【導讀】工業(yè) SBC 正廣泛應用于機器控制器、工業(yè) PC (IPC)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 網(wǎng)關(guān)、微型可編程邏輯控制器 (PLC)、軟 PLC、模擬和數(shù)字輸入/輸出 (I/O) 模塊等領(lǐng)域。這些基于 SBC 的器件建立在開放式硬件和開放式軟件平臺之上，有時還包括完全 root 權(quán)限。
Arduino 和 Raspberry Pi 等適用于工業(yè)環(huán)境的單板機 (SBC) 的出現(xiàn)，以及基于國際電工委員會 (IEC) 61131-3 標準的軟件開發(fā)工具的推出，為機器和工廠自動化設(shè)計人員帶來了新的機遇。其中一些基于 SBC 的新解決方案還為自動化環(huán)境監(jiān)測、智能家居和樓宇安裝、農(nóng)業(yè)應用，以及其他非工業(yè)系統(tǒng)開辟了新的可能性。
工業(yè) SBC 正廣泛應用于機器控制器、工業(yè) PC (IPC)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 網(wǎng)關(guān)、微型可編程邏輯控制器 (PLC)、軟 PLC、模擬和數(shù)字輸入/輸出 (I/O) 模塊等領(lǐng)域。這些基于 SBC 的器件建立在開放式硬件和開放式軟件平臺之上，有時還包括完全 root 權(quán)限。
只要符合 IEC 61131-3 標準，即意味著支持五種標準自動化編程語言，包括梯形圖、結(jié)構(gòu)化文本、功能區(qū)塊圖、順序功能圖和指令表。此外，使用 SBC 構(gòu)建意味著開發(fā)人員還可以轉(zhuǎn)用 Java、Python、C 或 C++ 等語言，從而提供比傳統(tǒng)工業(yè)控制硬件更大的靈活性。有些方案具有板載安全元件以及符合國際電信聯(lián)盟 (ITU) X.509 標準的公鑰，支持從硬件到云或企業(yè)資源規(guī)劃 (ERP) 系統(tǒng)等更高級網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)安全。
本文以來自 Arduino、Industrial Shields 和 KUNBUS 的產(chǎn)品為例介紹了基于 SBC 的解決方案，這些方案面向機器和自動化設(shè)計人員，適用于各種應用，包括中小型自動化、小型機器的嵌入式控制和大型工廠自動化裝置。文章最后介紹了如何在 SBC PLC 上實現(xiàn) PROFINET 和確定性聯(lián)網(wǎng)。
Arduino PLC
對于大多數(shù)基于 Arduino 的 PLC 來說，其優(yōu)點之一是可使用 Arduino PLC 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 來編寫控制軟件。借助 Arduino PLC IDE，用戶可以選擇 IEC 61131-3 規(guī)定的五種編程語言中的任何一種，并快速編寫 PLC 應用程序或移植現(xiàn)有程序。此外，還包括現(xiàn)成的 Arduino 草圖（程序）、教程和庫。
Industrial Shields 基于 Arduino 的 PLC 可使用 Arduino IDE 或直接使用 C 語言進行編程。這些 PLC 包括開源工具，可在多種軟件平臺上進行編程。它們可通過 USB 或以太網(wǎng)端口進行編程，以實現(xiàn)遠程連接。用戶可以持續(xù)監(jiān)控所有變量、輸入和輸出的狀態(tài)。
Industrial Shields 的 IS.MDUINO.21+ 型號額定工作溫度為 0°C 至 +60°C，其 ATmega 處理器可在 16 MHz 頻率下達到 16 MIPS 的吞吐量（圖 1）。特性包括：
· 13 個輸入：
7 個光電隔離數(shù)字輸入（5 VDC 至 24 VDC）
2 個中斷（5 VDC 至 24 VDC）
6 個軟件可配置為模擬（0 VDC 至 10 VDC，10 位）或數(shù)字輸入（5 VDC 至 24 VDC）
· 8 個輸出：
5 個光電隔離數(shù)字輸出（5 VDC 至 24 VDC）
3 個軟件可配置為模擬（0 VDC 至 10 VDC，8 位）、數(shù)字（5 VDC 至 24 VDC），或脈沖寬度調(diào)制輸出（5 VDC 至 24 VDC）
· 256 KB 內(nèi)存
· 以太網(wǎng)、RS-232、RS-485 和 USB 通信
· 最多可擴展 127 個模塊
圖 1：Industrial Shields 的 IS.MDUINO.21+ 型號有 13 個輸入和 8 個輸出。（圖片來源：Industrial Shields）
微型 PLC
Arduino Opta 是一款專為支持 IIoT 應用而設(shè)計的微型 PLC。該器件可使用 Arduino PLC IDE 進行編程，支持 Arduino 草圖和標準 PLC 語言。主處理器為雙核 STM32H747，配備 480 MHz Cortex M7、240 MHz Cortex M4 和 1 MB 程序存儲器，支持實時控制、監(jiān)測和實現(xiàn)預測性維護算法。安全的空中 (OTA) 固件更新由板載安全元件和 X.509 合規(guī)性提供支持。
Opta PLC 提供三種型號，按通信能力進行區(qū)分。這三款產(chǎn)品都包括 USB-C。這些型號是：
· Opta Lite，型號 AFX00003，添加了 10/100BASE-T 以太網(wǎng)
· Opta RS485，型號 AFX00001，添加了 10/100BASE-T 以太網(wǎng)和半雙工 RS-485
· Opta Wi-Fi，型號 AFX00002，添加了 10/100BASE-T 以太網(wǎng)、半雙工 RS-485、802.11 b/g/n Wi-Fi 和低功耗藍牙 (BLE)
這些微型 PLC 有 8 個可編程模擬/數(shù)字輸入和 4 個常開繼電器輸出，額定電流為 10 A (2.3 kW)。實時時鐘 (RTC) 在 +25°C 溫度條件下通常可保持十天的電量，并可通過以太網(wǎng)端口進行網(wǎng)絡時間協(xié)議 (NTP) 同步。它們與 DIN 導軌兼容，可加快系統(tǒng)集成速度（圖 2）。
圖 2：Arduino 微型 PLC Opta Lite 顯示了設(shè)備左前方的四個 10 A 繼電器輸出。（圖片來源：Arduino）
適用于小型機器的嵌入式 PLC
對于貼標機、成型機、密封機、紙箱包裝機、涂膠機、電烤箱、工業(yè)清洗機和烘干機、攪拌機等小型機器來說，設(shè)計人員可以使用 170 x 90 x 50 mm 的 Portenta 機器控制 PLC。該器件具有 DIN 導軌兼容外殼以及能實現(xiàn)快速連接的推入式端子，額定工作溫度為 -40°C 至 +85°C，無需外部冷卻（圖 3）。主處理器為雙核 STM32H747，配備一個 480 MHz Cortex M7 和一個 240 MHz Cortex M4。控制板可支持平面顯示器、觸摸面板、鍵盤、操縱桿和鼠標，用于安裝人員和操作人員界面操作。這種 PLC 可以使用 Arduino PLC IDE 或其他嵌入式開發(fā)平臺進行編程。
圖 3：Portenta 機器控制板專為各種機器的嵌入式應用而設(shè)計。（圖片來源：Arduino）
Portenta 機器控制可支持預測性維護和人工智能 (AI) 軟件。其嵌入式 RTC 支持流程同步，并可進行實時數(shù)據(jù)收集和遠程設(shè)備控制。
通過隔離和可編程的數(shù)字和模擬 I/O 連接、三個配置溫度通道和一個 I2C 連接器，該板可連接到各種外部傳感器和致動器。自恢復保險絲可保護所有 I/O。網(wǎng)絡連接支持 USB、以太網(wǎng)、Wi-Fi、BLE 和 RS-485。
適用于工廠自動化的 Raspberry Pi
基于 Raspberry Pi 4 的 PLC 使用 Broadcom BCM2711B0 處理器，其處理能力可使更復雜的自動化任務受益。BCM2711B0 的工藝制程為 28 nm，采用了 Cortex-A72 架構(gòu)。該器件擁有四個內(nèi)核，時鐘速度為 1.5 GHz，RAM 為 4 GB。它集成了眾多外設(shè)，包括定時器、中斷控制器、通用 I/O (GPIO)、USB、PCM/I2S 數(shù)字音頻接口、直接存儲器訪問 (DMA) 控制器、I2C 主控器、串行外設(shè)接口 (SPI) 主控器、PWM、通用異步接收器/發(fā)送器 (UART)、支持 4K 輸出的雙微型 HDMI 端口等。
Industrial Shields 的 Raspberry Pi 以太網(wǎng) PLC 使用 BCM2711B0 處理器，工作輸入電壓為 12 VDC 至 24 VDC，電流最高 1.5 A。這些 PLC 包含 Linux 操作系統(tǒng)，還刻選配雙以太網(wǎng)端口、雙 RS-485 端口、Wi-Fi、BLE 和 CAN 總線，因而能夠使用多種協(xié)議和通信端口與眾多器件連接。它們針對受益于實時控制的應用進行了優(yōu)化，并有 2 GB、4 GB 和 8 GB RAM 可供選擇。Industrial Shields 的 Raspberry Pi PLC 示例包括：
· 012003000200，配備 4 GB RAM 和 21 個 I/O（圖 4）
· 012003001100，配備 4 GB RAM 和 54 個 I/O
· 016003000200，配備 4 GB RAM、21 個 I/O 和通用分組無線服務 (GPRS) 蜂窩連接功能
圖 4：Industrial Shields 的 Raspberry Pi 以太網(wǎng) PLC，配備 4 GB RAM 和 21 個 I/O。（圖片來源：Industrial Shields）
用 SimpleComm 在 PLC 中橋接 Arduino 和 Raspberry Pi
SimpleComm C++ 庫允許設(shè)計人員使用 RS-485、RS-482、以太網(wǎng)和其他協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)。該庫可以適應不同的通信拓撲結(jié)構(gòu)，如自組織 (ad-hoc) 通信、主從通信和客戶端-服務器通信。原始程序有一個適用于 Arduino 環(huán)境的直觀應用編程接口 (API)。Industrial Shields 最近針對 Raspberry Pi PLC 上的 Linux 環(huán)境對 SimpleComm 進行了調(diào)整。
IPC 和 IIoT 網(wǎng)關(guān)解決方案
如果需要更大的靈活性，設(shè)計人員可以轉(zhuǎn)用 KUNBUS 的 RevPi Core S 和 SE IPC 以及 RevPi Connect S 和 SE IIoT 網(wǎng)關(guān)，它們?nèi)蓟?Raspberry Pi 并設(shè)計用于 DIN 導軌安裝（圖 5）。除了提供電路圖外，KUNBUS 還使用了開源適配版的 Raspberry Pi 操作系統(tǒng) (OS)，并提供實時操作補丁。該 Raspberry Pi 操作系統(tǒng)與專為 Raspberry Pi 開發(fā)的各種軟件應用程序具有穩(wěn)健的互操作性。KUNBUS 與軟件供應商合作，支持監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 軟件對工業(yè)設(shè)備和流程進行控制、監(jiān)測和分析。提供完全 root 訪問權(quán)限則加快了定制程序的實現(xiàn)。
圖 5：RevPi Core SE IPC（左）和 RevPi Connect IIoT 網(wǎng)關(guān)（右）的示例。（圖片來源：KUNBUS）
RevPi Core S 和 SE 建立在符合 IEC 61131 標準的開放式硬件和開放式軟件平臺之上。RevPi Core S 設(shè)備兼容所有 KUNBUS 擴展模塊，包括現(xiàn)場總線網(wǎng)關(guān)。RevPi Core SE 設(shè)備兼容 KUNBUS I/O 模塊，但不支持現(xiàn)場總線網(wǎng)關(guān)。RevPi Core S/SE IPC 具有 USB、Micro-USB、以太網(wǎng)和 HDMI 連接。它們配備 1.5 GHz 四核處理器和 1 GB RAM，并有 8 GB、16 GB 和 32 GB 三種存儲容量的型號可供選擇。例如，型號為 PR100360 的 RevPi Core S 擁有 16 GB 存儲容量。
為了支持 IIoT 連接，RevPi Connect S 和 SE 網(wǎng)關(guān)提供高達 32 GB 的存儲容量，還包括兩個 RJ45 10/100 以太網(wǎng)插座、兩個 USB 端口、一個 4 針 RS-485 接口，以及 micro-HDMI 和 micro-USB 插座。兩個以太網(wǎng)插座支持同時連接自動化和信息技術(shù) (IT) 網(wǎng)絡。作為一個開源軟件平臺，應用程序可以使用 Node-RED、Python 和 C 語言進行編程。RevPi Connect 可通過 PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus TCP 和 Modbus RTU 功能進行升級，而無需使用擴展模塊。RevPi Connect 設(shè)備的示例包括：
· PR100363，具有 16 GB 存儲容量的 RevPi Connect S。
· PR100197，RevPi 數(shù)字 I/O 擴展模塊。
· PR100250，RevPi 模擬擴展模塊。
PROFINET 和 SBC PLC
SBC PLC 可以是能夠支持高級網(wǎng)絡協(xié)議的精密器件。過程現(xiàn)場網(wǎng)絡 (PROFINET) 是一種適用于 PLC、驅(qū)動器、機器人、診斷工具等工業(yè)網(wǎng)絡設(shè)備的開放標準。其運行于工業(yè)以太網(wǎng)上，針對通過實時通信來收集數(shù)據(jù)和控制工業(yè)設(shè)備進行了優(yōu)化。PROFINET 可在大多數(shù) Arduino 和 Raspberry Pi PLC 上運行。
工業(yè)自動化網(wǎng)絡需要高速和確定性通信。PROFINET 側(cè)重于確定性性能，按需要和預期準確傳遞消息。
這意味著要根據(jù)正在執(zhí)行的任務，以適當?shù)乃俣葌鬟f每一條消息。并非所有任務都具有同樣的時間敏感性。PROFINET 可通過各種協(xié)議傳遞消息，包括：
· PROFINET 實時 (RT)
· PROFINET 等時同步實時 (IRT)
· 時間敏感網(wǎng)絡 (TSN)
· TCP/IP（或 UDP/IP）
總結(jié)
基于 Arduino 和 Raspberry Pi 技術(shù)的 SBC PLC 和工業(yè)網(wǎng)絡設(shè)備種類繁多。這些設(shè)備使用開源軟件，有時還使用開源硬件。Arduino PLC 可提供適用于小型網(wǎng)絡的標準尺寸裝置、適用于空間敏感型安裝的微型 PLC，以及適用于嵌入式應用的機器控制器。基于四核 Raspberry Pi 的 PLC 可支持更復雜的工業(yè)網(wǎng)絡應用。基于 Raspberry Pi 的 IPC 和 IIoT 網(wǎng)關(guān)現(xiàn)已出現(xiàn)，其可支持高度靈活的網(wǎng)絡設(shè)計和部署。
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