靈活制造和無線連接是現(xiàn)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(chǎn)品生命周期做出快速響應(yīng)。他們需要可互換的工藝和設(shè)備，可以重新配置、修改和更換為免維護(hù)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(shè)備仍然依賴于傳統(tǒng)的物理連接器，這些連接器會有磨損，進(jìn)而影響材料成本和工業(yè)生產(chǎn)力。

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

Phoenix Contact有一個愿景，那就是用快速的工業(yè)無線連接器實現(xiàn)當(dāng)今制造業(yè)的飛躍。然而Phoenix Contact需要一個在毫米波(RF)技術(shù)方面具有專長的合作伙伴，以便更快地進(jìn)入市場，實現(xiàn)目標(biāo)。為此，這家行業(yè)創(chuàng)新企業(yè)與憑借深厚領(lǐng)域知識和技術(shù)專長而聞名的ADI公司合作，以迎接挑戰(zhàn)并共同開發(fā)具有緊湊、超低延遲、協(xié)議無關(guān)毫米波解決方案的無線連接器。下一代技術(shù)將使工業(yè)無線連接器得以大規(guī)模部署，打開了通往一個有盈利潛力的新工業(yè)市場領(lǐng)域的大門。

挑戰(zhàn)

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(shù)百次配接周期（如圖1）。“由于工具更換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(chǎn)品營銷部的Benjamin Fiene說道，“這會導(dǎo)致無法預(yù)測的計劃外停機時間。定期預(yù)防性維護(hù)周期的成本很快就會達(dá)到七位數(shù)?！?/p>

據(jù)IBM統(tǒng)計，對損壞的零件和設(shè)備做出響應(yīng)所花費的維護(hù)時間能占到80%。

在制造廠惡劣的工作環(huán)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(hù)。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(dǎo)致觸點彎曲和停機，需要立即更換整個連接器組件。

Phoenix Contact設(shè)想的無線連接器是非接觸式的，完全不會有接觸。與傳統(tǒng)的連接器解決方案不同，耦合器可以從任何方向或在旋轉(zhuǎn)中相互連接（如圖3所示）。最顯著的成本節(jié)約來自于減少了不可預(yù)測的生產(chǎn)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(shù)據(jù)，以確保實時通信，包括免許可操作，不受網(wǎng)絡(luò)干擾，并且支持所有標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。所有這些都要在一個小尺寸的外形內(nèi)實現(xiàn)。擬議的解決方案將不僅是芯片級的，而是一個完整系統(tǒng)設(shè)計挑戰(zhàn)。

一款工業(yè)無線解決方案

Phoenix Contact通信接口營銷與開發(fā)總監(jiān)Frank Hakemeyer指出：“我們已經(jīng)勾勒出最終產(chǎn)品的外觀，并決心開發(fā)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(shù)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(fā)了一項新的工業(yè)創(chuàng)新—沒有電線卻能實現(xiàn)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(shù)據(jù)鏈路、電源鏈路和基帶電子器件。它們?nèi)患傻揭粋€緊湊設(shè)計中，使最終產(chǎn)品能夠無縫應(yīng)用于眾多工業(yè)應(yīng)用。ADI負(fù)責(zé)開發(fā)數(shù)據(jù)鏈路。利用Phoenix Contact的NearFi技術(shù)，上行鏈路和下行鏈路信號可提供雙向同步數(shù)據(jù)交換，即全雙工操作。NearFi技術(shù)的響應(yīng)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(yè)技術(shù)，將現(xiàn)有的收發(fā)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(fā)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(shè)備。結(jié)果開發(fā)出了ADMV9611/ADMV9621(圖4)。這是一款完整的60GHz數(shù)據(jù)鏈路解決方案，也是實現(xiàn)Phoenix Contact新開發(fā)的NearFi的一項技術(shù)。

圖4. ADI ADMV9611/ADMV9621 PCB解決方案

該數(shù)據(jù)鏈路為目標(biāo)應(yīng)用提供了緊湊且經(jīng)濟(jì)高效的數(shù)據(jù)互連，并以較低的成本實現(xiàn)了更好的性能，其優(yōu)勢包括：

不受電磁干擾—可實現(xiàn)免維護(hù)、高速、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，對所有電磁干擾具有很強的抵抗力。

不受環(huán)境污染影響—確保在灰塵和污染的工業(yè)環(huán)境中進(jìn)行可靠的通信（該解決方案可以“看穿”這樣的環(huán)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(guān)鍵的優(yōu)勢。

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

協(xié)議無關(guān)—由于設(shè)計的實現(xiàn)是完全不受協(xié)議限制的，因此可兼容全部的以太網(wǎng)協(xié)議。

允許耦合器共存—允許幾個NearFi耦合器和其他60GHz應(yīng)用在一個非常狹窄的空間內(nèi)共存。

其他應(yīng)用

Phoenix Contact現(xiàn)在已經(jīng)做好準(zhǔn)備利用其NearFi耦合器，或在整個旋轉(zhuǎn)滑環(huán)應(yīng)用中傳輸數(shù)據(jù)和電力，這些應(yīng)用包括廣泛用于生產(chǎn)線的旋轉(zhuǎn)臺機構(gòu)，比如食品和飲料行業(yè)使用的瓶子灌裝機；制造業(yè)的汽車裝配廠；通信業(yè)的機場指揮塔上的旋轉(zhuǎn)天線；或可再生資源行業(yè)的風(fēng)車葉片。旋轉(zhuǎn)工具或機器的旋轉(zhuǎn)方式不適合使用電線，因為電線會扭曲。在工業(yè)應(yīng)用中，電線是不實用的，因為需要在靜止物體和旋轉(zhuǎn)物體之間建立連接。因此，它使用的是由電刷和細(xì)小的電導(dǎo)絲組成的機電觸點。

這些產(chǎn)品容易出現(xiàn)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，也可確保可靠、無磨損的傳輸。利用NearFi耦合器的優(yōu)勢，可以通過旋轉(zhuǎn)組件中的旋轉(zhuǎn)連接處傳輸數(shù)據(jù)和電力。這項技術(shù)將擴(kuò)大制造商的應(yīng)用和商業(yè)機會。

ADI與Phoenix Contact的合作創(chuàng)造了一款產(chǎn)品，即用于工業(yè)環(huán)境中高速無線通信的數(shù)據(jù)鏈路。它可用于任何協(xié)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(yè)應(yīng)用的新型獨立產(chǎn)品——ADMV9611/ADMV9621。ADI將從2021年秋季開始向其他客戶提供這款產(chǎn)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(guān)設(shè)備等醫(yī)療設(shè)備的客戶調(diào)整其全套數(shù)據(jù)鏈路解決方案（圖5）。

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