Utilice la transmisión de energía y datos sin contacto para soluciones industriales sin desgaste y de bajo mantenimiento

Las conexiones flexibles y altamente fiables son esenciales en las aplicaciones industriales, como las utilizadas en herramientas robóticas y dispositivos giratorios como las mesas divisoras de precisión. Estos sistemas experimentan grandes movimientos y rotaciones y suelen estar expuestos a suciedad y vibraciones que pueden hacer que fallen los conectores convencionales o los anillos rozantes.

Los diseñadores necesitan nuevas opciones para superar las limitaciones de las soluciones convencionales en estas y otras aplicaciones difíciles. La nueva opción debe ser capaz de soportar conexiones Ethernet dúplex seguras de hasta 100 Mbps y transferir hasta 50 W de potencia para sensores y otros componentes a través de un hueco de 12 mm (o 40 mm para datos únicamente).

Se necesitan opciones de montaje flexibles para admitir una amplia gama de diseños de sistemas y un indicador LED sencillo y visible para un diagnóstico rápido.

El funcionamiento en entornos industriales difíciles requiere una clasificación ambiental IP65 y la solución debe cumplir la norma IK06 según EN 62262, que indica que puede soportar impactos mecánicos externos con una energía de hasta 1 joule. Una instalación o sustitución sencilla puede minimizar los costos de mantenimiento y el tiempo de inactividad.

Este artículo comienza con una breve revisión de los desafíos asociados al uso de conectores convencionales y anillos rozantes en diversas aplicaciones industriales. A continuación, profundiza en las capacidades de los acopladores NearFi de Phoenix Contact, detallando cómo responden a las necesidades eléctricas, mecánicas y de seguridad para la transmisión de energía y datos sin contacto en aplicaciones industriales exigentes.

Desafío de fiabilidad de los robots

Los frecuentes cambios de herramientas de los robots utilizados en los procesos automatizados de montaje pueden plantear importantes desafíos a los conectores. Esos cambios de herramienta pueden requerir cientos de ciclos de acoplamiento/desacoplamiento cada día.

Cada ciclo expone los contactos a los contaminantes y provoca un desgaste debido a la fricción de los contactos. Si los conectores no están alineados con precisión, los contactos pueden doblarse.

El resultado es una menor fiabilidad de los conectores y un tiempo de inactividad impredecible para su mantenimiento. Además de los conectores para la fijación de herramientas, algunos robots utilizan anillos rozantes para la transmisión de datos y potencia en brazos giratorios y articulaciones.

Limitaciones del anillo colector

Los anillos colectores también pueden encontrarse en turbinas eólicas, así como en líneas de procesado y envasado de alimentos y productos farmacéuticos, y en otros procesos industriales. Al igual que los conectores convencionales, los anillos rozantes pueden dañarse por la exposición a contaminantes y experimentar un desgaste mecánico excesivo.

Los anillos deslizantes pueden calentarse debido a la fricción y pueden requerir atención a la gestión térmica. En algunas aplicaciones, los anillos rozantes pueden estar sometidos a fuertes vibraciones o impactos repentinos que pueden dañarlos, provocar una presión de contacto inestable o incluso un fallo mecánico.

Tanto los conectores convencionales como los anillos rozantes pueden crear retos en el diseño de las máquinas relacionados con las limitaciones de tamaño y movimiento, así como con los requisitos de acceso para el mantenimiento. Esto se suma a los numerosos desafíos de las aplicaciones, como las conexiones intermitentes causadas por las vibraciones, el polvo, la suciedad y el desgaste de los contactos, entre otros.

Solución NearFi

El uso de conectores "mejores" puede ofrecer una oportunidad de mejora incremental del rendimiento o la fiabilidad. Pero lo que realmente se necesita es un enfoque innovador que elimine los desafiantes más acuciantes de los conectores. Eso es NearFi.

NearFi es una tecnología sin contacto que permite una comunicación y un suministro de energía fiables y sin desgaste a través de un espacio de aire de unos pocos centímetros o a través de materiales no metálicos, como el plástico, el vidrio y la madera. Cuando solo transmite datos, NearFi puede conectarse a través de un entrehierro de 40 mm. La potencia, o las transmisiones combinadas de potencia y datos, pueden conectarse a través de un entrehierro de 12 mm.

NearFi utiliza la tecnología inalámbrica de 60 GHz para transmitir datos y el acoplamiento inductivo para suministrar energía desde un acoplador base a un acoplador remoto. Los acopladores presentan una carcasa con clasificación IP65 e IK06, junto con una tecnología de conexión M12, que garantiza un funcionamiento sin desgaste ni mantenimiento en entornos industriales exigentes.

El sistema NearFi permite a los diseñadores elegir entre tres soluciones:

• Los datos y la energía pueden transferirse simultáneamente utilizando el acoplador base 1234224 con el acoplador remoto 1234225.
• La alimentación puede acoplarse sin soporte de datos utilizando la base 1234226 con el mando a distancia 1234229.
• Los datos pueden transmitirse sin alimentación utilizando la base 1234232 con el mando a distancia 1234234.

Ethernet dúplex completo

Con NearFi, los datos se intercambian simultáneamente en ambas direcciones sin latencia. El uso de dos conexiones paralelas de 60 GHz en bandas de frecuencia separadas, una para el enlace ascendente y otra para el descendente, permite las transmisiones de datos en tiempo real en dúplex completo. Esto la hace adecuada para protocolos industriales en los que el tiempo es un factor crítico, como PROFINET y EtherCAT. Como la tecnología de transmisión es independiente del protocolo, puede utilizarse con cualquier protocolo Ethernet estándar (figura 1).

Figura 1: NearFi admite Ethernet de 100 Mbit/s dúplex completo, agnóstica al protocolo. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

El uso de la comunicación de campo cercano (NFC) es un factor clave en el rendimiento de NearFi. A diferencia de la comunicación de campo lejano convencional, que se basa en la propagación de ondas electromagnéticas que viajan indefinidamente por el espacio, la energía de la NFC no se irradia indefinidamente. Decae rápidamente con la distancia. NFC es una tecnología de bajo consumo que mitiga aún más la posibilidad de interferencias electromagnéticas (EMI).

El uso de NFC también garantiza una coexistencia fiable con las tecnologías inalámbricas existentes, como WLAN o Bluetooth. Además, los espectros de interferencias industriales estándar no afectan a las transmisiones NearFi, lo que elimina la necesidad de planificar las frecuencias al desplegar NearFi.

El alcance limitado significa que pueden funcionar varios enlaces NearFi en proximidad sin interferencias. La conclusión es que la NFC permite transmisiones de datos fiables, sin mantenimiento y a alta velocidad, con una gran inmunidad a las interferencias electromagnéticas. Por último, un anillo de LED en las carcasas de los acopladores muestra el estado de la conexión y facilita la localización de averías, agilizando así la configuración y el diagnóstico.

Transmisiones orientadas a bits

El uso de una tecnología de transmisión síncrona y orientada a bits es otra de las claves del rendimiento de NearFi. La tecnología orientada a bits contrasta con la transmisión orientada a paquetes de otras comunicaciones inalámbricas.

Las implementaciones orientadas a paquetes suelen sufrir una latencia significativa. Los datos llegan al transmisor y deben introducirse en paquetes antes de su transmisión. En el extremo receptor, los paquetes se desempaquetan antes de que los datos salgan al sistema.

En las transmisiones síncronas NearFi, los datos se envían directamente, bit a bit, a medida que llegan, sin empaquetar ni desempaquetar. Eso produce un flujo continuo de datos y elimina prácticamente la latencia. Por eso, NearFi es idóneo para los protocolos de Ethernet industrial en los que el tiempo es un factor crítico, como las redes sensibles al tiempo (TSN), PROFINET y EtherCAT (figura 2).

Figura 2: NearFi utiliza transmisiones orientadas a bits para mitigar los problemas de latencia comúnmente asociados a la comunicación tradicional basada en paquetes. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Además, dado que los datos se transmiten sin almacenamiento en búfer ni empaquetado, NearFi es transparente al protocolo y puede manejar cualquier protocolo Ethernet sin necesidad de configuración.

NearFi aborda los problemas de seguridad limitando la comunicación a una distancia corta. También puede admitir medidas de seguridad de alto nivel, como la encriptación, la autenticación y la tokenización.

Suministro de energía

El sistema NearFi utiliza la transmisión inductiva de energía con un rango de frecuencia de 100 a 148.5 kHz, similar al utilizado en algunos cargadores inalámbricos de teléfonos inteligentes. Se pueden transmitir hasta 50 W (24 V_CC, 2 A) y, con conexión en paralelo, hasta 100 W.

El control activo en bucle cerrado proporciona una transmisión de potencia constante en toda la zona de trabajo. También admite la transmisión de dos tensiones aisladas eléctricamente (cada una de 50 W). Al igual que las conexiones de datos, la entrega de energía utiliza un acoplador base y un acoplador remoto.

El acoplador de base recibe alimentación de 24 V_CC de una fuente, como un controlador. El convertidor de tensión de alimentación/sensor de comunicación integrado, también conocido como convertidor US (donde "U" es la notación para tensión en alemán), convierte la alimentación de 24 V_CC en alimentación de alta frecuencia para la transmisión inductiva. El acoplador remoto recibe energía inductiva de alta frecuencia y la convierte de nuevo en 24 V_CC en el convertidor UA (tensión del actuador) para su uso en E/S, interruptores, sensores, actuadores y otras funciones (figura 3).

Figura 3: La potencia se acopla inductivamente entre el acoplador base y el acoplador remoto. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Encendido rápido

La función NearFi Fast Startup permite restablecer rápidamente (<500 ms) los enlaces en tiempo real. Eso es posible porque la transmisión de energía y la comunicación de datos comienzan mientras los acopladores NearFi aún están en proceso de aproximación.

La puesta en marcha rápida puede reducir significativamente los tiempos de ciclo en aplicaciones como el cambio de herramientas de robots (figura 4). La capacidad de transferencia bidireccional de datos de NearFi también permite que la nueva herramienta (u otro accesorio) se identifique ante el sistema, confirmando que se trata del artículo correcto.

Figura 4: Posible uso de NearFi en una estación de cambio de herramientas robotizada. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Más ideas de aplicación

Los acopladores NearFi pueden colocarse uno frente al otro, con un desplazamiento o en ángulo tangencial. También pueden utilizarse en aplicaciones en las que el acoplador base está fijo mientras que el acoplador remoto gira (figura 5). Los acopladores NearFi están listos para usar nada más sacarlos de la caja, lo que elimina la necesidad de programación y acelera el desarrollo y la implantación de aplicaciones.

Figura 5: En esta aplicación, el acoplador remoto de la izquierda está girando mientras que el acoplador base de la derecha está estacionario. (Fuente de la imagen: Phoenix Contact)

Las mismas características que hacen que NearFi sea adecuado para su uso en los cambios de herramientas de robots también pueden satisfacer las necesidades de aplicaciones como los vehículos de guiado automático (AGV) y los portamateriales y portapiezas.

Las antenas giratorias, como las que se encuentran en los aeropuertos, pueden beneficiarse de la sustitución de los anillos rozantes convencionales por acopladores NearFi. Del mismo modo, las mesas divisoras de precisión se utilizan en aplicaciones industriales, así como en las llenadoras de botellas dentro de las industrias alimentaria, de bebidas y farmacéutica.

Conclusión

La tecnología NearFi resuelve una serie de problemas aparentemente insolubles. Proporciona de forma inalámbrica Ethernet de 100 Mbit/s agnóstica al protocolo, además de 50 W de potencia, y es flexible y fácil de usar. Los acopladores NearFi están diseñados para su uso en entornos industriales severos y cuentan con los grados de protección IP65 e IK06, así como con conectividad M12. ¿Cómo utilizará NearFi para diferenciar su próximo diseño?

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