Ahorre tiempo y costos en instalaciones IIoT con interruptores inalámbricos de recolección de energía

Los avances en Internet industrial de las cosas (IIoT) se han traducido en una mayor eficiencia de fábrica y fabricación debido a una mejor supervisión basada en sensores. Las mejoras en dispositivos de interfaz humana como pantallas táctiles e interruptores de membrana también han ayudado. Aun así, hay casos en los que aún se requiere un interruptor mecánico para los sistemas de control debido a su robustez y facilidad de uso. Algunas veces pueden surgir problemas cuando ese interruptor debe operarse a cierta distancia del equipo que se está controlando.

Estas situaciones incluyen cuando el controlador de una carretilla elevadora debe controlar una entrada, o cuando el dispositivo a controlar es normalmente inaccesible o está en una ubicación protegida ambientalmente. En tales casos, cuando el tendido de cables puede ser costoso y poco práctico, un interruptor inalámbrico es una mejor opción. Incluso entonces, el funcionamiento de un interruptor inalámbrico está sujeto a la vida útil de la batería, por lo que se requiere mantenimiento para cargar o cambiar la batería regularmente.

Este artículo mostrará cómo los interruptores de recolección de energía sin batería de ZF Electronics anteriormente Cherry Industrial Solutions) pueden resolver estos problemas.

IIoT y aplicaciones de interruptores de recolección de energía

Con frecuencia es posible usar el equipo existente al migrar a un marco IIoT, especialmente cuando se usan equipos montados en la pared e interruptores de luz tradicionales, y la energía eléctrica está disponible en estos lugares. Sin embargo, muchas instalaciones de fabricación están construidas para ser fácilmente configurables, de modo que la línea de ensamblaje actual pueda desmontarse y reconfigurarse rápidamente para fabricar un producto diferente. La reconfiguración puede ser costosa en términos de tiempo de inactividad, por lo que cualquier tecnología o solución que pueda acortar el tiempo de reconfiguración debería obtener una segunda mirada de los diseñadores y técnicos de planta. Los interruptores de recolección de energía son una de esas soluciones que ahorran tiempo.

La mayoría de las máquinas de fábrica están conectadas en red al centro de control principal y se pueden configurar desde esa ubicación central. Sin embargo, hay situaciones en las que el equipo se debe operar en el piso de la fábrica donde no es práctico o resulta inconveniente, o ambos, controlar el sistema en la ubicación del equipo. Dichas situaciones incluyen abrir y cerrar puertas de forma remota, encender y apagar equipos de alto voltaje, operar elevadores de equipos, abrir y cerrar válvulas, controlar equipos o dispositivos protegidos ambientalmente o sensibles, o configurar sistemas de ventilación. A veces, el interruptor de operación no se puede montar en un lugar y debe ser móvil, o el área de montaje disponible es de vidrio u hormigón y, por lo tanto, no puede sostener un soporte de montaje.

Si bien estas son aplicaciones muy diferentes, todas tienen una cosa en común: son aplicaciones de interruptores no estándar donde no se aplican los procedimientos normales de montaje, conectividad por cable y mantenimiento. Para estas aplicaciones inusuales, ZF Electronics ha desarrollado interruptores inalámbricos sin batería, como el interruptor de tecla basculante de recolección de energía AFIS-5003 (Figura 1). El interruptor es autónomo y no requiere mantenimiento, ni componentes adicionales para su correcto funcionamiento.

Figura 1: El ZF Electronics AFIS-5003 no utiliza energía externa ni batería. En cambio, genera la energía utilizada para transmitir una señal inalámbrica al recolectar la energía generada cuando se presiona el interruptor. (Fuente de la imagen: ZF Electronics)

El AFIS-5003 parece un interruptor de tecla basculante estándar y se puede montar en un orificio de montaje estándar de 27 x 12 milímetros (mm). Sin embargo, en lugar de dos pestañas de montaje de contacto en la parte posterior, hay un solo cable de 70 mm que se extiende perpendicularmente desde el interruptor. Este cable es una antena utilizada para transmitir una acción de interruptor a un receptor compatible. El interruptor deriva su potencia al convertir la energía generada cuando se presiona el interruptor. Presionar un lado del interruptor requiere 1.12 libras (lb) de fuerza que es cosechada por un pequeño generador interno.

El generador emite un voltaje suficiente para transmitir momentáneamente una serie de paquetes de datos de 330 microvatios (µW) de 48 bits, denominados telegramas, que envían el estado del interruptor a un receptor compatible. El AFIS-5003 transmite a través de la banda de 915 megahercios (MHz), y el telegrama se transmite tres veces, aunque el interruptor se puede configurar para transmitir hasta siete telegramas para una mayor confiabilidad. El retraso entre cada telegrama transmitido está espaciado de forma seudoaleatoria, lo que ayuda a superar cualquier interferencia periódica de RF, incluidos otros interruptores AFIS-5003 que podrían activarse al mismo tiempo. Cada telegrama contiene el número de identificación único del interruptor, el estado de conmutación y el número total de telegramas transmitidos para la activación de ese interruptor.

El interruptor AFIS-5003 está clasificado para 100,000 activaciones, lo que lo hace lo suficientemente robusto para su uso frecuente. La temperatura de funcionamiento es de -40º C a +85º C, por lo que es adecuada para la mayoría de los entornos industriales. El interruptor tiene clasificación IP40, por lo que está protegido contra algo de polvo, aunque no es resistente a la humedad. Para un entorno industrial, se recomienda que el interruptor se monte en una caja pequeña. La carcasa debe ser de plástico, ya que el metal interferiría con la transmisión de la señal inalámbrica.

Como el interruptor no requiere alimentación, no es necesario cargar o reemplazar la batería, lo que elimina una costosa rutina de mantenimiento. Esto también ayuda a solucionar problemas, si hay alguno, al recibir los telegramas, ya que la duración de la batería no es un problema de diagnóstico. Además, la alimentación externa no necesita ejecutarse en el interruptor, lo que simplifica el diseño de fábrica. Si es necesario, el interruptor se puede mover fácilmente a otra ubicación en segundos, en lugar de programar al personal de mantenimiento para que reubique el interruptor y la energía.

Operación de elevador

El interruptor tiene dos antenas: Una antena de placa de CI interna tiene un alcance limitado que depende tanto del gabinete como del entorno. Para distancias mayores, una antena de cable de 2.756 pulgadas en la parte posterior del interruptor está clasificada para transmitir un telegrama de hasta 100 pies. Sin embargo, las propias pruebas de ZF Electronics han demostrado que con una línea de visión clara y una mínima interferencia, estos interruptores de recolección de energía pueden transmitir hasta 980 pies.

Como todos los transmisores de radiofrecuencia (RF), la colocación adecuada de la antena es crítica para maximizar la efectividad del interruptor. La antena de cable no debe estar trenzada y no debe entrar en contacto con ninguna superficie metálica, lo que podría limitar el alcance de la antena.

Una aplicación práctica para el interruptor AFIS-5003 sería un elevador de montacargas. Un operador de montacargas conduce al elevador y luego necesita mover el elevador entre pisos. En lugar de perder el tiempo saliendo del montacargas para operar un interruptor de pared, un interruptor ZF Electronics AFIS-5003 puede estar con el operador del montacargas para habilitar el elevador. Esto es especialmente útil para operaciones en las que las carretillas elevadoras de otras instalaciones pueden estar temporalmente en la ubicación de la fábrica, o se pueden reasignar otras carretillas elevadoras a otras instalaciones. Una caja de plástico con el interruptor AFIS-5003 se puede conectar temporalmente a la carretilla elevadora al alcance del operador. Dado que el interruptor solo necesitaría transmitir dentro del elevador, esta aplicación podría beneficiarse al usar solo la antena interna de la placa de CI del interruptor. Esto limitaría el rango de transmisión, haciendo que sea menos probable que interfiera con otros interruptores o dispositivos cercanos.

Receptor de interruptor de recolección de energía

El interruptor transmite su señal a un receptor ZF Electronics compatible, como el módulo receptor AFZE-5003 (Figura 2). Un transmisor conmutador se empareja con un receptor presionando el botón de emparejamiento en el receptor y luego activando el interruptor de recolección de energía. Una luz parpadea en el receptor para indicar que se ha emparejado con éxito. Este receptor puede recibir señales de hasta 32 transmisores ZF Electronics con recolección de energía de 915 MHz, aunque esto se puede aumentar a 256 transmisores con la ayuda del fabricante. Un interruptor de recolección de energía se puede emparejar con un número ilimitado de receptores. Emparejar un interruptor con dos o más receptores puede ser útil en aplicaciones críticas donde se requiere redundancia, o donde el rango del interruptor debe extenderse cuando el mismo sistema necesita ser controlado desde múltiples ubicaciones distantes.

Figura 2: El módulo receptor ZF Electronics AFZE-5003 de 915 MHz (a la derecha) puede recibir señales de hasta 32 transmisores de recolección de energía, y puede extenderse hasta 256 transmisores. También está disponible sin el receptáculo como se ve a la izquierda. (Fuente de la imagen: ZF Electronics)

El AFZE-5003 puede conectarse a cualquier microcontrolador, controladores lógicos programables (PLC) o computadora con una interfaz de Transmisor Receptor Asíncrono Universal (UART) que admita RS-232 o RS-485 utilizando niveles lógicos TTL. Como se ve en la Figura 2, el AFZE-5003 de la derecha está en un receptáculo de plástico adecuado para un entorno industrial. También tiene una interfaz USB 2.0 para conectarse a una PC host para el desarrollo de aplicaciones. El componente operativo del AFZE-5003 es una placa del tamaño de un sello como se ve a la izquierda (Figura 2, nuevamente). Esta placa también está disponible como una unidad independiente para la integración en un sistema más grande.

El receptor puede ser alimentado por la interfaz USB o una fuente de alimentación externa de 5 voltios y mantiene la información de emparejamiento incluso cuando está desconectado de la alimentación. El AFZE-5003 se puede ubicar cerca del PLC central, donde recibe telegramas de todos los interruptores de recolección de energía en la fábrica. El estado del interruptor se envía a través del Transmisor Receptor Asíncrono Universal (UART) al controlador lógico programable (PLC), que luego configura el equipo apropiado a través de Ethernet o Wi-Fi.

Desarrollo del interruptor de recolección de energía

Para el desarrollo, ZF Electronics suministra el kit de evaluación de recolección de energía AFIK-5002 (Figura 3).

Figura 3: El kit de evaluación ZF Electronics AFIK-5002 contiene todo lo que un desarrollador necesita para evaluar un sistema de interruptor de recolección de energía que incluye un interruptor de tecla basculante, un botón pulsador, un generador independiente y un receptor. (Fuente de la imagen: ZF Electronics)

El kit de evaluación contiene la misma unidad receptora y el interruptor de tecla basculante discutido anteriormente. También se incluye un cable USB. El receptáculo de antena de plástico para el receptor se ve en el primer plano central de la Figura 3. El kit de evaluación también contiene un interruptor de botón de recolección de energía, así como un generador de recolección de energía independiente similar al ZF Electronics AFIG-0007, visto con una bobina amarilla en la Figura 3. Este generador está en el corazón de cada botón de recolección de energía o interruptor de tecla basculante de ZF Electronics y es responsable de traducir la actuación del interruptor en el telegrama transmitido. Los desarrolladores pueden usar el generador de recolección de energía tal como está, o pueden construir su propio interruptor de recolección de energía usando el generador.

El kit de evaluación es fácil de usar. El receptor está conectado por USB a una PC que ejecuta el software de demostración del kit. Cualquiera o todos los interruptores incluidos se pueden emparejar con el receptor. El software de demostración muestra el estado de la operación de emparejamiento y también muestra todos los telegramas recibidos, incluidos los datos de telegramas sin procesar de 48 bits, una marca de tiempo, el número de identificación único del interruptor, el estado del interruptor, un recuento del número de telegramas transmitidos para esa actuación del interruptor e intensidad de señal. La información sobre la intensidad de la señal es especialmente importante, ya que ayuda en gran medida a garantizar que la distancia y la ubicación entre el transmisor y el receptor permitan una intensidad de señal confiable.

Conclusión

Los interruptores de recolección de energía pueden resolver problemas únicos en situaciones de IIoT que parecen no tener una solución fácil. Como se muestra, pueden simplificar en gran medida el diseño de una instalación industrial al proporcionar flexibilidad adicional para la colocación del interruptor en lugares donde las soluciones convencionales no serían prácticas.