下一代工業無線連接器和未來工廠

靈活制造和無線連接是現今工廠的兩大需求。制造商需要對不斷變化的客戶需求、定制化和較短的產品生命周期做出快速響應。他們需要可互換的工藝和設備，可以重新配置、修改和更換為免維護連接器，從而降低成本和停機時間。然而，工廠車間的許多可互換設備仍然依賴于傳統的物理連接器，這些連接器會有磨損，進而影響材料成本和工業生產力。

想象一下，在一家工廠里，物理連接器已經消失；命令指令在機器人子系統之間以無線方式發送，能夠快速有效地更改工具集和設置，在降低成本的同時提高了生產速度。這樣的工廠場景還會遠嗎？不，Phoenix Contact公司的回答是否定的。該公司是工業自動化、互聯和接口解決方案提供商，以開發精密連接器著稱。

Phoenix Contact有一個愿景，那就是用快速的工業無線連接器實現當今制造業的飛躍。然而Phoenix Contact需要一個在毫米波(RF)技術方面具有專長的合作伙伴，以便更快地進入市場，實現目標。為此，這家行業創新企業與憑借深厚領域知識和技術專長而聞名的ADI公司合作，以迎接挑戰并共同開發具有緊湊、超低延遲、協議無關毫米波解決方案的無線連接器。下一代技術將使工業無線連接器得以大規模部署，打開了通往一個有盈利潛力的新工業市場領域的大門。

挑戰

在汽車制造過程中存在非常明顯的連接器磨損。機器人手臂和不斷變化的工具組之間每天都會有數百次配接周期（如圖1）?！坝捎诠ぞ吒鼡Q過程中的配接周期很多，觸點容易‘燒壞’，連接器的使用壽命大大縮短。在不斷更換過程中，它們會變臟或彎曲?！盤hoenix Contact通信接口產品營銷部的Benjamin Fiene說道，“這會導致無法預測的計劃外停機時間。定期預防性維護周期的成本很快就會達到七位數?！?/p>

據IBM統計，對損壞的零件和設備做出響應所花費的維護時間能占到80%。

在制造廠惡劣的工作環境中，物理連接器的可靠性和使用壽命會受到限制，需要定期維護。連接器中的插頭和插座必須精確定位；否則，脆弱的針腳會很快損壞。連接器錯位可能會導致觸點彎曲和停機，需要立即更換整個連接器組件。

Phoenix Contact設想的無線連接器是非接觸式的，完全不會有接觸。與傳統的連接器解決方案不同，耦合器可以從任何方向或在旋轉中相互連接（如圖3所示）。最顯著的成本節約來自于減少了不可預測的生產停工時間。

理想情況下，合適的無線解決方案必須比以往任何時候都能更快地傳輸和接收數據，以確保實時通信，包括免許可操作，不受網絡干擾，并且支持所有標準的工業以太網協議。所有這些都要在一個小尺寸的外形內實現。擬議的解決方案將不僅是芯片級的，而是一個完整系統設計挑戰。

一款工業無線解決方案

Phoenix Contact通信接口營銷與開發總監Frank Hakemeyer指出：“我們已經勾勒出最終產品的外觀，并決心開發和制造我們自己的無線連接器。但我們需要一個在射頻技術方面具有專長的合作伙伴，那就是ADI?！?/p>

2019年8月，Phoenix Contact與ADI合作開發了一項新的工業創新—沒有電線卻能實現電線功能—就這樣誕生了。

Phoenix Contact的完整無線連接器解決方案名為NearFi耦合器，包括三個主要功能模塊，分別是數據鏈路、電源鏈路和基帶電子器件。它們全被集成到一個緊湊設計中，使最終產品能夠無縫應用于眾多工業應用。ADI負責開發數據鏈路。利用Phoenix Contact的NearFi技術，上行鏈路和下行鏈路信號可提供雙向同步數據交換，即全雙工操作。NearFi技術的響應速度是5G的500倍。換句話說，它是無延遲的。

適合Phoenix Contact的全套解決方案

ADI利用射頻專業技術，將現有的收發器芯片組(HMC6300/HMC6301)和兩個專用天線集成在一個層壓板上。為了向Phoenix Contact提供全套的定制解決方案，ADI還開發了一個專門配套的印刷電路板，用來為層壓板供電，并將其基帶部分連接到終端設備。結果開發出了ADMV9611/ADMV9621(圖4)。這是一款完整的60GHz數據鏈路解決方案，也是實現Phoenix Contact新開發的NearFi的一項技術。

圖4. ADI ADMV9611/ADMV9621 PCB解決方案

該數據鏈路為目標應用提供了緊湊且經濟高效的數據互連，并以較低的成本實現了更好的性能，其優勢包括：

不受電磁干擾—可實現免維護、高速、可靠的數據傳輸，對所有電磁干擾具有很強的抵抗力。

不受環境污染影響—確保在灰塵和污染的工業環境中進行可靠的通信（該解決方案可以“看穿”這樣的環境）。與其他可能會被灰塵阻礙的高速無線光纖鏈路相比，這是一個關鍵的優勢。

處理對準誤差—即使在高對準誤差和收發器對存在大間距/間隔的情況下，也可以不間斷地運行。

協議無關—由于設計的實現是完全不受協議限制的，因此可兼容全部的以太網協議。

允許耦合器共存—允許幾個NearFi耦合器和其他60GHz應用在一個非常狹窄的空間內共存。

其他應用

Phoenix Contact現在已經做好準備利用其NearFi耦合器，或在整個旋轉滑環應用中傳輸數據和電力，這些應用包括廣泛用于生產線的旋轉臺機構，比如食品和飲料行業使用的瓶子灌裝機；制造業的汽車裝配廠；通信業的機場指揮塔上的旋轉天線；或可再生資源行業的風車葉片。旋轉工具或機器的旋轉方式不適合使用電線，因為電線會扭曲。在工業應用中，電線是不實用的，因為需要在靜止物體和旋轉物體之間建立連接。因此，它使用的是由電刷和細小的電導絲組成的機電觸點。

這些產品容易出現高機械磨損，需要精確制造，從而推高了成本和故障率。Phoenix Contact的NearFi耦合器只需要簡單的、不甚精確的位置，也可確?？煽?、無磨損的傳輸。利用NearFi耦合器的優勢，可以通過旋轉組件中的旋轉連接處傳輸數據和電力。這項技術將擴大制造商的應用和商業機會。

ADI與Phoenix Contact的合作創造了一款產品，即用于工業環境中高速無線通信的數據鏈路。它可用于任何協議，幾乎沒有信號傳輸延遲。雙方的合作還催生了一種用于廣泛工業應用的新型獨立產品——ADMV9611/ADMV9621。ADI將從2021年秋季開始向其他客戶提供這款產品。

ADI正在研究為使用計算機斷層掃描（CT掃描）或其他成像相關設備等醫療設備的客戶調整其全套數據鏈路解決方案（圖5）。

其他可能的應用領域包括機器人組件、工業制造設備，以及任何無線連接器傳輸要穿過玻璃墻或液體的應用——這是物理連接器無法實現的。這是一個價值幾百萬美元的機會。