下一代工业无线连接器和未来工厂

灵活制造和无线连接是现今工厂的两大需求。制造商需要对不断变化的客户需求、定制化和较短的产品生命周期做出快速响应。他们需要可互换的工艺和设备，可以重新配置、修改和更换为免维护连接器，从而降低成本和停机时间。然而，工厂车间的许多可互换设备仍然依赖于传统的物理连接器，这些连接器会有磨损，进而影响材料成本和工业生产力。
 

想象一下，在一家工厂里，物理连接器已经消失；命令指令在机器人子系统之间以无线方式发送，能够快速有效地更改工具集和设置，在降低成本的同时提高了生产速度。这样的工厂场景还会远吗？不，Phoenix Contact公司的回答是否定的。该公司是工业自动化、互联和接口解决方案提供商，以开发精密连接器著称。

Phoenix Contact有一个愿景，那就是用快速的工业无线连接器实现当今制造业的飞跃。然而Phoenix Contact需要一个在毫米波(RF)技术方面具有专长的合作伙伴，以便更快地进入市场，实现目标。为此，这家行业创新企业与凭借深厚领域知识和技术专长而闻名的ADI公司合作，以迎接挑战并共同开发具有紧凑、超低延迟、协议无关毫米波解决方案的无线连接器。下一代技术将使工业无线连接器得以大规模部署，打开了通往一个有盈利潜力的新工业市场领域的大门。

 

 

挑战

在汽车制造过程中存在非常明显的连接器磨损。机器人手臂和不断变化的工具组之间每天都会有数百次配接周期（如图1）。“由于工具更换过程中的配接周期很多，触点容易‘烧坏’，连接器的使用寿命大大缩短。在不断更换过程中，它们会变脏或弯曲。”Phoenix Contact通信接口产品营销部的Benjamin Fiene说道，“这会导致无法预测的计划外停机时间。定期预防性维护周期的成本很快就会达到七位数。”

据IBM统计，对损坏的零件和设备做出响应所花费的维护时间能占到80%。

 

在制造厂恶劣的工作环境中，物理连接器的可靠性和使用寿命会受到限制，需要定期维护。连接器中的插头和插座必须精确定位；否则，脆弱的针脚会很快损坏。连接器错位可能会导致触点弯曲和停机，需要立即更换整个连接器组件。

Phoenix Contact设想的无线连接器是非接触式的，完全不会有接触。与传统的连接器解决方案不同，耦合器可以从任何方向或在旋转中相互连接（如图3所示）。最显著的成本节约来自于减少了不可预测的生产停工时间。

 

理想情况下，合适的无线解决方案必须比以往任何时候都能更快地传输和接收数据，以确保实时通信，包括免许可操作，不受网络干扰，并且支持所有标准的工业以太网协议。所有这些都要在一个小尺寸的外形内实现。拟议的解决方案将不仅是芯片级的，而是一个完整系统设计挑战。

 

一款工业无线解决方案

Phoenix Contact通信接口营销与开发总监Frank Hakemeyer指出：“我们已经勾勒出最终产品的外观，并决心开发和制造我们自己的无线连接器。但我们需要一个在射频技术方面具有专长的合作伙伴，那就是ADI。”

2019年8月，Phoenix Contact与ADI合作开发了一项新的工业创新—没有电线却能实现电线功能—就这样诞生了。

Phoenix Contact的完整无线连接器解决方案名为NearFi耦合器，包括三个主要功能模块，分别是数据链路、电源链路和基带电子器件。它们全被集成到一个紧凑设计中，使最终产品能够无缝应用于众多工业应用。ADI负责开发数据链路。利用Phoenix Contact的NearFi技术，上行链路和下行链路信号可提供双向同步数据交换，即全双工操作。NearFi技术的响应速度是5G的500倍。换句话说，它是无延迟的。

 

适合Phoenix Contact的全套解决方案

ADI利用射频专业技术，将现有的收发器芯片组(HMC6300/HMC6301)和两个专用天线集成在一个层压板上。为了向Phoenix Contact提供全套的定制解决方案，ADI还开发了一个专门配套的印刷电路板，用来为层压板供电，并将其基带部分连接到终端设备。结果开发出了ADMV9611/ADMV9621(图4)。这是一款完整的60GHz数据链路解决方案，也是实现Phoenix Contact新开发的NearFi的一项技术。

图4. ADI ADMV9611/ADMV9621 PCB解决方案

该数据链路为目标应用提供了紧凑且经济高效的数据互连，并以较低的成本实现了更好的性能，其优势包括：

不受电磁干扰—可实现免维护、高速、可靠的数据传输，对所有电磁干扰具有很强的抵抗力。

不受环境污染影响—确保在灰尘和污染的工业环境中进行可靠的通信（该解决方案可以“看穿”这样的环境）。与其他可能会被灰尘阻碍的高速无线光纤链路相比，这是一个关键的优势。

处理对准误差—即使在高对准误差和收发器对存在大间距/间隔的情况下，也可以不间断地运行。

协议无关—由于设计的实现是完全不受协议限制的，因此可兼容全部的以太网协议。

允许耦合器共存—允许几个NearFi耦合器和其他60GHz应用在一个非常狭窄的空间内共存。

 

其他应用

Phoenix Contact现在已经做好准备利用其NearFi耦合器，或在整个旋转滑环应用中传输数据和电力，这些应用包括广泛用于生产线的旋转台机构，比如食品和饮料行业使用的瓶子灌装机；制造业的汽车装配厂；通信业的机场指挥塔上的旋转天线；或可再生资源行业的风车叶片。旋转工具或机器的旋转方式不适合使用电线，因为电线会扭曲。在工业应用中，电线是不实用的，因为需要在静止物体和旋转物体之间建立连接。因此，它使用的是由电刷和细小的电导丝组成的机电触点。

这些产品容易出现高机械磨损，需要精确制造，从而推高了成本和故障率。Phoenix Contact的NearFi耦合器只需要简单的、不甚精确的位置，也可确保可靠、无磨损的传输。利用NearFi耦合器的优势，可以通过旋转组件中的旋转连接处传输数据和电力。这项技术将扩大制造商的应用和商业机会。

ADI与Phoenix Contact的合作创造了一款产品，即用于工业环境中高速无线通信的数据链路。它可用于任何协议，几乎没有信号传输延迟。双方的合作还催生了一种用于广泛工业应用的新型独立产品——ADMV9611/ADMV9621。ADI将从2021年秋季开始向其他客户提供这款产品。

ADI正在研究为使用计算机断层扫描（CT扫描）或其他成像相关设备等医疗设备的客户调整其全套数据链路解决方案（图5）。

 

其他可能的应用领域包括机器人组件、工业制造设备，以及任何无线连接器传输要穿过玻璃墙或液体的应用——这是物理连接器无法实现的。这是一个价值几百万美元的机会。