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Risparmiare tempo e ridurre i costi delle strutture IIoT con gli interruttori wireless basati su energy harvesting

Di Bill Giovino

Contributo di Editori nordamericani di Digi-Key

I progressi fatti nell'Internet delle cose industriale (IIoT) si sono tradotti in maggiori efficienze degli stabilimenti e della produzione grazie al miglioramento del monitoraggio basato sui sensori. Un grande aiuto è venuto anche dai miglioramenti nei dispositivi di interfaccia umana, come touchscreen e interruttori a membrana. Tuttavia, ci sono casi in cui i sistemi di controllo hanno ancora bisogno di interruttori meccanici, perché sono robusti e facili da usare. A volte possono sorgere problemi quando l'interruttore deve essere azionato a una certa distanza dall'apparecchiatura da controllare.

Ad esempio, quando il conducente di un carrello elevatore a forche deve controllare un ingresso, o quando il dispositivo da controllare è normalmente inaccessibile o si trova in un luogo protetto dalle condizioni ambientali. Quando la posa dei fili può essere costosa e impraticabile, un interruttore wireless rappresenta un'opzione migliore. In questo caso però occorre tener presente che il funzionamento di un interruttore wireless dipende dalla durata della batteria che andrà ricaricata o sostituita regolarmente.

Questo articolo illustrerà come gli interruttori senza batteria basati su energy harvesting di ZF Electronics (ex Cherry Industrial Solutions) possono risolvere questi problemi.

IIoT e applicazioni di interruttori basati su energy harvesting

Spesso, quando si migra a un framework IIoT, è possibile utilizzare le apparecchiature esistenti, specie se si tratta di quelle tradizionali a parete e degli interruttori della luce, e quando l'energia elettrica è a portata di mano. Tuttavia, molti impianti di produzione sono costruiti per essere facilmente configurabili così da poter rimuovere e riconfigurare rapidamente la linea di assemblaggio esistente per realizzare un prodotto diverso. La riconfigurazione può essere costosa, se comporta lunghi fermi macchina, quindi i progettisti e i tecnici dell'impianto dovrebbero prendere in seria considerazione qualsiasi tecnologia o soluzione che possa accelerarla. Fra le soluzioni che consentono di risparmiare tempo vi sono gli interruttori basati su energy harvesting.

La maggior parte delle macchine delle fabbriche sono collegate in rete all'hub di controllo principale, da dove possono essere configurate. Esistono però situazioni in cui bisogna intervenire direttamente in fabbrica, dove è impossibile e/o scomodo controllare il sistema presso il sito di installazione dell'apparecchiatura. Ne sono degli esempi l'apertura e la chiusura a distanza di porte, l'accensione e lo spegnimento di apparecchiature ad alta tensione, l'azionamento di ascensori, l'apertura e la chiusura di valvole, il controllo di apparecchiature o dispositivi protetti o sensibili alle condizioni ambientali o la configurazione di sistemi di ventilazione. A volte non è possibile installare l'interruttore di comando in un determinato punto e l'interruttore deve essere mobile, oppure l'area di installazione disponibile è in vetro o cemento e quindi non si possono mettere staffe di montaggio.

Sebbene siano molto diverse tra loro, hanno tutte una cosa in comune: sono applicazioni di commutazione non standard in cui non si applicano le normali procedure di montaggio, connettività cablata e manutenzione. Per queste applicazioni insolite, ZF Electronics ha sviluppato interruttori wireless senza batteria come l'interruttore a bilanciere basato su energy harvesting AFIS-5003 (Figura 1). Si tratta di un interruttore autonomo che non richiede manutenzione, né componenti aggiuntivi per funzionare correttamente.

Immagine dell'interruttore a bilanciere basato su energy harvesting AFIS-5003 di ZF ElectronicsFigura 1: AFIS-5003 di ZF Electronics non usa alimentazione esterna o batteria. Questo interruttore genera l'energia utilizzata per trasmettere un segnale wireless raccogliendo quella generata quando viene premuto. (Immagine per gentile concessione di ZF Electronics)

AFIS-5003 assomiglia a un normale interruttore a bilanciere e può essere installato in un foro standard di 27x12 mm. Ma invece di due linguette di montaggio dei contatti sul retro, c'è un unico filo di 70 mm che si estende perpendicolarmente dall'interruttore. Questo filo è un'antenna utilizzata per trasmettere un'azione dell'interruttore a un ricevitore compatibile. L'interruttore deriva la sua energia convertendo quella generata quando viene premuto. La pressione di un lato dell'interruttore richiede una forza di 0,50 kg, che viene raccolta da un piccolo generatore interno.

Il generatore emette una tensione sufficiente a trasmettere momentaneamente una serie di pacchetti di dati a 48 bit da 330 µW, chiamati telegrammi, che inviano lo stato dell'interruttore a un ricevitore compatibile. AFIS-5003 trasmette sulla banda di 915 MHz e il telegramma viene trasmesso tre volte, anche se l'interruttore può essere configurato per trasmettere fino a sette telegrammi per assicurare una maggiore affidabilità. Il ritardo tra ogni telegramma trasmesso è distanziato in modo pseudo-casuale, il che aiuta a superare qualsiasi interferenza periodica RF, compresa quella di altri interruttori AFIS-5003 che potrebbero essere attivati contemporaneamente. Ogni telegramma contiene il numero ID univoco dell'interruttore, lo stato di commutazione e il numero totale dei telegrammi trasmessi per quell'azionamento.

L'interruttore AFIS-5003 ha una capacità di 100.000 azionamenti, ed è quindi abbastanza robusto per un uso frequente. La temperatura di funzionamento di -40 ~ +85 °C lo rende idoneo per la maggior parte degli ambienti industriali. Avendo un grado di protezione IP40, è protetto contro una certa quantità di polvere, anche se non è resistente all'umidità. Per un ambiente industriale si raccomanda di montare l'interruttore in una piccola custodia. La custodia dovrebbe essere di plastica, in quanto il metallo interferirebbe con la trasmissione del segnale wireless.

Dato che l'interruttore non richiede alcuna alimentazione, non è necessario caricare o sostituire la batteria e si elimina così una costosa routine di manutenzione. Agevola anche la risoluzione dei problemi nella ricezione dei telegrammi, poiché la durata della batteria non è un problema. Inoltre, non essendo necessario portare all'interruttore un'alimentazione esterna, si semplifica il layout della fabbrica. Se necessario, l'interruttore può essere facilmente spostato in pochi secondi in un altro luogo, evitando di incaricare il personale della manutenzione di riposizionare l'interruttore e l'alimentazione.

Funzionamento negli ascensori

L'interruttore ha due antenne: quella interna su scheda ha una portata limitata che dipende sia dalla custodia che dall'ambiente. Per distanze maggiori, un'antenna con un filo di 70 mm sul retro dell'interruttore è qualificata per trasmettere un telegramma fino a circa 30 metri. I test di ZF Electronics hanno tuttavia dimostrato che con una linea di vista senza ostacoli e interferenze minime, questi interruttori basati su energy harvesting possono trasmettere fino a circa 298 metri.

Come tutti i trasmettitori a radiofrequenza (RF), per massimizzare l'efficacia dell'interruttore è fondamentale posizionare correttamente l'antenna. L'antenna a filo non deve essere attorcigliata e non deve venire a contatto con superfici metalliche, perché in entrambi i casi la sua portata potrebbe venirne limitata.

Un'applicazione pratica per l'interruttore AFIS-5003 potrebbe essere un carrello elevatore a forche. Un operatore di questi carrelli entra nell'ascensore per spostarsi da un piano all'altro. Invece di perdere tempo a scendere dal carrello per azionare un interruttore a parete, può comandare l'ascensore con un interruttore AFIS-5003 di ZF Electronics. Ciò è particolarmente utile quando in fabbrica devono operare temporaneamente carrelli elevatori di altre strutture o quando li si deve riassegnare ad altre strutture. Al carrello elevatore si può fissare temporaneamente una scatola di plastica con l'interruttore AFIS-5003 a portata di mano dell'operatore. Poiché l'interruttore dovrebbe trasmettere solo all'interno dell'ascensore, questa applicazione potrebbe trarre vantaggio dall'utilizzo della sola antenna interna su scheda dell'interruttore. In questo modo si limiterebbe il raggio di trasmissione, rendendo meno probabili le interferenze con altri interruttori o dispositivi vicini.

Ricevitore dell'interruttore basato su energy harvesting

L'interruttore trasmette il suo segnale a un ricevitore di ZF Electronics compatibile come il modulo ricevitore AFZE-5003 (Figura 2). Il trasmettitore di un interruttore viene accoppiato a un ricevitore premendo il pulsante di accoppiamento sul ricevitore, quindi attivando l'interruttore basato su energy harvesting. Per segnalare che l'accoppiamento è avvenuto correttamente, sul ricevitore lampeggia una luce. Questo ricevitore può ricevere segnali da un massimo di 32 trasmettitori basati su energy harvesting a 915 MHz di ZF Electronics, anche se, con l'assistenza del produttore, il numero dei trasmettitori può essere portato a 256. Un interruttore basato su energy harvesting può essere accoppiato a un numero illimitato di ricevitori. L'accoppiamento di un interruttore con due o più ricevitori può essere utile in applicazioni critiche dove è richiesta la ridondanza, o dove occorre estendere il raggio d'azione degli interruttori quando un sistema deve essere controllato da più punti distanti.

Immagine del modulo ricevitore a 915 MHz AFZE-5003 di ZF ElectronicsFigura 2: Il modulo ricevitore a 915 MHz AFZE-5003 di ZF Electronics (sulla destra) può ricevere segnali da un massimo di 32 trasmettitori basati su energy harvesting e può essere esteso fino a 256 trasmettitori. È disponibile anche senza alloggiamento, come mostrato sulla sinistra. (Immagine per gentile concessione di ZF Electronics)

AFZE-5003 può essere collegato a qualsiasi microcontroller, controller a logica programmabile (PLC) o computer con un'interfaccia UART che supporta RS-232 o RS-485 utilizzando livelli logici TTL. Come si vede nella Figura 2, AFZE-5003 sulla destra è inserito in un alloggiamento in plastica idoneo per un ambiente industriale. È anche dotato di un'interfaccia USB 2.0 per collegarsi a un PC host per lo sviluppo di applicazioni. Il componente operativo di AFZE-5003 è una scheda delle dimensioni di un francobollo, come si vede sulla sinistra (anche in questo caso, Figura 2). Questa scheda è disponibile anche come unità autonoma per l'integrazione in un sistema più grande.

Il ricevitore può essere alimentato dall'interfaccia USB o da un alimentatore esterno a 5 V e mantiene le informazioni di accoppiamento anche quando è scollegato dall'alimentazione. AFZE-5003 può essere posizionato vicino al PLC centrale dove riceve i telegrammi da tutti gli interruttori basati su energy harvesting presenti in fabbrica. Lo stato dell'interruttore viene poi inviato attraverso UART al PLC, che configura l'apparecchiatura appropriata tramite Ethernet o Wi-Fi.

Sviluppo dell'interruttore basato su energy harvesting

Per lo sviluppo, ZF Electronics fornisce il kit di valutazione di energy harvesting AFIK-5002 (Figura 3).

Immagine del kit di valutazione AFIK-5002 di ZF ElectronicsFigura 3: Il kit di valutazione AFIK-5002 di ZF Electronics contiene tutto ciò che serve a uno sviluppatore per valutare un sistema con interruttore basato su energy harvesting, compresi interruttore a bilanciere, pulsante, generatore autonomo e ricevitore. (Immagine per gentile concessione di ZF Electronics)

Il kit di valutazione contiene lo stesso ricevitore e lo stesso interruttore a bilanciere di cui si è parlato in precedenza. È incluso anche un cavo USB. L'alloggiamento in plastica dell'antenna del ricevitore è indicato in primo piano al centro della Figura 3. Il kit di valutazione contiene anche un interruttore a pulsante basato su energy harvesting e un generatore di energy harvesting autonomo simile ad AFIG-0007 di ZF Electronics, identificato da una spirale gialla nella Figura 3. Questo generatore è il cuore di ogni pulsante o interruttore a bilanciere basato su energy harvesting di ZF Electronics ed è preposto a tradurre l'azionamento dell'interruttore nel telegramma trasmesso. Gli sviluppatori possono utilizzare il generatore di energy harvesting così com'è, oppure possono costruire un proprio interruttore basato su energy harvesting utilizzando il generatore.

Il kit di valutazione è facile da usare. Il ricevitore è collegato tramite USB a un PC che esegue il software dimostrativo del kit. Al ricevitore può essere accoppiato uno qualsiasi degli interruttori inclusi, oppure li si può accoppiare tutti. Il software dimostrativo illustra lo stato dell'operazione di accoppiamento e tutti i telegrammi ricevuti, compresi i dati grezzi di quelli a 48 bit, una marca temporale, il numero ID univoco dell'interruttore, lo stato dell'interruttore, il numero dei telegrammi trasmessi per l'azionamento dell'interruttore e l'intensità del segnale. Le informazioni sull'intensità del segnale sono particolarmente importanti in quanto aiutano moltissimo a garantire che la distanza e il posizionamento tra trasmettitore e ricevitore consentano una forza del segnale affidabile.

Conclusione

Gli interruttori basati su energy harvesting possono risolvere problemi particolari in situazioni IIoT che sembrerebbero non avere una soluzione facile. Come è stato dimostrato, possono semplificare notevolmente il layout di un impianto industriale, offrendo una maggiore flessibilità per il posizionamento degli interruttori in luoghi in cui le soluzioni convenzionali sarebbero impraticabili.

Esonero della responsabilità: le opinioni, le convinzioni e i punti di vista espressi dai vari autori e/o dai partecipanti al forum su questo sito Web non riflettono necessariamente le opinioni, le convinzioni e i punti di vista di Digi-Key Electronics o le sue politiche.

Informazioni su questo autore

Bill Giovino

Bill Giovino è un ingegnere elettronico con un BSEE ottenuto a Syracuse University, ed è uno dei pochi ad essere passati con successo da progettista, a ingegnere delle applicazioni sul campo, al marketing tecnologico.

Da oltre 25 anni, Bill promuove le nuove tecnologie per un pubblico tecnico e non tecnico a nome di molte aziende, tra cui STMicroelectronics, Intel e Maxim Integrated. In STMicroelectronics, Bill ha contribuito a guidare i primi successi dell'azienda nel settore dei microcontroller. Con Infineon, Bill ha orchestrato i primi successi di progettazione di microcontroller dell'azienda nel settore automotive statunitense. In qualità di consulente di marketing per la sua società CPU Technologies, Bill ha aiutato molte aziende a trasformare prodotti di secondo grado in storie di successo.

Bill è stato uno dei primi ad adottare l'Internet delle cose, compresa l'integrazione del primo stack TCP/IP completo su un microcontroller. Bill è fedele al motto "Le vendite guidate dall'educazione" e tiene molto alla crescente importanza di comunicazioni chiare e ben scritte nella promozione di prodotti online. È moderatore del famoso gruppo Sales & Marketing di LinkedIn Semiconductor e parla correntemente di B2E.

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