Jak jednodeskové počítače rozšiřují dosah průmyslové automatizace

Dostupnost jednodeskových počítačů („single-board-computer“, SBC) jako Arduino a Raspberry Pi, určených pro použití v průmyslových prostředích spolu s nástroji pro vývoj softwaru na základě standardu Mezinárodní elektrotechnické komise („International Electrotechnical Commission“, IEC) 61131-3, otevřela nové příležitosti pro konstruktéry automatizace strojů a továren. Některá z těchto nových řešení založených na SBC otevírají také nové možnosti pro automatizaci monitorování prostředí, inteligentní instalace v domácnostech a budovách, zemědělské aplikace a další neprůmyslové systémy.

Průmyslové SBC se používají v řídicích jednotkách strojů, průmyslových počítačích („industrial PC“, IPC), branách průmyslového internetu věcí („Industrial Internet of Things“, IIoT), programovatelných logických mikroautomatech („programmable logic controller“, PLC), softwarových PLC, analogových a digitálních modulech vstupů/výstupů („input/output“, I/O) a dalších. Tato zařízení založená na SBC jsou postavena na platformách otevřeného hardwaru a otevřeného softwaru, někdy včetně úplných root práv.

Soulad s normou IEC 61131-3 znamená, že je podporováno pět standardních programovacích jazyků automatizace, včetně jazyka příčkového diagramu („Ladder Diagram“), strukturovaného textu („Structured Text“), funkčního blokového schématu („Function Block Diagram“), sekvenčního funkčního diagramu („Sequential Function Diagram“) a seznamu instrukcí („Instruction List“). Díky tomu, že jsou sestavena s využitím SBC, mohou vývojáři využít také jazyky jako Java, Python, C nebo C++, které poskytují větší flexibilitu než tradiční průmyslový řídicí hardware. Některá zařízení podporují zabezpečení dat z hardwaru do cloudu nebo sítě vyšší úrovně, jako je systém plánování podnikových zdrojů („enterprise resource planning“, ERP) s integrovaným bezpečnostním prvkem a soulad s veřejným klíčem Mezinárodní telekomunikační unie („International Telecommunications Union“, ITU) X.509.

V tomto článku jsou představeny příklady řešení založených na SBC, která jsou k dispozici konstruktérům strojů a automatizace od společností Arduino, Industrial Shields a KUNBUS pro různé aplikace, včetně automatizace malého až středního rozsahu, vestavěného řízení v malých strojích a velkých továrních instalací automatizace. Článek uzavírá pohled na to, jak lze v PLC SBC implementovat síť PROFINET a deterministické sítě.

PLC Arduino

Jednou z výhod většiny PLC založených na platformě Arduino je dostupnost integrovaného vývojového prostředí („integrated development environment“, IDE) PLC Arduino pro psaní řídicího softwaru. Prostředí IDE automatu PLC Arduino umožňuje uživatelům vybrat si kterýkoli z pěti programovacích jazyků definovaných normou IEC 61131-3 a rychle kódovat aplikace PLC nebo portovat stávající. Prostředí také obsahuje hotové skici (programy), návody a knihovny Arduino.

PLC založené na platformě Arduino od společnosti Industrial Shields lze programovat pomocí IDE nebo Arduino přímo pomocí jazyka C. Tyto PLC obsahují nástroje s otevřeným zdrojovým kódem a lze je programovat pomocí různých softwarových platforem. Mohou být naprogramovány přes porty USB nebo ethernet pro vzdálená připojení. Uživatelé mohou nepřetržitě sledovat stav všech proměnných, vstupů a výstupů.

Model IS.MDUINO.21+ společnosti Industrial Shields je určen pro provoz od 0 °C do +60 °C a jeho procesor ATmega dosahuje propustnosti 16 MIPS při 16 MHz (obrázek 1). Mezi vlastnosti patří:

• 13 vstupů:
  • 7 optických izolovaných digitálních vstupů (5 V_DC až 24 V_DC)
    • 2 přerušení (5 V_DC až 24 V_DC)
  • 6 softwarově konfigurovatelných vstupů jako analogové (0 V_DC až 10 V_DC, 10 bitů) nebo digitální (5 V_DC až 24 V_DC)
• 8 výstupů:
  • 5 optických izolovaných digitálních výstupů (5 V_DC až 24 V_DC)
  • 3 softwarově konfigurovatelné výstupy jako analogové (0 V_DC až 10 V_DC, 8 bitů), digitální (5 V_DC až 24 V_DC), nebo pulzně šířkově modulované (5 V_DC až 24 V_DC)
• 256 kB paměti
• Komunikace ethernet, RS-232, RS-485 a USB
• Rozšiřitelný až o 127 modulů

Obrázek 1: Model IS.MDUINO.21+ společnosti Industrial Shields má 13 vstupů a 8 výstupů. (Zdroj obrázku: společnost Industrial Shields)

Programovatelné logické mikroautomaty

Arduino Opta je programovatelný logický mikroautomat navržený pro podporu aplikací IIoT. Je programovatelný pomocí IDE PLC Arduino, podporuje skici Arduino a standardní jazyky PLC. Hlavním procesorem je dvoujádrový STM32H747 s jádry Cortex M7 480 MHz a Cortex M4 240 MHz a 1 MB programové paměti, který podporuje řízení v reálném čase, monitorování a implementaci algoritmů prediktivní údržby. Bezpečné aktualizace firmwaru vzduchem („over-the-air“, OTA) jsou podporovány integrovaným bezpečnostním prvkem a kompatibilitou s klíčem X.509.

PLC Opta jsou k dispozici ve třech variantách, které se liší svými komunikačními schopnostmi. Všechny tři jsou vybaveny konektory USB-C. Modely jsou následující:

• Opta Lite, model AFX00003, který přidává rozhraní 10/100BASE-T ethernet
• Opta RS485, model AFX00001, který přidává rozhraní 10/100BASE-T ethernet a poloduplexní RS-485
• Opta Wi-Fi, model AFX00002, který přidává rozhraní 10/100BASE-T ethernet, poloduplexní RS-485 802.11 b/g/n Wi-Fi a BLE („Bluetooth low energy“, Bluetooth s nízkou spotřebou energie)

Tyto logické mikroautomaty mají osm programovatelných analogových/digitálních vstupů a čtyři normálně otevřené reléové výstupy dimenzované na 10 A (2,3 kW). Hodiny reálného času („real-time clock“, RTC) mají typickou výdrž deset dní při +25 °C a synchronizace síťovým časovým protokolem („network time protocol“, NTP) je dostupná přes ethernetový port. Modely jsou k urychlení integrace systému kompatibilní s lištou DIN (obrázek 2).

Obrázek 2: Logický mikroautomat Arduino Opta Lite, lze vidět čtyři 10A reléové výstupy na levé přední straně zařízení. (Zdroj obrázku: společnost Arduino)

Vestavěné PLC pro malé stroje

Konstruktéři malých strojů pro etiketování, tvarování a uzavírání, balení do kartonů, lepení, elektrických pecí, průmyslových myček a sušiček, míchaček a tak dále mohou využít PLC pro řízení strojů Portenta s rozměry 170 × 90 × 50 mm. Automat má kryt kompatibilní s lištou DIN a zásuvné svorky pro rychlé připojení. Je dimenzován pro provoz od −40 °C do +85 °C bez vnějšího chlazení (obrázek 3). Hlavním procesorem je dvoujádrový procesor STM32H747 s jádry Cortex M7 480 MHz a Cortex M4 240 MHz. Deska může podporovat ploché obrazovky, dotykové panely, klávesnice, joysticky a myši pro rozhraní instalačních pracovníků a operátorů. Může být naprogramována pomocí IDE PLC Arduino nebo jiných vestavěných vývojových platforem.

Obrázek 3: Deska pro řízení strojů Portenta je navržena pro vestavěné aplikace v široké řadě strojů. (Zdroj obrázku: společnost Arduino)

Deska pro řízení strojů Portenta může podporovat prediktivní údržbu a software umělé inteligence („artificial intelligence“, AI). Její vestavěné RTC podporují synchronizaci procesů a umožňují sběr dat v reálném čase a vzdálené ovládání zařízení.

Může se připojit k různým externím senzorům a ovládačům s izolovanými a programovatelnými digitálními a analogovými připojeními vstupů/výstupů, třemi konfiguračními teplotními kanály a konektorem I2C. Všechny vstupy/výstupy chrání resetovatelné pojistky. Síťové připojení je podporováno rozhraními USB, ethernet, Wi-Fi, BLE a RS-485.

Raspberry Pi pro tovární automatizaci

Složitější úlohy automatizace mohou těžit z výpočetního výkonu PLC založených na Raspberry Pi 4 využívajících procesor Broadcom BCM2711B0. Procesor BCM2711B0, vyrobený 28nm procesem, využívá architekturu Cortex-A72. Disponuje čtyřmi jádry s taktem 1,5 GHz a 4 GB RAM. Integruje řadu periferií, včetně časovačů, řadiče přerušení, univerzálních vstupů/výstupů („general purpose I/O“, GPIO), konektoru USB, digitálního zvukového rozhraní PCM/I2S, řadiče pro přímý přístup k paměti („direct memory access“, DMA), masterů I2C, masterů sériových periferních rozhraní („serial peripheral interface“, SPI), PWM, univerzálních asynchronních přijímačů/vysílačů („universal asynchronous receivers/transmitter“, UART), duálních portů mikro HDMI, které podporují výstup 4K a dalších.

Ethernetové PLC Raspberry Pi společnosti Industrial Shields používají procesor BCM2711B0, pracují se vstupním napětím 12 V_DC až 24 V_DC a odebírají proud až 1,5 A. Obsahují operační systém Linux a mají dva ethernetové porty, dva porty RS-485, Wi-Fi, BLE a sběrnici CAN, díky čemuž se mohou připojit k mnoha zařízením pomocí více protokolů a komunikačních portů. Byly optimalizovány pro aplikace, které využívají řízení v reálném čase a jsou k dispozici s 2, 4 a 8 GB paměti RAM. Mezi příklady PLC Raspberry Pi společnosti Industrial Shields patří:

• 012003000200 se 4 GB paměti RAM a 21 vstupy/výstupy (obrázek 4)
• 012003001100 se 4 GB paměti RAM a 54 vstupy/výstupy
• 016003000200 se 4 GB paměti RAM, 21 vstupy/výstupy a mobilním připojením GPRS („General Packet Radio Service“, obecná paketová rádiová služba)

Obrázek 4: Ethernetový PLC Raspberry Pi společnosti Industrial Shields se 4 GB RAM a 21 vstupy/výstupy. (Zdroj obrázku: společnost Industrial Shields)

Přemostění platforem Arduino a Raspberry Pi v PLC pomocí knihovny SimpleComm

Knihovna SimpleComm C++ umožňuje konstruktérům odesílat data pomocí rozhraní RS-485, RS-482, ethernetu a dalších protokolů. Lze ji přizpůsobit různým komunikačním topologiím, jako je ad-hoc, master-slave a klient-server. Původní program má intuitivní aplikační programovací rozhraní („application programming interface“, API) pro prostředí Arduino. Společnost Industrial Shields nedávno upravila knihovnu SimpleComm pro prostředí Linux, které se nachází v PLC Raspberry Pi.

Řešení brány IPC a IIoT

Když je potřeba větší flexibilita, mohou konstruktéři využít IPC RevPi Core S a SE a bránu RevPi Connect S a SE IIoT. Všechna zařízení jsou založena na Raspberry Pi a jsou určena pro montáž na lištu DIN (obrázek 5). Kromě toho, že společnost KUNBUS poskytuje schémata zapojení, využívá také adaptaci s otevřeným zdrojovým kódem operačního systému (OS) Raspberry Pi s opravou provozu v reálném čase. OS Raspberry Pi nabízí robustní interoperabilitu se širokou škálou softwarových aplikací vyvinutých pro Raspberry Pi. Společnost KUNBUS spolupracuje s dodavateli softwaru na podpoře softwaru supervizního řízení a získávání dat („supervisory control and data acquisition“, SCADA) pro řízení, monitorování a analýzu průmyslových zařízení a procesů. Dostupnost plného přístupu root urychluje implementaci vlastních programů.

Obrázek 5: Příklady IPC RevPi Core SE (vlevo) a brány RevPi Connect IIoT (vpravo). (Zdroj obrázku: společnost KUNBUS)

Počítače RevPi Core S a SE jsou postaveny na otevřené hardwarové a softwarové platformě, která odpovídá standardu IEC 61131. Zařízení RevPi Core S jsou kompatibilní se všemi rozšiřujícími moduly společnosti KUNBUS, včetně bran aplikačních sběrnic. Zařízení RevPi Core SE jsou kompatibilní s moduly vstupů/výstupů společnosti KUNBUS, ale nepodporují brány aplikačních sběrnic. IPC RevPi Core S/SE mají připojení USB, micro-USB, ethernet a HDMI. Disponují čtyřjádrovým procesorem 1,5 GHz s 1 GB paměti RAM a modely jsou dostupné s 8-, 16- a 32GB úložištěm. Například model RevPi Core S PR100360 má 16 GB paměti.

K podpoře připojení IIoT jsou brány RevPi Connect S a SE k dispozici s pamětí až 32 GB a zahrnují dvě ethernetové zásuvky RJ45 10/100, dva porty USB, 4pinové rozhraní RS-485 plus micro-HDMI a zásuvky micro-USB. Dvě ethernetové zásuvky podporují současné připojení k sítím automatizace a informačních technologií (IT). Vzhledem k tomu, že jde o softwarovou platformu s otevřeným zdrojovým kódem, lze aplikace programovat pomocí jazyků Node-RED, Python a C. Bránu RevPi Connect lze rozšířit o funkce PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP a Modbus RTU bez použití rozšiřujících modulů. Mezi příklady zařízení RevPi Connect patří:

• RevPi Connect S PR100363 s pamětí 16 GB
• Digitální rozšiřující modul vstupů/výstupů RevPi PR100197
• Analogový rozšiřující modul RevPi PR100250

PROFINET a SBC PLC

PLC SBC mohou být sofistikovaná zařízení schopná podporovat pokročilé síťové protokoly. Síť pro oblast procesů („process field network“, PROFINET) je otevřený standard pro průmyslová síťová zařízení, jako jsou PLC, pohony, roboty, diagnostické nástroje atd. Běží přes průmyslový ethernet a je optimalizována pro sběr dat a řízení průmyslových zařízení pomocí komunikace v reálném čase. Je k dispozici ke spuštění na většině PLC Arduino a Raspberry Pi.

Průmyslové automatizační sítě potřebují vysokorychlostní a deterministickou komunikaci. PROFINET se zaměřuje na deterministický výkon, který doručuje zprávy přesně v tu chvíli, kdy jsou třeba a kdy jsou očekávány.

To znamená doručit každou zprávu vhodnou rychlostí na základě prováděného úkolu. Ne všechny úkoly jsou stejně časově náročné. PROFINET může doručovat zprávy na různých protokolech, včetně:

• PROFINET Real-Time (reálného času, RT)
• PROFINET Isochronous Real-Time (izochronní v reálném čase, IRT)
• Time Sensitive Networking (časově citlivé sítě, TSN)
• TCP/IP (nebo UDP/IP)

Závěr

K dispozici je široká škála PLC založených na SBC a průmyslových síťových zařízeních založených na technologiích Arduino a Raspberry Pi. Používají software s otevřeným zdrojovým kódem a v některých případech hardware s otevřeným zdrojovým kódem. PLC Arduino jsou k dispozici jako zařízení pro malé sítě, mikro PLC pro prostorově citlivé instalace a řídicí jednotky strojů pro vestavěné aplikace. Čtyřjádrové PLC založené na Raspberry Pi mohou podporovat složitější průmyslové síťové aplikace. K dispozici jsou IPC a brány IIoT založené na platformě Raspberry Pi, které podporují vysokou úroveň flexibility při návrhu a nasazení.