Hur enkortsdatorer ökar räckvidden för industriell automation

Tillgången på enkortsdatorer (SBC:er) som t.ex. Arduino och Raspberry Pi, som är klassificerade för användning i industriella miljöer, tillsammans med verktyg för mjukvaruutveckling baserade på standarden IEC 61131-3, har öppnat upp nya möjligheter för konstruktörer av maskiner och fabriksautomation. Några av dessa nya lösningar baserade på enkortsdatorer öppnar även upp för nya möjligheter vid automatisering av miljöövervakning, smarta hem- och fastighetsinstallationer, jordbrukstillämpningar samt andra icke-industriella system.

Industriella enkortsdatorer används i maskinstyrningar, industridatorer (IPC), gateways för IIoT, mikro-PLC:er, programvarubaserade PLC:er, analoga och digitala in-/utgångsmoduler (I/O) med mera. Enkortsdatorerna bygger på öppna hård- och mjukvaruplattformar, ibland med fullständiga root-rättigheter.

Överensstämmelse med IEC 61131-3 innebär att de fem standardprogrammeringsspråken för automation stöds, inklusive stegdiagram, strukturerad text, diagram med funktionsblock, sekventiellt funktionsdiagram och instruktionslista. Eftersom enheterna bygger på enkortsdatorer kan utvecklare även använda språk som t.ex. Java, Python, C eller C++, vilket ger större flexibilitet jämfört med traditionell hårdvara avsedd för industriell styrning. Vissa stödjer datasäkerhet från hårdvaran till molnet eller ett nätverk på högre nivå, som t.ex. ett affärssysstem (ERP) med ett inbyggt säkert element och efterlevnad av ITU:s (International Telecommunications Unions) standard X.509 för offentliga nycklar.

I den här artikeln presenteras exempel på lösningar baserade på enkortsdatorer från Arduino, Industrial Shields och KUNBUS som är tillgängliga för maskin- och automationskonstruktörer och är avsedda för olika tillämpningar, som små- till medelskalig automation, inbäddad styrning i små maskiner och stora installationer för fabriksautomation. Artikeln avslutas med en titt på hur PROFINET och deterministiska nätverk kan implementeras i PLC:er baserade på enkortsdatorer.

PLC:er baserade på Arduino

En av fördelarna med de flesta PLC:er baserade på Arduino är att Arduino har en integrerad utvecklingsmiljö (IDE) för PLC:er för att skriva styrprogram. Den integrerade utvecklingsmiljön för PLC:er från Arduino gör det möjligt för användare att välja något av de fem programmeringsspråk som definieras av IEC 61131-3 och snabbt koda PLC-tillämpningar eller konvertera befintliga. Den innehåller också färdiga Arduino-sketches (program), självstudier och bibliotek.

PLC:er baserade på Arduino från Industrial Shields kan programmeras med hjälp av den integrerade utvecklingsmiljön från Arduino eller direkt med C. PLC:erna innehåller verktyg med öppen källkod och kan programmeras med flera olika programplattformar. De kan fjärrprogrammeras via USB- eller Ethernet-portarna. Användare kan kontinuerligt övervaka statusen för alla variabler samt in- och utgångar.

Modellen IS.MDUINO.21+ från Industrial Shields är klassificerad för drift mellan 0 och +60 °C och dess ATmega-processor uppnår en kapacitet på 16 MIPS vid 16 MHz (figur 1). Egenskaperna innefattar:

• 13 ingångar:
  • 7 optoisolerade digitala (5 V_DC till 24 V_DC)
    • 2 avbrott (5 V_DC till 24 V_DC)
  • 6 programvarukonfigurerbara som analoga (0 V_DC till 10 V_DC, 10 bit) eller digitala (5 V_DC till 24 V_DC)
• 8 utgångar:
  • 5 optoisolerade digitala (5 V_DC till 24 V_DC)
  • 3 programvarukonfigurerbara som analoga (0 V_DC till 10 V_DC, 8 bit). digitala (5 V_DC till 24 V_DC) eller pulsbreddsmodulerade (5 V_DC till 24 V_DC)
• 256 KB minne
• Kommunikation via Ethernet, RS-232, RS-485 eller USB
• Utbyggbar med upp till 127 moduler

Figur 1: Modellen IS.MDUINO.21+ från Industrial Shields har 13 ingångar och 8 utgångar. (Bildkälla: Industrial Shields)

Mikro-PLC:er

Arduino Opta är en mikro-PLC som är utformad för att stödja IIoT-tillämpningar. Den är programmerbar med Arduinos interna utvecklingsmiljö för PLC:er och har stöd för Arduino-sketches och standardspråk för PLC:er. Huvudprocessorn är en STM32H747 med två kärnor och en 480 MHz Cortex M7, en 240 MHz Cortex M4 samt 1 MB programminne som stödjer realtidsstyrning, övervakning och implementering av algoritmer för förebyggande underhåll. Säkra radiobaserade (over-the-air) uppdateringar av firmware stöds av det inbyggda säkra elementet och uppfyller standarden X.509.

Opta-PLC:erna finns i tre varianter som skiljer sig åt genom sina kommunikationsmöjligheter. Alla tre har USB-C. Modellerna är:

• Opta Lite, modell AFX00003 som har 10/100BASE-T Ethernet
• Opta RS485, modell AFX00001 som har 10/100BASE-T Ethernet och RS-485 halv duplex
• Opta WiFi, modell AFX00002 som har 10/100BASE-T Ethernet, RS-485 halv duplex, 802.11 b/g/n WiFi samt BLE (Bluetooth low energy)

Dessa mikro-PLC:er har åtta programmerbara analoga/digitala ingångar och fyra normalt brutna reläutgångar med en nominell effekt på 10 A (2,3 kW). Realtidsklockan (RTC) har en typisk strömförsörjning på tio dagar vid +25 °C, och NTP-synkronisering (Network Time Protocol) är tillgängligt via Ethernet-porten. De är kompatibla med DIN-skena för snabbare systemintegration (figur 2).

Figur 2: Opta Lite mikro-PLC från Arduino med de fyra reläutgångarna för 10 A till vänster på enhetens framsida. (Bildkälla: Arduino)

Inbäddad PLC för små maskiner

Konstruktörer av små maskiner för märkning, formning och förslutning, packning i kartong, limning, elektriska ugnar, industriella tvättmaskiner och torktumlare, mixers och så vidare - kan använda sig av PLC:erna Portenta med måtten 170 x 90 x 50 mm för maskinstyrning. Den har ett hölje som är kompatibelt med DIN-skenor, har insticksanslutningar och är klassificerad för drift mellan -40 och +85 °C utan extern kylning (figur 3). Huvudprocessorn är en dual-core STM32H747 med en 480 MHz Cortex M7 och en 240 MHz Cortex M4. Kortet har stöd för plattskärmar, pekskärmar, tangentbord, styrspakar och möss för installatörs- och operatörsgränssnitt. Den kan programmeras med hjälp av den integrerade utvecklingsmiljön för Arduino-baserade PLC:er eller andra utvecklingsplattformar för inbäddade system.

Figur 3: Maskinstyrkortet Portenta är konstruerat för inbäddade tillämpningar i en mängd olika maskiner. (Bildkälla: Arduino)

Maskinstyrkortet Portenta kan stödja förebyggande underhåll och programvara för artificiell intelligens (AI). Den inbyggda realtidsklockan stödjer synkronisering av processer och möjliggör datainsamling i realtid och fjärrstyrning av utrustning.

Den kan anslutas till olika externa givare och ställdon med isolerade och programmerbara digitala och analoga I/O-anslutningar, tre temperaturkanaler för konfiguration och ett I2C-kontaktdon. Återställningsbara säkringar skyddar alla in-och utgångar. Nätverksanslutning stöds via USB, Ethernet, WiFi, BLE och RS-485.

Raspberry Pi för fabriksautomation

Mer komplicerade automationsuppgifter kan dra nytta av processorkraften hos PLC:er baserade på Raspberry Pi 4 som använder processorn Broadcom BCM2711B0. BCM2711B0 är tillverkad i en 28 nanometers (nm) process och använder arkitekturen Cortex-A72. Den har fyra kärnor med en klockfrekvens på 1,5 GHz och 4 GB RAM. Den integrerar många kringutrustningsenheter, inklusive timers, styrenheter för avbrott, GPIO (General Purpose I/O), USB, PCM/I2S digitalt ljudgränssnitt, DMA-styrenhet (Direct Memory Access), I2C-master, SPI-master (Serial Peripheral Interface), PWM, UART (Universal Asynchronous Receivers/Transmitters), dubbla portar för mikro-HDMI med stöd för 4K-utgångar med mera.

Raspberry Pi Ethernet PLC från Industrial Shields använder BCM2711B0, arbetar med inspänningar på mellan 12 V_DC och 24 V_DC och har en strömförbrukning på upp till 1,5 A. De innehåller operativsystemet Linux och har dubbla Ethernet- och RS-485-portar, WiFi, BLE och alternativ för CAN-buss, vilket gör att de kan anslutas till många enheter som använder flera protokoll och kommunikationsportar. De har optimerats för tillämpningar som drar nytta av realtidsstyrning och finns med 2, 4 och 8 GB RAM. Exempel på Raspberry Pi PLC från Industrial Shields är bland annat:

• 012003000200 med 4 GB RAM och 21 in-/utgångar (figur 4)
• 012003001100 med 4 GB RAM och 54 in-/utgångar
• 016003000200 med 4 GB RAM, 21 in-/utgångar och mobilanslutning för GPRS

Figur 4: Raspberry Pi Ethernet PLC med 4 GB RAM och 21 in-/utgångar från Industrial Shields. (Bildkälla: Industrial Shields)

Sammankoppling av Arduino- och Raspberry Pi-baserade PLC:er via SimpleComm

Med biblioteket SimpleComm C++ kan konstruktörer skicka data via RS-485, RS-482, Ethernet och andra protokoll. Det kan anpassas för olika kommunikationstopologier som ad hoc, master-slav och klient-server. Originalprogrammet har ett intuitivt API (Application Programming Interface) för Arduino-miljöer. Industrial Shields har nyligen anpassat SimpleComm till Linux-miljön för Raspberry Pi PLC.

Gateway-lösning för industridatorer och IIoT

När det krävs större flexibilitet kan konstruktörer använda sig av industridatorerna RevPi Core S och -SE och IIoT-gatewayen RevPi Connect S och -SE från KUNBUS, som alla är baserade på Raspberry Pi och utformade för montering på DIN-skena (figur 5). Förutom att tillhandahålla kretsscheman använder KUNBUS en anpassad version av operativssytemet för Raspberry Pi baserad på öppen källkod, med ett tillägg för realtidsdrift. Operativsystemet för Raspberry Pi har en robust driftskompatibilitet med ett brett utbud av mjukvarutillämpningar som utvecklats för Raspberry Pi. KUNBUS samarbetar med programvaruleverantörer för att stödja SCADA-system (Supervisory Control and Data Acquisition) för styrning, övervakning och analys av industriella enheter och processer. Tillgången till full root-åtkomst påskyndar implementeringen av anpassade program.

Figur 5: Exempel på industridatorn RevPi Core SE (vänster) och gatewayen RevPi Connect IIoT (höger). (Bildkälla: KUNBUS)

RevPi Core S och SE bygger på en öppen hård- och mjukvaruplattform som överensstämmer med standarden IEC 61131. RevPi Core S-enheterna är kompatibla med alla expansionsmoduler från KUNBUS, inklusive gateways för fältbussar. RevPi Core SE-enheter är kompatibla med I/O-moduler från KUNBUS men stödjer inte gateways för fältbussar. Industridatorn RevPi Core S/SE har anslutningar för USB, Micro-USB, Ethernet och HDMI. De innehåller en processor med fyra kärnor på 1,5 GHz och 1 GB RAM-minne, och modellerna finns med 8, 16 och 32 GB lagringsutrymme. RevPi Core S modell PR100360 har exempelvis 16 GB minne.

För att stödja IIoT-anslutningar finns gatewayen RevPi Connect S och -SE med upp till 32 GB minne och har två RJ45-uttag för 10/100 Ethernet, två USB-portar, ett RS-485-gränssnitt för fyra poler samt uttag för mikro-HDMI och mikro-USB. De två Ethernet-uttagen stödjer samtidig anslutning till automations- och IT-nätverk. Eftersom RevPi Connect är en mjukvaruplattform med öppen källkod kan tillämpningar programmeras med Node-RED, Python och C. RevPi Connect kan uppgraderas med funktionalitet för PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP och Modbus RTU utan användning av utökningssmoduler. Exempel på RevPi Connect-enheter är:

• RevPi Connect S PR100363 med 16 GB minne.
• RevPi PR100197, en utökningsmodul för digital I/O.
• RevPi PR100250, en analog utökningsmodul.

PROFINET och PLC:er baserade på enkortsdatorer

PLC:er baserade på enkortsdatorer kan vara sofistikerade enheter som kan stödja avancerade nätverksprotokoll. PROFINET är en öppen standard för industriella nätverksenheter som t.ex PLC:er, drivenheter, robotar, diagnosverktyg osv. Det används för industriellt Ethernet och är optimerat för att samla in data och styra industriell utrustning med kommunikation i realtid. Den kan köras på de flesta Arduino- och Raspberry Pi-baserade PLC:er.

Industriella automationsnätverk kräver deterministisk kommunikation med höga hastigheter. PROFINET fokuserar på deterministisk prestanda som levererar meddelanden exakt när de behövs och förväntas.

Det innebär att varje meddelande ska levereras med rätt hastighet beroende på vilken uppgift som ska utföras. Alla uppgifter är inte lika tidskänsliga. PROFINET kan leverera meddelanden via olika protokoll som t.ex:

• PROFINET realtid (Real-Time, eller RT)
• PROFINET isokron realtid (Isochronous Real-Time, eller IRT)
• Tidskänslig nätverkskommunikation (Time Sensitive Networking, eller TSN)
• TCP/IP (eller UDP/IP)

Sammanfattning

Det finns ett stort utbud av PLC:er och industriella nätverksenheter som baseras på enkortsdatorer med Arduino- och Raspberry Pi-teknik. De använder programvara med öppen källkod och, i vissa fall, hårdvara med öppen källkod. PLC:er baserade på Arduino finns i standardstorlekar för små nätverk, som mikro-PLC:er för utrymmeskänsliga installationer och som maskinstyrningar för inbyggda tillämpningar. PLC:er baserade på Raspberry Pi med fyra kärnor kan stödja mer komplexa industriella nätverkstillämpningar. Det finns industridatorer baserade på Raspberry Pi och IIoT-gateways som stödjer hög flexibilitet i nätverkskonstruktion och driftsättning.