Пост опубликован: 17 февраля, 2023
Обрабатывающая промышленность развивается уже более двухсот лет. Индустрия 4.0 — это четвёртая промышленная революция, ориентированная на взаимосвязь, автоматизацию, машинное обучение и обработку данных в реальном времени. По мере того, как различные производственные отрасли преобразуются, чтобы оставаться конкурентоспособными и снижать затраты, владельцы компаний размещают на фабриках больше оборудования и меньше людей. Производители вкладывают значительные средства в передовую мобильную робототехнику на своих производственных площадях, сборочных линиях и складах. Эти механизмы выполняют львиную долю задач по производимым операциям, сборке и транспортировки материалов. Значительную часть занимают мобильные роботы, которые необходимо регулярно заряжать, что становится все более серьёзной проблемой для непрерывного цикла промышленных предприятий.
В настоящее время произошли некоторые улучшения в области беспроводной зарядки, которые делают этих роботов более гибкими, что повысило производственные мощности и эффективность. Благодаря правильному сочетанию выбора компонентов, конструкции катушки и компоновки платы, беспроводная зарядка меняет правила игры в обрабатывающей промышленности и влияет на всю экономику.
В новейших решениях для этого процесса используются методы, основанные на принципе электромагнитной индукции. Когда переменный ток проходит через индукционную катушку на стороне передатчика, создаётся колеблющееся магнитное поле. Когда индукционная катушка на стороне приёмника входит в это колеблющееся магнитное поле, в ней возникает переменный электрический ток. Для систем беспроводной зарядки требуется ряд компонентов, список которых включает катушку передатчика, настроечные конденсаторы, и приёмник-преобразователь. Другие компоненты включают в себя выпрямители (диодные мосты) для преобразования переменного тока в постоянный, схемы и алгоритмы управления передатчиком и приёмником, а также схему зарядки аккумулятора. Электромагнитная индукция позволяет системам беспроводной зарядки передавать энергию от площадки-источника, установленной на заводе, к приёмной площадке, установленной на мобильном роботе.
Преимущества системы на производственной площадке
Уже первые внедрённые современные системы, с повышенной эффективностью и оптимизированными по стоимости компонентами, доказали свою эффективность в заводских условиях по ряду причин. Во-первых, они повышают производительность и снижают производственные затраты различными способами, обеспечивая непрерывную работу с подзарядкой по возможности (т. е. использование времени простоя для подзарядки) и сокращают инвестиции, поскольку роботы могут быть многоцелевыми (используются для различных операций). Такое решение уменьшает вмешательство человека, поскольку процесс зарядки может быть автоматизирован, а также затраты на техническое обслуживание, поскольку разъёмы, кабели и другие соединительные компоненты из таких систем устранены, что приводит к полностью бесконтактному решению.
Во-вторых, беспроводная зарядка промышленных роботов повышает безопасность и пожарную безопасность. Устранены риски искрения, возникающего из-за плохого контакта разъёма, и короткого замыкания из-за загрязнения или влаги внутри них. Из дополнительных преимуществ можно констатировать возможность надёжного обнаружения попадания металлического мусора и других посторонних предметов между катушкой передатчика и приёмника. Кроме того, можно легко реализовать безопасную аутентификацию между зарядным устройством и роботом, чтобы избежать несанкционированного доступа, а передачу данных во время зарядки можно использовать для профилактического обслуживания, чтобы предотвратить простои. Такие системы намного проще обслуживать и чистить, особенно в заводских условиях. Это важный фактор в условиях полностью автоматизированного производства, сводящий к минимуму вмешательство человека и помогающий создать более безопасную среду.
Преодоление проблем с внедрением
Внедрение технологии беспроводной зарядки на заводе может вывести обрабатывающую промышленность на новый уровень и решить сложные производственные задачи. Тем не менее, при внедрении и эксплуатации таких систем, пока возникают некоторые проблемы.
Список проблем включает в себя необходимость относительно высоких инвестиций для реализации инфраструктуры, по сравнению с традиционной проводной зарядкой и сравнительно низкую эффективность (временной фактор), а также проблемы с электромагнитными помехами.
Существуют также проблемы безопасности, связанные с перегревом, если между катушкой передатчика и приёмника находится посторонний предмет. Современные датчики его обнаруживают и останавливают зарядку. А сам робот стремиться переместиться в другую локацию, чтобы устранить эту помеху. Но такой манёвр не всегда приводит к позитивному результату.
В беспроводном передатчике питания критический контур для коммутации токов в системе питания высокой мощности включает в себя силовые переключатели, резонансные конденсаторы и катушку. Он пропускает через себя большие токи под высоким напряжением. Реле-переключатели порой работают с достаточно высокой частотой переключения, что негативно сказывается на контактной группе. Компоновка печатной платы, размещение компонентов и маршрутизация в этой мощной беспроводной системе передачи энергии влияют на эффективность, характеристики электромагнитных помех и рассеивание тепла. Эти факторы, в свою очередь, влияют на производительность и надёжность системы. Существуют также проблемы с изменением параметров катушки из-за производственных различий в самих роботах. Различия между катушками из-за различий между размерами робототехники и их производителями, приводит к непоследовательному поведению и ненадёжной работе в полевых условиях. При более широком внедрении систем беспроводной зарядки, надо будет стандартизировать многие компоненты и протоколы.
Хотя устройства общего назначения могут использоваться для создания решения для беспроводной зарядки, они не могут работать на том же уровне, что и альтернативы с фиксированными функциями. Решения также могут различаться по стоимости и эффективности в зависимости от выбора компонентов и компоновки платы. Справедливости ради, надо сказать, что существует множество способов оптимизировать современные решения для беспроводной зарядки, но все эти способы требуют дополнительных расходов.
Создание оптимизированного решения
Устройства с фиксированной функцией используются для оптимизации решения беспроводной зарядки, чтобы оно могло решать задачи обеспечения безопасного, надёжного и эффективного беспроводного питания при высоких уровнях мощности. Важным шагом является оптимизация схемы передатчика и приёмника, которая запускает узкоспециализированные алгоритмы для связи, управления питанием и обнаружения посторонних объектов (FOD — Foreign Object Detection). Эти алгоритмы основаны на обширных исследованиях и разработках и многочисленных выданных патентах.
В идеале связь для передачи мощности должна быть внутриполосной, что устраняет дополнительные системные затраты, предположительно на частоте передачи в диапазоне около 100 кГц. Управление мощностью должно выполняться посредством управления переменной частотой и рабочим циклом широтно-импульсной модуляции, приводящей в действие мостовой инвертор в передатчике. При высоких уровнях мощности, обнаружение посторонних объектов становится критически важной задачей. В этом случае передача энергии ненадолго останавливается на несколько микросекунд, а напряжение катушки измеряется с помощью высокопроизводительных периферийных устройств и сердечника. Наличие (или отсутствие) постороннего предмета может быть обнаружено путём вычисления отклонения напряжения катушки при выключенных выходных полевых транзисторах.
Все компоненты решения, включая контроллер, полевые транзисторы, стабилизаторы и катушки, должны быть выбраны таким образом, чтобы их стоимость соответствовала общему бюджету системы, который может потребовать включения высококачественных позолоченных контактов, для обеспечения надёжности в среде с влажностью или пылью. Эффективность решения зависит как от схемы управления мощностью, так и от оптимальной конструкции катушки. Примером может служить решение Microchip WP300, конструкция которого обеспечивает КПД более 90 процентов при нагрузке свыше 100 Вт. Эта эффективность измеряется от входа постоянного тока передатчика до регулируемого выхода постоянного тока приёмника. Решение может работать при входном напряжении от 12 до 36 Вольт постоянного тока, а кроме того может регулироваться до аналогичного диапазона напряжения на стороне приёмника.
Компоновка печатной платы, размещение компонентов и стек печатных плат в эталонном решении на базе WP300 были оптимизированы для достижения наилучших результатов. Печатная плата разработана таким образом, что цифровая часть, аналоговая часть и силовая часть изолированы, поэтому помехи сведены к минимуму.
Электромагнитные помехи также снижаются с помощью соответствующих методов управления в передатчике и оптимального использования развязывающих конденсаторов для уменьшения шума переключения, в дополнение к уменьшению частоты переключения. Развязывающие конденсаторы шунтируют шумы от других элементов схемы при переключении, но увеличивают потери, что приводит к повышенному рассеиванию тепла и потере эффективности. Эти компромиссы имеют решающее значение для оценки оптимизации схемотехники.
Параметры катушки можно откалибровать во время сборки на производственной линии. Преимущество решения заключается в том, что данные калибровки катушки записываются в микросхему WP300TX во время тестирования продукта. Это обеспечивает стабильную и надёжную работу всего изделия. Наконец, чтобы создать идентифицированный коннект между передатчиком и приёмником, внутриполосная безопасная связь может быть включена, чтобы обеспечить питание только тех приёмных устройств, которые будут аутентифицированы передатчиком.
Разработчики систем должны работать с поставщиком, который предоставляет подробные инструкции по использованию своих решений для беспроводной зарядки, включая выбор компонентов, конструкцию катушки и компоновку платы. Поставщики также должны предоставлять пошаговые инструкции, чтобы обеспечить бесперебойную работу конечного продукта. При таком подходе разработчики могут сэкономить время, снизить риски и упростить конструкцию своих беспроводных зарядных устройств, чтобы они полностью реализовали возможности технологии электромагнитной индукции, а также повысили свою производительность, снизили производственные затраты и повысили безопасность.
