Az ipari automatizálás kiterjesztése egykártyás számítógépek segítségével

Az olyan ipari környezetben való használatra alkalmas egykártyás számítógépek (SBC, single-board-computer), mint az Arduino és a Raspberry Pi, valamint a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC, International Electrotechnical Commission) IEC 61131-3 szabványán alapuló szoftverfejlesztő eszközök új lehetőségeket nyitottak meg a gép- és gyárautomatizálással foglalkozó tervezők előtt. Ezeknek az új, egykártyás számítógépre épülő megoldásoknak a némelyike emellett új lehetőségeket nyit meg a környezetfelügyelet, az okosotthonok és okosépületek berendezései, a mezőgazdasági felhasználási területek és más nem ipari rendszerek automatizálására is.

Az ipari egykártyás számítógépeket gépvezérlő egységekben, ipari számítógépekben (IPC), az ipari dolgok internetének (IIoT, Industrial Internet of Things) átjáróiban, kis méretű programozható logikai vezérlőegységekben (PLC, programmable logic controller), szoftveres PLC-kben, analóg és digitális be- és kimeneti (I/O) modulokban és még sok más területen használják. Ezek az egykártyás számítógépre épülő eszközök nyílt hardver- és nyílt szoftverplatformokra épülnek, néha teljes körű rendszergazdai jogokkal.

Az IEC 61131-3 szabványnak való megfelelés azt jelenti, hogy ezek az egykártyás számítógépek támogatják mind az öt szabványos automatizálási programozásinyelv-típust, melyek a következők: létradiagram, strukturált szöveg, funkcióblokk-diagram, sorrendi funkciódiagram és utasításlista. Az egykártyás számítógépekre építve a fejlesztők olyan programnyelveket használhatnak, mint a Java, a Python, a C és a C++, ami nagyobb rugalmasságot tesz lehetővé, mint a hagyományos ipari vezérlőhardverek. Némelyik egykártyás számítógép támogatja az adatvédelmet a hardvertől a felhőig vagy egy magasabb szintű hálózatig, amilyen például egy a kártyán elhelyezett biztonsági elemmel és a Nemzetközi Távközlési Egyesület (ITU, International Telecommunications Union) X.509 szabványának megfelelő nyilvános kulcsokkal védett vállalatirányítási rendszer (ERP, enterprise resource planning).

Ez a cikk példákat mutat az Arduino, az Industrial Shields és a KUNBUS egykártyás számítógépekre épülő és a különböző felhasználási területekre dolgozó gép- és automatizálástervezők számára elérhető megoldásaira, beleértve a kis- és közepes léptékű automatizálást, a kisgépek beágyazott vezérlését és a nagy gyári automatizálási rendszereket. A cikk azzal zárul, hogy megvizsgálja, hogyan lehet egykártyás számítógépre épülő programozható logikai vezérlőegységeken (SBC PLC-ken) megvalósítani a PROFINET-et és a determinisztikus hálózatépítést.

Arduino alapú PLC-k

A legtöbb Arduino alapú PLC egyik előnye, hogy rendelkezésre áll hozzájuk az Arduino PLC IDE (integrated development environment, beépített fejlesztőkörnyezet), amelyben vezérlőszoftvereket lehet írni. Az Arduino PLC IDE lehetővé teszi a felhasználók számára, hogy az IEC 61131-3 szabványban meghatározott öt programozásinyelv-típus bármelyikét használják, és gyorsan kódoljanak PLC-alkalmazásokat, vagy emeljenek át (informatikai szlenggel „portoljanak”) meglévő alkalmazásokat más rendszerekről. Az IDE ezenfelül kész Arduino-vázlatokat (programokat), útmutatókat és könyvtárakat is tartalmaz.

Az Industrial Shields cég Arduino alapú PLC-it az Arduino IDE segítségével vagy közvetlenül C nyelven lehet programozni. Ezek a PLC-k nyílt forráskódú eszközök, és több szoftverplatformmal, sőt, USB- vagy Ethernet-portokon keresztül akár távkapcsolatokról is programozhatóak. A felhasználók folyamatosan nyomon követhetik az összes változó, valamint be- és kimenet állapotát.

Az Industrial Shields IS.MDUINO.21+ típusú egykártyás számítógépe 0 °C és +60 °C közötti használatra alkalmas, ATmega processzora pedig 16 MIPS (million instructions per second, millió utasítás másodpercenként) teljesítményt ér el 16 MHz-es órajellel (1. ábra). Főbb jellemzői:

• 13 bemenet:
  • 7 optikailag leválasztott digitális (5 V és 24 V egyenfeszültség (V_DC) között)
    • 2 megszakítás (5 V és 24 V egyenfeszültség között)
  • 6 szoftveresen beállítható analóg (0 V és 10 V egyenfeszültség között, 10 bites felbontással) vagy digitális (5 V és 24 V egyenfeszültség között)
• 8 kimenet:
  • 5 optikailag leválasztott digitális (5 V és 24 V egyenfeszültség között)
  • 3 szoftveresen beállítható analóg (0 V és 10 V egyenfeszültség között, 8 bites felbontással), digitális (5 V és 24 V egyenfeszültség között) vagy impulzusszélesség-modulált (PWM) (5 V és 24 V egyenfeszültség között)
• 256 kB memória
• Ethernet, RS-232, RS-485 és USB-s kommunikáció
• Akár 127 modullal is bővíthető

1. ábra: Az Industrial Shields cég IS.MDUINO.21+ típusú egykártyás számítógépének 13 bemenete és 8 kimenete van (kép: Industrial Shields)

Mikro-PLC-k

Az Arduino Opta az ipari dolgok internetére kapcsolódó eszközök (IIoT-eszközök) támogatására tervezett mikro-PLC. Az Arduino PLC IDE-vel programozható, támogatja az Arduino-vázlatokat és a szabványos PLC-nyelveket. A fő processzor a kétmagos STM32H747, amelyet egy 480 MHz-es Cortex M7 és egy 240 MHz-es Cortex M4 segédprocesszor, valamint 1 MB programmemória támogat. A PLC lehetővé teszi a valós idejű vezérlést, a felügyeletet és a megelőző karbantartási algoritmusok végrehajtását. A kártyán elhelyezett biztonsági elem és az, hogy a PLC megfelel az X.509-es szabványnak, lehetőséget ad a firmware-frissítések rádiós úton történő (OTA, over-the-air) biztonságos végrehajtására.

Az Opta PLC három változatban kapható, a változatok a kommunikációs képességeik alapján különböznek egymástól. Mindhárom változaton van USB-C csatlakozó. Az altípusok a következők:

• Opta Lite, AFX00003 altípus, amely egy 10/100BASE-T Ethernet-csatlakozót tartalmaz pluszban
• Opta RS485, AFX00001 altípus, amely 10/100BASE-T Ethernet- és félduplex RS-485 csatlakozóval van kiegészítve
• Opta Wi-Fi, AFX00002 altípus, amely 10/100BASE-T Ethernet- és félduplex RS-485 csatlakozóval, valamint 802.11 b/g/n wifi és BLE (Bluetooth low energy, kis fogyasztású Bluetooth) funkcióval van bővítve

Ezek a mikro-PLC-k nyolc programozható analóg/digitális bemenettel és négy 10 A névleges áramerősségű (2,3 kW névleges teljesítményű), alaphelyzetben nyitott (NO, normally open) relékimenettel vannak ellátva. A valós idejű óra (RTC, real-time clock) jellemzően tíz napig működik elemről vagy akkumulátorról +25°C-on, és a hálózati idő protokoll (NTP, network time protocol) szinkronizálása az Ethernet-porton keresztül valósítható meg. A PLC a rendszerbe való beépítés gyorsítása érdekében DIN sínre szerelhetőek (2. ábra).

2. ábra: Opta Lite Arduino mikro-PLC, a négy 10 A-es relékimenet baloldalt, a készülék előlapjának alján látható (kép: Arduino)

Beágyazott PLC kisgépekhez

A címkézésre, formázásra és lezárásra, kartonos csomagolásra és ragasztásra szolgáló kisgépek, a villanysütők, az ipari mosók és szárítók, a keverők és egyéb hasonló készülékek tervezőinek kapóra jöhet a 170 mm × 90 mm × 50 mm méretű Portenta gépvezérlő PLC. A készülék DIN sínre szerelhető házzal és a gyors csatlakoztatás érdekében bedugós kapocslécekkel van ellátva, és külső hűtés nélkül –40 °C és +85 °C közötti hőmérsékleten használható (3. ábra). A fő processzor a kétmagos STM32H747, kiegészítve egy 480 MHz-es Cortex M7 és egy 240 MHz-es Cortex M4 segédprocesszorral. A kártyához telepítő- és kezelőfelületként használható lapos képernyős kijelző, érintőképernyő, billentyűzet, botkormány és egér. A PLC az Arduino PLC IDE és más beágyazott fejlesztési platformok segítségével programozható.

3. ábra: A Portenta gépvezérlő kártyát különféle gépben lévő beágyazott alkalmazásokhoz tervezték (kép: Arduino)

A Portenta gépvezérlő PLC támogatja a megelőző karbantartást és a mesterséges intelligenciás (MI vagy az angol artificial intelligence kifejezésből alkotott betűszóval AI) szoftvereket. Beágyazott valós idejű órája segíti a folyamatok szinkronizálását, és lehetővé teszi a valós idejű adatgyűjtést és a berendezések távvezérlését.

A kártya különböző külső érzékelőkhöz és működtetőelemekhez csatlakoztatható az egymástól leválasztott és programozható digitális és analóg be- és kimeneti csatlakozókkal, három beállítható hőmérséklet-csatornával és egy I2C-csatlakozóval. Az összes be- és kimenetet visszakapcsolható biztosítékok védik. A hálózatra kapcsolódás USB, Ethernet, wifi, BLE és RS-485 útján lehetséges.

Raspberry Pi gyárautomatizáláshoz

Az összetettebb automatizálási feladatokhoz a tervezők kihasználhatják a Raspberry Pi 4-alapú, Broadcom BCM2711B0 processzorral ellátott PLC-k feldolgozási teljesítménye jelentette előnyöket. A 28 nm-es eljárással gyártott BCM2711B0 a Cortex-A72 architektúrát használja. Négy 1,5 GHz-es órajelű magja és 4 GB RAM memóriája van. A PLC számos perifériát tartalmaz, többek között időzítőket, megszakításvezérlőt, általános célú be- és kimeneteket (GPIO), USB-t, PCM/I2S digitális hangcsatlakozót, DMA- (közvetlen memóriahozzáférés-) vezérlőt, I2C-központokat, SPI- (soros perifériaillesztő) központokat, PWM-et, UART-csatlakozókat, a 4K kimenőjelet támogató két mikro-HDMI portot és sok egyebet.

Az Industrial Shields cég Raspberry Pi Ethernet PLC-i a BCM2711B0 processzort használják, 12 V és 24 V közötti bemenő egyenfeszültségről működnek, és legfeljebb 1,5 A erősségű áramot vesznek fel. Linux operációs rendszer fut rajtuk, és két Ethernet-porttal, két RS-485 porttal, wifivel, BLE-vel és CAN sínnel is fel vannak vértezve, így számos eszközhöz képesek kapcsolódni többféle protokollt és kommunikációs portot használva. Ezeket a rendszereket a valós idejű vezérlés előnyeit kihasználni képes rendszerekhez optimalizálták, és 2, 4 vagy 8 GB RAM-mal vannak ellátva. Az Industrial Shields cég Raspberry Pi-ra épülő PLC-inek néhány változata:

• 012003000200, 4 GB RAM-mal és 21 be- és kimenettel (4. ábra)
• 012003001100, 4 GB RAM-mal és 54 be- és kimenettel
• 016003000200, 4 GB RAM-mal, 21 be- és kimenettel és GPRS (General Packet Radio Service, csomagkapcsolt rádiótelefon-szolgáltatás) mobiltelefon-kapcsolattal

4. ábra: Az Industrial Shields cég Raspberry Pi alapú Ethernet PLC-je 4 GB RAM-mal és 21 be- és kimenettel (kép: Industrial Shields)

Az Arduino és a Raspberry Pi összekapcsolása PLC-kben a SimpleComm segítségével

A SimpleComm C++ könyvtárat használva a tervezők RS-485, RS-482, Ethernet és más protokollok útján küldhetnek adatokat. Különböző kommunikációs hálózatokhoz, például eseti, gazda-szolga és ügyfél-kiszolgáló (vagy elterjedt idegen kifejezésekkel kliens-szerver) kommunikációs hálózatokhoz igazítható. Az eredeti programhoz logikusan használható alkalmazásprogramozási felület (API) tartozik Arduino környezetekhez. Az Industrial Shields nemrégiben tette a Raspberry Pi alapú PLC-ken található Linux környezetben is használhatóvá a SimpleComm technikát.

Ipari számítógépet és IIoT-átjárót használó megoldás

Ha nagyobb rugalmasságra van szükség, a tervezők használhatják a KUNBUS RevPi Core S és SE ipari számítógépeket (IPC, Industrial PC) és a RevPi Connect S és SE IIoT-átjárókat, amelyek mindegyike Raspberry Pi alapú, és DIN sínre szerelhető (5. ábra). A KUNBUS közzétette a kapcsolási rajzokat, és a Raspberry Pi operációs rendszer (OS) nyílt forráskódú változatát használja, valós idejű működésjavítással. A Raspberry Pi operációs rendszer hatékony együttműködést tesz lehetővé a Raspberry Pi számítógépekre kifejlesztett szoftveralkalmazások széles körével. A KUNBUS szoftvergyártókkal együttműködve támogatja az ipari eszközök és folyamatok vezérlésére, felügyeletére és elemzésére szolgáló SCADA (supervisory control and data acquisition, felügyeleti, vezérlő- és adatgyűjtő) szoftvereket. A teljes körű rendszergazdai (root) hozzáférés felgyorsítja az egyéni programok létrehozását.

5. ábra: Példák a RevPi Core SE ipari számítógépre (balra) és a RevPi Connect IIoT-átjáróra (jobbra) (kép: KUNBUS)

A RevPi Core S és SE nyílt hardver- és szoftverplatformra épül, és megfelel az IEC 61131 szabványnak. A RevPi Core S egységek kompatibilisek az összes KUNBUS bővítőmodullal, beleértve a Fieldbus-átjárókat is. A RevPi Core SE egységek kompatibilisek a KUNBUS be- és kimeneti modulokkal, de a Fieldbus-átjárókat nem támogatják. A RevPi Core S/SE ipari számítógépek USB-, mikro-USB, Ethernet- és HDMI-csatlakozókkal vannak ellátva. 1,5 GHz-es négymagos processzor és 1 GB RAM található bennük, az alváltozatok pedig 8, 16 vagy 32 GB-os tárhellyel kaphatóak. Például a RevPi Core S PR100360 jelű alváltozata 16 GB memóriát tartalmaz.

Az ipari dolgok internetéhez való csatlakozás támogatása érdekében a RevPi Connect S és SE átjárók akár 32 GB memóriával is kaphatóak, és két RJ45 10/100 Ethernet-aljzattal, két USB-porttal, 4 érintkezős RS-485 csatlakozóval, valamint mikro-HDMI és mikro-USB aljzattal vannak ellátva. A két Ethernet-aljzat lehetőséget ad az automatizálási és informatikai (IT) hálózatokkal való egyidejű összekapcsolásra. Nyílt forráskódú szoftverplatformként az alkalmazások Node-RED, Python és C programnyelven programozhatóak. A RevPi Connect átjárók bővítőmodulok használata nélkül bővíthetőek PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP és Modbus RTU funkcióval. Néhány RevPi Connect-alváltozat:

• PR100363, RevPi Connect S 16 GB memóriával
• PR100197, RevPi digitális be- és kimeneti bővítőmodul
• PR100250, RevPi analóg bővítőmodul

PROFINET és egykártyás számítógépre épülő PLC-k

Az egykártyás számítógépre épülő PLC-k kifinomult eszközök is lehetnek, amelyek képesek támogatni a fejlett hálózati protokollokat. A PROFINET (Process Field Network) egy nyílt szabvány az ipari hálózati eszközök, például PLC-k, vezérlőegységek, meghajtók, robotok, diagnosztikai eszközök stb. számára. Ipari Etherneten keresztül fut, és valós idejű kommunikációval történő adatgyűjtésre és ipari berendezések vezérlésére van optimalizálva. A legtöbb Arduino és Raspberry Pi alapú PLC-n futtatható.

Az ipari automatizálási hálózatoknak nagy sebességű és determinisztikus kommunikációra van szükségük. A PROFINET a determinisztikus teljesítményre összpontosít, amely az üzeneteket pontosan a szükséges és elvárt időpontban adja át.

Ez azt jelenti, hogy minden egyes üzenetet az éppen futó feladatnak megfelelő sebességgel ad át. Nem minden feladat egyformán időérzékeny. A PROFINET különböző protokollokon képes üzeneteket továbbítani, többek között az alábbiakon:

• RT (Real-Time, valós idejű) PROFINET
• IRT (egyidejű (izokrón) valós idejű) PROFINET
• TSN (időérzékeny hálózatépítés)
• TCP/IP (vagy UDP/IP)

Összegzés

Az egykártyás számítógépekre épülő PLC-k, valamint az Arduino és Raspberry Pi technikán alapuló ipari hálózati eszközök széles választéka áll a tervezők rendelkezésére. Ezek nyílt forráskódú szoftvereket és egyes esetekben nyílt forráskódú hardvereket használnak. Az Arduino alapú PLC-k kaphatóak szabványos méretű egységként kis hálózatokhoz, mikro-PLC-ként helyszűkében lévő berendezésekhez és gépvezérlő egységként beágyazott készülékekhez. A négymagos Raspberry Pi alapú PLC-k összetettebb ipari hálózati berendezések támogatására is alkalmasak. Kaphatóak olyan Raspberry Pi alapú ipari számítógépek és IIoT-átjárók is, amelyek nagyfokú rugalmasságot tesznek lehetővé a hálózati tervezésben és kiépítésében.