Hvordan single-board-computere udvider rækkevidden af industriel automatisering

Tilgængeligheden af single-board-computere (SBC'er) som Arduino og Raspberry Pi, der er beregnet til brug i industrielle miljøer, har sammen med softwareudviklingsværktøjer baseret på International Electrotechnical Commission (IEC) 61131-3-standarden åbnet nye muligheder for designere af maskin- og fabriksautomatisering. Nogle af disse nye SBC-baserede løsninger åbner også nye muligheder for automatisering af miljøovervågning, smart home- og bygningsinstallationer, landbrugsapplikationer og andre ikke-industrielle systemer.

Industrielle SBC'er bruges i maskinstyringer, til industri-pc'er (IPC'er), Industrial Internet of Things (IIoT)-gateways, mikroprogrammerbare logiske styringer (PLC'er), soft PLC'er, analoge og digitale input/output (I/O)-moduler og meget mere. Disse SBC-baserede enheder er bygget på åben hardware og åbne softwareplatforme, nogle gange med fulde root-rettigheder.

Overensstemmelse med IEC 61131-3 betyder, at de fem standardprogrammeringssprog til automatisering understøttes, herunder ladder-diagram, struktureret tekst, funktionsblokdiagram, sekventielt funktionsdiagram og instruktionsliste. At den er bygget med SBC'er betyder, at udviklere også kan bruge sprog som Java, Python, C eller C++, hvilket giver større fleksibilitet end traditionel industriel kontrolhardware. Nogle understøtter datasikkerhed fra hardwaren til skyen eller et netværk på et højere niveau som et ERP-system (Enterprise Resource Planning) med et indbygget sikkerhedselement og overholdelse af ITU- (International Telecommunications Union) X.509 Standard public key.

Denne artikel præsenterer eksempler på SBC-baserede løsninger, der er tilgængelige for maskin- og automationsdesignere fra Arduino, Industrial Shields og KUNBUS til forskellige anvendelser, herunder automatisering i lille til mellemstor skala, indlejret styring i små maskiner og store fabriksautomatiseringsinstallationer. Artiklen afsluttes med et kig på, hvordan PROFINET og deterministiske netværk kan implementeres på SBC PLC'er.

Arduino PLC'er

En af fordelene ved de fleste Arduino-baserede PLC'er er tilgængeligheden af Arduino PLC'ens integrerede udviklingsmiljø (IDE) til at skrive styresoftware. Arduino PLC IDE giver brugerne mulighed for at vælge et af de fem programmeringssprog, der er defineret i IEC 61131-3, og hurtigt kode PLC-applikationer eller portere eksisterende. Den indeholder også Arduino-skitser (programmer), vejledninger og biblioteker, der er klar til brug.

Industrial Shields' Arduino-baserede PLC'er kan programmeres ved hjælp af Arduino IDE eller direkte ved hjælp af C. Disse PLC'er omfatter open source-værktøjer og kan programmeres med flere softwareplatforme. De kan programmeres via USB- eller Ethernet-portene til fjernforbindelser. Brugerne kan løbende overvåge status for alle variabler, inputs og outputs.

Modellen IS.MDUINO.21+ fra Industrial Shields er beregnet til drift fra 0 °C til +60 °C, og dens ATmega-processor opnår en kapacitet på 16 MIPS ved 16 MHz (figur 1). Specifikationer omfatter:

• 13 indgange:
  • 7 optoisolerede digitale (5 V_DC til 24 V_DC)
    • 2 interrupts (5 V_DC til 24 V_DC)
  • 6 softwarekonfigurationer som analog (0 V_DC til 10 V_DC, 10 bit) eller digital (5 V_DC til 24 V_DC)
• 8 udgange:
  • 5 optoisoleret digital (5 V_DC til 24 V_DC)
  • 3 softwarekonfigurationer som analog (0 V_DC to 10 V_DC, 8 bit), digital (5 V_DC to 24 V_DC), eller pulsbreddemoduleret (5 V_DC to 24 V_DC)
• 256 KB hukommelse
• Ethernet-, RS-232-, RS-485- og USB-kommunikation
• Kan udvides med op til 127 moduler

Figur 1: Modellen IS.MDUINO.21+ fra Industrial Shields har 13 indgange og 8 udgange. (Billedkilde: Industrial Shields)

Mikro-PLC'er

Arduino Opta er en mikro-PLC, der er designet til at understøtte IIoT-applikationer. Den kan programmeres med Arduino PLC IDE og understøtter Arduino-skitser og standard PLC-sprog. Hovedprocessoren er en dual-core STM32H747 med en 480 MHz Cortex M7, en 240 MHz Cortex M4 og 1 MB programhukommelse, der understøtter realtidsstyring, overvågning og implementering af algoritmer til forebyggende vedligeholdelse. Sikre over-the-air (OTA) firmwareopdateringer understøttes af det indbyggede sikkerhedselement og X.509-overholdelse.

Opta PLC'er fås i tre varianter, der adskiller sig ved deres kommunikationsmuligheder. Alle tre inkluderer USB-C. Modellerne er:

• Opta Lite, model AFX00003, der tilføjer 10/100BASE-T Ethernet
• Opta RS485, model AFX00001, der tilføjer 10/100BASE-T Ethernet og halv-duplex RS-485
• Opta Wi-Fi, model AFX00002, der tilføjer 10/100BASE-T Ethernet, halvduplex RS-485 802.11 b/g/n Wi-Fi og Bluetooth low energy (BLE).

Disse mikro-PLC'er har otte programmerbare analoge/digitale indgange og fire normalt åbne relæudgange med en nominel effekt på 10 A (2,3 kW). Realtids-clock (RTC) har typisk ti dages strømtilbageholdelse ved +25 °C, og NTP-synkronisering (Network Time Protocol) er tilgængelig via Ethernet-porten. De er kompatible med DIN-skinner for at fremskynde systemintegrationen (figur 2).

Figur 2: Opta Lite Arduino mikro-PLC viser de fire 10 A relæudgange på venstre side af enheden. (Billedkilde: Arduino)

Indlejret PLC til små maskiner

Designere af små maskiner til mærkning, formning og forsegling, kartonpakning, limning, elektriske ovne, industrielle vaskemaskiner og tørretumblere, blandere og så videre - kan bruge Portenta machine control PLC på 170 x 90 x 50 millimeter (mm). Den har et DIN-skinnekompatibelt hus og push-in-terminaler til hurtig tilslutning og er klassificeret til drift fra -40 °C til +85 °C uden ekstern køling (figur 3). Hovedprocessoren er en dual-core STM32H747 med en 480 MHz Cortex M7 og en 240 MHz Cortex M4. Kortet kan understøtte fladskærme, berøringspaneler, tastaturer, joysticks og mus til installatør- og operatørgrænseflader. Den kan programmeres ved hjælp af Arduino PLC IDE eller andre indlejrede udviklingsplatforme.

Figur 3: Portenta Machine Control-kortet er designet til indlejrede applikationer i en lang række maskiner. (Billedkilde: Arduino)

Portenta Machine Control kan understøtte forebyggende vedligeholdelse og software med kunstig intelligens (AI). Den indbyggede RTC understøtter synkronisering af processer og muliggør dataindsamling i realtid og fjernstyring af udstyr.

Den kan forbindes til forskellige eksterne sensorer og aktuatorer med isolerede og programmerbare digitale og analoge I/O-forbindelser, tre konfigurationstemperaturkanaler og et I2C-stik. Genindstillelige sikringer beskytter alle I/O'er. Netværkstilslutning understøttes af USB, Ethernet, Wi-Fi, BLE og RS-485.

Raspberry Pi til fabriksautomatisering

Mere komplekse automatiseringsopgaver kan drage fordel af processorkraften i Raspberry Pi 4-baserede PLC'er, der bruger Broadcom BCM2711B0-processoren. BCM2711B0 er fremstillet på en 28 nanometer (nm) proces og bruger Cortex-A72-arkitekturen. Den har fire kerner med en clockhastighed på 1,5 GHz og 4 GB RAM. Den integrerer adskillige perifere enheder, herunder timere, interrupt-controller, GPIO (general purpose I/O), USB, PCM/I2S digital audio-interface, DMA-controller (direct memory access), I2C-master, SPI-master (serial peripheral interface), PWM, UART (universal asynchronous receivers/transmitters), to mikro-HDMI-porte, der understøtter 4K-output, og meget mere.

Industrial Shields' Raspberry Pi Ethernet PLC'er bruger BCM2711B0, fungerer med 12 V_DC til 24 V_DC indgangsspænding og trækker op til 1,5 A strøm. De indeholder Linux-operativsystemet og har to Ethernet-porte, to RS-485-porte, Wi-Fi, BLE og CAN-bus, hvilket gør dem i stand til at forbinde med mange enheder ved hjælp af flere protokoller og kommunikationsporte. De er optimeret til applikationer, der har gavn af realtidskontrol, og fås med 2, 4 og 8 GB RAM. Eksempler på Industrial Shields' Raspberry Pi PLC'er omfatter:

• 012003000200, med 4 GB RAM og 21 I/O'er (figur 4)
• 012003001100, med 4 GB RAM og 54 I/O'er
• 016003000200, med 4 GB RAM, 21 I/O'er og GPRS-mobilforbindelse (General Packet Radio Service)

Figur 4: Industrial Shields' Raspberry Pi Ethernet PLC med 4 GB RAM og 21 I/O'er. (Billedkilde: Industrial Shields)

Brobygning mellem Arduino og Raspberry Pi i PLC'er med SimpleComm

SimpleComm C++-biblioteket lader designere sende data ved hjælp af RS-485, RS-482, Ethernet og andre protokoller. Den kan tilpasses forskellige kommunikationstopologier som ad hoc, master-slave og klient-server. Det oprindelige program har en intuitiv programmeringsgrænseflade (API) til Arduino-miljøer. Industrial Shields tilpassede for nylig SimpleComm til det Linux-miljø, der findes på Raspberry Pi PLC'er.

IPC- og IIoT-gateway-løsning

Når der er brug for større fleksibilitet, kan designerne bruge KUNBUS' RevPi Core S og SE IPC'er og RevPi Connect S og SE IIoT-gateway, som alle er baseret på Raspberry Pi og designet til montering på DIN-skinne (figur 5). Ud over at levere kredsløbsdiagrammer bruger KUNBUS en open source-tilpasning af Raspberry Pi-operativsystemet (OS) med en patch til realtidsdrift. Raspberry Pi OS tilbyder robust interoperabilitet med en lang række softwareprogrammer, der er udviklet til Raspberry Pi. KUNBUS samarbejder med softwareleverandører om at understøtte SCADA-software (Supervisory Control and Data Acquisition) til styring, overvågning og analyse af industrielle enheder og processer. Tilgængeligheden af fuld root-adgang fremskynder implementeringen af brugerdefinerede programmer.

Figur 5: Eksempler på RevPi Core SE IPC (til venstre) og RevPi Connect IIoT Gateway (til højre). (Billedkilde: KUNBUS)

RevPi Core S og SE er bygget på en åben hardware- og softwareplatform, der er i overensstemmelse med IEC 61131-standarden. RevPi Core S-enheder er kompatible med alle KUNBUS-udvidelsesmoduler, herunder feltbus-gateways. RevPi Core SE-enheder er kompatible med KUNBUS I/O-moduler, men understøtter ikke feltbus-gateways. RevPi Core S/SE IPC'er har USB-, mikro-USB-, Ethernet- og HDMI-tilslutninger. De har en 1,5 GHz quad-core processor med 1 GB RAM, og modellerne fås med 8, 16 og 32 GB lagerplads. For eksempel har model PR100360, RevPi Core S 16 GB hukommelse.

For at understøtte IIoT-tilslutning fås RevPi Connect S- og SE-gateways med op til 32 GB hukommelse og omfatter to RJ45 10/100 Ethernet-stik, to USB-porte, en 4-ben RS-485-grænseflade samt mikro-HDMI- og mikro-USB-stik. De to Ethernet-stik understøtter samtidig tilslutning til automatiserings- og informationsteknologi (IT)-netværk. Som en open source-softwareplatform kan applikationer programmeres ved hjælp af Node-RED, Python og C. RevPi Connect kan opgraderes med PROFINET-, EtherNet/IP-, EtherCAT-, Modbus TCP- og Modbus RTU-funktionalitet uden brug af udvidelsesmoduler. Eksempler på RevPi Connect-enheder omfatter:

• PR100363, RevPi Connect S med 16 GB hukommelse.
• PR100197, RevPi digitalt I/O-udvidelsesmodul.
• PR100250, RevPi analogt udvidelsesmodul.

PROFINET og SBC PLC'er

SBC PLC'er kan være sofistikerede enheder, der understøtter avancerede netværksprotokoller. Process field network (PROFINET) er en åben standard for industrielle netværksenheder som PLC'er, drev, robotter, diagnoseværktøjer osv. Det kører over industrielt Ethernet og er optimeret til at indsamle data og styre industrielt udstyr med realtidskommunikation. Den kan køre på de fleste Arduino- og Raspberry Pi-PLC'er.

Industrielle automatiseringsnetværk har brug for højhastigheds- og deterministisk kommunikation. PROFINET fokuserer på deterministisk ydeevne, der leverer meddelelser præcis, når det er nødvendigt og forventet.

Det betyder, at hver besked skal leveres med den rette hastighed baseret på den opgave, der skal udføres. Ikke alle opgaver er lige tidsfølsomme. PROFINET kan levere meddelelser på forskellige protokoller, herunder:

• PROFINET Realtid (RT)
• PROFINET isokron realtid (IRT)
• Tidsfølsomt netværk (TSN)
• TCP/IP (eller UDP/IP)

Konklusion

Der findes en lang række SBC-baserede PLC'er og industrielle netværksenheder baseret på Arduino- og Raspberry Pi-teknologier. De bruger open source-software og i nogle tilfælde open source-hardware. Arduino PLC'er fås som enheder i standardstørrelse til små netværk, mikro-PLC'er til pladskrævende installationer og maskinstyringer til indlejrede applikationer. Quad-core Raspberry Pi-baserede PLC'er kan understøtte mere komplekse industrielle netværksapplikationer. Der findes Raspberry Pi-baserede IPC'er og IIoT-gateways, som understøtter en høj grad af fleksibilitet i netværksdesign og -udrulning.