Protokollunabhängig in Echtzeit kommunizieren dank des NearFi von Phoenix Contact

Kontaktlos, kompakt, robust: NearFi ersetzt verschleißanfällige und wartungsintensive Steckverbindungen flexibel und einfach.

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. Aufgrund der hohen Steckzyklen beim Werkzeugwechsel reduziert sich der Nutzungszeitraum der Steckverbinder deutlich, weil die Kontakte beim ständigen Austauschen „abbrennen“, verschmutzen oder sich verbiegen.

In der NearFi-basierten Lösung werden zwei 60-GHz-Verbindungen – ein Uplink und ein Downlink – parallel auf getrennten Frequenzbändern genutzt, um einen Vollduplex-Betrieb zu ermöglichen. NearFi-Kommunikation findet in Echtzeit statt.

Stillstandzeiten vermeiden

Daraus resultieren Stillstandzeiten, die sich nicht voraussagen oder einplanen lassen. Kosten für regelmäßige Wartungsintervalle belaufen sich dabei schnell auf einen siebenstelligen Betrag. Steckverbinder werden auch bei Fahrerlosen Transportsystemen, Dreh- oder Rundtakttischen sowie Applikationen, die Schleifringe verwenden, oftmals ersetzt. Alle bislang verfügbaren Lösungen erweisen sich entweder als nicht ausreichend performant, fehleranfällig oder wartungsintensiv und damit entsprechend teuer.

Hier bietet sich die kontaktlose Übertragung von Energie und Daten über einen Luftspalt an. Das erlaubt verschleiß- und wartungsfreie Verbindungen und sogar eine Weiterleitung durch Glaswände oder andere nichtleitende Medien, sodass sich vielfältige Anwendungen ergeben, wie z. B. die kontaktlose Erschließung nicht- oder schwer zugänglicher Bereiche wie abgeschlossene Schaltschränke, Hochspannungsbereiche oder Reinräume.

Im Vergleich: Bit-orientierte synchrone versus paketorientierte asynchrone Übertragung.

Bit-orientierte Vollduplex-Kommunikation

In der Automatisierung basiert die Datenübertragung heute in der Regel auf Ethernet (100 Mbit/s). Bei einigen der genutzten Protokolle – z. B. Profinet IRT, Sercos oder Ethercat – handelt es sich um Echtzeit-Protokolle, die eine Kommunikation mit besonders niedriger Latenz bedingen. Als Treiber für diese Entwicklung fungieren die Herausforderungen der digitalen Produktion sowie das damit verbundene Ziel einer wirtschaftlichen Fertigung in Losgröße eins. Zudem sollen die internationale Wettbewerbsfähigkeit des Unternehmens sowie die Effizienz über die gesamte Wertschöpfungskette gesichert werden.

Als erster Anbieter stellt Phoenix Contact jetzt eine kontaktlose Ethernet-Verbindung ohne nennenswerte Latenzzeiten zur Verfügung. Der Datenaustausch basiert auf einer drahtlosen 60-GHz-Kommunikation im Nahfeldbereich. Derart ist eine Bit-orientierte Übertragung möglich, wie sie z. B. auch bei der Lichtwellenleiter-Kommunikation verwendet wird. Sämtliche 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.

Dieser Prozess umfasst viele asynchrone und Latenz-verursachende Vorgänge, die bei der neuartigen Kommunikationstechnik von Phoenix Contact komplett unterbleiben. Die Übertragung von Echtzeit-Ethernet-Protokollen erfordert darüber hinaus eine Vollduplex-Weiterleitung, also den gleichzeitigen Datenaustausch in beide Richtungen. Dieser Anspruch stellt etliche Funktechnologien – z. B. WLAN oder 5G – vor ein Problem.

Aufgrund des robusten IP65-Gehäuses mit M12-Anschlüssen für Ethernet und Spannung lassen sich die NearFi-Koppler auch in anspruchsvollen Umgebungen einsetzen; NearFi-Koppler widerstehen Staub und Schmutz.

Latenz von weniger als 1 µs

In der NearFi-basierten Lösung von Phoenix Contact werden zwei 60-GHz-Verbindungen – ein Uplink und ein Downlink – parallel auf getrennten Frequenzbändern genutzt, um einen Vollduplex-Betrieb zu ermöglichen. Zum Vergleich: WLAN erzeugt bei einer Ethernet-Kommunikation eine Latenz von rund 10 bis 20 ms (10.000 bis 20.000 µs). 5G strebt für die Zukunft 1 ms (1.000 µs) an. NearFi bietet hingegen eine Latenz von weniger als 1 µs, ist somit zirca 1.000 Mal schneller als 5G. Zudem erlaubt NearFi eine kontaktlose und nahezu latenzfreie Ethernet-Übertragung bis 100 Mbit/s in Echtzeit und arbeitet ferner protokollunabhängig – damit eignet sie sich auch für zukünftige Entwicklungen.

Da die Funkkommunikation im Nahfeldbereich über einen sehr geringen Abstand erfolgt, entsteht kein Störspektrum im Umfeld der Geräte, sodass sich zahlreiche NearFi-Systeme parallel nutzen lassen sowie eine Koexistenz mit vorhandenen Funktechnologien – z. B. Wlan oder Bluetooth etc. gegeben ist. Industrielle Störspektren, wie sie z. B. beim Lichtbogenschweißen auftreten, können die NearFi-Technologie ebenfalls nicht beeinflussen. NearFi wird erstmals in den neuen NearFi-Kopplern von Phoenix Contact verwendet.

Die Geräte ermöglichen die Weiterleitung von 50 W Energie (24 V, 2 A) sowie von Echtzeit-Ethernet-Daten über einen Luftspalt bis zu einer Entfernung von einigen Zentimetern. Aufgrund des robusten IP65-Gehäuses mit M12-Anschlüssen für Ethernet und Spannung lassen sich die NearFi-Koppler auch in anspruchsvollen Umgebungen einsetzen.

Konstante Leistung von 50 W

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 Energieübertragung aus. So wird die Leistung auf dem gesamten Arbeitsbereich konstant bei 50 W gehalten. Endgeräte, wie z. B. I/O-Stationen oder Switches, lassen sich also kontaktlos mit Energie versorgen. Die Kopplung erfolgt automatisch, es ist somit keine Konfiguration oder Programmierung nötig.

Die Base- und Remote-Koppler können zudem aus beliebigen Richtungen oder auch rotierend zueinander geführt werden. 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.

In rotierenden Anwendungen kommen manchmal Schleifringe oder optische Drehübertrager zur Anwendung. 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. Derart lassen sie sich universell und flexibel montieren.

Die Nutzung der NearFi-Koppler resultiert folglich in einer Reduzierung von Serviceeinsätzen, dem Wegfallen von Wartungskosten und dadurch in einer Steigerung der Anlagenverfügbarkeit. Sinkende Aufwände und optimierte Produktionsprozesse verkürzen ihre Amortisationszeit deutlich.