Einplatinencomputer erweitern die Reichweite der industriellen Automatisierung

Die Verfügbarkeit von Einplatinencomputern wie Arduino und Raspberry Pi, die für den Einsatz in industriellen Umgebungen geeignet sind, und Softwaretools, die auf dem Standard IEC 61131-3 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) basieren, haben bei der Entwicklung im Bereich der Maschinen- und Fabrikautomation neue Möglichkeiten eröffnet. Einige dieser neuen auf Einplatinencomputern basierenden Lösungen eröffnen auch neue Möglichkeiten für die Automatisierung der Umweltüberwachung, intelligente Haus- und Gebäudeinstallationen, landwirtschaftliche Anwendungen und andere nicht-industrielle Systeme.

Industrielle Einplatinencomputer werden in Maschinensteuerungen, Industrie-PCs (IPCs), Gateways für das industrielle Internet der Dinge (IIoT), mikroprogrammierbaren Logiksteuerungen (PLCs), Soft-SPSs, analogen und digitalen Ein-/Ausgangsmodulen (I/Os) und mehr eingesetzt. Diese über Einplatinencomputern betriebenen Geräte basieren auf offenen Hardware- und Softwareplattformen, die manchmal auch volle Root-Rechte beinhalten.

Die Konformität mit IEC 61131-3 bedeutet, dass die fünf Standard-Programmiersprachen für die Automatisierung unterstützt werden, darunter Kontaktplan, strukturierter Text, Funktionsblockdiagramm, sequentieller Funktionsplan und Anweisungsliste. Die Verwendung von Einplatinencomputern bedeutet, dass auch auf Sprachen wie Java, Python, C oder C++ zurückgegriffen werden kann, was eine größere Flexibilität als bei herkömmlicher industrieller Steuerungshardware bietet. Einige unterstützen die Datensicherheit von der Hardware bis zur Cloud oder einem übergeordneten Netzwerk, wie z. B. ein ERP-System (Enterprise Resource Planning) mit einem integrierten sicheren Element und der Einhaltung des X.509-Standards der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) für öffentliche Schlüssel.

In diesem Artikel werden Beispiele für auf Einplatinencomputern basierende Lösungen vorgestellt, die Maschinen- und Automatisierungsentwicklern von Arduino, Industrial Shields und KUNBUS für verschiedene Anwendungen zur Verfügung stehen, darunter kleine bis mittelgroße Automatisierungsanwendungen, eingebettete Steuerungen in kleinen Maschinen und große Fabrikautomatisierungsanlagen. Der Artikel schließt mit einem Blick darauf, wie PROFINET und deterministische Netzwerke auf Einplatinencomputer-SPSen implementiert werden können.

Arduino-SPSen

Einer der Vorteile der meisten Arduino-basierten SPSen ist die Verfügbarkeit der integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) für die Erstellung von Steuerungssoftware. Die Arduino PLC IDE ermöglicht es, eine der fünf von der IEC 61131-3 definierten Programmiersprachen zu wählen und schnell SPS-Anwendungen zu programmieren oder bestehende zu portieren. Es enthält auch fertige Arduino-Sketches (Programme), Tutorials und Bibliotheken.

Die Arduino-basierten SPSen von Industrial Shields können mit der Arduino IDE oder direkt mit C programmiert werden. Diese SPSen enthalten Open-Source-Tools und können mit mehreren Softwareplattformen programmiert werden. Sie können über die USB- oder Ethernet-Ports für Fernverbindungen programmiert werden. Der Status aller Variablen, Eingänge und Ausgänge kann kontinuierlich überwacht werden.

Das Modell IS.MDUINO.21+ von Industrial Shields ist für den Betrieb von 0°C bis +60°C ausgelegt, und sein ATmega-Prozessor erreicht einen Durchsatz von 16 MIPS bei 16 MHz (Abbildung 1). Zu den Merkmalen gehören:

• 13 Eingänge:
  • 7 optoentkoppelte digitale Eingänge (5 V_DC bis 24 V_DC)
    • 2 Interrupts (5 V_DC bis 24 V_DC)
  • 6 per Software konfigurierbar als analog (0 V_DC bis 10 V_DC, 10 Bit) oder digital (5 V_DC bis 24 V_DC)
• 8 Ausgänge:
  • 5 optoentkoppelte digitale Ausgänge (5 V_DC bis 24 V_DC)
  • 3 per Software konfigurierbar als analog (0 V_DC bis 10 V_DC, 8 Bit), digital (5 V_DC bis 24 V_DC) oder pulsweitenmoduliert (5 V_DC bis 24 V_DC)
• 256 KB Speicher
• Ethernet-, RS-232-, RS-485- und USB-Kommunikation
• Erweiterbar mit bis zu 127 Modulen

Abbildung 1: Das Modell IS.MDUINO.21+ von Industrial Shields bietet 13 Eingänge und 8 Ausgänge. (Bildquelle: Industrial Shields)

Mikro-SPSen

Die Arduino Opta ist eine Mikro-SPS, die zur Unterstützung von IIoT-Anwendungen entwickelt wurde. Sie ist mit der Arduino PLC IDE programmierbar und unterstützt Arduino Sketches und Standard-SPS-Sprachen. Der Hauptprozessor ist der Dual-Core STM32H747 mit einem 480 MHz Cortex M7, einem 240 MHz Cortex M4 und 1 MB Programmspeicher, der die Echtzeitsteuerung, Überwachung und Implementierung von Algorithmen zur vorausschauenden Wartung unterstützt. Sichere OTA-Firmware-Updates (Over-the-Air) werden durch das integrierte Sicherheitselement und die X.509-Konformität unterstützt.

Opta-SPSen sind in drei Varianten erhältlich, die sich durch ihre Kommunikationsfähigkeiten unterscheiden. Alle drei enthalten USB-C. Die Modelle sind:

• Opta Lite, Modell AFX00003, mit 10/100BASE-T Ethernet
• Opta RS485, Modell AFX00001, das 10/100BASE-T Ethernet und Halbduplex RS-485 bietet
• Opta Wi-Fi, Modell AFX00002, das 10/100BASE-T Ethernet, Halbduplex RS-485, 802.11 b/g/n Wi-Fi und Bluetooth Low Energy (BLE) bietet

Diese Mikro-SPSen verfügen über acht programmierbare Analog-/Digitaleingänge und vier NO-Relaisausgänge (NO = Schließer), die für 10 A (2,3 kW) ausgelegt sind. Die Echtzeituhr (RTC) hat eine typische Gangreserve von zehn Tagen bei +25°C, und die Synchronisierung mit dem Netzwerkzeitprotokoll (NTP) ist über den Ethernet-Anschluss möglich. Sie sind Hutschienen-kompatibel, um die Systemintegration zu beschleunigen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Arduino-Mikro-SPS Opta Lite mit den vier 10-A-Relaisausgängen auf der linken Vorderseite des Geräts. (Bildquelle: Arduino)

Eingebettete SPS für kleine Maschinen

Bei der Entwicklung von kleinen Maschinen zum Etikettieren, Formen und Verschließen, Kartonverpacken, Kleben, Elektroöfen, industriellen Waschmaschinen und Trocknern, Mischern usw. kann die 170 x 90 x 50 Millimeter (mm) große Portenta-SPS zur Maschinensteuerung verwendet werden. Sie hat ein DIN-Schienen-kompatibles Gehäuse und Steckklemmen für einen schnellen Anschluss und ist für den Betrieb von -40°C bis +85°C ohne externe Kühlung ausgelegt (Abbildung 3). Der Hauptprozessor ist der Dual-Core STM32H747 mit einem 480 MHz Cortex M7 und einem 240 MHz Cortex M4. Das Board kann Flachbildschirme, Touchscreens, Tastaturen, Joysticks und Mäuse für Installations- und Bedienerschnittstellen unterstützen. Es kann mit der Arduino PLC IDE oder anderen Embedded-Entwicklungsplattformen programmiert werden.

Abbildung 3: Das Portenta-Board für die Maschinensteuerung ist für eingebettete Anwendungen in einer Vielzahl von Maschinen konzipiert. (Bildquelle: Arduino)

Die Portenta-Maschinensteuerung kann vorausschauende Wartung und Software für künstliche Intelligenz (KI) unterstützen. Die eingebettete Echtzeituhr unterstützt die Synchronisierung von Prozessen und ermöglicht die Datenerfassung in Echtzeit sowie die Fernsteuerung von Geräten.

Mit isolierten und programmierbaren digitalen und analogen I/O-Anschlüssen, drei konfigurierbaren Temperaturkanälen und einem I2C-Anschluss kann sie mit verschiedenen externen Sensoren und Aktoren verbunden werden. Zurücksetzbare Sicherungen schützen alle I/Os. Die Netzwerkanbindung wird durch USB, Ethernet, Wi-Fi, BLE und RS-485 unterstützt.

Raspberry Pi für die Fabrikautomatisierung

Komplexere Automatisierungsaufgaben können von der Rechenleistung der Raspberry-Pi-4-basierten SPSen mit dem BCM2711B0-Prozessor von Broadcom profitieren. Der in einem 28-Nanometer-Prozess (nm) gefertigte BCM2711B0 verwendet die Cortex-A72-Architektur. Er hat vier Kerne mit einer Taktrate von 1,5 GHz und 4 GB RAM. Er integriert zahlreiche Peripheriekomponenten, darunter Timer, Interrupt-Controller, GPIO (General Purpose I/O), USB, PCM/I2S-Digitalaudioschnittstelle, DMA-Controller (Direct Memory Access), I2C-Master, SPI-Master (Serial Peripheral Interface), PWM, universelle asynchrone Empfänger/Sender (UARTs), zwei Mikro-HDMI-Anschlüsse mit 4K-Ausgabe und vieles mehr.

Die Raspberry-Pi-Ethernet-SPSen von Industrial Shields verwenden den BCM2711B0, arbeiten mit Eingangsspannungen von 12 V_DC bis 24 V_DC und ziehen bis zu 1,5 A Strom. Sie enthalten das Linux-Betriebssystem und verfügen über zwei Ethernet-Anschlüsse, zwei RS-485-Anschlüsse, Wi-Fi, BLE und CAN-Bus-Optionen, so dass sie mit vielen Geräten mit mehreren Protokollen und Kommunikationsanschlüssen verbunden werden können. Sie wurden für Anwendungen optimiert, die von Echtzeitsteuerung profitieren, und sind mit 2, 4 und 8 GB RAM erhältlich. Beispiele für die Raspberry-Pi-SPSen von Industrial Shields sind:

• 012003000200, mit 4 GB RAM und 21 I/Os (Abbildung 4)
• 012003001100, mit 4 GB RAM und 54 I/Os
• 016003000200, mit 4 GB RAM, 21 I/Os und GPRS-Mobilfunkverbindung (General Packet Radio Service)

Abbildung 4: Industrial Shields Raspberry-Pi-Ethernet-SPS mit 4 GB RAM und 21 I/Os. (Bildquelle: Industrial Shields)

Überbrückung von Arduino und Raspberry Pi in SPSen mit SimpleComm

Mit der C++-Bibliothek SimpleComm können Daten über RS-485, RS-482, Ethernet und andere Protokolle gesendet werden. Sie kann an verschiedene Kommunikationstopologien wie Ad-hoc, Master-Slave und Client-Server angepasst werden. Das Originalprogramm verfügt über eine intuitive Anwendungsprogrammierschnittstelle (API) für Arduino-Umgebungen. Industrial Shields hat kürzlich SimpleComm für die Linux-Umgebung von Raspberry-Pi-SPSen angepasst.

IPC- und IIoT-Gateway-Lösung

Wenn mehr Flexibilität gefragt ist, können die IPCs RevPi Core S und SE und die IIoT-Gateways RevPi Connect S und SE von KUNBUS verwendet werden, die alle auf dem Raspberry Pi basieren und für die Hutschienenmontage ausgelegt sind (Abbildung 5). Zusätzlich zu den Schaltplänen verwendet KUNBUS eine Open-Source-Adaption des Raspberry-Pi-Betriebssystems (OS) mit einem Patch für den Echtzeitbetrieb. Das Raspberry-Pi-Betriebssystem bietet eine robuste Interoperabilität mit einer breiten Palette von Softwareanwendungen, die für den Raspberry Pi entwickelt wurden. KUNBUS arbeitet mit Softwareanbietern zusammen, um SCADA-Software (Supervisory Control and Data Acquisition) für die Steuerung, Überwachung und Analyse von industriellen Geräten und Prozessen zu unterstützen. Die Verfügbarkeit des vollständigen Root-Zugriffs beschleunigt die Implementierung von benutzerdefinierten Programmen.

Abbildung 5: Beispiele für IPC RevPi Core SE (links) und IIoT-Gateway RevPi Connect (rechts). (Bildquelle: KUNBUS)

Die RevPi Core S und SE basieren auf einer offenen Hardware- und Softwareplattform, die dem IEC 61131 Standard entspricht. RevPi-Core-S-Einheiten sind mit allen KUNBUS Erweiterungsmodulen, einschließlich Feldbus-Gateways, kompatibel. RevPi-Core-SE-Einheiten sind mit KUNBUS-I/O-Modulen kompatibel, unterstützen aber nicht die Feldbus-Gateways. RevPi-Core-S/SE-IPCs haben USB-, Micro-USB-, Ethernet- und HDMI-Anschlüsse. Sie verfügen über einen 1,5-GHz-Quad-Core-Prozessor mit 1 GB RAM, und es gibt Modelle mit 8, 16 und 32 GB Speicherplatz. Zum Beispiel hat das RevPi-Core-S-Modell PR100360 16 GB Speicher.

Zur Unterstützung der IIoT-Vernetzung sind die Gateways RevPi Connect S und SE mit bis zu 32 GB Speicher erhältlich und verfügen über zwei 10/100-Ethernet-Anschlüsse (RJ45), zwei USB-Anschlüsse, eine 4-polige RS-485-Schnittstelle sowie micro-HDMI- und micro-USB-Anschlüsse. Die beiden Ethernet-Buchsen ermöglichen die gleichzeitige Verbindung mit Automatisierungs- und IT-Netzwerken. Als Open-Source-Softwareplattform können Anwendungen mit Node-RED, Python und C programmiert werden. RevPi Connect kann ohne Erweiterungsmodule mit PROFINET-, EtherNet/IP-, EtherCAT-, Modbus TCP- und Modbus-RTU-Funktionalität aufgerüstet werden. Beispiele für RevPi-Connect-Einheiten sind:

• PR100363, RevPi Connect S mit 16 GB Speicher.
• PR100197, RevPi-Erweiterungsmodul für digitale I/O.
• PR100250, RevPi-Erweiterungsmodul für analoge I/O.

PROFINET und Einplatinencomputer-SPSen

Einplatinencomputer-SPSen können hochentwickelte Geräte sein, die erweiterte Netzwerkprotokolle unterstützen. Process Field Network (PROFINET) ist ein offener Standard für industrielle Netzwerkgeräte wie SPSen, Antriebe, Roboter, Diagnosewerkzeuge usw. Es läuft über industrielles Ethernet und ist für die Erfassung von Daten und die Steuerung von Industrieanlagen mit Echtzeitkommunikation optimiert. Es ist für die meisten Arduino- und Raspberry-Pi-SPSen verfügbar.

Industrielle Automatisierungsnetze benötigen eine schnelle und deterministische Kommunikation. PROFINET konzentriert sich auf eine deterministische Leistung, die Nachrichten genau dann liefert, wenn sie benötigt und erwartet werden.

Das bedeutet, dass jede Nachricht mit der für die jeweilige Aufgabe angemessenen Geschwindigkeit übermittelt wird. Nicht alle Aufgaben sind im gleichen Maße zeitkritisch. PROFINET kann Nachrichten über verschiedene Protokolle liefern, darunter:

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

Fazit

Es gibt eine große Auswahl an auf Einplatinencomputern basierenden SPSen und industriellen Netzwerkgeräten, die auf Arduino- und Raspberry-Pi-Technologien basieren. Sie verwenden Open-Source-Software und in einigen Fällen auch Open-Source-Hardware. Arduino-SPSen sind als Standardgeräte für kleine Netzwerke, als Mikro-SPSen für platzkritische Installationen und als Maschinensteuerungen für eingebettete Anwendungen erhältlich. Quad-Core-SPSen auf Raspberry-Pi-Basis können komplexere industrielle Netzwerkanwendungen unterstützen. Es sind Raspberry-Pi-basierte IPCs und IIoT-Gateways verfügbar, die ein hohes Maß an Flexibilität bei der Netzwerkgestaltung und -bereitstellung bieten.