비접촉 전력 및 데이터 전송으로 무마모 저유지보수 산업 솔루션 구현

로봇 툴이나 정밀 인덱싱 테이블과 같은 회전 장치에 사용되는 산업용 응용 제품에서는 유연하고 신뢰성 높은 연결이 매우 중요합니다. 이러한 시스템은 움직임과 회전이 많고 먼지와 진동에 노출되는 경우가 많아 기존 커넥터나 슬립 링에서는 고장이 발생할 수 있습니다.

설계자는 이를 비롯한 다른 여러 까다로운 응용 분야에서 기존 솔루션의 한계를 극복할 수 있는 새로운 옵션이 필요합니다. 새로운 옵션은 최대 100Mbps의 보안 이중 이더넷 연결을 지원하고, 센서 및 다른 부품에 12mm의 간극(데이터 전용의 경우 40mm)에서 최대 50W 전력을 전송할 수 있어야 합니다.

광범위한 시스템 설계를 지원하려면 유연한 실장 옵션이 필요하며, 빠른 진단에는 간단한 가시적 LED 표시기가 필요합니다.

열악한 산업 환경에서 작동하려면 IP65 환경 등급이 필요하며, 솔루션은 EN 62262에 따라 IK06을 충족해야 합니다. 이는 최대 1줄의 에너지를 가진 외부 기계적 영향을 견딜 수 있음을 나타냅니다. 간단한 설치 또는 교체는 유지보수 비용과 가동 중지 시간을 최소화할 수 있습니다.

이 기사에서는 다양한 산업 응용 분야에서 기존의 커넥터 및 슬립 링을 사용하는 것과 관련한 문제를 간략하게 검토한 다음 Phoenix Contact NearFi 커플러의 기능을 자세하게 살펴보고, 이러한 제품이 까다로운 산업 응용 분야에서 비접촉 전력 및 데이터 전송에 필요한 전기, 기계, 보안 문제를 해결하는 방법을 설명합니다.

로봇 신뢰성 문제

자동화 조립 공정에 사용되는 로봇의 잦은 툴 변경은 커넥터에 상당한 문제를 야기할 수 있습니다. 이러한 툴 변경에는 매일 수백 번의 결합/분리 주기가 필요합니다.

각 주기에서 접점이 오염 물질에 노출되며 접점 마찰로 인한 마모가 발생합니다. 커넥터가 정밀하게 정렬되지 않으면 접점이 구부러질 수 있습니다.

그 결과 커넥터 신뢰성이 떨어지고 유지보수를 위한 가동 중지 시간을 예측할 수 없습니다. 툴 연결을 위한 커넥터 이외에도, 일부 로봇은 회전식 암 및 조인트에서 데이터 및 전력 전송을 위해 슬립 링을 활용합니다.

슬립 링의 한계

슬립 링은 풍력 발전용 터빈 뿐만 아니라 식품 및 제약 처리, 포장 라인 및 기타 산업 공정에서도 찾아볼 수 있습니다. 기존 커넥터처럼, 슬립 링은 오염 물질에 노출되면 손상될 수 있으며 과도한 기계적 마모가 발생할 수 있습니다.

슬립 링은 마찰로 인해 뜨거워질 수 있으며 열 관리에 주의해야 할 수 있습니다. 일부 응용 분야에서, 슬립 링은 강한 진동이나 갑작스러운 충격에 영향을 받을 수 있으며, 이로 인해 손상이 발생하거나 접촉 압력이 불안정해지거나 기계적 고장이 발생할 수도 있습니다.

기존 커넥터 및 슬립 링 모두 크기 및 움직임 제약 뿐만 아니라 유지보수를 위한 접근 요구 사항과 관련한 기계 설계 문제를 일으킬 수 있습니다. 이는 진동, 먼지, 접점 마모 등으로 인한 간헐적 연결을 비롯한 여러 응용 문제에 추가됩니다.

NearFi 솔루션

'향상된' 커넥터를 사용하면 성능 또는 신뢰성에서 점진적 향상에 대한 기회를 얻을 수 있습니다. 그러나 무엇보다 필요한 것은 가장 성가신 커넥터 문제를 해결할 수 있는 새로운 접근 방식입니다. 그것이 바로 NearFi입니다.

NearFi는 수 센티미터의 공기 간극에 걸쳐 또는 플라스틱, 유리, 목재와 같은 비금속 재료를 통해 마모 없이 신뢰할 수 있는 통신 및 전력 전달을 지원하는 비접촉 기술입니다. 데이터만 전송하는 경우 NearFi는 40mm의 공기 간극에서 연결할 수 있습니다. 전력 또는 통합 전력 및 데이터 전송은 12mm의 공기 간극에서 연결할 수 있습니다.

NearFi는 60GHz 무선 기술을 사용하여 데이터를 전송하고 유도성 결합을 사용하여 베이스 커플러에서 원격 커플러로 전력을 전달합니다. 커플러는 M12 연결 기술과 함께 IP65 및 IK06 등급의 하우징을 제공하여, 까다로운 산업 환경에서 마모되지 않고 유지보수가 필요 없는 작동을 보장합니다.

NearFi 시스템은 설계자에게 다음 세 가지 솔루션 옵션을 제공합니다.

• 1234224 베이스 커플러와 1234225 원격 커플러를 사용하여 데이터와 전력을 동시에 전송할 수 있습니다.
• 1234226 베이스 커플러와 1234229 원격 커플러를 사용하여 데이터 지원 없이 전력을 연결할 수 있습니다.
• 1234232 베이스 커플러와 1234234 원격 커플러를 사용하여 전력 없이 데이터를 전송할 수 있습니다.

전이중 이더넷

NearFi를 사용하면 지연 없이 데이터를 양방향으로 동시에 교환할 수 있습니다. 개별 주파수 대역에서 업링크 및 다운링크를 위해 하나씩 두 개의 병렬 60GHz 연결을 사용하면 전이중 실시간 데이터 전송을 구현할 수 있습니다. 따라서 PROFINET 및 EtherCAT 등 시간이 중요한 산업용 프로토콜에 적합합니다. 전송 기술은 프로토콜에 종속되지 않으므로 어느 표준 이더넷 프로토콜과도 사용할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: NearFi는 프로토콜에 종속되지 않는 전이중 100Mbit/s 이더넷을 지원합니다(이미지 출처: Phoenix Contact).

근거리 통신(NFC) 사용은 NearFi 성능의 핵심 요소입니다. 공간을 무한히 이동하는 전자기파 전파에 의존하는 기존의 원거리 통신과 달리, NFC의 에너지는 무한히 방사하지 않고 거리에 따라 빠르게 감쇠됩니다. NFC는 전자기 간섭(EMI)의 가능성을 더욱 완화하는 저전력 기술입니다.

또한 NFC를 사용하면 WLAN 또는 Bluetooth와 같은 기존 무선 기술과 안정적으로 공존할 수 있습니다. 표준 산업 간섭 스펙트럼은 NearFi 전송에 영향을 미치지 않으므로, NearFi 배포 시 주파수 계획이 필요하지 않습니다.

범위가 제한적이라는 것은 여러 NearFi 링크가 간섭 없이 근접하여 실행할 수 있음을 의미합니다. 요점은 NFC가 EMI에 대한 강한 내성을 제공하며 신뢰할 수 있고 유지보수가 필요 없는 고속 데이터 전송을 실현한다는 점입니다. 마지막으로, 커플러 하우징의 LED 링은 연결 상태를 표시하고 문제 해결을 용이하게 하여 설정과 진단을 더욱 빠르게 진행할 수 있도록 합니다.

비트 지향 전송

동기식 비트 지향 전송 기술의 사용은 NearFi 성능의 또 다른 핵심 요소입니다. 비트 지향 기술은 다른 무선 통신의 패킷 지향 전송과 대조됩니다.

패킷 지향 구현은 일반적으로 상당한 지연 시간이 발생합니다. 데이터는 송신기에 도달해, 전송 전에 패킷화되어야 합니다. 수신기 측에서는, 데이터가 시스템으로 출력되기 전에 패킷이 해제됩니다.

NearFi 동기식 전송에서는, 패킹 또는 패킹 해제 없이 데이터가 도착하는 대로 비트 단위로 바로 전송됩니다. 이를 통해 연속적인 데이터 스트림이 생성되며 지연이 사실상 제거됩니다. 이것이 바로 NearFi가 시간이 중요시되는 산업용 이더넷 프로토콜(예: 시간에 민감한 네트워킹(TSN), PROFINET, EtherCAT)에 적합한 이유입니다(그림 2).

그림 2: NearFi는 비트 지향 전송을 활용하여 일반적으로 전통적인 패킷 기반 통신과 연결된 지연 문제를 완화합니다(이미지 출처: Phoenix Contact).

또한, 데이터가 버퍼링 또는 패키징 없이 전송되므로 NearFi는 프로토콜에 종속되지 않으며 구성 작업 없이도 모든 이더넷 프로토콜을 처리할 수 있습니다.

NearFi는 단거리로 통신을 제한함으로써 보안 문제를 해결합니다. 또한 암호화, 인증, 토큰화와 같은 높은 수준의 보안 수단을 지원할 수 있습니다.

전력 전달

NearFi 시스템은 일부 스마트폰 무선 충전기에서 사용되는 것과 유사하게 100kHz ~ 148.5kHz 주파수 범위에서 유도성 전력 전송을 활용합니다. 최대 50W(24V_DC, 2A)를 전송할 수 있으며 병렬 연결을 통해 최대 100W까지 가능합니다.

능동형 폐쇄 루프 제어는 전체 작업 영역에 걸쳐 일정한 전력 전송을 제공합니다. 전기적으로 분리된 두 개의 전압(각각 50W) 전송도 지원됩니다. 데이터 연결처럼 전력 전달에도 베이스 커플러와 원격 커플러가 사용됩니다.

베이스 커플러는 컨트롤러와 같은 소스에서 24V_DC 전력을 받습니다. 통합된 통신 전력/센서 전압 컨버터는 US 컨버터라고도 하며(여기서 'U'는 독일어로 전압을 나타냄) 유도 전송을 위해 24V_DC 전력을 고주파 전력으로 변환합니다. 원격 커플러는 고주파 유도 전력을 수신한 후 UA(액추에이터 전압) 컨버터에서 이를 24V_DC로 다시 변환하여 I/O, 스위치, 센서, 액추에이터 및 기타 기능에 사용합니다(그림 3).

그림 3: 전력은 베이스 커플러와 원격 커플러 간에 유도적으로 결합됩니다(이미지 출처: Phoenix Contact).

빠른 시동

NearFi Fast Startup 기능은 실시간 링크를 500ms 미만의 시간 내에 빠르게 재정립할 수 있도록 합니다. 이는 NearFi 커플러가 서로 접근하는 과정 중에도 전력 전송과 데이터 통신이 시작되기 때문에 가능합니다.

Fast Startup은 로봇 툴 교체와 같은 응용 분야에서 주기 시간을 크게 줄일 수 있습니다(그림 4). 또한 NearFi의 양방향 데이터 전송 기능은 새 툴(또는 기타 부착물)이 시스템에 자신을 식별하도록 하여, 해당 장치가 올바른지 확인할 수 있습니다.

그림 4: 로봇 툴 변경 스테이션에서의 NearFi 사용 가능성(이미지 출처: Phoenix Contact)

더 많은 응용 아이디어

NearFi 커플러는 서로 마주 보게, 오프셋을 둔 상태로 또는 탄젝트 각도로 결합할 수 있습니다. 또한 베이스 커플러는 고정되어 있고 원격 커플러가 회전하는 응용 제품에서도 사용할 수 있습니다(그림 5). NearFi 커플러는 바로 사용할 수 있어, 프로그래밍이 필요 없으며 응용 제품 개발과 배포 속도를 높여줍니다.

그림 5: 이 응용 사례에서 왼쪽의 원격 커플러는 회전하고 오른쪽의 베이스 커플러는 고정되어 있습니다(이미지 출처: Phoenix Contact).

NearFi를 로봇 툴 변경에 적합하게 만드는 동일한 기능들은 자동 유도 차량(AGV)과 자재 및 워크피스 캐리어와 같은 응용 분야의 요구 사항도 충족할 수 있습니다.

공항에 사용되는 것과 같은 회전 안테나는 기존의 슬립 링을 NearFi 커플러로 대체함으로써 이점을 얻을 수 있습니다. 마찬가지로 정밀 인덱싱 테이블은 다양한 산업 응용 분야는 물론, 식음료 및 제약 산업의 병 충전 설비에도 사용됩니다.

결론

NearFi 기술은 해결이 불가능해 보이던 수많은 문제를 해결합니다. 이는 프로토콜에 종속되지 않는 100Mbit/s 이더넷과 최대 50W의 전력을 무선으로 전달하며, 유연하고 사용하기 쉽습니다. NearFi 커플러는 열악한 산업 환경에서 사용하도록 설계되었으며, IP65 및 IK06 등급과 M12 연결을 제공합니다. NearFi를 통해 다음 설계를 어떻게 차별화하시겠습니까?

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