kohteiden välillä on selvä näköyhteys eikä häiriöitä esiinny, energian talteenotolla varustetut kytkimet toimivat jopa 300 metrin (980 jalan) päähän.

Kuten muissakin radiotaajuuslähettimissä (RF), antennin oikea sijoitus on oleellista, jotta kytkimen tehokkuus voidaan maksimoida. Antennia ei saa vääntää, eikä se saa koskettaa metallipintoja, sillä kumpikin voi rajoittaa sen kantomatkaa.

Eräs AFIS-5003:n käytännöllinen sovellus voisi olla trukkinostin. Trukin käyttäjä ajaa nostimen päälle, jonka jälkeen sitä on nostettava kerrosten välillä. Sen sijaan, että ohjaajan pitäisi nousta trukista käyttämään seinässä olevaa kytkintä, hän voi käyttää nostinta mukanaan olevan ZF Electronics AFIS-5003 -kytkimen kautta. Tämä on erityisen hyödyllistä tilanteissa, jolloin tehtaalla käytetään tilapäisesti muualta peräisin olevia trukkeja tai trukit on määrätty normaalista poikkeavaan käyttöön. AFIS-5003-kytkimen sisältävä muovikotelo voidaan helposti asentaa trukin käyttäjän ulottuville. Koska kytkimen lähetysalue rajoittuu nostimen sisälle, pelkän piirilevyantennin käyttö saattaa riittää. Tämä rajoittaa lähetyksen kantamaa, jolloin häiriötä muiden kytkimien tai lähellä oleviin laitteiden kanssa syntyy vähemmän.

Vastaanotin energian talteenotolla varustetulle kytkimelle

Kytkin lähettää signaalin ZF Electronicsin yhteensopivalle vastaanottimelle, kuten AFZE-5003-vastaanotinmoduuliin (kuva 2). Kytkimen lähetin liitetään laitepariksi vastaanottimen kanssa painamalla vastaanottimen pariliitospainiketta ja aktivoimalla sitten energian talteenotolla varustettu kytkin. Vastaanottimessa vilkkuu valo sen merkiksi, että pariliitos onnistui. Tämä vastaanotin voi ottaa vastaan signaaleja 32:lta ZF Electronicsin energian talteenotolla varustetulta 915 MHz:n kytkimeltä, mutta määrä voidaan kasvattaa 256 lähettimeen valmistajan avustuksella. Yksi kytkin voidaan liittää pariksi rajoittamattomalle määrälle vastaanottimia. Yhden kytkimen liittäminen kahteen tai useampaan vastaanottimeen on hyödyllistä kriittisissä sovelluksissa, joissa vaaditaan redundanssia, tai kun kytkimen kantamaa pitää jatkaa tilanteissa, joissa samaa järjestelmää tarvitsee ohjata useista kaukana sijaitsevista paikoista.

Kuva 2: ZF Electronicsin 915 MHz:n vastaanotinmoduuli AFZE-5003 (oikealla) voi ottaa vastaan signaaleja jopa 32:sta energian talteenotolla varustetusta lähettimestä, ja määrä voidaan kasvattaa jopa 256 lähettimeen. Laite on saatavana myös ilman koteloa, kuten vasemmalla esitetään. (Kuvan lähde: ZF Electronics)

AFZE-5003 voidaan yhdistää mihin tahansa mikrokontrolleriin, ohjelmoitavan logiikan ohjaimeen (PLC) tai tietokoneeseen, jonka UART-rajapinta tukee RS-232- tai RS-485-signaalia TTL-logiikkatasoilla. Kuten kuvassa 2 näytetään, oikealla oleva AFZE-5003 on teolliseen ympäristöön sopivassa muovikotelossa. Siinä on myös USB 2.0 -liitäntä, jolla se voidaan yhdistää tietokoneeseen sovelluskehitystä varten. AFZE-5003:n toiminnallinen osa on postimerkin kokoinen kortti, joka näkyy vasemmalla (myös kuvassa 2). Tätä korttia on saatavana myös erillisenä laitteena suurempaan järjestelmään integrointia varten.

Vastaanotin voi ottaa virtansa joko USB-liitännästä tai ulkoisesta 5 voltin virtalähteestä, ja se säilyttää pariliitostiedot myös kun virta on katkaistuna. AFZE-5003 voidaan asentaa keskitetyn PLC:n lähelle, missä se vastaanottaa sähkeet kaikilta energian talteenotolla varustetuista kytkimistä tehdassalissa. Kytkimen tila lähetetään UART:in kautta PLC:lle, joka tekee laitteiston säädöt Ethernetin tai Wi-Fin kautta.

Energian talteenotolla varustetun kytkimen sovelluskehitys

Kehitystyötä varten ZF Electronics toimittaa AFIK-5002-arviointisarjan (kuva 3).

Kuva 3: ZF Electronicsin AFIK-5002-arviointisarja sisältää kaiken, mitä kehittäjä tarvitsee arvioidakseen energian talteenotolla varustettua kytkinjärjestelmää: keinukytkimen, painonapin, itsenäisen generaattorin sekä vastaanottimen. (Kuvan lähde: ZF Electronics)

Arviointisarja sisältää myös aiemmin mainitun vastaanotinyksikön ja keinukytkimen. Sarja sisältää myös USB-kaapelin. Vastaanottimen muovinen antennikotelo näkyy kuvassa 3 keskellä edessä. Arviointisarja sisältää energian talteenotolla varustetun painonappikytkimen sekä itsenäisen energian talteenotolla varustetun generaattorin, joka on samanlainen kuin kuvassa 3 näkyvä, keltaisella kelalla varustettu ZF Electronics AFIG-0007. Tämä generaattori on jokaisen ZF Electronicsin energian talteenotolla varustetun painonappi- tai keinukytkimen ytimessä, ja se muuntaa kytkimen toiminnan lähetetyksi sähkeeksi. Kehittäjät voivat käyttää generaattoria sellaisenaan tai rakentaa sen avulla oman energian talteenotolla varustetun kytkimensä.

Arviointisarja on helppokäyttöinen. Vastaanotin yhdistetään USB:llä tietokoneeseen, jossa käytetään sarjan esittelyohjelmistoa. Mikä tahansa mukana toimitetuista kytkimistä, tai ne kaikki, voidaan liittää pariksi vastaanottimen kanssa. Esittelyohjelmisto näyttää pariliitoksen tilan ja myös kaikki vastaanotetut sähkeet, sisältäen sähkeen 48-bittisen raakadatan, aikaleiman, kytkimen yksilöivän tunnistenumeron, kytkimen tilan, tästä kytkimen käyttökerrasta lähetettyjen sähkeiden lukumäärän sekä signaalin vahvuuden. Signaalin vahvuustieto on erityisen tärkeä, sillä sen avulla voidaan varmistaa, että lähettimen ja vastaanottimen välinen etäisyys ja kytkimen mahdollistaa luotettavan signaalivahvuuden.

Yhteenveto

Energian talteenotolla varustetut kytkimet voivat ratkaista IIoT-tilanteissa esiintyviä ongelmia, joihin ei tunnu olevan helppoa ratkaisua. Kuten artikkelissa osoitetaan, ne voivat helpottaa suuresti teollisuuslaitoksen suunnittelua tarjoamalla joustavuutta kytkinten sijoitteluun silloin, kun perinteiset ratkaisut olisivat epäkäytännöllisiä.