Mechanický přepínač je nenahraditelný v situaci, kdy řidič vysokozdvižného vozíku ovládá vstupní dveře, nebo když je zařízení, které má být ovládáno umístěno na nepřístupném místě. Pokud bychom použili klasické mechanické tlačítko nastává problém s kabeláží, která může být neproveditelná nebo může způsobovat bezpečnostní problém. Bezdrátový přepínač je v těchto případech ideální volbou.

Nejlepším řešením je bezdrátový přepínač, který si energii pro svou činnost obstará sám, a tím není nutné řešit případnou výměnu baterie. Typickým řešením je bezdrátový přepínač s technologií Energy Harvesting od společnosti ZF Electronics  (dříve Cherry Industrial Solutions).

Získávání energie pro bezdrátový přepínač

Mnoho výrobních linek je postaveno tak, aby se dali jednoduše přestavit po výrobu jiného produktu. Každá přestavba znamená zvýšení prostojů. Čím více částí výrobní linky nepotřebuje kabely, tím jednodušší je její přestavba. Jedním z takových časově úsporných řešení jsou bezdrátové přepínače se sběrem energie (harvesting).

Většina výrobních strojů je připojena k hlavnímu ovládacímu panelu. Existují však situace, kdy musí být zařízení provozováno v továrně, ale ovládáno vzdáleně. Například dálkové otevírání a zavírání dveří, zapínání a vypínání vysokonapěťových zařízení, ovládání výtahů, otevírání a zavírání ventilů, ovládání ekologicky citlivých zařízení. Někdy je nutné, aby ovládací přepínač byl mobilní.

Všechny tyto speciální aplikace spojuje jedna vlastnost - běžná montáž pomocí kabelů je neproveditelná. Pro tyto neobvyklé situace vyvinula společnost ZF Electronics bezdrátové přepínače jako je kolébkový přepínač AFIS-5003 s technologií pro sběr energie – harvesting (obrázek 1). Tento přepínač je samostatný a nevyžaduje pro svou funkci žádné další komponenty ani baterii.

Obrázek 1: ZF Electronics AFIS-5003 nepotřebuje žádné externí napájení nebo baterii. Energii potřebnou pro vysílání bezdrátového signálu získává během stisku přepínače. (Zdroj obrázku: ZF Electronics)

AFIS-5003 vypadá jako standardní kolébkový přepínač a lze jej namontovat do standardního montážního otvoru 27 x 12 mm. Namísto dvou výstupů na zadní straně je však kolmo od přepínač vyveden jediný drát o délce 70 mm, který slouží jako anténa pro bezdrátový přenos. Přepínač získává energii pro svoji činnost přeměnou energie, která vzniká při stisknutí přepínače. Překlopení kolébkového přepínače do druhé pozice si vyžaduje energii, která odpovídá síle 0,5 kg. Tato mechanická energie se převádí pomocí interního generátoru na elektrickou.

Generátor vytváří dostatečnou energii 330 µW pro přenos 48bitovho datového paketu. AFIS-5003 vysílá v rádiovém pásmu 868 MHz nebo 915 MHz. Standardně je telegram vysílán třikrát, ale přepínač lze nakonfigurovat tak, aby vysílal až sedm telegramů. Tím se zvýší spolehlivost přenosu. Zpoždění mezi každým přenášeným telegramem je pseudonáhodně rozloženo. To pomáhá překonat jakékoli periodické vysokofrekvenční rušení. Toto rozložení je důležité v situaci, kdy je současně stisknuto více přepínačů AFIS-5003. Tímto rozložením se dosáhne přenosu všech telegramů od všech přepínačů. Každý telegram obsahuje jedinečné identifikační číslo přepínače a stav přepnutí.

Přepínač AFIS-5003 je dimenzován pro časté použití a umožní až 100 000 přepnutí. Provozní teplota se pohybuje v rozmezí od -40 °C do + 85 °C. Tento rozsah splňuje většinu průmyslových prostředí. Přepínač má krytí IP40, takže je chráněn před prachem, ale není odolný vůči vlhkosti. Pro náročné průmyslové prostředí se doporučuje, aby byl přepínač namontován v malém krytu. Kryt by měl být plastový, protože kov by narušoval přenos bezdrátového signálu.

Přepínač nevyžaduje napájení, a tak není nutná výměna baterie. To znamená nízké náklady pro údržbu. Díky tomu, že není použito externí napájení, zjednoduší se rozmístění jednotlivých komponent výrobní linky. Je-li to nutné, lze přepínač snadno přemístit na jiné místo během několika sekund.

Ovládání výtahu

Přepínač obsahuje dvě antény. Přímo na desce je integrovaná anténa s omezeným dosahem, který je závislý na materiálu krytu a provozním prostředí. Pro větší vzdálenosti je k dispozici vnější anténa o velikosti necelých 7 cm, která je určena pro přenos telegramu na vzdálenost až 30 m. Vlastní testování společnosti ZF Electronics ukázalo, že na viditelnou vzdálenost a s minimálním rušením lze dosáhnout přenosu až 300 m. Externí anténa nesmí být zkroucena a nesmí přijít do kontaktu s kovovými povrchy. Tyto podmínky je nutné splnit, aby bylo možné získat maximální dosah.

Praktickou situací využití přepínače AFIS-5003 je vysokozdvižný vozík. Operátor vysokozdvižného vozíku vjede do výtahu a poté ovládá výtah mezi patry. Bezdrátový přepínač je umístěn přímo na palubní desce vysokozdvižného vozíku. Operátor zbytečně neztrácí čas vystupováním a nastupováním. K vysokozdvižnému vozíku lze na dosah obsluhy dočasně připevnit plastovou krabičku s přepínačem AFIS-5003. V této aplikaci se ovládání výtahu provádí uvnitř kabiny výtahu. Proto je možné použít jen vnitřní integrovanou anténu na desce. Tento omezený dosah má výhodu v tom, že se sníží pravděpodobnost rušení s jinými přepínači nebo jinými blízkými zařízeními.

Připojení k nadřazenému systému

Přepínač komunikuje bezdrátově s přijímacím modulem AFZE-5003 (obrázek 2) od ZF Electronics. Přepínač se s modulem spáruje stisknutím tlačítka pro párování na modulu a aktivací přepínače. Na modulu bliká kontrolka, která signalizuje úspěšné spárování. Tento modul se může standardně spárovat s 32 bezdrátovými přepínači. Pokud je potřeba tento počet navýšit, lze na požádání u výrobce toto číslo navýšit až na 256. Jeden přepínač lze spárovat s neomezeným počtem přijímacích modulů. To může být užitečné v kritických aplikacích, kde je vyžadována redundance, nebo kde je nutné jedno zařízení ovládat z více vzdálených míst.

Obrázek 2: ZF Electronics AFZE-5003 přijímací modul 868 MHz a 915 MHz, může přijímat signály až z 32 bezdrátových přepínačů. Na vyžádání je možno tento počet navýšit na 256. Modul je k dispozici také bez plastového krytu, jak je vidět na obrázku vlevo. (Zdroj obrázku: ZF Electronics)

Příjímací modul AFZE-5003 lze připojit k libovolnému mikrokontroléru, programovatelnému logickému automatu (PLC) nebo počítači s rozhraním RS-232 nebo RS-485 s úrovní TTL. Jak je vidět na obrázku 2 vpravo, AFZE-5003 je umístěn v plastovém pouzdře vhodném pro průmyslové prostředí. K dispozici je také rozhraní USB 2.0 pro připojení k hostitelskému počítači pro vývoj aplikací. Samostatná PCB deska je zobrazena vlevo a slouží jako samostatná jednotka pro integraci do většího systému.

Přijímač může být napájen rozhraním USB nebo externím zdrojem napájení o velikosti 5 V. Informace o párování jsou uloženy, i když je modul odpojen od napájení.

Podpora vývoje

ZF Electronics dodává sadu Afik-5002 pro vývoj aplikací s bezdrátovým přepínačem, který nepotřebuje napájení ani baterii. (obrázek 3).

Obrázek 3: ZF Electronics Afik-5002 sada obsahuje vše potřebné k vývoji bezdrátového kolébkového přepínače se sběrem energie během přepnutí. (Zdroj obrázku: ZF Electronics)

Vývojový sada obsahuje přijímací modul, kolébkový přepínač a USB kabel. Plastové pouzdro antény přijímače je vidět v popředí na obrázku 3. Tato sada také obsahuje samostatný generátor pro sběr energie AFIG-0007 (na obrázku je zobrazen žlutě). Tento generátor je srdcem každého přepínače ZF Electronics se sběrem energie.

Vývojová sada se snadno sestavuje a ovládá. Přijímací modul se připojuje přes USB k počítači, na kterém běží demo software. Tento software slouží k zobrazení stavu párování a detailního zobrazení 48bitového telegramu, časového razítka, jedinečného identifikačního čísla daného přepínače, stavu polohy kolébky a síly signálu. 

Závěr

Bezdrátový přepínač, který si ke své činnosti obstará energii sám, řeší specifické problémy v průmyslových aplikacích. Mohou výrazně zjednodušit uspořádání výrobní linky, díky své flexibilitě a spolehlivosti.

Článek vyšel v originále „Save Time and Cost in IIoT Facilities with Wireless Energy Harvesting Switches"  na webu DigiKey.com, autorem je Bill Jovinus.