使用非接觸式電源和資料傳輸，達到無磨損、低維護的工業解決方案

靈活且高度可靠的連接在工業應用中非常重要，如機器人工具的連接器和精密分度盤的旋轉裝置。這些系統會有大量動作和旋轉，並且經常暴露在灰塵和振動中，這些因子都會導致傳統的連接器或滑環故障。

在嚴峻的應用中，設計人員需要採用新的方式來突破傳統解決方案的限制。新的方式必須能夠支援高達 100 Mbps 的安全雙工乙太網路連接，並且能跨越 12 mm (僅資料傳輸時為 40 mm) 的間隙，為感測器和其他組件傳輸高達 50 W 的功率。

必須要有彈性的安裝方式，以支援各種系統設計，而簡單、可目測的 LED 指示燈，則有助於進行快速診斷。

在嚴峻的工業環境中作業，需要達到 IP65 環境等級，且解決方案必須符合 EN 62262 標準的 IK06 要求，可以耐受高達 1 焦耳能量的外部機械衝擊。安裝或替換簡便，則可大幅降低維護成本和停機時間。

本文首先簡要回顧在各種工業應用中使用傳統連接器和滑環會有的挑戰。接著，深入探討 Phoenix Contact 的 NearFi 耦合器的功能，詳細介紹如何滿足在高挑戰性工業應用中非接觸式電源和資料傳輸需求，包含電氣、機械、安全方面。

機器人可靠度挑戰

在自動化組裝過程中，機器人會頻繁更換工具，對連接器造成重大挑戰。更換工具可能會達到每天數百次的配接／斷開循環。

每次循環都會使觸點暴露於污染中，並因接觸摩擦而造成磨損。如果連接器沒有精準對齊，觸點還可能會彎曲。

如此會降低連接器可靠性，且無法預測維護停機時間。除了連接工具的連接器之外，有些機器人還利用滑環，在旋轉臂和關節中傳輸資料和電力。

滑環的限制

滑環也運用於風力渦輪機、食品和製藥、包裝生產線，以及其他工業製程。滑環與傳統連接器一樣，暴露於污染中可能會受損，也可能會遭受過度機械磨損。

滑環會因摩擦而發熱，可能需要注意其熱管理。在一些應用中，滑環可能會受到強烈的振動或突然的衝擊，導致損壞、觸點壓力不穩定，甚至機械故障。

傳統的連接器和滑環都會因為尺寸、動作限制、維護的存取要求，產生對機器設計相關的挑戰。這也加劇應用中的許多挑戰，包括振動、灰塵、污垢、觸點磨損等因素造成的連接中斷問題。

NearFi 解決方案

使用「更好」的連接器可能可以逐步提升效能或可靠性。但真正需要的是一個跳出固有思維的方法，消除最棘手的連接器難題。這個方法就是 NearFi。

NearFi 是一種非接觸式技術，支援在穿過幾公分的空氣間隙或非金屬材料 (如塑膠、玻璃、木材) 進行無磨損且可靠的通訊和電力傳輸。僅傳輸資料時，NearFi 可以跨越 40 mm 的空氣間隙進行連接。電力或電力和資料傳輸的組合可以跨越 12 mm 的空氣間隙進行連接。

NearFi 使用 60 GHz 無線技術傳輸資料，並採用感應式耦合，將電力從基座耦合器傳送到遠端耦合器。耦合器外罩的防護等級為 IP65 和 IK06，並採用 M12 連接技術，確保在嚴峻的工業環境中達到無磨損、免維護的作業。

NearFi 系統為設計人員提供三種解決方案：

• 使用 1234224 基座耦合器搭配 1234225 遠端耦合器，可以同時傳輸資料和電力。
• 使用 1234226 基座耦合器和 1234229 遠端耦合器，可以在沒有資料支援的情況下進行電源耦合。
• 使用 1234232 基座耦合器和 1234234 遠端耦合器，無需電源即可傳輸資料。

全雙工乙太網路

使用 NearFi，資料可以雙向同時進行交換，而無延遲。 使用兩個並聯的 60 GHz 連接分別在不同的頻帶上，一個用於上行鏈路，一個用於下行鏈路，可以進行全雙工即時資料傳輸。因此適合適合對時間關鍵的工業協定，例如 PROFINET 和 EtherCAT。由於傳輸技術與協定無關，因此可以與任何標準乙太網路協定搭配使用 (圖 1)。

圖 1：NearFi 支援與協定無關的全雙工 100 Mbit/s 乙太網路。(圖片來源：Phoenix Contact)

近場通訊 (NFC) 是 NearFi 效能的關鍵因素。傳統遠場通訊依靠電磁波在空間中無限傳送，但 NFC 不同，其能量不會向外無限輻射，而是會隨距離迅速衰減。NFC 是一種低功率技術，可進一步降低電磁干擾 (EMI)。

使用 NFC 還能確保與現有無線技術 (如 WLAN 或藍牙) 可靠共存。此外，標準工業干擾頻譜不會影響 NearFi 傳輸，因此在部署 NearFi 時無需進行頻率規劃。

由於覆蓋範圍有限，因此 NearFi 鏈路可以相鄰運作而不會相互干擾。總之，NFC 能夠達到可靠、免維護、高速的資料傳輸，並且具有很強的抗電磁干擾能力。最後，耦合器外罩上的 LED 環顯示連接狀態，以便進行故障排除，可加速設定和診斷。

位元導向的傳輸

NearFi 採用同步、位元導向的傳輸技術，是達到優異效能的另一項關鍵。位元導向的技術不同於其他無線通訊採用的封包導向傳輸方式。

封包導向在實作上通常會有嚴重的延遲。資料到達發送端後，必須先打包成封包而後傳輸。在接收端，封包會被拆解，才會將資料輸出到系統。

在 NearFi 同步傳輸中，資料會直接逐位元傳送，到達時則無需封包或解封包。如此可以產生連續的資料流，幾乎將延遲消除。因此，NearFi 非常適合時間敏感型工業乙太網路協定，例如時間敏感型網路 (TSN)、PROFINET、EtherCAT (圖 2)。

圖 2：NearFi 採用位元導向進行傳輸，以緩解傳統基於封包通訊中常見的延遲問題。(圖片來源：Phoenix Contact)

此外，由於資料的傳輸過程中沒有緩衝或封包，因此 NearFi 具有協定透明性，無需配置即可處理任何乙太網路協定。

NearFi 將通訊限制在短距離，藉此解決安全性問題。此外，還支援進階安全措施，例如加密、身份驗證、代碼化。

輸送電力

NearFi 系統採用感應式功率傳輸，頻率範圍為 100 至 148.5 kHz，類似於一些智慧型手機無線充電器中使用的技術。可傳輸高達 50 W (24 V_DC、2 A)，並聯連接時，可傳輸高達 100 W 。

主動式封閉迴路控制可在整個工作區域內達到恆定的功率傳輸。亦支援傳輸兩個電氣隔離的電壓 (各 50 W)。如同資料連接，電源傳輸也使用基座耦合器和遠端耦合器。

基座耦合器從電源 (如控制器) 接收 24 V_DC。整合式通訊電源／感測器電壓轉換器，也稱為 US 轉換器 (「U」在德文中是電壓符號)，將 24 V_DC 轉換為高頻電源，用於感應式傳輸。遠端耦合器接收高頻感應式電源，並在 UA (致動器電壓) 轉換器中將其轉換回 24 V_DC，用於 I/O、開關、感測器、致動器等功能 (圖 3)。

圖 3：電源透過感應耦合，在基座耦合器和遠端耦合器之間傳輸。(圖片來源：Phoenix Contact)

Fast Startup

NearFi 的 Fast Startup 功能可快速 (<500 ms) 重新建立即時鏈路。這是由於 NearFi 耦合器在逐漸靠近的過程中，即已開始電力傳輸和資料通訊。

Fast Startup 可以大幅縮短機器人更換工具等應用的週期時間 (圖 4)。NearFi 的雙向資料傳輸功能還可讓新工具 (或其他配件) 向系統識別自身，確認正確性。

圖 4：NearFi 在機器人更換工具站的潛在運用。(圖片來源：Phoenix Contact)

更多應用構想

NearFi 耦合器可以面對面放置、錯開放置，或以切線角度放置。也可以用於基座耦合器靜止而遠端耦合器旋轉的應用 (圖 5)。NearFi 耦合器開箱即用，無需編程，可加速應用的開發和部署。

圖 5：在此應用中，左側的遠端耦合器在旋轉，而右側的基座耦合器則靜止不動。(圖片來源：Phoenix Contact)

使 NearFi 適用於機器人工具更換的這些特性，同樣也能滿足自動導引車 (AGV) 和材料及工件搬運車等應用的需求。

旋轉天線 (如機場使用的天線) 可受益於使用 NearFi 耦合器替代傳統的滑環。同樣地，也適用於工業應用的精密分度盤，以及食品飲料和製藥的灌裝機。

結論

NearFi 技術解決一系列看似棘手的問題。以無線方式提供與協定無關的 100 Mbit/s 乙太網路，以及 50 W 的功率，並且靈活易用。NearFi 耦合器專為在惡劣的工業環境中使用所設計，具有 IP65 和 IK06 防護等級，以及 M12 連接能力。您打算如何使用 NearFi，助您的新設計脫穎而出？

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