单板机如何扩展工业自动化的覆盖范围

【导读】工业 SBC 正广泛应用于机器控制器、工业 PC (IPC)、工业物联网(IIoT) 网关、微型可编程逻辑控制器 (PLC)、软 PLC、模拟和数字输入/输出 (I/O) 模块等领域。这些基于 SBC 的器件建立在开放式硬件和开放式软件平台之上，有时还包括完全 root 权限。

Arduino 和 Raspberry Pi 等适用于工业环境的单板机 (SBC) 的出现，以及基于国际电工委员会 (IEC) 61131-3 标准的软件开发工具的推出，为机器和工厂自动化设计人员带来了新的机遇。其中一些基于 SBC 的新解决方案还为自动化环境监测、智能家居和楼宇安装、农业应用，以及其他非工业系统开辟了新的可能性。

工业 SBC 正广泛应用于机器控制器、工业 PC (IPC)、工业物联网(IIoT) 网关、微型可编程逻辑控制器 (PLC)、软 PLC、模拟和数字输入/输出 (I/O) 模块等领域。这些基于 SBC 的器件建立在开放式硬件和开放式软件平台之上，有时还包括完全 root 权限。

只要符合 IEC 61131-3 标准，即意味着支持五种标准自动化编程语言，包括梯形图、结构化文本、功能区块图、顺序功能图和指令表。此外，使用 SBC 构建意味着开发人员还可以转用 Java、Python、C 或 C++ 等语言，从而提供比传统工业控制硬件更大的灵活性。有些方案具有板载安全元件以及符合国际电信联盟 (ITU) X.509 标准的公钥，支持从硬件到云或企业资源规划 (ERP) 系统等更高级网络的数据安全。

本文以来自 Arduino、Industrial Shields 和 KUNBUS 的产品为例介绍了基于 SBC 的解决方案，这些方案面向机器和自动化设计人员，适用于各种应用，包括中小型自动化、小型机器的嵌入式控制和大型工厂自动化装置。文章最后介绍了如何在 SBC PLC 上实现 PROFINET 和确定性联网。

Arduino PLC

对于大多数基于 Arduino 的 PLC 来说，其优点之一是可使用 Arduino PLC 集成开发环境 (IDE) 来编写控制软件。借助 Arduino PLC IDE，用户可以选择 IEC 61131-3 规定的五种编程语言中的任何一种，并快速编写 PLC 应用程序或移植现有程序。此外，还包括现成的 Arduino 草图（程序）、教程和库。

Industrial Shields 基于 Arduino 的 PLC 可使用 Arduino IDE 或直接使用 C 语言进行编程。这些 PLC 包括开源工具，可在多种软件平台上进行编程。它们可通过USB或以太网端口进行编程，以实现远程连接。用户可以持续监控所有变量、输入和输出的状态。

Industrial Shields 的 IS.MDUINO.21+ 型号额定工作温度为 0°C 至 +60°C，其 ATmega 处理器可在 16 MHz 频率下达到 16MIPS的吞吐量（图 1）。特性包括：

· 13 个输入：
7 个光电隔离数字输入（5 VDC 至 24 VDC）
2 个中断（5 VDC 至 24 VDC）
6 个软件可配置为模拟（0 VDC 至 10 VDC，10 位）或数字输入（5 VDC 至 24 VDC）
· 8 个输出：
5 个光电隔离数字输出（5 VDC 至 24 VDC）
3 个软件可配置为模拟（0 VDC 至 10 VDC，8 位）、数字（5 VDC 至 24 VDC），或脉冲宽度调制输出（5 VDC 至 24 VDC）
· 256 KB 内存
· 以太网、RS-232、RS-485 和 USB 通信
· 最多可扩展 127 个模块

单板机如何扩展工业自动化的覆盖范围图 1：Industrial Shields 的 IS.MDUINO.21+ 型号有 13 个输入和 8 个输出。（图片来源：Industrial Shields）

微型 PLC

Arduino Opta 是一款专为支持 IIoT 应用而设计的微型 PLC。该器件可使用 Arduino PLC IDE 进行编程，支持 Arduino 草图和标准 PLC 语言。主处理器为双核STM32H747，配备 480 MHzCortexM7、240 MHz Cortex M4 和 1 MB 程序存储器，支持实时控制、监测和实现预测性维护算法。安全的空中 (OTA) 固件更新由板载安全元件和 X.509 合规性提供支持。

Opta PLC 提供三种型号，按通信能力进行区分。这三款产品都包括 USB-C。这些型号是：

· Opta Lite，型号 AFX00003，添加了 10/100BASE-T 以太网
· Opta RS485，型号 AFX00001，添加了 10/100BASE-T 以太网和半双工 RS-485
· Opta Wi-Fi，型号 AFX00002，添加了 10/100BASE-T 以太网、半双工 RS-485、802.11 b/g/n Wi-Fi 和低功耗蓝牙(BLE)

这些微型 PLC 有 8 个可编程模拟/数字输入和 4 个常开继电器输出，额定电流为 10 A (2.3 kW)。实时时钟 (RTC) 在 +25°C 温度条件下通常可保持十天的电量，并可通过以太网端口进行网络时间协议 (NTP) 同步。它们与 DIN 导轨兼容，可加快系统集成速度（图 2）。

单板机如何扩展工业自动化的覆盖范围图 2：Arduino 微型 PLC Opta Lite 显示了设备左前方的四个 10 A 继电器输出。（图片来源：Arduino）

适用于小型机器的嵌入式 PLC

对于贴标机、成型机、密封机、纸箱包装机、涂胶机、电烤箱、工业清洗机和烘干机、搅拌机等小型机器来说，设计人员可以使用 170 x 90 x 50 mm 的 Portenta 机器控制 PLC。该器件具有 DIN 导轨兼容外壳以及能实现快速连接的推入式端子，额定工作温度为 -40°C 至 +85°C，无需外部冷却（图 3）。主处理器为双核 STM32H747，配备一个 480 MHz Cortex M7 和一个 240 MHz Cortex M4。控制板可支持平面显示器、触摸面板、键盘、操纵杆和鼠标，用于安装人员和操作人员界面操作。这种 PLC 可以使用 Arduino PLC IDE 或其他嵌入式开发平台进行编程。

单板机如何扩展工业自动化的覆盖范围
图 3：Portenta 机器控制板专为各种机器的嵌入式应用而设计。（图片来源：Arduino）

Portenta 机器控制可支持预测性维护和人工智能 (AI) 软件。其嵌入式 RTC 支持流程同步，并可进行实时数据收集和远程设备控制。

通过隔离和可编程的数字和模拟 I/O 连接、三个配置温度通道和一个 I2C连接器，该板可连接到各种外部传感器和致动器。自恢复保险丝可保护所有 I/O。网络连接支持 USB、以太网、Wi-Fi、BLE 和 RS-485。

适用于工厂自动化的 Raspberry Pi

基于 Raspberry Pi 4 的 PLC 使用 Broadcom BCM2711B0 处理器，其处理能力可使更复杂的自动化任务受益。BCM2711B0 的工艺制程为 28 nm，采用了 Cortex-A72 架构。该器件拥有四个内核，时钟速度为 1.5 GHz，RAM 为 4 GB。它集成了众多外设，包括定时器、中断控制器、通用 I/O (GPIO)、USB、PCM/I2S 数字音频接口、直接存储器访问 (DMA) 控制器、I2C 主控器、串行外设接口 (SPI) 主控器、PWM、通用异步接收器/发送器 (UART)、支持 4K 输出的双微型HDMI端口等。

Industrial Shields 的 Raspberry Pi 以太网 PLC 使用 BCM2711B0 处理器，工作输入电压为 12 VDC 至 24 VDC，电流最高 1.5 A。这些 PLC 包含Linux操作系统，还刻选配双以太网端口、双 RS-485 端口、Wi-Fi、BLE 和 CAN总线，因而能够使用多种协议和通信端口与众多器件连接。它们针对受益于实时控制的应用进行了优化，并有 2 GB、4 GB 和 8 GB RAM 可供选择。Industrial Shields 的 Raspberry Pi PLC 示例包括：

· 012003000200，配备 4 GB RAM 和 21 个 I/O（图 4）
· 012003001100，配备 4 GB RAM 和 54 个 I/O
· 016003000200，配备 4 GB RAM、21 个 I/O 和通用分组无线服务 (GPRS) 蜂窝连接功能

单板机如何扩展工业自动化的覆盖范围图 4：Industrial Shields 的 Raspberry Pi 以太网 PLC，配备 4 GB RAM 和 21 个 I/O。（图片来源：Industrial Shields）

用 SimpleComm 在 PLC 中桥接 Arduino 和 Raspberry Pi

SimpleComm C++ 库允许设计人员使用 RS-485、RS-482、以太网和其他协议发送数据。该库可以适应不同的通信拓扑结构，如自组织 (ad-hoc) 通信、主从通信和客户端-服务器通信。原始程序有一个适用于 Arduino 环境的直观应用编程接口 (API)。Industrial Shields 最近针对 Raspberry Pi PLC 上的 Linux 环境对 SimpleComm 进行了调整。

IPC 和 IIoT 网关解决方案

如果需要更大的灵活性，设计人员可以转用 KUNBUS 的 RevPi Core S 和 SE IPC 以及 RevPi Connect S 和 SE IIoT 网关，它们全都基于 Raspberry Pi 并设计用于 DIN 导轨安装（图 5）。除了提供电路图外，KUNBUS 还使用了开源适配版的 Raspberry Pi 操作系统 (OS)，并提供实时操作补丁。该 Raspberry Pi 操作系统与专为 Raspberry Pi 开发的各种软件应用程序具有稳健的互操作性。KUNBUS 与软件供应商合作，支持监控和数据采集 (SCADA) 软件对工业设备和流程进行控制、监测和分析。提供完全 root 访问权限则加快了定制程序的实现。

单板机如何扩展工业自动化的覆盖范围图 5：RevPi Core SE IPC（左）和 RevPi Connect IIoT 网关（右）的示例。（图片来源：KUNBUS）

RevPi Core S 和 SE 建立在符合 IEC 61131 标准的开放式硬件和开放式软件平台之上。RevPi Core S 设备兼容所有 KUNBUS 扩展模块，包括现场总线网关。RevPi Core SE 设备兼容 KUNBUS I/O 模块，但不支持现场总线网关。RevPi Core S/SE IPC 具有 USB、Micro-USB、以太网和 HDMI 连接。它们配备 1.5 GHz 四核处理器和 1 GB RAM，并有 8 GB、16 GB 和 32 GB 三种存储容量的型号可供选择。例如，型号为 PR100360 的 RevPi Core S 拥有 16 GB 存储容量。

为了支持 IIoT 连接，RevPi Connect S 和 SE 网关提供高达 32 GB 的存储容量，还包括两个 RJ45 10/100 以太网插座、两个 USB 端口、一个 4 针 RS-485 接口，以及 micro-HDMI 和 micro-USB 插座。两个以太网插座支持同时连接自动化和信息技术 (IT) 网络。作为一个开源软件平台，应用程序可以使用 Node-RED、Python 和 C 语言进行编程。RevPi Connect 可通过 PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus TCP 和 Modbus RTU 功能进行升级，而无需使用扩展模块。RevPi Connect 设备的示例包括：

· PR100363，具有 16 GB 存储容量的 RevPi Connect S。
· PR100197，RevPi 数字 I/O 扩展模块。
· PR100250，RevPi 模拟扩展模块。

PROFINET 和 SBC PLC

SBC PLC 可以是能够支持高级网络协议的精密器件。过程现场网络 (PROFINET) 是一种适用于 PLC、驱动器、机器人、诊断工具等工业网络设备的开放标准。其运行于工业以太网上，针对通过实时通信来收集数据和控制工业设备进行了优化。PROFINET 可在大多数 Arduino 和 Raspberry Pi PLC 上运行。

工业自动化网络需要高速和确定性通信。PROFINET 侧重于确定性性能，按需要和预期准确传递消息。

这意味着要根据正在执行的任务，以适当的速度传递每一条消息。并非所有任务都具有同样的时间敏感性。PROFINET 可通过各种协议传递消息，包括：

· PROFINET 实时 (RT)
· PROFINET 等时同步实时 (IRT)
· 时间敏感网络 (TSN)
· TCP/IP（或 UDP/IP）

总结

基于 Arduino 和 Raspberry Pi 技术的 SBC PLC 和工业网络设备种类繁多。这些设备使用开源软件，有时还使用开源硬件。Arduino PLC 可提供适用于小型网络的标准尺寸装置、适用于空间敏感型安装的微型 PLC，以及适用于嵌入式应用的机器控制器。基于四核 Raspberry Pi 的 PLC 可支持更复杂的工业网络应用。基于 Raspberry Pi 的 IPC 和 IIoT 网关现已出现，其可支持高度灵活的网络设计和部署。

（作者：Jeff Shepard）

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