Slik utvider enkeltkortdatamaskiner rekkevidden til industriell automatisering

Tilgjengeligheten av enkeltkortdatamaskiner (SBC – single-board-computer), for eksempel Arduino og Raspberry Pi, som er klassifisert for bruk i industrimiljøer, kombinert med programvareutviklingsverktøy basert på IEC (International Electrotechnical Commission) 61131-3-standarden, har åpnet nye muligheter for utviklere av maskin- og fabrikkautomatisering. Noen av disse nye SBC-baserte løsningene åpner også opp for nye muligheter innen automatisering av miljøovervåking, smarthjem og bygningsinstallasjoner, landbruksutrustninger og andre ikke-industrielle systemer.

Industrielle SBC-er brukes i maskinstyringer, industrielle datamaskiner (IPC-er), gatewayer for det industrielle tingenes Internet (IIoT-gatewayer), mikro-PLS-er (PLS – programmerbare logiske styringer), myke PLS-er, analoge og digitale inngangs/utgangsmoduler (I/O-moduler) med mer. Disse SBC-baserte enhetene er bygget på åpen maskinvare og åpne programvareplattformer, som noen ganger inkluderer fulle rotrettigheter.

Samsvar med IEC 61131-3 betyr at de fem standard programmeringsspråkene for automatisering støttes, inkludert stigediagram, strukturert tekst, funksjonsblokkdiagram, sekvensielt funksjonsdiagram og instruksjonsliste. Ved å bygge med SBC-er kan utviklere også bruke språk som Java, Python, C eller C++, noe som gir bedre fleksibilitet enn tradisjonell industristyringsmaskinvare. Noen støtter datasikkerhet fra maskinvaren til skyen eller et nettverk på høyere nivå, for eksempel et ERP-system (ERP – enterprise resource planning) med et integrert Secure Element og samsvar med Den internasjonale telekommunikasjonunionens (ITU – International Telecommunications Union) X.509-standard for offentlige nøkler.

Denne artikkelen presenterer eksempler på SBC-baserte løsninger som er tilgjengelige for maskin- og automatiseringsutviklere fra Arduino, Industrial Shields og KUNBUS for diverse bruksområder, inkludert automasjon i liten til mellomstor skala, integrert styring i små maskiner og store fabrikkautomatiseringsinstallasjoner. Artikkelen avslutter med å se på hvordan PROFINET og deterministiske nettverk kan implementeres på SBC-PLS-er.

Arduino PLS-er

En av fordelene til de fleste Arduino-baserte PLS-er, er tilgjengeligheten av det Arduino PLS-integrerte utviklingsmiljøet (IDE – integrated development environment) for å skrive styringsprogramvare. Med Arduino PLS-IDE er det mulig for brukere å velge et hvilket som helst av de fem programmeringsspråkene definert av IEC 61131-3, og raskt kode PLS-programmer eller portere eksisterende. Det inkluderer også bruksklare Arduino-skisser (programmer), -veiledninger og -biblioteker.

Arduino-baserte PLS-er fra Industrial Shields kan programmeres ved å bruke Arduino IDE eller direkte ved å bruke C. Disse PLS-ene inkluderer verktøy med åpen kildekode og kan programmeres med flere programvareplattformer. De kan programmeres via USB- eller Ethernet-portene for eksterne tilkoblinger. Brukere kan kontinuerlig overvåke statusen til alle variabler, innganger og utganger.

Modellen IS.MDUINO.21+ fra Industrial Shields er klassifisert for drift fra 0 °C til +60 °C, og ATmega-prosessoren oppnår en gjennomstrømning på 16 MIPS ved 16 MHz (figur 1). Den har følgende egenskaper:

• 13 innganger:
  • 7 optoisolert digital (5 V_DC til 24 V_DC)
    • 2 avbrudd (interrupts) (5 V_DC til 24 V_DC)
  • 6 programvarekonfigurerbare som analog (0 V_DC til 10 V_DC, 10 bits) eller digital (5 V_DC til 24 V_DC)
• 8 utganger:
  • 5 optoisolert digital (5 V_DC til 24 V_DC)
  • 3 programvarekonfigurerbare som analog (0 V_DC til 10 V_DC, 8 bits), digital (5 V_DC til 24 V_DC) eller pulsbreddemodulert (5 V_DC til 24 V_DC)
• 256 kB minne
• Ethernet, RS-232, RS-485 og USB-kommunikasjon
• Kan utvides med opptil 127 moduler

Figur 1: Modellen IS.MDUINO.21+ fra Industrial Shields har 13 innganger og 8 utganger. (Bildekilde: Industrial Shields)

Mikro-PLS-er

Arduino Opta er en mikro-PLS som er utviklet for å støtte IIoT-utrustninger. Den er programmerbar med Arduino PLS-IDE, og støtter Arduino-skisser og standard PLS-språk. Hovedprosessoren er en STM32H747 med to kjerner og en 480 MHz Cortex M7, en 240 MHz Cortex M4 og 1 MB programminne som støtter sanntidsstyring, overvåking og implementering av algoritmer for forebyggende vedlikehold. Sikre trådløse (OTA – over the air) fastvareoppdateringer støttes av det integrerte Secure Element og X.509-samsvar.

Opta PLS-er er tilgjengelige i tre varianter, som kan skilles fra hverandre med kommunikasjonsevnene de tilbyr. Alle tre har USB-C. Dette er modellene:

• Opta Lite, modell AFX00003, som legger til 10/100BASE-T Ethernet
• Opta RS485, modell AFX00001, som legger til 10/100BASE-T Ethernet og RS-485 med halv dupleks
• Opta Wi-Fi, modell AFX00002, som legger til 10/100BASE-T Ethernet, RS-485 802.11 b/g/n Wi-Fi med halv dupleks og lavenergi-Bluetooth (BLE – Bluetooth low energy)

Disse mikro-PLS-ene har åtte programmerbare analoge/digitale innganger og fire normalt åpne reléutganger som er klassifisert for 10 A (2,3 kW). Sanntidsklokken (RTC – real-time clock) har en typisk ti dagers strømlagringskapasitet (power retention) ved +25 °C, og synkronisering av nettverkstid-protokollen (NTP – network time protocol) er tilgjengelig via Ethernet-porten. De er DIN-skinnekompatible for å gjøre systemintegrering raskere (figur 2).

Figur 2: Opta Lite Arduino mikro-PLS som viser de fire reléutgangene på 10 A på venstre side av enheten. (Bildekilde: Arduino)

Integrert PLS for små maskiner

Konstruktører av små maskiner – for etikettering, forming og forsegling, kartongpakking, liming, elektriske ovner, industrielle vaskemaskiner og tørketromler, blandere og så videre – kan bruke Portenta maskinstyrings-PLS-en på 170 x 90 x 50 millimeter (mm). Den har et DIN-skinnekompatibelt hus og innstikkbare terminaler for rask tilkobling, og den er klassifisert for drift fra –40 °C til +85 °C uten ekstern kjøling (figur 3). Hovedprosessoren er en STM32H747 med to kjerner og en 480 MHz Cortex M7 og en 240 MHz Cortex M4. Kortet kan støtte flatskjermer, berøringsskjermer, tastaturer, joysticker og mus for installasjons- og operatørgrensesnitt. Den kan programmeres ved å bruke Arduino PLS-IDE eller andre integrerte utviklingsplattformer.

Figur 3: Portenta-maskinstyringskortet er konstruert for integrerte konstruksjoner i et bredt utvalg av maskiner. (Bildekilde: Arduino)

Portenta-maskinstyring (Portenta Machine Control) kan støtte programvare for forebyggende vedlikehold og kunstig intelligens (AI – artificial intelligence). Den integrerte RTC-en støtter synkronisering av prosesser og muliggjør datainnsamling i sanntid og fjernstyring av utstyr.

Den kan kobles til forskjellige eksterne sensorer og aktuatorer med isolerte og programmerbare digitale og analoge I/O-tilkoblinger, tre konfigurasjonstemperaturkanaler og en I2C-kontakt. Tilbakestillbare sikringer beskytter alle I/O-er. Nettverkskonnektivitet støttes av USB, Ethernet, Wi-Fi, lavenergi-Bluetooth (BLE) og RS-485.

Raspberry Pi for fabrikkautomatisering

Mer komplekse automatiseringsoppgaver kan dra nytte av prosessorkraften til Raspberry Pi 4-baserte PLS-er ved å bruke Broadcom BCM2711B0-prosessoren. BCM2711B0 er produsert på en prosess på 28 nanometer (nm) og bruker Cortex-A72-arkitekturen. Den har fire kjerner med en klokkehastighet på 1,5 GHz og 4 GB RAM. Den integrerer en rekke periferienheter, inkludert timere, avbruddsstyring, generell I/O (GPIO – general purpose I/O), USB, PCM/I2S digitalt lydgrensesnitt, DMA-styring (DMA – direct memory access), I2C-mastere, SPI-mastere (SPI – serial peripheral interface), pulsbreddemodulasjon (PWM – puls width modulation), universelle asynkrone mottakere/sendere (UART – universal asynchronous receivers/transmitters), doble mikro-HDMI-porter som støtter 4K-utganger, med mer.

Raspberry Pi Ethernet-PLS-er fra Industrial Shields bruker BCM2711B0. De er virksomme med inngangsspenninger på 12 V_DC til 24 V_DC 24 V DC, og trekker opptil 1,5 A strøm. De inkluderer Linux-operativsystemet og har to Ethernet-porter, to RS-485-porter, Wi-Fi, BLE og CAN-buss, noe som gjør dem i stand til å koble til mange enheter ved hjelp av flere protokoller og kommunikasjonsporter. De er optimalisert for konstruksjoner som drar nytte av sanntidsstyring og er tilgjengelige med 2, 4 eller 8 GB RAM. Eksempler på Raspberry Pi PLS-er fra Industrial Shields:

• 012003000200, med 4 GB RAM og 21 I/O-er (figur 4)
• 012003001100, med 4 GB RAM og 54 I/O-er
• 016003000200, med 4 GB RAM, 21 I/O-er og GPRS-mobilkonnektivitet (GPRS – General Packet Radio Service)

Figur 4: Raspberry Pi Ethernet PLS fra Industrial Shields med 4 GB RAM og 21 I/O-er. (Bildekilde: Industrial Shields)

Bygger bro mellom Arduino og Raspberry Pi i PLS-er med SimpleComm

Med SimpleComm C++-biblioteket kan utviklere sende data ved å bruke RS-485, RS-482, Ethernet og andre protokoller. Det kan tilpasses ulike kommunikasjonstopologier som ad-hoc (til dette formålet), master-slave og klient-server. Det opprinnelige programmet har et intuitivt programmeringsgrensesnitt (API) for Arduino-miljøer. Industrial Shields tilpasset nylig SimpleComm for Linux-miljøet som er å finne på Raspberry Pi PLS-er.

IPC- og IIoT-gatewayløsning

Når det er behov for mer fleksibilitet, kan konstruktører bruke KUNBUS sine RevPi Core S og SE IPC-er og RevPi Connect S og SE IIoT-gatewayen, som alle er basert på Raspberry Pi og konstruert for montering på DIN-skinne (figur 5). I tillegg til å gi tilgang til kretsdiagrammer, bruker KUNBUS en tilpasning (med åpen kildekode) av Raspberry Pi-operativsystemet (OS) med en korreksjonsrutine for sanntidsdrift (real-time operation patch). Raspberry Pi OS tilbyr robust driftskompatibilitet med et bredt utvalg av programvare som er utviklet for Raspberry Pi. KUNBUS samarbeider med programvareleverandører for å støtte SCADA-programvare (SCADA – supervisory control and data acquisition) for å styre, overvåke og analysere industrielle enheter og prosesser. Muligheten for full rot-tilgang fremskynder implementeringen av egendefinerte programmer.

Figur 5: Eksempler på RevPi Core SE IPC (venstre) og RevPi Connect IIoT Gateway (høyre). (Bildekilde: KUNBUS)

RevPi Core S og SE er bygget på en åpen maskinvare- og programvareplattform som er i samsvar med IEC 61131-standarden. RevPi Core S-enheter er kompatible med alle KUNBUS-utvidelsesmoduler, inkludert feltbuss-gatewayer. RevPi Core SE-enheter er kompatible med KUNBUS I/O-moduler, men støtter ikke feltbuss-gatewayer. RevPi Core S/SE IPC-er har USB-, mikro-USB-, Ethernet- og HDMI-konnektivitet. De har en 1,5 GHz firekjerners (quad core) prosessor med 1 GB RAM, og tilgjengelige modeller har 8, 16 og 32 GB lagringsplass. For eksempel har PR100360 RevPi Core S-modellen 16 GB minne.

For å støtte IIoT-tilkobling, er RevPi Connect S og SE-gatewayer tilgjengelige med opptil 32 GB minne, og de inkluderer to RJ45 10/100 Ethernet-kontakter, to USB-porter, et 4-pinners RS-485-grensesnitt, pluss mikro-HDMI- og mikro-USB-kontakter. De to Ethernet-kontaktene støtter parallell tilkobling til automatiserings- og IT-nettverk. Som programvareplattform med åpen kildekode kan utrustninger programmeres ved hjelp av Node-RED, Python og C. RevPi Connect kan oppgraderes med PROFINET-, EtherNet/IP-, EtherCAT-, Modbus TCP- og Modbus RTU-funksjonalitet uten å bruke utvidelsesmoduler. Eksempler på RevPi Connect-enheter:

• PR100363, RevPi Connect S med 16 GB minne.
• PR100197, RevPi digital I/O-utvidelsesmodul.
• PR100250, RevPi analog utvidelsesmodul.

PROFINET- og SBC-PLS-er

SBC-PLS-er kan være avanserte enheter som er i stand til å støtte avanserte nettverksprotokoller. Prosessfeltnettverk (PROFINET – process field network) er en åpen standard for industrielle nettverksenheter som PLS-er, stasjoner, roboter, diagnoseverktøy osv. Det kjører over industrielt Ethernet og er optimalisert for å samle inn data og styre industrielt utstyr med sanntidskommunikasjon. Den er tilgjengelig for å kjøre på de fleste Arduino-PLS-er og Raspberry Pi-PLS-er.

Industriautomatiseringsnettverk trenger høyhastighets og deterministisk kommunikasjon. PROFINET fokuserer på deterministisk ytelse som leverer meldinger akkurat når de trengs og er forventet.

Det betyr å levere hver melding med riktig hastighet basert på oppgaven som utføres. Ikke alle oppgaver er like tidsfølsomme. PROFINET kan levere meldinger på ulike protokoller, deriblant:

• PROFINET sanntid (RT – real-time)
• PROFINET isokron sanntid (IRT – isochronous real-time)
• Tidssensitivt nettverk (TSN)
• TCP/IP (eller UDP/IP)

Konklusjon

Et bredt utvalg av SBC-baserte PLS-er og industrielle nettverksenheter basert på Arduino- og Raspberry Pi-teknologier er tilgjengelige. De bruker programvare med åpen kildekode og i noen tilfeller maskinvare med åpen kildekode. Arduino PLS-er er tilgjengelige som enheter med standardstørrelse for små nettverk, mikro-PLS-er for plassbegrensede installasjoner og maskinstyringer for integrerte konstruksjoner. Firekjerners Raspberry Pi-baserte PLS-er kan støtte mer komplekse industrielle nettverkskonstruksjoner. Raspberry Pi-baserte IPC-er og IIoT-gatewayer som støtter høye nivåer av fleksibilitet i nettverksutforming og -distribusjon, er tilgjengelige.