Hoe single-boardcomputers het bereik van industriële automatisering vergroten

De beschikbaarheid van single-boardcomputers (SBC's) zoals Arduino en Raspberry Pi, die geschikt zijn voor gebruik in industriële omgevingen, samen met tools voor softwareontwikkeling gebaseerd op de norm IEC 61131-3 (International Electrotechnical Commission), hebben nieuwe mogelijkheden geopend voor ontwerpers van machine- en fabrieksautomatisering. Sommige van deze nieuwe SBC-gebaseerde oplossingen openen ook nieuwe mogelijkheden voor het automatiseren van milieubewaking, slimme huis- en gebouwinstallaties, landbouwtoepassingen en andere niet-industriële systemen.

Industriële SBC's worden gebruikt in machinecontrollers, industriële pc's (IPC's), Industrial Internet of Things (IIoT) gateways, micro programmeerbare logische controllers (PLC's), soft PLC's, analoge en digitale input/output (I/O) modules en nog veel meer. Deze op SBC gebaseerde apparaten zijn gebouwd op open hardware en open softwareplatforms, soms met volledige rootrechten.

Voldoen aan IEC 61131-3 betekent dat de vijf standaard programmeertalen voor automatisering worden ondersteund, waaronder ladderdiagram, gestructureerde tekst, functieblokdiagram, sequentieel functiediagram en instructielijst. Omdat ze gebouwd zijn met SBC's kunnen ontwikkelaars zich ook wenden tot talen als Java, Python, C of C++, wat meer flexibiliteit biedt dan traditionele industriële besturingshardware. Sommige ondersteunen gegevensbeveiliging van de hardware tot de cloud of een netwerk op een hoger niveau, zoals een ERP-systeem (enterprise resource planning) met een ingebouwd veilig element en naleving van de X.509-standaard voor openbare sleutels van de International Telecommunications Union (ITU).

Dit artikel geeft voorbeelden van SBC-gebaseerde oplossingen die beschikbaar zijn voor machine- en automatiseringsontwerpers van Arduino, Industrial Shields en KUNBUS voor verschillende toepassingen, waaronder automatisering op kleine tot middelgrote schaal, ingebedde besturing in kleine machines en grote fabrieksautomatiseringsinstallaties. Het artikel sluit af met een blik op hoe PROFINET en deterministische netwerken kunnen worden geïmplementeerd op SBC PLC's.

Arduino PLC's

Een van de voordelen van de meeste op Arduino gebaseerde PLC's is de beschikbaarheid van de Arduino PLC geïntegreerde ontwikkelomgeving (IDE) voor het schrijven van besturingssoftware. Met de Arduino PLC IDE kunnen gebruikers een van de vijf programmeertalen kiezen die zijn gedefinieerd door IEC 61131-3 en snel PLC-toepassingen coderen of bestaande toepassingen porten. Het bevat ook kant-en-klare Arduino-schetsen (programma's), tutorials en bibliotheken.

De op Arduino gebaseerde PLC's van Industrial Shields kunnen worden geprogrammeerd met de Arduino IDE of rechtstreeks met C. Deze PLC's bevatten open-source tools en kunnen met meerdere softwareplatforms worden geprogrammeerd. Ze kunnen worden geprogrammeerd via de USB- of Ethernetpoorten voor verbindingen op afstand. Gebruikers kunnen continu de status van alle variabelen, ingangen en uitgangen controleren.

Het model IS.MDUINO.21+ van Industrial Shields is geschikt voor werktemperaturen van 0 °C tot 60 °C en de ATmega-processor bereikt een doorvoer van 16 MIPS bij 16 MHz (Afbeelding 1). Kenmerken zijn onder andere:

• 13 ingangen:
  • 7 opto geïsoleerde digitale (5 V_DC tot 24 V_DC)
    • 2 onderbrekingen (5 V_DC tot 24 V_DC)
  • 6 softwarematig configureerbaar als analoog (0 V_DC tot 10 V_DC, 10 bits) of digitaal (5 V_DC tot 24 V_DC)
• 8 uitgangen:
  • 5 opto geïsoleerde digitale (5 V_DC tot 24 V_DC)
  • 3 softwarematig configureerbaar als analoog (0 V_DC tot 10 V_DC, 8 bits), digitaal (5 V_DC tot 24 V_DC) of pulsbreedtemodulatie (5 V_DC tot 24 V_DC)
• 256 KB geheugen
• Ethernet, RS-232, RS-485 en USB-communicatie
• Uitbreidbaar met maximaal 127 modules

Afbeelding 1: Het model IS.MDUINO.21+ van Industrial Shields heeft 13 ingangen en 8 uitgangen. (Bron afbeelding: Industrial Shields)

Micro PLC's

De Arduino Opta is een micro-PLC die is ontworpen om IIoT-toepassingen te ondersteunen. Het is programmeerbaar met de Arduino PLC IDE en ondersteunt Arduino-schetsen en standaard PLC-talen. De hoofdprocessor is de dual-core STM32H747 met een 480 MHz Cortex M7, een 240 MHz Cortex M4 en 1 MB programmageheugen dat real-time besturing, bewaking en implementatie van algoritmen voor voorspellend onderhoud ondersteunt. Secure over-the-air (OTA) firmware-updates worden ondersteund door het ingebouwde beveiligingselement en X.509-compatibiliteit.

Opta PLC's zijn verkrijgbaar in drie varianten die zich onderscheiden door hun communicatiemogelijkheden. Alle drie bevatten ze USB-C. De modellen zijn:

• Opta Lite, model AFX00003, dat 10/100BASE-T Ethernet toevoegt
• Opta RS485, model AFX00001, dat 10/100BASE-T Ethernet en half-duplex RS-485 toevoegt.
• Opta Wi-Fi, model AFX00002, dat 10/100BASE-T Ethernet, half-duplex RS-485 802.11 b/g/n Wi-Fi en Bluetooth low energy (BLE) toevoegt.

Deze micro-PLC's hebben acht programmeerbare analoge/digitale ingangen en vier normaal-open relaisuitgangen van 10 A (2,3 kW). De real-time klok (RTC) heeft een nominale stroomretentie van tien dagen bij 25 °C, en netwerktijdprotocol (NTP) synchronisatie is beschikbaar via de Ethernetpoort. Ze zijn compatibel met DIN-rails om systeemintegratie te versnellen (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: Opta Lite Arduino micro PLC met de vier 10 A relaisuitgangen aan de linker voorkant van het apparaat. (Bron afbeelding: Arduino)

Ingebouwde PLC voor kleine machines

Ontwerpers van kleine machines voor labeling, vormen en sealen, karton verpakken, lijmen, elektrische ovens, industriële wasmachines en drogers, mixers enzovoort - kunnen terecht bij de Portenta machinebesturing PLC van 170 x 90 x 50 millimeter (mm). Het apparaat heeft een behuizing die compatibel is met DIN-balken en push-in-klemmen voor snelle aansluiting en is geschikt voor gebruik van -40 °C tot 85 °C zonder externe koeling (Afbeelding 3). De hoofdprocessor is de dual-core STM32H747 met een 480 MHz Cortex M7 en een 240 MHz Cortex M4. Het bord kan flatscreen displays, aanraakschermen, toetsenborden, joysticks en muizen ondersteunen voor interfaces voor installateurs en operators. Het apparaat kan worden geprogrammeerd met de Arduino PLC IDE of andere ingebedde ontwikkelplatforms.

Afbeelding 3: Het Portenta-machinebesturingsbord is ontworpen voor embedded toepassingen in een brede waaier van machines. (Bron afbeelding: Arduino)

De Portenta-machinebesturing kan software voor voorspellend onderhoud en kunstmatige intelligentie (AI) ondersteunen. De ingebouwde RTC ondersteunt de synchronisatie van processen en maakt real-time gegevensverzameling en afstandsbediening van apparatuur mogelijk.

Het kan worden aangesloten op diverse externe sensoren en actuatoren met geïsoleerde en programmeerbare digitale en analoge I/O-aansluitingen, drie temperatuurkanalen en een I2C-connector. Herstelbare zekeringen beschermen alle I/O's. Netwerkconnectiviteit wordt ondersteund door USB, Ethernet, Wi-Fi, BLE en RS-485.

Raspberry Pi voor fabrieksautomatisering

Complexere automatiseringstaken kunnen profiteren van de verwerkingskracht van op Raspberry Pi 4 gebaseerde PLC's met de Broadcom BCM2711B0-processor. De BCM2711B0 is gefabriceerd op een 28 nanometer (nm) proces en maakt gebruik van de Cortex-A72 architectuur. Het heeft vier kernen met een kloksnelheid van 1,5 GHz en 4 GB RAM. Het integreert talloze randapparaten, waaronder timers, interrupt controller, general purpose I/O (GPIO), USB, PCM/I2S digitale audio-interface, direct memory access (DMA) controller, I2C masters, seriële perifere interface (SPI) masters, PWM, universele asynchrone ontvangers/zenders (UART's), dubbele micro HDMI-poorten die 4K-uitvoer ondersteunen en nog veel meer.

De Raspberry Pi Ethernet PLC's van Industrial Shields gebruiken de BCM2711B0, werken met 12 V_DC tot 24 V_DC ingangsspanningen en trekken tot 1,5 A stroom. Ze bevatten het Linux-besturingssysteem en hebben dubbele Ethernetpoorten, dubbele RS-485-poorten, Wi-Fi, BLE en CAN-bus opties, waardoor ze verbinding kunnen maken met veel apparaten die gebruik maken van meerdere protocollen en communicatiepoorten. Ze zijn geoptimaliseerd voor toepassingen die profiteren van real-time besturing en zijn verkrijgbaar met 2, 4 en 8 GB RAM. Voorbeelden van Raspberry Pi PLC's van Industrial Shields zijn onder andere:

• 012003000200, met 4 GB RAM en 21 I/O's a (Afbeelding 4)
• 012003001100, met 4 GB RAM en 54 I/O's
• 016003000200, met 4 GB RAM, 21 I/O's en GPRS cellulaire connectiviteit.

Afbeelding 4: Raspberry Pi Ethernet-PLC van Industrial Shields met 4 GB RAM en 21 I/O's. (Bron afbeelding: Industrial Shields)

Overbruggen van Arduino en Raspberry Pi in PLC's met SimpleComm

Met de C++ bibliotheek SimpleComm kunnen ontwerpers gegevens verzenden via RS-485, RS-482, Ethernet en andere protocollen. Het kan worden aangepast aan verschillende communicatietopologieën zoals ad-hoc, master-slave en client-server. Het originele programma heeft een intuïtieve programmeerinterface (API) voor Arduino-omgevingen. Industrial Shields heeft onlangs SimpleComm aangepast voor de Linux-omgeving van Raspberry Pi PLC's.

IPC en IIoT gateway-oplossing

Wanneer meer flexibiliteit nodig is, kunnen ontwerpers zich wenden tot KUNBUS' RevPi Core S en SE IPC's en de RevPi Connect S- en SE IIoT-gateway, allemaal gebaseerd op Raspberry Pi en ontworpen voor DIN-rail montage (Afbeelding 5). KUNBUS levert niet alleen schakelschema's, maar gebruikt ook een open-source aanpassing van het Raspberry Pi-besturingssysteem (OS) met een patch voor real-time bediening. Het Raspberry Pi OS biedt robuuste interoperabiliteit met een breed scala aan softwaretoepassingen die ontwikkeld zijn voor de Raspberry Pi. KUNBUS werkt samen met softwareleveranciers om SCADA-software (supervisory control and data acquisition) te ondersteunen voor het besturen, bewaken en analyseren van industriële apparaten en processen. De beschikbaarheid van volledige root-toegang versnelt de implementatie van aangepaste programma's.

Afbeelding 5: Voorbeelden van RevPi Core SE IPC (links) en RevPi Connect IIoT-gateway (rechts). (Bron afbeelding: KUNBUS)

De RevPi Core S en SE zijn gebouwd op een open hardware- en open softwareplatform dat voldoet aan de IEC 61131-norm. RevPi Core S units zijn compatibel met alle KUNBUS-uitbreidingsmodules, inclusief veldbusgateways. RevPi Core SE units zijn compatibel met KUNBUS I/O-modules maar ondersteunen de veldbusgateways niet. RevPi Core S/SE IPC's hebben USB-, Micro-USB-, Ethernet- en HDMI-aansluitingen. Ze hebben een 1,5 GHz quad-core processor met 1 GB RAM en er zijn modellen verkrijgbaar met 8, 16 en 32 GB opslagruimte. Bijvoorbeeld, model PR100360, RevPi Core S heeft 16 GB geheugen.

Om IIoT-connectiviteit te ondersteunen zijn de RevPi Connect S- en SE-gateways verkrijgbaar met maximaal 32 GB geheugen en bevatten ze twee RJ45 10/100 Ethernetaansluitingen, twee USB-poorten, een 4-pins RS-485-interface, plus micro-HDMI en micro-USB aansluitingen. De twee Ethernet-sockets ondersteunen gelijktijdige connectiviteit met automatiserings- en IT-netwerken. Als open-source softwareplatform kunnen toepassingen worden geprogrammeerd met Node-RED, Python en C. RevPi Connect kan worden uitgebreid met PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP en Modbus RTU-functionaliteit zonder gebruik van uitbreidingsmodules. Voorbeelden van RevPi Connect eenheden zijn:

• PR100363, RevPi Connect S met 16 GB geheugen.
• PR100197, RevPi digitale I/O uitbreidingsmodule.
• PR100250, RevPi analoge uitbreidingsmodule.

PROFINET en SBC PLC's

SBC PLC's kunnen geavanceerde apparaten zijn die geavanceerde netwerkprotocollen ondersteunen. Procesveldnetwerk (PROFINET) is een open standaard voor industriële netwerkapparaten zoals PLC's, aandrijvingen, robots, diagnosetools, enz. Het loopt over industrieel Ethernet en is geoptimaliseerd voor het verzamelen van gegevens en het besturen van industriële apparatuur met real-time communicatie. Het is beschikbaar voor de meeste Arduino en Raspberry Pi PLC's.

Industriële automatiseringsnetwerken hebben snelle en deterministische communicatie nodig. PROFINET richt zich op deterministische prestaties die berichten precies afleveren wanneer dat nodig en verwacht is.

Dat betekent dat elk bericht met de juiste snelheid moet worden afgeleverd op basis van de taak die wordt uitgevoerd. Niet alle taken zijn even tijdgevoelig. PROFINET kan berichten leveren via verschillende protocollen, waaronder:

• PROFINET real-time (RT)
• PROFINET Isochrone Real-Time (IRT)
• Tijdgevoelige netwerken (TSN)
• TCP/IP (of UDP/IP)

Conclusie

Er is een breed scala aan PLC's op basis van SBC en industriële netwerkapparaten beschikbaar op basis van Arduino- en Raspberry Pi-technologieën. Ze gebruiken open-source software en in sommige gevallen open-source hardware. Arduino PLC's zijn verkrijgbaar als standaard units voor kleine netwerken, micro PLC's voor ruimtegevoelige installaties en machinecontrollers voor ingebedde toepassingen. PLC's op basis van quad-core Raspberry Pi- kunnen complexere industriële netwerktoepassingen ondersteunen. Er zijn op Raspberry Pi-gebaseerde IPC's en IIoT-gateways beschikbaar die een hoge mate van flexibiliteit in netwerkontwerp en -implementatie ondersteunen.