Funktechnologie für den Nahfeldbereich

Daten und Energie via Luftspalt übertragen

8. Juli 2022, 17:42 Uhr | Benjamin Fiene
Kontaktlos, kompakt, robust: NearFi ersetzt verschleißanfällige und wartungsintensive Steckverbindungen flexibel und einfach.
Kontaktlos, kompakt, robust: NearFi ersetzt verschleißanfällige und wartungsintensive Steckverbindungen flexibel und einfach.
© Phoenix Contact

In Fabriken gibt es in beweglichen Anwendungen keine physischen Verbindungen mehr. Produktionsausfälle wegen verbogener oder verschlissener Kontakte gehören der Vergangenheit an. Eine Zukunftsvision? Nein: Die von Phoenix Contact entwickelte NearFi-Technologie macht das Szenario schon jetzt möglich.

Ein anschauliches Beispiel für den Verschleiß von Steckverbindern findet sich in der Automobilfertigung. Pro Tag kommt es hier zu Hunderten von Steckzyklen zwischen einem Roboterarm und seinem Wechselwerkzeug. Dies resultiert aus der zunehmenden Automatisierung von Prozessen. Roboter müssen daher über immer mehr Fähigkeiten verfügen und die unterschiedlichen Werkzeuge automatisiert steuern können. Wegen der häufigen Steckzyklen beim Werkzeugwechsel verkürzt sich der Nutzungszeitraum der Steckverbinder deutlich, weil die Kontakte beim ständigen Austauschen „abbrennen“, verschmutzen oder sich verbiegen. Dies führt zu Stillstandzeiten, die sich nicht voraussagen oder einplanen lassen.

Die Kosten für regelmäßige Wartungsintervalle als vorbeugende Maßnahme belaufen sich schnell auf einen siebenstelligen Betrag. Häufig ersetzt werden müssen Steckverbinder auch bei fahrerlosen Transportsystemen, Dreh- oder Rundtakttischen sowie Applikationen, die Schleifringe verwenden. Alle bislang verfügbaren Alternativlösungen erweisen sich jedoch entweder als nicht ausreichend performant, fehleranfällig oder wartungsintensiv und damit entsprechend teuer im Betrieb (Bild 1).

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Bild 1: Werkzeugwechsel bei einem Industrieroboter
Bild 1: Werkzeugwechsel bei einem Industrieroboter
© Phoenix Contact

Hier bietet sich die kontaktlose Übertragung von Energie und Daten über einen Luftspalt an. Dieser Ansatz ermöglicht nicht nur verschleiß- und wartungsfreie Verbindungen, sondern sogar eine Weiterleitung durch Glaswände oder andere nichtleitende Medien, sodass sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten ergeben. Mit den NearFi-Kopplern von Phoenix Contact lassen sich beispielsweise nicht oder schwer zugängliche Umgebungen wie abgeschlossene Schaltschränke, Hochspannungsbereiche oder Reinräume erschließen (Bild 2).

Latenzfreie Vollduplex-Kommunikation im 60-GHz-Bereich

Bild 2: NearFi ermöglicht eine kontaktlose Energie- und Datenübertragung sogar durch nicht-metallische Materialien hindurch.
Bild 2: NearFi ermöglicht eine kontaktlose Energie- und Datenübertragung sogar durch nicht-metallische Materialien hindurch.
© Phoenix Contact

In der industriellen Automatisierung beruht der Datenaustausch heutzutage meist auf Ethernet (100 Mbit/s). Bei einigen der verwendeten Protokolle – etwa Profinet IRT oder EtherCAT – handelt es sich um Echtzeitprotokolle, die eine Kommunikation mit besonders niedriger Latenz erfordern. Treiber dieser Entwicklung sind die Herausforderungen der digitalen Produktion und das damit verbundene Ziel einer wirtschaftlichen Fertigung in Losgröße eins. Zudem sollen die internationale Wettbewerbsfähigkeit des jeweiligen Unternehmens sowie die Effizienz über die gesamte Wertschöpfungskette – von der Entwicklung bis zu den Anwendern – gesichert werden. Vor diesem Hintergrund bestand die größte Herausforderung für Phoenix Contact darin, die richtige Funktechnologie zu finden. Um die Vision einer industriellen kontaktlosen Übertragung ohne Latenz realisieren zu können, musste das Unternehmen neue Wege beschreiten, damit die Daten anders als über die üblichen Funkstandards weitergeleitet werden.

Im Ergebnis stellt Phoenix Contact nun als erster Anbieter eine kontaktlose Ethernet-Verbindung ohne nennenswerte Latenzzeiten zur Verfügung. Der Datenaustausch gründet sich auf einer drahtlosen 60-GHz-Kommunikation im Nahfeldbereich. Auf diese Weise ist eine Bit-orientierte Übertragung möglich, wie sie etwa bei der Lichtwellenleiter-Kommunikation genutzt wird.

Bild 3: Bit-orientierte synchrone versus paketorientierte asynchrone Übertragung
Bild 3: Bit-orientierte synchrone versus paketorientierte asynchrone Übertragung
© Phoenix Contact

Alle anderen etablierten Funkübertragungs-Technologien setzen auf eine paketorientierte Weiterleitung der Daten, die stets zu erheblichen Latenzen führt. Denn die Pakete müssen erst empfangen, neu verpackt und drahtlos versendet werden. Ähnlich auf der Empfängerseite, welche die Pakete ebenfalls bekommen, auspacken und wieder ausgeben muss. Dieser Prozess umfasst viele asynchrone und Latenz-verursachende Vorgänge, die bei der NearFi-Kommunikationstechnik komplett unterbleiben. Die Übertragung von Echtzeit-Ethernet-Protokollen bedingt darüber hinaus eine Vollduplex-Weiterleitung, also den gleichzeitigen Datenaustausch in beide Richtungen. Dieser Anspruch stellt etliche Funktechnologien – etwa WLAN oder 5G – vor ein Problem (Bild 3).

Parallele Nutzung mehrerer NearFi-Systeme und Funktechnologien

Bild 4: Drahtlose Kommunikation im mmW-Frequenzbereich für eine industrielle kontaktlose Kommunikation ohne Latenz
Bild 4: Drahtlose Kommunikation im mmW-Frequenzbereich für eine industrielle kontaktlose Kommunikation ohne Latenz
© Phoenix Contact

In der NearFi-basierten Lösung von Phoenix Contact werden zwei 60-GHz-Verbindungen – ein Uplink und ein Downlink – parallel auf getrennten Frequenzbändern eingesetzt, um einen Vollduplex-Betrieb zu ermöglichen. Zum Vergleich: WLAN erzeugt bei einer Ethernet-Kommunikation eine Latenz von rund 10 bis 20 ms. 5G strebt für die Zukunft 1 ms an. NearFi bietet dagegen eine Latenz von weniger als 1 µs und ist somit circa tausendmal schneller als 5G. Außerdem erlaubt NearFi eine kontaktlose und latenzfreie Ethernet-Übertragung bis 100 Mbit/s in Echtzeit und arbeitet protokoll-unabhängig. Folglich eignet sich die Technologie auch für zukünftige Entwicklungen (Bild 4).

Bild 5: Die NearFi-Koppler widerstehen auch Staub und Schmutz.
Bild 5: Die NearFi-Koppler widerstehen auch Staub und Schmutz.
© Phoenix Contact

Weil die Funkkommunikation im Nahfeldbereich über einen sehr geringen Abstand erfolgt, entsteht kein Störspektrum im Umfeld der Geräte, sodass sich viele NearFi-Systeme parallel verwenden lassen und eine Koexistenz mit vorhandenen Funktechnologien wie etwa WLAN oder Bluetooth gegeben ist. Industrielle Störspektren, wie sie etwa beim Lichtbogenschweißen auftreten, können die NearFi-Technologie ebenfalls nicht beeinflussen. Diese wird erstmals in den neuen NearFi-Kopplern von Phoenix Contact genutzt. Die Geräte ermöglichen die Weiterleitung von 50 W Energie (24 V, 2 A) und von Echtzeit-Ethernet-Daten über einen Luftspalt bis zu einer Entfernung von einigen Zentimetern. Weil sie in einem IP65-Gehäuse mit M12-Anschlüssen für Ethernet und Spannung untergebracht sind, lassen sich die NearFi-Koppler auch in anspruchsvollen Umgebungen einsetzen (Bild 5).

Automatische Kopplung ohne Konfiguration oder Programmierung

Bild 6: Induktive Energieübertragung – Transformatorprinzip
Bild 6: Induktive Energieübertragung – Transformatorprinzip
© Phoenix Contact

Die Energieübertragung geschieht induktiv. Der Base-Koppler erzeugt über eine Spule ein magnetisches Feld, das in die Spule des Remote-Kopplers induziert wird. Die aktive Regelung wählt immer die bestmöglichen Parameter für die Kommunikation aus. Dadurch reduziert sich die Leistung nicht über den Abstand, sondern wird auf dem gesamten Arbeitsbereich konstant bei 50 W gehalten. Endgeräte wie etwa I/O-Stationen oder Switches lassen sich also kontaktlos mit Energie versorgen. Die Kopplung erfolgt automatisch, es ist somit keine Konfiguration oder Programmierung erforderlich (Bild 6).

Zum Datenaustausch sind mindestens zwei Geräte notwendig: ein Base- und ein Remote-Koppler. Mit dem Base-Koppler lassen sich beliebig viele Remote-Koppler kombinieren und umgekehrt. Die Koppler bedingen keine Konfiguration und sind so einfach verwendbar wie eine Steckverbindung. Eine integrierte Ausrichthilfe gibt ein Signal, sobald die Geräte optimal verbunden sind. Das leuchtende Kopplergehäuse zeigt die Betriebsbereitschaft der Koppelstrecke selbst in schwer zugänglichen Einbauplätzen gut sichtbar an. Über einen digitalen Ausgang lassen sich die Koppler zusätzlich durch ein übergeordnetes Steuerungssystem diagnostizieren. Ein digitaler Eingang am Base-Koppler erlaubt das definierte Ein-/Ausschalten des Remote-Kopplers.

Keine exakte Zentrierung der Koppler notwendig

Bild 7: Die NearFi-Koppler müssen nicht exakt zentriert werden, sie können sich mit einem Versatz oder einem tangentialen Winkel gegenüberstehen.
Bild 7: Die NearFi-Koppler müssen nicht exakt zentriert werden, sie können sich mit einem Versatz oder einem tangentialen Winkel gegenüberstehen.
© Phoenix Contact

Im Gegensatz zu den üblichen Steckverbinder-Lösungen lassen sich die Base- und Remote-Koppler aus beliebigen Richtungen ebenso wie rotierend zueinander führen. Darüber hinaus muss der Anwender die Geräte nicht exakt zentrieren; sie können sich mit einem Versatz oder einem tangentialen Winkel gegenüberstehen. Dies verringert die Präzisionsanforderungen an die mechanische Bewegung von zwei unabhängigen Anlagenteilen erheblich. Bei einem Steckverbinder sind Stecker und Buchse dagegen sehr präzise zu positionieren, weil die empfindlichen Stifte ansonsten schnell beschädigt werden. (Bild 7)

In rotierenden Anwendungen kommen manchmal Schleifringe oder optische Drehübertrager zum Einsatz. Bei beiden Systemen tritt ein hoher mechanischer Verschleiß auf. Zudem müssen sie genau gefertigt werden, was die Kosten und die Ausfallraten in die Höhe treibt. NearFi-Kopplern reicht dagegen eine einfache, unpräzise Positionierung von Base- und Remote-Gerät aus, um eine zuverlässige, verschleißfreie Übertragung sicherzustellen. Die Koppler werden direkt oder über Befestigungswinkel von drei verschiedenen Seiten mit M5- oder M6-Schrauben fixiert. Auf diese Weise sind sie universell und flexibel montierbar.

Durch die Nutzung der NearFi-Koppler lassen sich folglich Serviceeinsätze reduzieren; Wartungskosten entfallen, und die Anlagenverfügbarkeit steigt. Sinkender Aufwand und optimierte Produktionsprozesse verkürzen ihre Amortisationszeit deutlich.

Auf einen Blick: Die Vorteile der NearFi-Koppler

Benjamin Fiene ist Mitarbeiter im Produktmarketing Communication Interfaces bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont.
Benjamin Fiene ist Mitarbeiter im Produktmarketing Communication Interfaces bei der Phoenix Contact Electronics GmbH in Bad Pyrmont.
© Phoenix Contact

Ethernet in Echtzeit: NearFi leitet Ethernet-Daten mit einer Datenrate bis 100 Mbit/s latenzfrei weiter.

Protokollunabhängig: Anwender können alle üblichen Ethernet-Protokolle nutzen. Auch zukünftige Ethernet-Entwicklungen lassen sich mit NearFi problemlos übertragen, was die Technologie zu einer langfristigen Investition macht.

Induktive Energieübertragung: Die Koppler ermöglichen auch eine induktive Energieübertragung. Durch die aktive Regelung wird die Leistung über den gesamten Arbeitsbereich konstant bei 50 W gehalten.

Immun gegen elektromagnetische Störungen und andere Funksysteme im Umfeld: Weil die Funkkommunikation im Nahfeldbereich über einen sehr geringen Abstand erfolgt, entsteht kein Störspektrum im Umfeld der Geräte, sodass viele NearFi-Systeme parallel verwendbar sind und eine Koexistenz mit vorhandenen Funktechnologien wie etwa WLAN oder Bluetooth gegeben ist. Industrielle Störspektren können die NearFi-Technologie ebenfalls nicht beeinflussen.

Hohe Montagefreiheit: Die NearFi-Koppler werden im Gegensatz zu üblichen Steckverbinderlösungen aus beliebigen Richtungen oder auch rotierend zueinander geführt. Des Weiteren müssen sich die Koppler nicht exakt übereinander befinden, sondern können sich mit einem Versatz oder tangentialen Winkel gegenüberstehen.

Phoenix Contact und Analog Devices: Gemeinsame Entwicklung eines neuen Systemdesigns

Um die Datenübertragung des NearFi-Kopplers zu realisieren, waren umfassende Fachkenntnisse in der Funkkommunikation gefragt. Deshalb wandte sich Phoenix Contact an seinen langjährigen Partner Analog Devices (ADI). Phoenix Contact präsentierte seine Idee und testete bestehende ADI-Komponenten. Allerdings zeigte sich bald, dass ein vollständiges Systemdesign notwendig war. Nach einem Jahr gemeinsamer Planung und Abstimmung erhielt ADI den Auftrag, ein neues Design zu entwickeln, das speziell auf die Anforderungen von Phoenix Contact zugeschnitten ist.

In enger Zusammenarbeit wurde die Entwicklung vorangetrieben und ein neues Produkt umgesetzt, das beiden Unternehmen neue Märkte öffnet. So wird ADI seine 60-GHz-Lösung auch als eigenständiges Produkt auf den Markt bringen. Die Herausforderungen auf diesem Weg ließen sich nicht allein bewältigen. Damit Produkte schneller zur Verfügung stehen, müssen Unternehmen ihre Geschäftspartner nicht nur nach ihrer technischen Expertise und ihrem Fachwissen auswählen, sondern auch nach ihrer Fähigkeit, Hand in Hand zu arbeiten, sodass Innovationen geschaffen werden. Beide Unternehmen besprechen bereits neue gemeinsame Projekte.


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