Cum extind calculatoarele cu o singură placă raza de acțiune a automatizării industriale

Disponibilitatea computerelor mono-placă (SBC-uri) precum Arduino și Raspberry Pi, proiectate pentru utilizare în medii industriale, împreună cu instrumentele de dezvoltare software bazate pe standardul 61131-3 al Comisiei Electrotehnice Internaționale (IEC), au deschis noi oportunități pentru proiectanții din domeniul automatizării mașinilor și a fabricilor. De asemenea, unele dintre aceste noi soluții bazate pe SBC deschid noi posibilități de automatizare în domeniul monitorizării mediului, al instalațiilor inteligente pentru case și clădiri, al aplicațiilor agricole și al altor sisteme non-industriale.

SBC-urile industriale sunt utilizate în controlere de mașini, PC-uri industriale (IPC-uri), gateway-uri pentru Internetul industrial al lucrurilor (IIoT), microcontrolere logice programabile (PLC-uri), PLC-uri soft, module de intrare/ieșire (I/O) analogice și digitale și multe altele. Aceste dispozitive bazate pe SBC-uri sunt construite pe platforme hardware și software deschise, uneori incluzând drepturi complete de root.

Conformitatea cu IEC 61131-3 înseamnă că sunt acceptate cele cinci limbaje standard de programare pentru automatizare, inclusiv diagrama în scară, textul structurat, diagrama blocurilor funcționale, diagrama funcțională secvențială și lista de instrucțiuni. Faptul că sunt construite cu ajutorul SBC-urilor înseamnă că dezvoltatorii pot apela și la limbaje precum Java, Python, C sau C++, oferind o flexibilitate mai mare decât hardware-ul de control industrial tradițional. Unele oferă securitatea datelor de la nivelul hardware-ului până la cloud sau o rețea de nivel superior precum un sistem ERP (Enterprise Resource Planning), utilizând un element securizat integrat și respectând standardul de chei publice X.509 al Uniunii Internaționale a Telecomunicațiilor (ITU).

Acest articol prezintă exemple de soluții bazate pe SBC-uri, disponibile pentru proiectanții de mașini și automatizări de la Arduino, Industrial Shields și KUNBUS pentru diverse aplicații, inclusiv automatizări la scară mică spre medie, control încorporat în utilaje mici și instalații mari de automatizare a fabricilor. Articolul se încheie cu o privire asupra modului în care PROFINET și rețelele deterministe pot fi implementate pe PLC-urile SBC.

PLC-urile Arduino

Unul dintre avantajele majorității PLC-urilor bazate pe Arduino este disponibilitatea mediului de dezvoltare integrat (IDE) PLC Arduino pentru scrierea software-ului de control. IDE-ul PLC Arduino oferă utilizatorilor posibilitatea de a alege oricare dintre cele cinci limbaje de programare definite de IEC 61131-3 și de a codifica rapid aplicații PLC sau de a le porta pe cele existente. De asemenea, include schițe (programe) Arduino gata de utilizare, tutoriale și biblioteci.

PLC-urile Industrial Shields bazate pe Arduino pot fi programate folosind Arduino IDE sau direct în limbajul C. Aceste PLC-uri includ instrumente open-source și pot fi programate cu ajutorul mai multor platforme software. Acestea pot fi programate prin intermediul porturilor USB sau Ethernet pentru conexiunile la distanță. Utilizatorii pot monitoriza în permanență starea tuturor variabilelor, intrărilor și ieșirilor.

Modelul IS.MDUINO.21+ de la Industrial Shields poate funcționa la temperaturi cuprinse între 0°C și +60°C, iar procesorul său ATmega atinge o putere de procesare de 16 MIPS la 16 MHz (Figura 1). Caracteristicile includ:

• 13 intrări:
  • 7 izolate optic digitale (de la 5 V_c.c. la 24 V_c.c.)
    • 2 întreruperi (de la 5 V_c.c. la 24 V_c.c.)
  • 6 configurabile prin software ca analogice (de la 0 V_c.c. la 10 V_c.c., 10 biți) sau digitale (de la 5 V_c.c. la 24 V_c.c.)
• 8 ieșiri:
  • 5 izolate optic digitale (de la 5 V_c.c. la 24 V_c.c.)
  • 3 configurabile prin software ca analogice (de la 0 V_c.c. la 10 V_c.c., 8 biți), digitale (de la 5 V_c.c. la 24 V_c.c.) sau modulate pe lățime de impuls (de la 5 V_c.c. la 24 V_c.c.)
• 256 KB memorie
• Comunicații Ethernet, RS-232, RS-485 și USB
• Extensibile cu până la 127 de module

Figura 1: Modelul IS.MDUINO.21+ de la Industrial Shields are 13 intrări și 8 ieșiri. (Sursa imaginii: Industrial Shields)

Micro PLC-urile

Arduino Opta este un micro PLC conceput pentru a accepta aplicațiile IIoT. Programabil cu IDE-ul PLC Arduino, acceptă schițe Arduino și limbaje PLC standard. Procesorul principal este un STM32H747 dual-core, cu un Cortex M7 la 480 MHz, un Cortex M4 la 240 MHz și o memorie de program de 1 MB, care acceptă în timp real controlul, monitorizarea și implementarea algoritmilor de întreținere predictivă. Actualizările de firmware over-the-air (OTA) securizate sunt acceptate de elementul securizat de la bord și de conformitatea cu X.509.

PLC-urile Opta sunt disponibile în trei variante, diferențiate prin capacitățile lor de comunicare. Toate trei includ USB-C. Modelele sunt:

• Opta Lite, modelul AFX00003, care adaugă 10/100BASE-T Ethernet
• Opta RS485, modelul AFX00001, care adaugă 10/100BASE-T Ethernet și RS-485 semiduplex
• Opta Wi-Fi, modelul AFX00002, care adaugă 10/100BASE-T Ethernet, RS-485 semiduplex 802.11 b/g/n Wi-Fi și Bluetooth, energie redusă (BLE)

Aceste micro PLC-uri au opt intrări analogice/digitale programabile și patru ieșiri releu normal deschise, cu o capacitate nominală de 10 A (2,3 kW). Ceasul în timp real (RTC) are o durată de păstrare a energiei de zece zile la +25°C, iar sincronizarea prin protocolul de timp de rețea (NTP) este disponibilă prin portul Ethernet. Acestea sunt compatibile cu șina DIN pentru a accelera integrarea sistemului (Figura 2).

Figura 2: Micro PLC-ul Arduino de la Opta Lite prezentând cele patru ieșiri releu de 10 A din partea frontală stângă a unității. (Sursa imaginii: Arduino)

PLC-ul încorporat pentru utilaje mici

Proiectanții de utilaje mici pentru etichetare, formare și sigilare, ambalare în carton, lipire, cuptoare electrice, mașini de spălat și uscătoare industriale, mixere și așa mai departe, pot apela la PLC-ul de control al utilajului Portenta de 170 x 90 x 50 milimetri (mm). Acesta are o carcasă compatibilă cu șina DIN și terminale de conectare rapidă și poate funcționa la temperaturi cuprinse între -40°C și +85°C fără răcire externă (Figura 3). Procesorul principal este un STM32H747 dual-core cu un Cortex M7 la 480 MHz și un Cortex M4 la 240 MHz. Placa poate accepta afișaje cu ecran plat, panouri tactile, tastaturi, joystick-uri și mouse-uri pentru interfețele instalatorului, respectiv operatorului. Aceasta poate fi programată cu ajutorul IDE-ului PLC Arduino sau cu alte platforme de dezvoltare integrate.

Figura 3: Placa de control a utilajelor Portenta de la Arduino este proiectată pentru aplicații integrate într-o gamă largă de utilaje. (Sursa imaginii: Arduino)

Controlul utilajelor Portenta poate accepta întreținerea predictivă și software-ul de inteligență artificială (AI). RTC-ul său încorporat acceptă sincronizarea proceselor și permite colectarea datelor în timp real, precum și controlul de la distanță al echipamentelor.

Acesta se poate conecta la diverși senzori și actuatoare externe cu conexiuni I/O digitale și analogice izolate și programabile, trei canale de temperatură de configurare și un conector I2C. Siguranțele resetabile protejează toate I/O-urile. Conectivitatea la rețea este asigurată prin USB, Ethernet, Wi-Fi, BLE și RS-485.

Raspberry Pi pentru automatizarea fabricilor

Sarcinile de automatizare mai complexe pot beneficia de puterea de procesare a PLC-urilor bazate pe Raspberry Pi 4, care utilizează procesorul Broadcom BCM2711B0. Fabricat pe un proces de 28 nanometri (nm), BCM2711B0 utilizează arhitectura Cortex-A72. Acesta are patru nuclee cu o frecvență de ceas de 1,5 GHz și 4 GB de memorie RAM. Acesta integrează numeroase periferice, inclusiv: temporizatoare, controler de întreruperi, GPIO (intrări/ieșiri de uz general), USB, interfață audio digitală PCM/I2S, controler pentru acces direct la memorie (DMA), controlere master I2C, controlere master de interfață periferică serială (SPI), PWM, receptoare/transmițătoare asincrone universale (UART-uri), porturi micro HDMI duale care acceptă ieșire 4K, și altele.

PLC-urile Ethernet Raspberry Pi de la Industrial Shields utilizează BCM2711B0, funcționează cu tensiuni de intrare de la 12 V_c.c. la 24 V_c.c. și consumă până la 1,5 A de curent. Acestea includ sistemul de operare Linux și au porturi Ethernet duble, porturi RS-485 duble, opțiuni Wi-Fi, BLE și de magistrală CAN, ceea ce le conferă posibilitatea de a se conecta cu numeroase dispozitive care utilizează mai multe protocoale și porturi de comunicații. Acestea au fost optimizate pentru aplicații care beneficiază de control în timp real și sunt disponibile cu 2, 4 și 8 GB de memorie RAM. Printre exemplele de PLC-uri Raspberry Pi de la Industrial Shields se numără:

• 012003000200, cu 4 GB de memorie RAM și 21 de I/O-uri a (Figura 4)
• 012003001100, cu 4 GB de memorie RAM și 54 de I/O-uri
• 016003000200, cu 4 GB de memorie RAM, 21 de I/O-uri și conectivitate celulară GPRS (General Packet Radio Service)

Figura 4: PLC-ul Ethernet Raspberry Pi de la Industrial Shields cu 4 GB RAM și 21 de I/O-uri. (Sursa imaginii: Industrial Shields)

Conectarea Arduino și Raspberry Pi la PLC-uri cu SimpleComm

Biblioteca SimpleComm C++ oferă proiectanților posibilitatea de a trimite date folosind RS-485, RS-482, Ethernet și alte protocoale. Aceasta poate fi adaptată la diferite topologii de comunicații, cum ar fi ad-hoc, master-slave și client-server. Programul original are o interfață intuitivă de programare a aplicațiilor (API) pentru mediile Arduino. Industrial Shields a adaptat recent SimpleComm pentru mediul Linux care se regăsește pe PLC-urile Raspberry Pi.

Soluție de gateway IPC și IIoT

Atunci când este nevoie de o flexibilitate mai mare, proiectanții pot apela la IPC-urile RevPi Core S și SE de la KUNBUS și la gateway-ul RevPi Connect S și SE IIoT, toate bazate pe Raspberry Pi și concepute pentru montare pe șină DIN (Figura 5). Pe lângă furnizarea diagramelor de circuit, KUNBUS utilizează o adaptare open-source a sistemului de operare (OS) Raspberry Pi cu o corecție de operare în timp real. Sistemul de operare Raspberry Pi oferă o interoperabilitate robustă cu o gamă largă de aplicații software dezvoltate pentru Raspberry Pi. KUNBUS colaborează cu furnizorii de software pentru a accepta software-ul de control de supraveghere și achiziție de date (SCADA) pentru controlul, monitorizarea și analizarea dispozitivelor și proceselor industriale. Disponibilitatea accesului complet la root accelerează implementarea programelor personalizate.

Figura 5: Exemple de IPC RevPi Core SE (stânga) și gateway RevPi Connect IIoT (dreapta). (Sursa imaginii: KUNBUS)

RevPi Core S și SE sunt construite pe o platformă hardware și software deschisă care respectă standardul IEC 61131. Unitățile RevPi Core S sunt compatibile cu toate modulele de expansiune KUNBUS, inclusiv cu gateway-urile fieldbus. Unitățile RevPi Core SE sunt compatibile cu modulele de I/O KUNBUS, dar nu acceptă gateway-urile fieldbus. IPC-urile RevPi Core S/SE au conexiuni USB, Micro-USB, Ethernet și HDMI. Acestea dispun de un procesor quad-core de 1,5 GHz cu 1 GB de memorie RAM, iar modelele sunt disponibile cu 8, 16 și 32 GB de stocare. De exemplu, modelul PR100360, RevPi Core S are 16 GB de memorie.

Pentru a susține conectivitatea IIoT, gateway-urile RevPi Connect S și SE sunt disponibile cu o memorie de până la 32 GB și includ două socluri Ethernet RJ45 10/100, două porturi USB, o interfață RS-485 cu 4 pini, plus socluri micro-HDMI și micro-USB. Cele două socluri Ethernet permit conectivitatea simultană cu rețelele de automatizare și de tehnologie a informației (IT). Fiind o platformă software open-source, aplicațiile pot fi programate folosind Node-RED, Python și C. RevPi Connect poate fi actualizat cu funcționalitatea PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP și Modbus RTU, fără a utiliza module de expansiune. Printre exemplele de unități RevPi Connect se numără:

• PR100363, RevPi Connect S cu 16 GB de memorie.
• PR100197, modul de expansiune I/O digitală RevPi.
• PR100250, modul de expansiune analogică RevPi.

PLC-urile PROFINET și SBC

PLC-urile SBC pot fi dispozitive sofisticate, capabile să accepte protocoale de rețea avansate. Process Field Network (PROFINET) este un standard deschis pentru dispozitivele de rețea industriale, cum ar fi PLC-uri, unități, roboți, instrumente de diagnosticare etc. Funcționează pe Ethernet industrial și este optimizat pentru colectarea datelor și controlul echipamentelor industriale cu ajutorul comunicațiilor în timp real. Este disponibil pentru utilizare pe majoritatea PLC-urilor Arduino și Raspberry Pi.

Rețelele de automatizare industrială au nevoie de comunicații de mare viteză și deterministe. PROFINET se concentrează pe performanța deterministă care livrează mesaje exact atunci când sunt necesare și așteptate.

Acest lucru înseamnă că fiecare mesaj trebuie transmis cu viteza adecvată în funcție de sarcina executată. Nu toate sarcinile sunt la fel de sensibile la timp. PROFINET poate transmite mesaje pe diferite protocoale, inclusiv:

• PROFINET Real-Time (RT)
• PROFINET Isochronous Real-Time (IRT)
• Time Sensitive Networking (TSN)
• TCP/IP (sau UDP/IP)

Concluzie

Este disponibilă o gamă largă de PLC-uri bazate pe SBC și dispozitive de rețea industriale bazate pe tehnologiile Arduino și Raspberry Pi. Acestea utilizează software open-source și, în unele cazuri, hardware open-source. PLC-urile Arduino sunt disponibile ca unități de dimensiuni standard pentru rețele mici, micro PLC-uri pentru instalații în spațiu limitat și controlere de mașini pentru aplicații integrate. Automatele programabile bazate pe Raspberry Pi cu patru nuclee pot accepta aplicații de rețea industriale mai complexe. Sunt disponibile IPC-uri bazate pe Raspberry Pi și gateway-uri IIoT care acceptă niveluri ridicate de flexibilitate în proiectarea și implementarea rețelei.