I computer monoscheda estendono la portata dell'automazione industriale

La disponibilità di computer monoscheda (SBC) come Arduino e Raspberry Pi, adatti all'uso in ambienti industriali, insieme a strumenti di sviluppo software basati sullo standard della Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) 61131-3, hanno aperto nuove opportunità ai progettisti che si occupano di automazione di fabbrica e macchine industriale. Alcune di queste nuove soluzioni basate su SBC si prestano anche per automatizzare il monitoraggio ambientale, le installazioni smart in abitazioni ed edifici, le applicazioni agricole e altri sistemi non industriali.

Gli SBC industriali sono utilizzati in controller di macchine, PC industriali (IPC), gateway per l'Internet delle cose industriale (IIoT), microcontroller a logica programmabile (PLC), soft PLC, moduli di ingresso/uscita (I/O) analogici e digitali e altro ancora. Questi dispositivi basati su SBC sono costruiti su piattaforme hardware e software aperte, talvolta con privilegi totali di accesso al root.

La conformità alla norma IEC 61131-3 significa che sono supportati i cinque linguaggi di programmazione standard per l'automazione, tra cui lo schema a scala, il testo strutturato, il diagramma a blocchi funzionali, il diagramma funzionale sequenziale e l'elenco di istruzioni. L'utilizzo di SBC consente agli sviluppatori di utilizzare linguaggi come Java, Python, C o C++, garantendo una maggiore flessibilità rispetto al tradizionale hardware di controllo industriale. Alcuni supportano la sicurezza dei dati dall'hardware al cloud o a una rete di livello superiore, come un sistema di pianificazione delle risorse aziendali (ERP) con un Secure Element integrato e la conformità alla chiave pubblica dello standard X.509 dell'International Telecommunications Union (ITU).

Questo articolo presenta esempi di soluzioni basate su SBC che Arduino, Industrial Shields e KUNBUS offrono ai progettisti di macchine e automazione per varie applicazioni, tra cui l'automazione su piccola e media scala, il controllo embedded in macchine piccole e le grandi installazioni per l'automazione di fabbrica. L'articolo si conclude con uno sguardo a come implementare PROFINET e la connettività di rete deterministica sui PLC SBC.

PLC Arduino

Uno dei vantaggi della maggior parte dei PLC basati su Arduino è la disponibilità dell'ambiente di sviluppo integrato (IDE) per la scrittura del software di controllo. L'IDE PLC Arduino consente agli utenti di scegliere uno dei cinque linguaggi di programmazione definiti dalla norma IEC 61131-3 e di codificare rapidamente applicazioni PLC o di eseguire il porting di quelle esistenti. Include anche sketch (programmi) Arduino pronti per l'uso, esercitazioni e librerie.

I PLC basati su Arduino di Industrial Shields possono essere programmati utilizzando l'IDE Arduino o direttamente in linguaggio C. Questi PLC includono strumenti open-source e possono essere programmati su diverse piattaforme software, attraverso le porte USB o Ethernet per le connessioni remote. Gli utenti possono monitorare costantemente lo stato di tutte le variabili, gli ingressi e le uscite.

Il modello IS.MDUINO.21+ di Industrial Shields è adatto al funzionamento da 0 a +60 °C e il processore ATmega registra un throughput di 16 MIPS a 16 MHz (Figura 1). Le caratteristiche includono:

• 13 ingressi:
  • 7 digitali optoisolati (da 5 V_c.c. a 24 V_c.c.)
    • 2 interrupt (da 5 V_c.c. a 24 V_c.c.)
  • 6 configurabili via software come analogici (da 0 V_c.c. a 10 V_c.c., 10 bit) o digitali (da 5 V_c.c. a 24 V_c.c.)
• 8 uscite:
  • 5 digitali optoisolati (da 5 V_c.c. a 24 V_c.c.)
  • 3 configurabili via software come analogici (da 0 V_c.c. a 10 V_c.c., 8 bit) o digitali (da 5 V_c.c. a 24 V_c.c.) o con modulazione della larghezza di impulso (da 5 V_c.c. a 24 V_c.c.)
• 256 kB di memoria
• Comunicazioni Ethernet, RS-232, RS-485 e USB
• Espandibile fino a 127 moduli

Figura 1: Il modello IS.MDUINO.21+ di Industrial Shields ha 13 ingressi e 8 uscite. (Immagine per gentile concessione di Industrial Shields)

Micro PLC

Arduino Opta è un micro PLC progettato per supportare le applicazioni IIoT. Programmabile con l'IDE PLC Arduino, supporta gli sketch Arduino e i linguaggi PLC standard. Il processore principale, STM32H747, è un dual core con un Cortex M7 da 480 MHz, un Cortex M4 da 240 MHz e 1 MB di memoria di programma che supporta il controllo in tempo reale, il monitoraggio e l'implementazione di algoritmi di manutenzione predittiva. Gli aggiornamenti sicuri del firmware via etere (OTA) sono supportati dal Secure Element embedded e dalla conformità X.509.

I PLC Opta sono disponibili in tre varianti che si differenziano per le loro capacità di comunicazione. Tutti e tre includono USB-C. I modelli sono:

• Opta Lite, modello AFX00003, che aggiunge la connessione Ethernet 10/100BASE-T
• Opta RS485, modello AFX00001, che aggiunge Ethernet 10/100BASE-T e RS-485 half-duplex
• Opta Wi-Fi, modello AFX00002, che aggiunge Ethernet 10/100BASE-T, RS-485 half-duplex Wi-Fi 802.11 b/g/n e Bluetooth Low Energy (BLE)

Questi micro PLC sono dotati di otto ingressi analogici/digitali programmabili e quattro uscite a relè normalmente aperte con una potenza nominale di 10 A (2,3 kW). Il clock in tempo reale (RTC) ha un'autonomia tipica di dieci giorni a +25 °C e la sincronizzazione con il protocollo NTP (Network Time Protocol) è disponibile attraverso la porta Ethernet. Sono compatibili con il montaggio su guida DIN per velocizzare l'integrazione del sistema (Figura 2).

Figura 2: Il micro PLC Opta Lite Arduino con le quattro uscite a relè da 10 A sul lato sinistro dell'unità. (Immagine per gentile concessione di Arduino)

PLC integrato per macchine piccole

I progettisti di macchine piccole - etichettatura, formatura e sigillatura, imballaggio, incollaggio di cartoni, forni elettrici, lavatrici e le asciugatrici industriali, miscelatori e così via - possono rivolgersi al PLC di controllo macchine Portenta da 170 x 90 x 50 mm. È dotato di un alloggiamento compatibile con barra DIN e di terminali innestabili per il collegamento rapido ed è classificato per il funzionamento da -40 a +85 °C senza raffreddamento esterno (Figura 3). Il processore principale, STM32H747, è un dual-core con un Cortex M7 da 480 MHz e un Cortex M4 da 240 MHz. La scheda può supportare display a schermo piatto, pannelli tattili, tastiere, joystick e mouse per le interfacce di installatori e operatori. Può essere programmato utilizzando l'IDE PLC Arduino o altre piattaforme di sviluppo embedded.

Figura 3: La scheda di controllo macchine Portenta è progettata per applicazioni embedded in un'ampia gamma di macchine. (Immagine per gentile concessione di Arduino)

Il controllo macchine Portenta può supportare il software di manutenzione predittiva e di intelligenza artificiale (IA). L'RTC embedded supporta la sincronizzazione dei processi e consente la raccolta dei dati in tempo reale e il controllo remoto delle apparecchiature.

Può collegarsi a vari sensori e attuatori esterni con connessioni I/O digitali e analogiche isolate e programmabili, tre canali di temperatura di configurazione e un connettore I²C. I fusibili ripristinabili proteggono tutti gli I/O. La connettività di rete è supportata da USB, Ethernet, Wi-Fi, BLE e RS-485.

Raspberry Pi per l'automazione di fabbrica

Le attività di automazione più complesse possono beneficiare della potenza di elaborazione dei PLC basati su Raspberry Pi 4 che utilizzano il processore BCM2711B0 di Broadcom. Fabbricato con un processo a 28 nm, BCM2711B0 utilizza l'architettura Cortex-A72. Ha quattro core con una velocità di clock di 1,5 GHz e 4 GB di RAM. Integra numerose periferiche, tra cui timer, controller di interrupt, I/O per uso generale (GPIO), USB, interfaccia audio digitale PCM/I²S, controller di accesso diretto alla memoria (DMA), master I²C, master di interfaccia periferica seriale (SPI), PWM, ricetrasmettitori asincroni universali (UART), due porte micro HDMI che supportano l'uscita 4K e molto altro.

I PLC Ethernet Raspberry Pi di Industrial Shields utilizzano il processore BCM2711B0, funzionano con tensioni di ingresso da 12 V_c.c. a 24 V_c.c. e assorbono fino a 1,5 A di corrente. Includono il sistema operativo Linux e hanno due porte Ethernet, due porte RS-485, opzioni Wi-Fi, BLE e bus CAN, che li rendono in grado di connettersi a molti dispositivi utilizzando più protocolli e porte di comunicazione. Sono stati ottimizzati per applicazioni che beneficiano del controllo in tempo reale e sono disponibili con 2, 4 e 8 GB di RAM. Esempi di PLC Raspberry Pi di Industrial Shields includono:

• 012003000200 con 4 GB di RAM e 21 I/O a (Figura 4)
• 012003001100 con 4 GB di RAM e 54 I/O
• 016003000200 con 4 GB di RAM, 21 I/O e connettività cellulare GPRS (General Packet Radio Service).

Figura 4: PLC Ethernet Raspberry Pi di Industrial Shields con 4 GB di RAM e 21 I/O. (Immagine per gentile concessione di Industrial Shields)

Collegamento tra Arduino e Raspberry Pi nei PLC con SimpleComm

La libreria SimpleComm C++ consente ai progettisti di inviare dati tramite RS-485, RS-482, Ethernet e altri protocolli. Può essere adattata a diverse topologie di comunicazione, come ad-hoc, master-slave e client-server. Il programma originale ha un'interfaccia di programmazione di applicazioni (API) intuitiva per gli ambienti Arduino. Industrial Shields ha recentemente adattato SimpleComm all'ambiente Linux dei PLC Raspberry Pi.

Soluzione gateway IPC e IIoT

Quando è necessaria una maggiore flessibilità, i progettisti possono rivolgersi agli IPC RevPi Core S e SE e ai gateway IIoT RevPi Connect S e SE di KUNBUS, tutti basati su Raspberry Pi e progettati per il montaggio su guida DIN (Figura 5). Oltre a fornire gli schemi circuitali, KUNBUS utilizza un adattamento open-source del sistema operativo (OS) Raspberry Pi con una patch per il funzionamento in tempo reale. Il sistema operativo Raspberry Pi offre una solida interoperabilità con un'ampia gamma di applicazioni software sviluppate per Raspberry Pi. KUNBUS collabora con i fornitori di software per supportare il software di controllo di supervisione e acquisizione dati (SCADA) per il controllo, il monitoraggio e l'analisi dei dispositivi e dei processi industriali. La disponibilità di accesso completo al root velocizza l'implementazione di programmi personalizzati.

Figura 5: Esempi dell'IPC RevPi Core SE (a sinistra) e del gateway RevPi Connect IIoT (a destra). (Immagine per gentile concessione di KUNBUS)

RevPi Core S e SE sono realizzati su una piattaforma hardware e software aperta, conforme allo standard IEC 61131. Le unità RevPi Core S sono compatibili con tutti i moduli di espansione di KUNBUS, compresi i gateway fieldbus. Le unità RevPi Core SE sono compatibili con i moduli I/O di KUNBUS, ma non supportano i gateway fieldbus. Gli IPC RevPi Core S/SE offrono connessioni USB, micro-USB, Ethernet e HDMI. Sono dotate di un processore quad-core da 1,5 GHz con 1 GB di RAM e sono disponibili in modelli con 8, 16 e 32 GB di memoria. Ad esempio, il modello PR100360, RevPi Core S ha 16 GB di memoria.

Per supportare la connettività IIoT, i gateway RevPi Connect S e SE sono disponibili con un massimo di 32 GB di memoria e includono due prese RJ45 10/100 Ethernet, due porte USB, un'interfaccia RS-485 a 4 pin, oltre a prese micro-HDMI e micro-USB. Le due prese Ethernet supportano la connettività simultanea con le reti di automazione e di tecnologia dell'informazione (IT). Essendo una piattaforma software open-source, le applicazioni possono essere programmate utilizzando Node-RED, Python e C. RevPi Connect può essere aggiornato con le funzionalità PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP e Modbus RTU senza l'uso di moduli di espansione. Esempi di unità RevPi Connect includono:

• PR100363, RevPi Connect S con 16 GB di memoria.
• PR100197, modulo di espansione I/O digitale RevPi.
• PR100250, modulo di espansione analogico RevPi.

PLC PROFINET e SBC

I PLC SBC possono essere dispositivi sofisticati in grado di supportare protocolli di rete avanzati. La rete di campo di processo (PROFINET) è uno standard aperto per dispositivi di rete industriali come PLC, azionamenti, robot, strumenti diagnostici, ecc. Funziona su Industrial Ethernet ed è ottimizzata per la raccolta di dati e il controllo di apparecchiature industriali con comunicazioni in tempo reale. È disponibile per l'esecuzione sulla maggior parte dei PLC Arduino e Raspberry Pi.

Le reti di automazione industriale necessitano di comunicazioni ad alta velocità e deterministiche. PROFINET si concentra su prestazioni deterministiche che forniscono i messaggi esattamente quando necessari e previsti.

Ciò significa che consegna ogni messaggio con la velocità appropriata in base al compito da svolgere. Non tutti i compiti hanno la stessa priorità. PROFINET può inviare messaggi su vari protocolli, tra cui:

• PROFINET in tempo reale (RT)
• PROFINET isocrono in tempo reale (IRT)
• Time-Sensitive Networking (TSN)
• TCP/IP (o UDP/IP)

Conclusione

È disponibile un'ampia gamma di PLC basati su SBC e di dispositivi di rete industriali basati sulle tecnologie Arduino e Raspberry Pi. Tutti utilizzano software open-source e, in alcuni casi, anche hardware open-source. I PLC Arduino sono disponibili come unità standard per piccole reti, micro PLC per installazioni con vincoli di spazio e controller di macchine per applicazioni embedded. I PLC quad-core basati su Raspberry Pi possono supportare applicazioni di rete industriale più complesse. Sono disponibili IPC e gateway IIoT basati su Raspberry Pi che supportano alti livelli di flessibilità nella progettazione e nell'implementazione della rete.