下一代工業(yè)無(wú)線連接器和未來(lái)工廠

靈活制造和無(wú)線連接是現(xiàn)今工廠的兩大需求。制造商需要對(duì)不斷變化的客戶需求、定制化和較短的產(chǎn)品生命周期做出快速響應(yīng)。他們需要可互換的工藝和設(shè)備，可以重新配置、修改和更換為免維護(hù)連接器，從而降低成本和停機(jī)時(shí)間。然而，工廠車間的許多可互換設(shè)備仍然依賴于傳統(tǒng)的物理連接器，這些連接器會(huì)有磨損，進(jìn)而影響材料成本和工業(yè)生產(chǎn)力。

想象一下，在一家工廠里，物理連接器已經(jīng)消失；命令指令在機(jī)器人子系統(tǒng)之間以無(wú)線方式發(fā)送，能夠快速有效地更改工具集和設(shè)置，在降低成本的同時(shí)提高了生產(chǎn)速度。這樣的工廠場(chǎng)景還會(huì)遠(yuǎn)嗎？不，Phoenix Contact公司的回答是否定的。該公司是工業(yè)自動(dòng)化、互聯(lián)和接口解決方案提供商，以開(kāi)發(fā)精密連接器著稱。

Phoenix Contact有一個(gè)愿景，那就是用快速的工業(yè)無(wú)線連接器實(shí)現(xiàn)當(dāng)今制造業(yè)的飛躍。然而Phoenix Contact需要一個(gè)在毫米波(RF)技術(shù)方面具有專長(zhǎng)的合作伙伴，以便更快地進(jìn)入市場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。為此，這家行業(yè)創(chuàng)新企業(yè)與憑借深厚領(lǐng)域知識(shí)和技術(shù)專長(zhǎng)而聞名的ADI公司合作，以迎接挑戰(zhàn)并共同開(kāi)發(fā)具有緊湊、超低延遲、協(xié)議無(wú)關(guān)毫米波解決方案的無(wú)線連接器。下一代技術(shù)將使工業(yè)無(wú)線連接器得以大規(guī)模部署，打開(kāi)了通往一個(gè)有盈利潛力的新工業(yè)市場(chǎng)領(lǐng)域的大門(mén)。

挑戰(zhàn)

在汽車制造過(guò)程中存在非常明顯的連接器磨損。機(jī)器人手臂和不斷變化的工具組之間每天都會(huì)有數(shù)百次配接周期（如圖1）?！坝捎诠ぞ吒鼡Q過(guò)程中的配接周期很多，觸點(diǎn)容易‘燒壞’，連接器的使用壽命大大縮短。在不斷更換過(guò)程中，它們會(huì)變臟或彎曲?！盤(pán)hoenix Contact通信接口產(chǎn)品營(yíng)銷部的Benjamin Fiene說(shuō)道，“這會(huì)導(dǎo)致無(wú)法預(yù)測(cè)的計(jì)劃外停機(jī)時(shí)間。定期預(yù)防性維護(hù)周期的成本很快就會(huì)達(dá)到七位數(shù)。”

據(jù)IBM統(tǒng)計(jì)，對(duì)損壞的零件和設(shè)備做出響應(yīng)所花費(fèi)的維護(hù)時(shí)間能占到80%。

在制造廠惡劣的工作環(huán)境中，物理連接器的可靠性和使用壽命會(huì)受到限制，需要定期維護(hù)。連接器中的插頭和插座必須精確定位；否則，脆弱的針腳會(huì)很快損壞。連接器錯(cuò)位可能會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)彎曲和停機(jī)，需要立即更換整個(gè)連接器組件。

Phoenix Contact設(shè)想的無(wú)線連接器是非接觸式的，完全不會(huì)有接觸。與傳統(tǒng)的連接器解決方案不同，耦合器可以從任何方向或在旋轉(zhuǎn)中相互連接（如圖3所示）。最顯著的成本節(jié)約來(lái)自于減少了不可預(yù)測(cè)的生產(chǎn)停工時(shí)間。

理想情況下，合適的無(wú)線解決方案必須比以往任何時(shí)候都能更快地傳輸和接收數(shù)據(jù)，以確保實(shí)時(shí)通信，包括免許可操作，不受網(wǎng)絡(luò)干擾，并且支持所有標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。所有這些都要在一個(gè)小尺寸的外形內(nèi)實(shí)現(xiàn)。擬議的解決方案將不僅是芯片級(jí)的，而是一個(gè)完整系統(tǒng)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

一款工業(yè)無(wú)線解決方案

Phoenix Contact通信接口營(yíng)銷與開(kāi)發(fā)總監(jiān)Frank Hakemeyer指出：“我們已經(jīng)勾勒出最終產(chǎn)品的外觀，并決心開(kāi)發(fā)和制造我們自己的無(wú)線連接器。但我們需要一個(gè)在射頻技術(shù)方面具有專長(zhǎng)的合作伙伴，那就是ADI?！?/p>

2019年8月，Phoenix Contact與ADI合作開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)新的工業(yè)創(chuàng)新—沒(méi)有電線卻能實(shí)現(xiàn)電線功能—就這樣誕生了。

Phoenix Contact的完整無(wú)線連接器解決方案名為NearFi耦合器，包括三個(gè)主要功能模塊，分別是數(shù)據(jù)鏈路、電源鏈路和基帶電子器件。它們?nèi)患傻揭粋€(gè)緊湊設(shè)計(jì)中，使最終產(chǎn)品能夠無(wú)縫應(yīng)用于眾多工業(yè)應(yīng)用。ADI負(fù)責(zé)開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)鏈路。利用Phoenix Contact的NearFi技術(shù)，上行鏈路和下行鏈路信號(hào)可提供雙向同步數(shù)據(jù)交換，即全雙工操作。NearFi技術(shù)的響應(yīng)速度是5G的500倍。換句話說(shuō)，它是無(wú)延遲的。

適合Phoenix Contact的全套解決方案

ADI利用射頻專業(yè)技術(shù)，將現(xiàn)有的收發(fā)器芯片組(HMC6300/HMC6301)和兩個(gè)專用天線集成在一個(gè)層壓板上。為了向Phoenix Contact提供全套的定制解決方案，ADI還開(kāi)發(fā)了一個(gè)專門(mén)配套的印刷電路板，用來(lái)為層壓板供電，并將其基帶部分連接到終端設(shè)備。結(jié)果開(kāi)發(fā)出了ADMV9611/ADMV9621(圖4)。這是一款完整的60GHz數(shù)據(jù)鏈路解決方案，也是實(shí)現(xiàn)Phoenix Contact新開(kāi)發(fā)的NearFi的一項(xiàng)技術(shù)。

圖4. ADI ADMV9611/ADMV9621 PCB解決方案

該數(shù)據(jù)鏈路為目標(biāo)應(yīng)用提供了緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的數(shù)據(jù)互連，并以較低的成本實(shí)現(xiàn)了更好的性能，其優(yōu)勢(shì)包括：

不受電磁干擾—可實(shí)現(xiàn)免維護(hù)、高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，對(duì)所有電磁干擾具有很強(qiáng)的抵抗力。

不受環(huán)境污染影響—確保在灰塵和污染的工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行可靠的通信（該解決方案可以“看穿”這樣的環(huán)境）。與其他可能會(huì)被灰塵阻礙的高速無(wú)線光纖鏈路相比，這是一個(gè)關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)。

處理對(duì)準(zhǔn)誤差—即使在高對(duì)準(zhǔn)誤差和收發(fā)器對(duì)存在大間距/間隔的情況下，也可以不間斷地運(yùn)行。

協(xié)議無(wú)關(guān)—由于設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)是完全不受協(xié)議限制的，因此可兼容全部的以太網(wǎng)協(xié)議。

允許耦合器共存—允許幾個(gè)NearFi耦合器和其他60GHz應(yīng)用在一個(gè)非常狹窄的空間內(nèi)共存。

其他應(yīng)用

Phoenix Contact現(xiàn)在已經(jīng)做好準(zhǔn)備利用其NearFi耦合器，或在整個(gè)旋轉(zhuǎn)滑環(huán)應(yīng)用中傳輸數(shù)據(jù)和電力，這些應(yīng)用包括廣泛用于生產(chǎn)線的旋轉(zhuǎn)臺(tái)機(jī)構(gòu)，比如食品和飲料行業(yè)使用的瓶子灌裝機(jī)；制造業(yè)的汽車裝配廠；通信業(yè)的機(jī)場(chǎng)指揮塔上的旋轉(zhuǎn)天線；或可再生資源行業(yè)的風(fēng)車葉片。旋轉(zhuǎn)工具或機(jī)器的旋轉(zhuǎn)方式不適合使用電線，因?yàn)殡娋€會(huì)扭曲。在工業(yè)應(yīng)用中，電線是不實(shí)用的，因?yàn)樾枰陟o止物體和旋轉(zhuǎn)物體之間建立連接。因此，它使用的是由電刷和細(xì)小的電導(dǎo)絲組成的機(jī)電觸點(diǎn)。

這些產(chǎn)品容易出現(xiàn)高機(jī)械磨損，需要精確制造，從而推高了成本和故障率。Phoenix Contact的NearFi耦合器只需要簡(jiǎn)單的、不甚精確的位置，也可確?？煽?、無(wú)磨損的傳輸。利用NearFi耦合器的優(yōu)勢(shì)，可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)組件中的旋轉(zhuǎn)連接處傳輸數(shù)據(jù)和電力。這項(xiàng)技術(shù)將擴(kuò)大制造商的應(yīng)用和商業(yè)機(jī)會(huì)。

ADI與Phoenix Contact的合作創(chuàng)造了一款產(chǎn)品，即用于工業(yè)環(huán)境中高速無(wú)線通信的數(shù)據(jù)鏈路。它可用于任何協(xié)議，幾乎沒(méi)有信號(hào)傳輸延遲。雙方的合作還催生了一種用于廣泛工業(yè)應(yīng)用的新型獨(dú)立產(chǎn)品——ADMV9611/ADMV9621。ADI將從2021年秋季開(kāi)始向其他客戶提供這款產(chǎn)品。

ADI正在研究為使用計(jì)算機(jī)斷層掃描（CT掃描）或其他成像相關(guān)設(shè)備等醫(yī)療設(shè)備的客戶調(diào)整其全套數(shù)據(jù)鏈路解決方案（圖5）。

其他可能的應(yīng)用領(lǐng)域包括機(jī)器人組件、工業(yè)制造設(shè)備，以及任何無(wú)線連接器傳輸要穿過(guò)玻璃墻或液體的應(yīng)用——這是物理連接器無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。這是一個(gè)價(jià)值幾百萬(wàn)美元的機(jī)會(huì)。