Miten yhden piirilevyn tietokoneet laajentavat teollisuusautomaation käyttöalaa

Teollisuusympäristökäyttöön luokiteltujen yhden piirilevyn tietokoneiden (SBC), kuten Arduino ja Raspberry Pi, käytettävyys yhdessä kansainvälisen sähköteknisen komitean (IEC) 61131-3-standardiin perustuvien ohjelmistokehitystyökalujen kanssa on avannut uusia tilaisuuksia kone- ja tehdasautomaatiosuunnittelijoille. Jotkin näistä uusista yhden piirilevyn tietokoneisiin pohjautuvista ratkaisuista avaavat myös uusia mahdollisuuksia ympäristönvalvonnan, älykoti- ja rakennusjärjestelmien, maataloussovellusten ja muiden ei-teollisten järjestelmien automatisoinnissa.

Teollisia yhden piirilevyn tietokoneita käytetään muun muassa koneohjaimissa, teollisuustietokoneissa (IPC), teollisuuden esineiden internetin (IIoT) yhdyskäytävissä, mikro-ohjelmoitavissa logiikkaohjaimissa (PLC), ohjelmisto-PLC:issä, analogisissa ja digitaalisissa tulo- ja lähtömoduuleissa (I/O) ja monessa muussa. Nämä laitteet on rakennettu avoimille laitteisto- ja ohjelmistoalustoille, jotka sisältävät joskus täydet pääkäyttäjäoikeudet.

IEC 61131-3 -standardin mukaisuus tarkoittaa, että laite tukee viittä automaatiossa käytettävää ohjelmointikieltä, jotka ovat tikapuukaavio, rakenteinen teksti, toimilohkokaavio, vuokaavio-ohjelmointi ja käskylista. Yhden piirilevyn tietokoneiden käyttö tarkoittaa, että kehittäjät voivat käyttää myös Java-, Python-, C- tai C++-kieliä, mikä tarjoaa enemmän joustavuutta teollisuuden perinteisiin ohjauslaitteistoihin verrattuna. Jotkin niistä tukevat laitteiston ja pilvipalvelun tai ylemmän tason verkon, kuten toiminnanohjausjärjestelmän (ERP), välistä tietoturvaa integroidulla suojaelementillä ja kansainvälisen televiestintäliiton (ITU) X.509-standardin mukaisella julkisella avaimella.

Tämä artikkeli esittelee esimerkkejä Arduino, Industrial Shields- ja KUNBUS-yritysten yhden piirilevyn tietokoneisiin pohjautuvista ratkaisuista, joita kone- ja automaatiosuunnittelijat voivat käyttää erilaisiin sovelluksiin, kuten pienen ja keskisuuren mittakaavan automaatioon, pienten koneiden sulautettuun ohjaukseen ja suuriin tehdasautomaatiojärjestelmiin. Artikkelin lopussa tarkastellaan, miten PROFITNET ja deterministinen tiedonsiirto voidaan toteuttaa yhden piirilevyn PLC-ohjaimessa.

Arduino-PLC-ohjaimet

Yksi useimpien Arduino-pohjaisten PLC-ohjaimien eduista on niihin integroidun kehitysympäristön (IDE) käytettävyys ohjausohjelmistojen kirjoittamista varten. Arduino-PLC-ohjaimen IDE-ympäristön ansiosta käyttäjät voivat valita minkä tahansa viidestä IEC 61131-3 -standardin määrittelemästä ohjelmointikielestä ja koodata nopeasti PLC-sovelluksia tai siirtää olemassa olevia sovelluksia. Se sisältää myös käyttövalmiita Arduino-luonnoksia (ohjelmia), tutoriaaleja ja kirjastoja.

Industrial Shieldsin Arduino-pohjaiset PLC-ohjaimet voidaan ohjelmoida Arduino IDE -ympäristössä tai suoraan C-kielellä. Nämä PLC:t tukevat avoimen lähdekoodin työkaluja, ja niiden ohjelmointi on mahdollista useilla ohjelmistoalustoilla. Ne voidaan ohjelmoida USB- tai Ethernet-porttien ja etäyhteyksien kautta. Käyttäjät voivat monitoroida jatkuvasti kaikkien muuttujien, tulojen ja lähtöjen tilaa.

Industrial Shieldsin malli IS.MDUINO.21+ on luokiteltu lämpötila-alueelle 0 ... +60 °C, ja sen ATmega-prosessori saavuttaa suoritustehon 16 MIPS taajuudella 16 MHz (kuva 1). Ominaisuuksiin kuuluvat:

• 13 tuloa
  • 7 optoerotettua digitaalista (5 V_DC – 24 V_DC)
    • 2 keskeytystä (5 V_DC – 24 V_DC)
  • 6 ohjelmistolla konfiguroitavaa analogisiksi (0 V_DC – 10 V_DC, 10 bittiä) tai digitaalisiksi (5 V_DC – 24 V_DC)
• 8 lähtöä:
  • 5 optoerotettua digitaalista (5 V_DC – 24 V_DC)
  • 3 ohjelmistolla konfiguroitavaa analogisiksi (0 V_DC – 10 V_DC, 8 bittiä), digitaalisiksi (5 V_DC – 24 V_DC) tai pulssileveysmoduloiduiksi (5 V_DC – 24 V_DC)
• 256 KB muistia
• Ethernet-, RS-232-, RS-485- ja USB-kommunikointi
• Laajennettavissa jopa 127 moduuliin.

Kuva 1: Industrial Shieldsin mallissa IS.MDUINO.21+ on 13 tuloa ja 8 lähtöä. (Kuvan lähde: Industrial Shields)

Mikro-PLC-laitteet

Arduino Opta on IIoT-sovelluksiin tarkoitettu mikro-PLC. Sitä voidaan ohjelmoida Arduino PLC IDE -sovelluksella, ja se tukee Arduino-ohjelmia ja PLC-standardikieliä. Pääprosessori on kaksiytiminen STM32H747, johon kuuluu 480 MHz:n Cortex M7, 240 MHz:n Cortex M4 sekä 1 MB:n ohjelmamuisti. Se tukee reaaliaikaista ohjausta, monitorointia ja ennakoivan huollon algoritmien toteuttamista. Integroitu suojaelementti ja X.509-yhteensopivuus tukevat turvallisia OTA (Over-The-Air) -ohjelmistopäivityksiä.

Opta PLC-ohjaimia on saatavana kolmena eri vaihtoehtona, jotka eroavat toisistaan tiedonsiirto-ominaisuuksiensa mukaan. Kaikissa kolmessa on USB-C. Mallit ovat:

• Opta Lite, malli AFX00003, joka tarjoaa 10/100BASE-T Ethernetin
• Opta RS485, malli AFX00001, joka tarjoaa 10/100BASE-T Ethernetin ja vuorosuuntaisen RS-485-väylän
• Opta Wi-Fi, malli AFX00002, joka tarjoaa 10/100BASE-T Ethernetin, vuorosuuntaisen RS-485-väylän sekä 802.11 b/g/n Wi-Fi- ja Bluetooth low energy (BLE) -tuen.

Näissä mikro-PLC-ohjaimissa on kahdeksan ohjelmoitavaa analogista/digitaalista tuloa ja neljä normaalisti avointa relelähtöä, joiden virtaluokitus on 10 A (2,3 kW). Reaaliaikakellon (RTC) tehoreservi on tyypillisesti kymmenen päivää lämpötilassa +25 °C, ja synkronointi NTP (Network Time Protocol) -protokollan kanssa on mahdollista Ethernet-portin kautta. Ne ovat yhteensopivia DIN-kiskojen kanssa, mikä nopeuttaa järjestelmäintegraatiota (kuva 2).

Kuva 2: Opta Lite Arduino -mikro-PLC, jonka vasemmassa etuosassa näkyy neljä 10 A:n relelähtöä. (Kuvan lähde: Arduino)

Sulautettu PLC pienille koneille

Kun pieniä koneita kehitetään etiketöintiin, muotoiluun ja sulkemiseen, pahvipakkaukseen, liimaukseen, sähköuuneihin, teollisuuspesukoneisiin ja -kuivaimiin, sekoittimiin ja niin edelleen, 170 x 90 x 50 millimetrin (mm) kokoista Portenta-PLC-ohjainta voidaan käyttää koneohjaukseen. Sen kotelo voidaan kiinnittää DIN-kiskoihin ja se sisältää push-in-liittimet nopeaa liitäntää varten. Tämä PLC on luokiteltu lämpötila-alueelle −40 ... +85 °C ilman ulkoista jäähdytystä (kuva 3). Pääprosessori on kaksiytiminen STM32H747, johon kuuluu 480 MHz:n Cortex M7 ja 240 MHz:n Cortex M4. Kortti tukee litteitä näyttöjä, kosketuspaneeleita, näppäimistöjä, ohjaussauvoja ja hiiriä asennus- ja käyttöliittymiä varten. Sitä voidaan ohjelmoida Arduino PLC IDE -ympäristössä tai muilla sulautetuilla kehitysalustoilla.

Kuva 3: Portenta-koneohjauskortti on suunniteltu sulautettuihin sovelluksiin erilaisissa koneissa. (Kuvan lähde: Arduino)

Portenta-koneohjaus voi tukea ennakoivaa huoltoa ja tekoälyohjelmistoja (AI). Siihen sulautettu reaaliaikakello soveltuu prosessien synkronointiin ja mahdollistaa reaaliaikaisen tiedonkeruun ja laitteiden etäohjauksen.

Se voi muodostaa yhteyden erilaisiin ulkoisiin antureihin ja aktuaattoreihin erotettujen ja ohjelmoitavien digitaalisten ja analogisten I/O-liitäntöjen, kolmen konfigurointilämpötilakanavan ja I2C-liittimen kautta. Nollattavat sulakkeet suojaavat kaikkia I/O-liitäntöjä. USB, Ethernet, Wi-Fi, BLE ja RS-485 mahdollistavat verkkoyhteydet.

Raspberry Pi tehdasautomaatioon

Kompleksisemmissa automaatiotehtävissä voidaan hyödyntää Broadcom BCM2711B0 -prosessoria käyttävien Raspberry Pi 4 -pohjaisten PLC-ohjainten prosessointitehoa. BCM2711B0-prosessori on valmistettu 28 nanometrin (nm) prosessilla, ja se käyttää Cortex-A72-arkkitehtuuria. Se sisältää neljä ydintä kellotaajuudella 1,5 GHz ja RAM-muistia 4 GB. Se tarjoaa lukuisia oheislaitteita, joihin kuuluvat ajastimet, keskeytysohjain, yleiskäyttöinen I/O (GPIO), USB, digitaalinen PCM/I2S-audiorajapinta, DMA (Direct Memory Access) -ohjain, I2C-masterit, SPI (Serial Peripheral Interface) -masterit, PWM, UART-portit (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), kaksi mikro-HDMI-porttia, jotka tukevat 4K-lähtöä, jne.

Industrial Shieldsin Raspberry Pi Ethernet -PLC-ohjaimet käyttävät BCM2711B0-prosessoria, toimivat tulojännitealueella 12 V_DC – 24 V_DC ja kuluttavat virtaa enintään 1,5 A Ne käyttävät Linux-käyttöjärjestelmää ja tarjoavat kaksi Ethernet-porttia, kaksi RS-485-porttia, Wi-Fi-, BLE- ja CAN-väylävaihtoehdot, joten ne voidaan yhdistää moniin laitteisiin käyttäen erilaisia protokollia ja tiedonsiirtoportteja. Ne on optimoitu reaaliaikaista ohjausta hyödyntäviä sovelluksia varten ja niitä on saatavana 2, 4 ja 8 GB:n RAM-muistilla. Esimerkkejä Industrial Shieldsin Raspberry Pi -PLC-ohjaimista ovat:

• 012003000200 4 GB:n RAM-muistilla ja 21 I/O-linjalla (kuva 4)
• 012003001100 4 GB:n RAM-muistilla ja 54 I/O-linjalla
• 016003000200 4 GB:n RAM-muistilla, 21 I/O-linjalla ja GPRS (General Packet Radio Service) -mobiiliyhteydellä.

Kuva 4: Industrial Shieldsin Raspberry Pi Ethernet -PLC-ohjain 4 GB:n RAM-muistilla ja 21 I/O-linjalla. (Kuvan lähde: Industrial Shields)

Arduinon ja Raspberry Pi:n silloittaminen PLC-ohjaimissa SimpleCommin avulla

SimpleComm C++ -kirjasto mahdollistaa sen, että suunnittelijat voivat lähettää dataa RS-485-, RS-482-, Ethernet- ja muiden protokollien kautta. Se voidaan mukauttaa erilaisiin tiedonsiirtotopologioihin, kuten ad-hoc, master-slave ja asiakas-palvelin. Alkuperäiseen ohjelmaan kuuluu intuitiivinen sovellusohjelmointirajapinta (API) Arduino-ympäristöjä varten. Industrial Shields on hiljattain mukauttanut SimpleCommin Raspberry Pi -PLC-ohjainten Linux-ympäristöön.

IPC- ja IIoT-yhdyskäytäväratkaisu

Kun tarvitaan enemmän joustavuutta, suunnittelijat voivat valita KUNBUS RevPi Core S- ja SE -teollisuustietokoneet ja RevPi Connect S- ja SE IIoT -yhdyskäytävät, jotka ovat kaikki Raspberry Pi -pohjaisia ja suunniteltu DIN-kiskoasennusta varten (kuva 5). KUNBUS tarjoaa laitteisiin piirikaaviot ja käyttää mukautettua avoimen lähdekoodin Raspberry Pi -käyttöjärjestelmää (OS) reaaliaikalisäyksellä. Raspberry Pi -käyttöjärjestelmä tarjoaa robustin yhteentoimivuuden monenlaisten Raspberry Pi -tietokoneille kehitettyjen ohjelmistosovellusten kanssa. KUNBUS tekee yhteistyötä ohjelmistotoimittajien kanssa SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) -ohjelmistojen tukemiseksi, joilla ohjataan, monitoroidaan ja analysoidaan teollisuuslaitteita ja -prosesseja. Täyden pääkäyttäjäoikeuden käyttömahdollisuus nopeuttaa asiakaskohtaisten ohjelmien käyttöönottoa.

Kuva 5: Esimerkit RevPi Core SE -teollisuustietokoneesta (vasemmalla) ja RevPi Connect IIoT -yhdyskäytävästä (oikealla). (Kuvan lähde: KUNBUS)

RevPi Core S ja SE perustuvat avoimeen laitteisto- ja ohjelmistoalustaan, joka on IEC 61131 -standardin mukainen. RevPi Core S -yksiköt ovat yhteensopivia kaikkien KUNBUS-laajennusmoduulien, myös kenttäväyläyhdyskäytävien, kanssa. RevPi Core SE -yksiköt ovat yhteensopivia KUNBUS I/O -moduulien kanssa, mutta ne eivät tue kenttäväyläyhdyskäytäviä. RevPi Core S/SE -teollisuustietokoneissa on USB-, Micro-USB-, Ethernet- ja HDMI-liitännät. Niiden ominaisuuksiin kuuluu 1,5 GHz:n neliydinsuoritin ja 1 GB RAM-muistia, ja malleja on saatavana tallennustilalla 8, 16 ja 32 GB. Esimerkiksi RevPi Core S -malli PR100360 tarjoaa 16 GB muistia.

IIoT-yhteyksien tukemiseksi RevPi Connect S- ja SE-yhdyskäytäviä on saatavana jopa 32 GB:n muistilla. Näihin yhdyskäytäviin kuuluu kaksi RJ45 10/100 Ethernet -liitäntää, kaksi USB-porttia, yksi 4-nastainen RS-485-liitäntä sekä micro-HDMI- ja micro-USB-liitännät. Nämä kaksi Ethernet-liitäntää mahdollistavat samanaikaisen yhteyden automaatio- ja tietotekniikkaverkkoihin. Koska ohjelmistoalusta perustuu avoimeen lähdekoodiin, sovelluksia voidaan ohjelmoida kielillä Node-RED, Python ja C. RevPi Connectiin voidaan lisätä PROFINET-, EtherNet/IP-, EtherCAT-, Modbus TCP- ja Modbus RTU -toiminnot ilman laajennusmoduulien käyttöä. Esimerkkejä RevPi Connect -yksiköistä ovat:

• PR100363, RevPi Connect S, joka tarjoaa muistia 16 GB
• PR100197, RevPi, digitaalinen I/O-laajennusmoduuli
• PR100250, RevPi, analoginen laajennusmoduuli.

PROFITNET ja SBC PLC-ohjaimet

Yhden piirilevyn PLC-ohjeimet voivat olla sofistikoituneita laitteita, jotka tukevat kehittyneitä verkkoprotokollia. PROFINET (Process field network) on avoin standardi teollisuusverkkolaitteille, kuten PLC-ohjaimille, käytöille, roboteille, diagnostiikkatyökaluille jne. Se toimii teollisuus-Ethernetin kautta ja on optimoitu tiedonkeruuseen ja teollisuuslaitteiden ohjaamiseen reaaliaikaisella kommunikaatiolla. Sitä voidaan käyttää useimmissa Arduino- ja Raspberry Pi PLC-ohjaimissa.

Teollisuusautomaatioverkot tarvitsevat huippunopeaa ja determinististä tiedonsiirtoa. PROFINET keskittyy deterministiseen suorituskykyyn, jolloin viestit toimitetaan juuri silloin, kun niitä tarvitaan ja odotetaan.

Tämä tarkoittaa, että kukin viesti toimitetaan sopivalla nopeudella suoritettavan tehtävän mukaan. Kaikki tehtävät eivät ole yhtä aikaherkkiä. PROFINET voi toimittaa viestejä eri protokollilla, kuten:

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

Yhteenveto

Saatavilla on laaja valikoima yhden piirilevyn tietokoneisiin pohjautuvia PLC- ja teollisuusverkkolaitteita, jotka perustuvat Arduino- ja Raspberry Pi -tekniikoihin. Niissä käytetään avoimen lähdekoodin ohjelmistoja ja joissakin tapauksissa avoimia laitteistoja. Arduino PLC-ohjaimia on saatavana vakiokokoisina yksikköinä pieniin verkkoihin, mikro-PLC-ohjaimina tilarajoitteisiin järjestelmiin ja koneohjaimina sulautettuihin sovelluksiin. Neliytimiset Raspberry Pi -pohjaiset PLC-ohjaimet voivat tukea kompleksisempia teollisuusverkkosovelluksia. Saatavilla on myös Raspberry Pi -pohjaisia teollisuustietokoneita ja IIoT-yhdyskäytäviä, jotka tarjoavat paljon joustavuutta verkon suunnitteluun ja käyttöönottoon.