Verbindungstechnologie Wie Energie und Daten den Luftspalt überwinden

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Wenn Roboter ohne physische Verbindung ihre Werkzeuge wechseln, dann gibt es auch keine verschlissenen Kontakte mehr: Die NearFi-Technologie von Phoenix Contact ersetzt Steckverbinder und nutzt Luftspalte für die Übertragung von Daten und Energie.

In der Automobilfertigung verschleißen Steckverbinder schnell. Pro Tag kommt es hier zu hunderten von Steckzyklen zwischen einem Roboterarm und seinem Wechselwerkzeug. Dies resultiert aus der zunehmenden Automatisierung von Prozessen. Hier müssen Roboter über immer mehr Fähigkeiten verfügen und die unterschiedlichen Werkzeuge automatisiert steuern können. Wegen der hohen Steckzyklen beim Werkzeugwechsel reduziert sich der Nutzungszeitraum der Steckverbinder deutlich, weil die Kontakte beim ständigen Austauschen „abbrennen“, verschmutzen oder sich verbiegen. Das führt zu Stillstandzeiten, die sich nicht voraussagen oder einplanen lassen. Als vorbeugende Maßnahme belaufen sich die Kosten für regelmäßige Wartungsintervalle schnell auf einen siebenstelligen Betrag. Steckverbinder werden oftmals auch bei fahrerlosen Transportsystemen, Dreh- oder Rundtakttischen sowie Applikationen, die Schleifringe verwenden, ersetzt. Alle bislang verfügbaren Lösungen erweisen sich entweder als nicht ausreichend performant, fehleranfällig oder wartungsintensiv und damit entsprechend teuer im Betrieb.

Hier bietet sich die kontaktlose Übertragung von Energie und Daten über einen Luftspalt an. Dieser Ansatz erlaubt nicht nur verschleiß- und wartungsfreie Verbindungen, sondern sogar eine Weiterleitung durch Glaswände oder andere nichtleitende Medien, sodass sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten ergeben. Mit den NearFi-Kopplern von Phoenix Contact lassen sich beispielsweise nicht oder schwer zugängliche Umgebungen wie abgeschlossene Schaltschränke, Hochspannungsbereiche oder Reinräume erschließen.

Funkbasierte Ethernet-Verbindung ohne nennenswerte Latenzzeiten

In der industriellen Automatisierung basiert der Datenaustausch heute in der Regel auf Ethernet (100 Mbit/s). Bei einigen der verwendeten Protokolle – zum Beispiel Profinet IRT oder Ethercat – handelt es sich um sogenannte Echtzeitprotokolle, die eine Kommunikation mit besonders niedriger Latenz erfordern. Als Treiber für diese Entwicklung fungieren die Herausforderungen der digitalen Produktion sowie das hiermit verbundene Ziel einer wirtschaftlichen Fertigung in Losgröße eins. Zudem sollen die internationale Wettbewerbsfähigkeit des jeweiligen Unternehmens sowie die Effizienz über die gesamte Wertschöpfungskette – von der Entwicklung bis zum Anwender – gesichert werden. Vor diesem Hintergrund bestand die größte Herausforderung für Phoenix Contact darin, die richtige Funktechnologie zu finden. Um die Vision einer industriellen kontaktlosen Übertragung ohne Latenz realisieren zu können, musste das Unternehmen neue Wege beschreiten, damit die Daten anders als über die üblichen Funkstandards weitergeleitet werden.

Im Ergebnis stellt Phoenix Contact nun als erster Anbieter eine kontaktlose Ethernet-Verbindung ohne nennenswerte Latenzzeiten zur Verfügung. Der Datenaustausch gründet sich auf einer drahtlosen 60GHz-Kommunikation im Nahfeldbereich. Auf diese Weise ist eine Bit-orientierte Übertragung möglich, wie sie beispielsweise bei der Lichtwellenleiter-Kommunikation genutzt 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, welche die Pakete ebenfalls erhalten, auspacken und wieder ausgeben muss. Dieser Prozess umfasst viele asynchrone und Latenz-verursachende Vorgänge, die bei der neuartigen NearFi-Kommunikationstechnik komplett unterbleiben. Die Übertragung von Echtzeit-Ethernet-Protokollen bedingt darüber hinaus eine Vollduplex-Weiterleitung, also den gleichzeitigen Datenaustausch in beide Richtungen. Dieser Anspruch stellt etliche Funktechnologien – etwa WLAN oder 5G – vor ein Problem.

Andere Wireless-Technologien wie WLAN und Bluetooth parallel verwenden

In der NearFi-basierten Lösung von Phoenix Contact werden zwei 60-GHz-Verbindungen – ein Uplink und ein Downlink – parallel auf getrennten Frequenzbändern eingesetzt, 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 (1000 µs) an. NearFi bietet hingegen eine Latenz von weniger als 1 µs, ist somit circa tausendmal schneller als 5G. Außerdem erlaubt NearFi eine kontaktlose und latenzfreie Ethernet-Übertragung bis 100 Mbit/s in Echtzeit und arbeitet ferner protokollunabhängig. Folglich eignet sich die Technologie 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 verwenden lassen sowie eine Koexistenz mit vorhandenen Funktechnologien – zum Beispiel WLAN oder Bluetooth – gegeben ist. Industrielle Störspektren, wie sie beispielsweise beim Lichtbogenschweißen auftreten, können die NearFi-Technologie ebenfalls nicht beeinflussen. Diese wird erstmals in den neuen NearFi-Kopplern von Phoenix Contact genutzt. 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.

Automatische Kopplung ohne Konfiguration oder Programmierung

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 Kommunikation aus. Dadurch reduziert sich die Leistung nicht über den Abstand, sondern wird auf dem gesamten Arbeitsbereich konstant bei 50 W gehalten. Endgeräte, wie zum Beispiel I/O-Stationen oder Switches, lassen sich also kontaktlos mit Energie versorgen. Die Kopplung erfolgt automatisch, es ist somit keine Konfiguration oder Programmierung erforderlich.

Zum Datenaustausch werden mindestens zwei Geräte benötigt: ein Base- und ein Remote-Koppler. Mit dem Base-Koppler lassen sich beliebig viele Remote-Koppler kombinieren und umgekehrt. Die Koppler bedingen keine Konfiguration und können so einfach verwendet werden wie eine Steckverbindung. Über eine integrierte Ausrichthilfe wird signalisiert, sobald die Geräte optimal verbunden sind. Das leuchtende Koppler-Gehäuse zeigt die Betriebsbereitschaft der Koppelstrecke selbst in schwer zugänglichen Einbauplätzen gut sichtbar an. Über einen digitalen Ausgang lassen sich die Koppler zusätzlich durch ein übergeordnetes Steuerungssystem diagnostizieren. Ein digitaler Eingang am Base-Koppler erlaubt das definierte Ein-/Ausschalten des Remote-Kopplers.

Unpräzise Positionierung von Base- und Remote-Gerät

Im Gegensatz zu den üblichen Steckverbinder-Lösungen können die Base- und Remote-Koppler aus beliebigen Richtungen ebenso wie 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. Bei einem Steckverbinder sind Stecker und Buchse hingegen sehr präzise zu positionieren, weil die empfindlichen Stifte ansonsten schnell beschädigt werden.

In rotierenden Anwendungen kommen manchmal Schleifringe oder optische Drehübertrager zum Einsatz. 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. Auf diese Weise lassen sie sich universell und flexibel montieren.

Durch die Nutzung der NearFi-Koppler reduzieren sich folglich Serviceeinsätze, Wartungskosten entfallen und dadurch lässt sich die Anlagenverfügbarkeit steigern. Sinkende Aufwände und optimierte Produktionsprozesse verkürzen ihre Amortisationszeit deutlich.

* Benjamin Fiene, Produktmarketing Communication Interfaces, Phoenix Contact Electronics GmbH

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