In modernen Produktionsanlagen kommt es auf flexible Fertigung und drahtlose Konnektivität an. Führende Hersteller müssen sich schnell auf veränderte Kundenbedürfnisse, Anpassungen und kurze Produktlebenszyklen einstellen. Sie sind daher auf untereinander kompatible Prozesse und Geräte angewiesen, die neu konfiguriert, modifiziert und umgehend durch wartungsfreie Steckverbinder ersetzt werden können, um Kosten und Ausfallzeiten zu reduzieren. Ein Großteil der austauschbaren Ausrüstung in Produktionsanlagen ist jedoch immer noch auf herkömmliche physische Steckverbinder angewiesen, die einem Verschleiß unterliegen und dadurch die Materialkosten und die industrielle Produktivität beeinträchtigen.

In einer Fabrik, in der es keine physischen Steckverbinder mehr gibt, werden Befehle drahtlos zwischen Roboter-Subsystemen gesendet, um Werkzeuge und Konfigurationen schnell und effizient auszutauschen. Das erhöht die Produktionsgeschwindigkeit und senkt die Kosten. Ist das Zukunftsmusik? Nicht, wenn es nach Phoenix Contact geht. Das Unternehmen ist ein Marktführer in den Bereichen industrielle Automatisierung, Verbindungstechnik und Schnittstellenlösungen, der für sein Know-how in der Entwicklung von Präzisionssteckverbindern bekannt ist.

Aufgrund der zahlreichen Steckzyklen beim Werkzeugwechsel verringert sich die Nutzungsdauer der Steckverbinder erheblich, da die Kontakte „abbrennen“. Sie verschmutzen oder verbiegen sich beim ständigen Austausch. Dadurch entstehen Ausfallzeiten, die nicht vorhersehbar und planbar sind. So können sich die Kosten für regelmäßige vorbeugende Wartungsintervalle schnell auf einen siebenstelligen Betrag belaufen.

Die Zuverlässigkeit und die Lebensdauer von Steckverbindern sind in der rauen Betriebsumgebung einer Produktionsanlage begrenzt – außerdem müssen sie regelmäßig gewartet werden. In einem Steckverbinder müssen Stecker und Buchse genau aufeinander ausgerichtet sein, da die empfindlichen Stifte sonst schnell beschädigt werden. Eine Fehlausrichtung des Steckers kann zum Verbiegen der Kontakte und zu Ausfällen führen, die den sofortigen Austausch der gesamten Steckerbaugruppe erfordern.

Die Herausforderung

Im Idealfall muss die richtige drahtlose Lösung eine schnellere Übertragungsgeschwindigkeit als je zuvor bieten, um eine Kommunikation in Echtzeit zu gewährleisten. Außerdem muss sie lizenzfrei sein, keine Netzstörungen mit sich bringen und alle standardmäßigen industriellen Ethernet-Protokolle unterstützen – und das alles in einem kompakten Formfaktor. Die vorgeschlagene Lösung ist auf Chipebene konzipiert und stellt eine Herausforderung für das gesamte Systemdesign dar.

Die Zusammenarbeit

Phoenix Contact wandte sich an seinen langjährigen Partner ADI, der über Erfahrung im HF-Bereich verfügt. ADI sollte die besten Technologien identifizieren, das gesamte HF-System mitentwickeln und eine komplette, maßgeschneiderte Datenübertragungslösung für seine drahtlosen Industriesteckverbinder der nächsten Generation liefern.

Der HMC6300/HMC6301 wurde ursprünglich für Backhaul-Anwendungen für kleine Zellen entwickelt und enthielt eine einzigartige Kombination von Kernfunktionen. Dadurch konnte der von Phoenix Contact benötigte Breitbandbetrieb mit ultraniedriger Latenzzeit für zeitkritische Industriesysteme realisiert werden. Das Resultat war eine neue industrielle Innovation: Eine leistungsfähige drahtgebundene Lösung – aber ohne Drähte.

Drahtlose Verbindungen für die Industrie

Die komplette drahtlose Steckverbinderlösung von Phoenix Contact, der sogenannte NearFi-Koppler, besteht aus drei zentralen Funktionsblöcken: Datenverbindung, Leistungsverbindung und Basisbandelektronik. Sie sind alle in ein kompaktes Design integriert, was die problemlose Übernahme des Endprodukts in zahlreiche Industrieapplikationen ermöglicht. Analog Devices war für die Entwicklung der Datenverbindung verantwortlich. Die NearFi-Technologie von Phoenix Contact ermöglicht den gleichzeitigen Datenaustausch von Uplink- und Downlink-Signalen in beide Richtungen, also einen Vollduplex-Betrieb. Mit NearFi ist eine 500-mal schnellere Geschwindigkeit als bei 5G möglich. Anders ausgedrückt: latenzfrei.

ADI nutzte seine Erfahrung im HF-Bereich und integrierte den vorhandenen Transceiver-Chipsatz (HMC6300/HMC6301) sowie zwei dedizierte Antennen auf einer einzigen Leiterplatte. Um eine komplette kundenspezifische Lösung für Phoenix Contact anbieten zu können, entwickelte ADI auch eine spezielle Zusatzplatine für die Stromversorgung der Leiterplatte und die Anbindung des Basisbandteils an die Endgeräte. Das Ergebnis ist die Lösung ADMV9611/ADMV9621: eine komplette 60-GHz-Datenverbindung und eine Technologie, die NearFi von Phoenix Contact möglich gemacht hat.

Im Bereich des industriellen Ethernets finden derzeit wichtige Entwicklungen statt, darunter auch Verbesserungen beim Time-Sensitive-Networking. Diese Veränderungen werden jedoch weder die Leistungsfähigkeit der Datenübertragungslösung von ADI beeinträchtigen noch zu deren Veralterung beitragen. Die drahtlose 60-GHz-Lösung wird kontinuierlich in jedes neue Design oder verbesserte Protokoll übertragen. Das macht ihre Entwicklung zu einer hervorragenden langfristigen Investition.

Phoenix Contact kann seinen NearFi-Koppler nun einsetzen, um Daten und Energie über rotierende Schleifringanwendungen zu übertragen, wie z. B. in Drehtischmechanismen, die häufig in Produktionslinien eingesetzt werden: Flaschenabfüller in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie, Autofabriken, rotierende Antennen auf der Kommandozentrale von Flughäfen oder Rotorblätter von Windrädern im Bereich der erneuerbaren Energien. Rotierende Werkzeuge oder Maschinen drehen sich in einer Art und Weise, dass drahtgebundene Lösungen nicht möglich sind, da sie sich verdrehen würden. In Industrieapplikationen, bei denen Verbindungen zwischen einem feststehenden und einem sich drehenden Objekt hergestellt werden müssen, ist ein Draht nicht sinnvoll. Daher werden elektromechanische Kontakte aus Bürsten und Drähten verwendet.

Da diese einem hohen mechanischen Verschleiß unterliegen und eine präzise Fertigung erfordern, steigen die Kosten und Ausfallraten. Die NearFi-Koppler von Phoenix Contact hingegen benötigen nur eine einfache, nicht sehr präzise Positionierung und sorgen für eine zuverlässige, verschleißfreie Übertragung. Durch die Nutzung der Vorteile des NearFi-Kopplers könnten Daten und Energie über rotierende Verbindungen in einer sich drehenden Baugruppe übertragen werden. Die Technologie eröffnet dem Hersteller sowohl neue Anwendungen als auch neue Geschäftsmöglichkeiten.

Zu den zahlreichen weiteren möglichen Anwendungen zählen Roboterbaugruppen, industrielle Fertigungsanlagen und alle Anwendungen, bei denen die drahtlose Übertragung durch eine Glaswand oder eine Flüssigkeit erfolgt – eine Funktion, die physische Steckverbinder nicht bieten können.

Der Weg in die Zukunft

Die Herausforderungen bei der Entwicklung innovativer Technologien und Lösungen für Endanwendungen können nicht allein bewältigt werden. Um Produkte schneller auf den Markt zu bringen und Umsätze zu generieren, müssen Unternehmen ihre Partner nach ihrer technischen Expertise und ihrem Know-how auswählen, und nach ihrer Fähigkeit, Hand in Hand zusammenzuarbeiten. Durch echte Kooperationspartnerschaften auf der Grundlage von Zusammenarbeit, Beteiligung und Austausch sind führende Unternehmen wie ADI und Phoenix Contact heute in der Lage, umfassende und überzeugende Lösungen zu entwickeln und gleichzeitig für beide Seiten profitable Geschäftsergebnisse zu erzielen.