Les usines d’aujourd’hui exigent de la flexibilité dans le processus de fabrication, mais aussi de disposer d’une connectivité sans fil. Les grands fabricants doivent être en mesure de réagir rapidement à l’évolution des besoins des clients, à la demande de personnalisation et aux courts cycles de vie des produits. Pour ce faire, ils doivent pouvoir compter sur des processus interchangeables avec des équipements qui peuvent être rapidement reconfigurés, modifiés et remplacés grâce à des connecteurs qui ne requièrent aucune maintenance, afin de réduire les coûts et les temps d’arrêt. Seulement, la majorité des équipements interchangeables présents dans les usines utilisent encore des connecteurs physiques traditionnels qui sont sujets à l’usure, ce qui a une incidence sur les coûts des matériaux et la productivité industrielle.
Imaginons maintenant une usine dans laquelle les connecteurs physiques ont disparu : les instructions de commande sont transmises en sans-fil d’un sous-système robotisé à un autre pour changer rapidement et efficacement les ensembles d’outils et les configurations. Un tel système permettrait de réduire à la fois les temps et les coûts de production. Cette vision est-elle réservée à un lointain avenir ? Pas du tout, répond Phoenix Contact, le leader du marché des solutions d’automatisation industrielle, d’interconnexion et d’interface, réputé pour son expertise dans le développement de connecteurs de précision.
Figure 1 : la construction automobile offre un exemple parlant d’usure des connecteurs.
Le nombre élevé de cycles de couplage lors des changements d’outils réduit considérablement la durée de vie utile des connecteurs, à cause des contacts qui « brûlent ». À chaque connexion ou déconnexion, ils se salissent ou se détériorent un peu plus, ce qui entraîne des temps d’arrêt impossibles à prévoir ou à programmer. Le coût des opérations régulières de maintenance préventive peut alors rapidement se chiffrer en millions.
Figure 2 : le bras du robot, doté de connecteurs physiques, doit être aligné avec une grande précision.
Dans des conditions d’exploitation aussi difficiles que celles d’une unité de production, la fiabilité des connecteurs physiques est mise à rude épreuve et leur durée de vie utile est limitée, ce qui requiert donc une maintenance régulière. La fiche et la prise d’un connecteur doivent être positionnées avec précision, au risque d’endommager les fragiles broches. En cas de mauvais alignement, les contacts peuvent se plier et il faudrait alors mettre la machine à l’arrêt pour remplacer l’ensemble du connecteur.
Figure 3 : les connecteurs sans fil imaginés par Phoenix Contact sont sans contact et ne se touchent jamais.
L’idéal serait donc une solution sans fil capable en outre de transmettre les informations plus rapidement que jamais afin d’assurer une communication en temps réel, qui serait opérationnelle sans licence, exempte d’interférences réseau et qui prendrait en charge tous les protocoles Ethernet industriels standard, le tout dans un format compact. Une telle solution devrait être mise en œuvre au niveau de la puce et représente un défi de conception pour un système complet.
Pour mettre au point une telle solution, Phoenix Contact a fait appel à ADI, un partenaire de longue date, afin de bénéficier de son expertise dans le domaine de la RF. ADI a ainsi été chargé d’identifier les meilleures technologies, de participer à la conception de l’ensemble du système RF et de fournir une solution de transmission de données sans fil, complète et personnalisée pour ses connecteurs sans fil industriels de nouvelle génération.
Initialement développé pour des applications de connexion de petites cellules, le HMC6300/HMC6301 était le seul émetteur-récepteur à présenter une combinaison de fonctionnalités de base offrant la possibilité de le faire fonctionner avec une large bande à latence ultra-faible afin de le rendre compatible avec les systèmes industriels sensibles au facteur temps, comme le souhaitait Phoenix Contact. Le résultat fut une innovation industrielle : un système sans fil aussi performant qu’un système filaire.
La solution complète de connecteurs sans fil développée par Phoenix Contact se présente donc sous la forme du coupleur NearFi, lequel comprend trois blocs fonctionnels (liaison de données, liaison d’alimentation et électronique de transmission en bande de base), tous trois intégrés dans une conception compacte permettant une implémentation transparente du produit fini dans de nombreuses applications industrielles. Le développement de la liaison de données a été confié à Analog Devices. Grâce à la technologie NearFi de Phoenix Contact, les signaux de liaison montante et descendante permettent d’échanger des données simultanément dans les deux sens, c’est-à-dire un fonctionnement en duplex intégral. La technologie NearFi permet une réponse 500 fois plus rapide que la 5G. En d’autres termes, une liaison sans latence.
Fort de son expertise dans le domaine de la RF, ADI a pu intégrer le chipset émetteur-récepteur HMC6300/HMC6301 et deux antennes dédiées sur un seul stratifié. Pour fournir la solution complète et personnalisée demandée par Phoenix Contact, ADI a également développé un circuit imprimé dédié pour alimenter le stratifié et interfacer sa partie bande de base avec l’équipement fini. Le résultat est l’ADMV9611/ADMV9621, une solution complète de liaison de données à 60 GHz ; la technologie dont Phoenix Contact avait besoin pour développer son nouveau coupleur NearFi.
Figure 4 : la solution finie : un chipset émetteur-récepteur et deux antennes sur un seul stratifié.
Le monde de l’Ethernet industriel ne cesse d’évoluer et d’importants progrès ont été réalisés dans le domaine des réseaux sensibles au facteur temps. Ces changements ne sont toutefois pas de nature à affecter l’efficacité de la solution de liaison de données d’ADI ou à précipiter son obsolescence. Au contraire, sa solution sans fil 60 GHz s’adapte à toutes les nouvelles conceptions et à toutes les améliorations de protocoles. De fait, son développement représente un excellent investissement à long terme.
Phoenix Contact est maintenant en mesure de tirer parti de son coupleur NearFi. Il peut être utilisé dans de nombreux domaines pour transmettre des données et du courant à travers des bagues collectrices rotatives comme on en trouve notamment dans les mécanismes de tables tournantes couramment utilisées sur les lignes de production (remplisseuses de bouteilles utilisées dans l’industrie alimentaire), mais aussi dans la fabrication (usines d’assemblage automobile), dans le secteur de la communication (antennes tournantes sur les tours de contrôle des aéroports) ou dans le domaine des ressources renouvelables (pales d’éoliennes). En effet, les éléments rotatifs des outils ou machines ne permettent pas d’utiliser des câbles, qui s’enrouleraient sur eux-mêmes. Un câblage n’est pas non plus une solution pratique dans le cas d’applications industrielles où un élément fixe doit être connecté à un élément rotatif. Pour ces applications, on aura plutôt recours à des contacts électromécaniques constitués de balais et de filaments.
Ces contacts sont soumis à une forte usure mécanique et doivent être fabriqués avec précision, ce qui en fait une solution onéreuse présentant une fiabilité relative. Les coupleurs NearFi de Phoenix Contact ne sont pas soumis à l’usure, sont plus simples à positionner et tolèrent une certaine imprécision tout en garantissant une transmission fiable. Le coupleur NearFi présente donc toutes les qualités requises pour transmettre des données et du courant à travers des connexions rotatives dans un assemblage tournant. Cette technologie ouvre de nombreuses opportunités commerciales aux fabricants et élargit considérablement le champ des applications possibles.
Par exemple, dans des assemblages robotiques ou dans des équipements de fabrication industrielle. Un connecteur sans fil peut même assurer une liaison à travers une paroi de verre ou un liquide, ce que les connecteurs physiques sont bien sûr incapables de faire.
Le développement d’une technologie innovante et la fourniture de solutions finies constituent un parcours semé d’obstacles qu'un fabricant n'est pas en mesure de relever seul. Pour commercialiser leurs produits au plus tôt et ainsi générer plus rapidement des revenus, les entreprises doivent choisir leurs partenaires en fonction de leur expertise technique, de leur connaissance approfondie du domaine et de leur capacité à travailler main dans la main. Aujourd’hui, c’est en scellant de véritables partenariats collaboratifs basés sur la coopération, la participation et le partage que des entreprises de premier plan telles qu’ADI et Phoenix Contact parviennent à créer des solutions complètes et impactantes tout en s’aidant mutuellement à réaliser de bons résultats commerciaux.