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IIoT 시설에서 무선 에너지 수확 스위치를 통한 시간 및 비용 절약

작성자: Bill Giovino

Digi-Key 북미 편집자 제공

산업용 사물 인터넷(IIoT)의 발전으로 센서 기반 모니터링이 향상되어 공장 및 제조 효율이 향상되었습니다. 터치 스크린, 멤브레인 스위치와 같은 휴먼 인터페이스 장치의 향상도 도움이 되었습니다. 그러나 기계식 스위치가 견고하고 사용이 편하기 때문에 여전히 제어 시스템에 필요한 경우도 있습니다. 하지만 제어 중인 장비에서 떨어진 위치에서 기계식 스위치를 작동해야 하는 경우에는 문제가 발생할 수 있습니다.

지게차 운전자가 입구를 통제해야 하는 경우나 제어하려는 장치가 정상적으로 접근할 수 없거나 환경적으로 보호되는 위치에 있는 경우가 이러한 상황에 속합니다. 그래서 전선을 연결하는 것이 비실용적이고 비용이 많이 들 경우 무선 스위치를 선택하는 것이 좋습니다. 그렇더라도 배터리 수명이 무선 스위치 작동에 큰 영향을 끼치기 때문에 유지보수를 통해 배터리를 주기적으로 충전하거나 교체해야 합니다.

이 기사에서는 ZF Electronics(전 Cherry Industrial Solutions)의 배터리 없는 에너지 수확 스위치로 이러한 문제를 해결할 수 있는 방법을 보여줍니다.

IIoT 및 에너지 수확 스위치 응용 분야

IIoT 프레임워크로 이전할 때, 특히 기존 벽면 실장형 장비 및 조명 스위치를 사용하고 해당 위치에서 전력을 즉시 사용할 수 있는 경우에 종종 기존 장비를 사용할 수 있습니다. 하지만 대부분의 제조 시설은 쉽게 구성 가능하도록 제작되므로 현재 조립 라인을 빠르게 해체하고 다른 제품을 제조하도록 다시 구성할 수 있습니다. 재구성하려면 다운타임의 측면에서 많은 비용이 들 수 있으므로 설계자와 공장 기술자는 재구성 시간을 단축할 수 있는 기술 또는 솔루션을 재조명해야 합니다. 에너지 수확 스위치는 그런 시간 절약형 스위치 중 하나입니다.

대부분의 공장 기계는 주 제어 허브에 네트워크로 연결되며 해당 중앙 위치에서 구성할 수 있습니다. 하지만 장비 위치에서 시스템을 제어하기 위해 비실용적이거나 불편하거나 둘 모두에 해당하는 작업 현장에서 장비를 작동해야 하는 경우도 있습니다. 그런 상황에는 원격으로 도어를 열고 닫거나, 고전압 장비를 켜고 끄거나, 장비 엘리베이터를 작동하거나, 밸브를 열고 닫거나, 환경적으로 보호되거나 민감한 장비 또는 장치를 제어하거나, 통풍 시스템을 구성하는 경우가 있습니다. 작동 스위치를 한 곳에 실장할 수 없어서 모바일로 사용해야 하거나 사용 가능한 실장 영역이 유리 또는 콘크리트라서 실장 브라켓을 고정할 수 없는 경우도 있습니다.

각양각색의 응용 분야가 있지만 모두 한 가지 공통점이 있습니다. 바로 정상적인 실장, 유선 연결 및 유지보수 절차가 적용되지 않는 비표준 스위치 응용 분야라는 점입니다. 이러한 비정상적인 응용 분야를 위해 ZF Electronics는 AFIS-5003 에너지 수확 로커 스위치와 같은 배터리 없는 무선 스위치를 개발했습니다(그림 1). 이 스위치는 유지보수가 필요 없는 자급형 스위치이므로 적절한 작동을 위해 추가 부품이 필요하지 않습니다.

ZF Electronics의 AFIS-5003 에너지 수확 로커 스위치 이미지그림 1: ZF Electronics AFIS-5003에서는 외부 전력 또는 배터리를 사용하지 않습니다. 대신 스위치를 누를 때 생성되는 에너지를 수확하여 무선 신호를 전송하는 데 사용되는 전력을 생성합니다. (이미지 출처: ZF Electronics)

AFIS-5003은 표준 로커 스위치와 비슷하며 표준 27mm x 12mm 실장용 홈에 실장될 수 있습니다. 하지만 후면의 두 접점 실장 탭 대신 스위치에서 수직으로 확장되는 단일 70mm 전선이 있습니다. 이 전선은 스위치 동작을 호환되는 수신기로 전송하는 데 사용되는 안테나입니다. 이 스위치는 스위치를 누를 때 생성되는 에너지를 변환하여 전력을 파생합니다. 스위치의 한쪽을 누르려면 내부의 소형 발전기에서 수확되는 힘이 1.12lb 필요합니다.

발전기에서는 330µW 48비트 데이터 패킷을 순간적으로 전송(전보라고 함)하여 스위치 상태를 호환되는 수신기로 보내는 데 충분한 전압을 출력합니다. AFIS-5003은 915MHz 대역을 통해 전송되고 전보는 3회 전송됩니다. 신뢰성 향상을 위해 전보를 최대 7회 전송하도록 스위치를 구성할 수도 있습니다. 전송되는 각 전보 간의 지연 간격은 의사 임의 지정되며 동시에 작동될 수 있는 다른 AFIS-5003 스위치를 비롯하여 주기적인 RF 전파 방해를 극복하는 데 도움이 됩니다. 각 전보에는 스위치의 고유 ID 번호, 스위칭 상태, 스위치 작동 중에 전송되는 총 전보 횟수가 포함되어 있습니다.

AFIS-5003 스위치의 작동 등급은 100,000회이며 빈번한 사용에 적합한 강도입니다. 작동 온도는 -40°C ~ +85°C이므로 대부분의 산업 환경에 적합합니다. 이 스위치는 IP40 등급이므로 약간의 먼지로부터 보호되지만 내습성은 없습니다. 산업 환경에서는 소형 인클로저에 스위치를 실장하는 것이 좋습니다. 금속은 무선 신호 전송과 간섭을 일으키므로 인클로저는 플라스틱 재질이어야 합니다.

스위치는 전력이 필요하지 않아 배터리를 충전하거나 교체할 필요가 없으며, 비용이 많이 드는 정기 유지보수가 필요하지 않습니다. 또한 배터리 수명이 진단 문제가 되지 않으므로 전보를 수신하는 데 문제가 있을 경우 이를 해결하는 데 도움이 됩니다. 또한 스위치에 외부 전력을 공급할 필요가 없으므로 공장 레이아웃을 단순화할 수 있습니다. 필요한 경우 스위치와 전력을 재배치하기 위해 유지보수 담당자를 예약하는 대신 몇 초 이내에 스위치를 다른 위치로 쉽게 이동할 수 있습니다.

엘리베이터 작동

이 스위치에는 두 개의 안테나가 있습니다. 내부 pc 기판 안테나의 경우 인클로저와 환경에 따라 범위가 제한됩니다. 거리 확대를 위해 스위치 후면의 2.756인치 유선 안테나는 전보를 최대 100피트까지 송신하도록 등급을 받았습니다. 하지만 ZF Electronics의 자체 테스트 결과 선명한 가시거리 내 최소 전파 방해 상태에서 이러한 에너지 수확 스위치는 최대 980피트까지 전송 가능한 것으로 확인되었습니다.

모든 무선 주파수(RF) 송신기와 마찬가지로 스위치의 효율을 최대화하려면 안테나를 적절히 배치해야 합니다. 유선 안테나가 꼬이지 않고 금속 표면과 접촉하지 않아야 합니다. 두 경우 모두 안테나의 범위가 제한될 수 있습니다.

실제 AFIS-5003 스위치 응용 제품에는 지게차 엘리베이터가 있습니다. 지게차 작업자가 엘리베이터로 진입한 다음 각 층으로 엘리베이터를 이동해야 합니다. 지게차에서 내려 벽면 스위치를 작동하는 데 시간을 낭비하는 대신 지게차 작업자가 ZF Electronics AFIS-5003 스위치를 사용하여 엘리베이터를 작동할 수 있습니다. 이는 다른 시설의 지게차를 공장 위치에 임시로 배치하거나 다른 지게차를 다른 시설에 재할당할 수 있는 작업에 특히 유용합니다. 작업자가 쉽게 도달할 수 있는 범위 내에 있는 지게차에 AFIS-5003 스위치가 달린 플라스틱 상자를 임시로 연결할 수 있습니다. 스위치는 엘리베이터 내에서 전송하는 데에만 필요하므로 이 응용 제품에서는 스위치의 내부 pc 기판 안테나만 사용하는 것이 유리할 수 있습니다. 그러면 전송 범위가 제한되므로 다른 스위치나 주변 장치와 간섭을 일으킬 가능성이 낮아집니다.

에너지 수확 스위치 수신기

스위치는 호환되는 ZF Electronics 수신기(예: AFZE-5003 수신기 모듈)에 신호를 전송합니다(그림 2). 수신기의 페어링 버튼을 누른 다음 에너지 수확 스위치를 작동하여 스위치 송신기를 수신기와 연결합니다. 성공적으로 연결되면 수신기의 표시등이 깜박입니다. 이 수신기는 최대 32개의 ZF Electronics 에너지 수확 915MHz 송신기로부터 신호를 수신할 수 있으며, 제조업체의 지원을 받아 이 수치를 256대의 송신기로 늘릴 수 있습니다. 에너지 수확 스위치에 연결할 수 있는 수신기 수는 제한되지 않습니다. 멀리 떨어진 여러 위치에서 동일한 시스템을 제어해야 할 때 스위치 범위를 확장해야 하거나, 이중화가 필요한 중요 응용 분야에서는 스위치 하나에 두 개 이상의 수신기를 연결하는 것이 유용할 수 있습니다.

ZF Electronics의 AFZE-5003 915MHz 수신기 모듈 이미지그림 2: ZF Electronics AFZE-5003 915MHz 수신기 모듈(오른쪽)은 최대 32개의 에너지 수확 송신기에서 신호를 수신할 수 있으며, 이 수치를 최대 256개의 송신기로 확장할 수 있습니다. 왼쪽 그림과 같이 하우징 없이 사용할 수도 있습니다. (이미지 출처: ZF Electronics)

TTL 논리 레벨을 사용하여 RS-232 또는 RS-485를 지원하는 UART 인터페이스를 통해 AFZE-5003을 마이크로 컨트롤러, 프로그래밍 가능 논리 컨트롤러(PLC) 또는 컴퓨터에 연결할 수 있습니다. 그림 2에 표시된 대로 오른쪽에 있는 AFZE-5003은 산업용 환경에 적합한 플라스틱 하우징 안에 들어 있으며, 응용 제품 개발을 위해 호스트 PC에 연결할 수 있는 USB 2.0 인터페이스가 있습니다. 왼쪽에 표시된 대로 AFZE-5003은 스탬프 크기의 기판에서 작동합니다(그림 2). 이 기판을 독립형 장치로 사용하여 더 큰 시스템에 통합할 수 있습니다.

수신기는 USB 인터페이스 또는 외부 5V 전원 공급 장치로 구동될 수 있으며 전원이 분리된 상태에서도 연결 정보를 유지합니다. 작업 현장의 모든 에너지 수확 스위치에서 전보를 수신하는 중앙 PLC 근처에 AFZE-5003을 배치할 수 있습니다. 그러면 UART를 통해 PLC로 스위치 상태가 전송되고, 이더넷 또는 Wi-Fi를 통해 적절한 장비를 구성합니다.

에너지 수확 스위치 개발

개발을 위해 ZF Electronics는 AFIK-5002 에너지 수확 평가 키트를 공급합니다(그림 3).

ZF Electronics의 AFIK-5002 평가 키트 이미지그림 3: ZF Electronics AFIK-5002 평가 키트에는 로커 스위치, 푸시 버튼, 독립형 발전기, 수신기를 비롯하여 개발자가 에너지 수확 스위치 시스템을 평가하는 데 필요한 모든 것이 포함되어 있습니다. (이미지 출처: ZF Electronics)

평가 키트에는 앞서 설명한 것과 동일한 수신기 장치 및 로커 스위치가 포함되어 있습니다. USB 케이블도 포함되어 있습니다. 수신기를 위한 플라스틱 안테나 하우징은 그림 3의 전면 가운데 표시되어 있습니다. 또한 평가 키트에는 그림 3에 노란색 코일로 표시된 ZF Electronics AFIG-0007과 비슷한 독립형 에너지 수확 발전기와 에너지 수확 푸시 버튼 스위치가 포함되어 있습니다. 이 발전기는 모든 ZF Electronics 에너지 수확 푸시 버튼 또는 로커 스위치의 핵심이며 스위치 작동을 전송된 전보로 전환하는 역할을 합니다. 개발자는 에너지 수확 발전기를 그대로 사용하거나 발전기를 사용하여 자체 에너지 수확 스위치를 만들 수 있습니다.

평가 키트는 간편합니다. USB를 통해 키트의 데모 소프트웨어를 실행 중인 PC에 수신기를 연결합니다. 포함된 수신기 중 일부 또는 전부를 수신기와 연결할 수 있습니다. 데모 소프트웨어는 연결 작업의 상태뿐 아니라 물리적 48비트 전보 데이터, 시간 스탬프, 스위치의 고유 ID 번호, 스위치 상태, 스위치 작동을 위해 전송된 전보 횟수, 신호 강도를 비롯한 모든 수신된 전보를 표시합니다. 신호 강도 정보는 송신기와 수신기 사이의 거리와 배치가 안정적인 신호 강도를 허용하는지 확인하는 데 큰 도움이 되므로 특히 중요합니다.

결론

에너지 수확 스위치는 쉽게 해결되지 않을 것 같은 IIoT 상황의 고유한 문제를 해결할 수 있습니다. 앞에서 살펴본 바와 같이 에너지 수확 스위치를 사용하면 기존 솔루션이 실용적이지 않은 위치에서 스위치를 더욱 유연하게 배치하여 산업 시설의 레이아웃을 크게 간소화할 수 있습니다.

면책 조항: 이 웹 사이트에서 여러 작성자 및/또는 포럼 참가자가 명시한 의견, 생각 및 견해는 Digi-Key Electronics의 의견, 생각 및 견해 또는 Digi-Key Electronics의 공식 정책과 관련이 없습니다.

작성자 정보

Bill Giovino

Bill Giovino는 시러큐스 대학(Syracuse University)에서 전자 공학 학위를 취득한 전자 엔지니어이며, 설계 엔지니어링에서 현장 애플리케이션 엔지니어링은 물론 기술 마케팅에 이르기까지 바로 투입 가능한 몇 안 되는 실력자 중 하나입니다.

Bill은 25년 이상 STMicroelectronics, Intel, Maxim Integrated를 비롯한 다양한 회사의 기술 및 비기술 담당자를 대상으로 신기술을 홍보해 왔습니다. STMicroelectronics 재직 중 Bill은 마이크로 컨트롤러 업계에서 회사의 초기 입지를 다지는 데 공헌했습니다. Infineon에서는 미국 자동차 업계에서 회사 최초로 마이크로 컨트롤러 설계를 성공으로 이끌어 내는 역할을 했습니다. Bill은 직접 설립한 CPU Technologies의 마케팅 컨설턴트로 일하면서, 많은 업체들이 실적이 저조한 제품의 실적을 개선하는 데 도움을 주고 있습니다.

Bill은 최초의 전체 TCP/IP 스택을 마이크로 컨트롤러에 배치하는 것을 비롯하여 사물 인터넷을 조기에 수용한 바 있습니다. Bill은 '교육을 통한 판매'라는 메시지와 온라인을 통한 제품 홍보에 있어 커져 가는 명확하고 분명한 의사 소통의 중요성 전달에 전념하고 있습니다. Bill은 LinkedIn의 인기 그룹인 Semiconductor Sales & Marketing Group의 중재자이며, B2E에 유창합니다.

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Digi-Key 북미 편집자