כיצד מחשבי לוח-יחיד מרחיבים את טווח ההגעה של אוטומציה תעשייתית

הזמינות של מחשבי-לוח-יחיד (SBCs) כמו Arduino ו-Raspberry Pi, המדורגים לשימוש בסביבות תעשייתיות ביחד עם כלי פיתוח תוכנה מבוססים על תקן ה-International Electrotechnical Commission (IEC) 61131-3, פתחה הזדמנויות חדשות למתכנני אוטומציה של מכונות ומפעלים. חלק מהפתרונות החדשים האלה המבוססים על SBC גם פותחים אפשרויות חדשות עבור אוטומציה של ניטור סביבתי,‏ בית חכם והתקנות בניינים, יישומים חקלאיים ומערכות לא-תעשייתיות אחרות.

מחשבי SBC תעשייתיים משמשים בבקרי מכונות, מחשבים אישיים תעשייתיים (IPCs), שערים (Gateways) של אינטרנט-של-דברים תעשייתי (IIoT‏),‏ מיקרו בקרים לוגיים ניתנים לתכנות (PLCs), בקרי PLC רכים‏, מודולי כניסה/יציאה (I/O) אנלוגיים ודיגיטליים, ועוד. התקנים מבוססי-SBC‏ אלה בנויים על פלטפורמות חומרה ותוכנה פתוחות הכוללות לפעמים זכויות שורש מלאות.

תאימות עם IEC 61131-3‏ משמעותה שחמש שפות תכנות האוטומציה הסטנדרטיות נתמכות, כולל דיאגרמת סולם (ladder diagram), טקסט מובנה, דיאגרמת מלבנים של פונקציות, דיאגרמת פונקציות עוקבות ורשימת פקודות. היותם בנויים תוך שימוש במחשבי SBC פירושו שמפתחים יכולים לפנות גם לשפות כמו Java,‏ Python‏, C או ++C, ובכך מספקים גמישות רבה יותר מחומרת בקרה תעשייתית מסורתית. חלקם תומכים באבטחת נתונים מהחומרה לענן או לרשת ברמה גבוהה יותר כמו מערכת תכנון משאבי ארגון (ERP) עם Secure Element‏ (SE) משובץ ותאימות לתקן מפתח ציבורי של איגוד הטלקומוניקציה הבינלאומי (ITU)‏ X.509.

מאמר זה מציג דוגמאות של פתרונות SBC זמינות למתכנני מכונות ואוטומציה מ-Arduino,‏ Industrial Shields ו-KUNBUS, עבור יישומים שונים, כולל אוטומציה בקנה-מידה קטן עד בינוני, בקרה משובצת במכונות קטנות, והתקנות אוטומציה במפעלים גדולים. מאמר זה מסתיים במבט על כיצד ניתן ליישם PROFINET ורשתות דטרמינסטיות על בקרי SBC PLC.

בקרי Arduino PLC

אחד היתרונות של‏ מרבית בקרי ה-PLC המבוססים על Arduino‏ הוא הזמינות של‏ סביבת הפיתוח המשולבת (IDE) של ‏Arduino PLC עבור כתיבת תוכנת בקרה. ה-Arduino PLC IDE מאפשרת למשתמשים לבחור בכל אחת מחמש שפות התכנות‏ המוגדרות על ידי IEC 61131-3‏ ולקודד במהירות יישומי PLC או להתאים יישומים קיימים. היא גם כוללת Arduino Sketches (תוכניות) מוכנות לשימוש, מערכי הדרכה וספריות.

בקרי PLC מבוססי-Arduino של Industrial Shields ניתנים לתכנות על ידי שימוש ב-Arduino IDE או שימוש ישיר ב-C. בקרי PLC‏ אלה כוללים כלי קוד-פתוח וניתנים לתכנות באמצעות פלטפורמות תוכנה מרובות. הם ניתנים לתכנות דרך נקודות היציאה USB‏ או Ethernet‏ עבור חיבורים מרוחקים. משתמשים יכולים לנטר באופן שוטף את הסטטוס של‏ כל המשתנים, הכניסות והיציאות.

דגם ה-+IS.MDUINO.21 מבית Industrial Shields‏ מדורג לעבוד מ-C‏°‏0‏ עד 60‎°C+, ומעבד ה-ATmega שלו משיג‏ תפוקה של‏ 16‎ MIPS ב-‎16 MHz‏ (איור 1‏). המאפיינים כוללים:

• 13 כניסות:
  • 7 דיגיטליות מבודדות אופטית (5‎ V_DC עד 24‎ V_DC)
    • 2 פסקים (5‎ V_DC עד ‎24 V_DC)
  • 6 ניתנות להגדרת תצורה בתוכנה כאנלוגיות (‎0 V_DC עד ‎10 V_DC,‏ ‎10 bit) או דיגיטליות (‎5 V_DC עד ‎24 V_DC)
• 8 יציאות:
  • 5 דיגיטליות מבודדות אופטית (5‎ V_DC עד 24‎ V_DC)
  • 3 ניתנות להגדרת תצורה בתוכנה כאנלוגיות (‎0 V_DC עד ‎10 V_DC,‏ ‎8 bit), דיגיטליות (‎5 V_DC עד ‎24 V_DC) או מאופננות רוחב פולס (5‎ V_DC עד ‎24 V_DC)
• זכרון ‎256 KB
• תקשורת Ethernet‏, RS-232‏, RS-485‏ ו-USB‏
• ניתן להרחבה בעד 127 מודולים

איור 1‏: לדגם ה-+IS.MDUINO.21 מבית Industrial Shields יש 13‏ כניסות ו-8‏ יציאות. (מקור תמונה: Industrial Shields)

בקרי Micro PLC

ה-Arduino Opta‏ הוא‏ micro PLC המתוכנן לתמוך‏ ביישומי IIoT. ניתן-לתכנות עם ה-Arduino PLC IDE, הוא תומך ב-Arduino Sketches ושפות PLC סטנדרטיות. המעבד העיקרי הוא ה-STM32H747 שתי-ליבות עם ‏480‎ MHz Cortex M7 אחד,‏ ‎240 MHz Cortex M4‏ אחד וזיכרון תוכנית של 1‎ MB התומך בבקרת זמן-אמת, ניטור, ומימוש אלגוריתמים של תחזוקה חזויה. עדכוני קושחה מאובטחים דרך-האוויר (OTA‏) נתמכים על ידי ה-Secure Element המובנה ותאימות ל-X.509.

בקרי Opta PLC‏ זמינים בשלוש גרסאות הנבדלות ביכולת התקשורת שלהן. כל השלוש כוללות USB-C‏. הדגמים הם:

• Opta Lite, דגם AFX00003, המוסיף 10/100Base-T Ethernet‏
• Opta RS485, דגם AFX00001, המוסיף 10/100Base-T Ethernet‏ ו-RS-485 חצי-דופלקס
• Opta Wi-Fi, דגם AFX00002, המוסיף 10/100Base-T Ethernet‏, RS-485 802.11 b/g/n Wi-Fi חצי-דופלקס ו-Bluetooth Low Energy‏ (BLE)

לבקרי micro PLC אלה יש שמונה כניסות אנלוגיות/דיגיטליות ניתנות-לתכנות וארבע יציאות ממסר פתוחות-במצב-רגיל מדורגות ל-‎10 A‏ (‎2.3 kW). לשעון הזמן-אמת (RTC) יש שימור כוח אופייני של עשרה ימים ב-‎25°C+, וסנכרון פרוטוקול זמן רשת (NTP) זמין דרך יציאת ה-Ethernet.‏ הם תואמים מסילת DIN כדי לזרז אינטגרציית מערכת (איור 2‏).

איור 2‏: Opta Lite Arduino micro PLC מציג ארבע יציאות ממסר ‎10 A‏ בצד שמאל, בחזית היחידה. (מקור תמונה: Arduino)

PLC משובץ עבור מכונות קטנות

מתכננים של‏ מכונות קטנות עבור תיוג, עיצוב ואיטום, אריזה בקרטון והדבקה של תנורים חשמליים, מכונות כביסה ומייבשי כביסה תעשייתיים, מיקסרים, וכו' - יכולים לפנות אל Portenta Machine Control PLC בגודל 170 x‏ ‏90‏ x‏ 50 מילימטר (mm)‏. יש לו בית תואם מסילת‏ DIN‏‏ והדקי דחיפה-פנימה עבור חיבור מהיר, ומדורג לעבוד מ-40‎°C- עד 85°C+ ללא קירור חיצוני (איור 3‏). המעבד העיקרי הוא ה-STM32H747 שתי-ליבות עם ‏480‎ MHz Cortex M7 אחד‏ ו-‎240 MHz Cortex M4‏ אחד. הלוח יכול לתמוך בצגי מסך שטוח, לוחות מגע, מקלדות, מוטות-היגוי ועכברים עבור ממשקי מתקין ומפעיל. הוא ניתן לתכנות על ידי שימוש ב-Arduino PLC IDE או פלטפורמות פיתוח משובצות אחרות.

איור 3: לוח ה-Portenta Machine Contro מתוכנן עבור יישומים משובצים במגוון גדול של מכונות. (מקור תמונה: Arduino)

ה-Portenta Machine Control‏ יכול לתמוך בתחזוקה חזויה ובתוכנת בינה מלאכותית (AI). ה-RTC המשובץ שלו תומך בסנכרון של‏ תהליכים ומאפשר איסוף נתוני זמן-אמת ובקרה מרחוק של ציוד.

הוא יכול להתחבר לחיישנים ומפעילים (Actuators‏) חיצוניים שונים באמצעות חיבורי I/O דיגיטליים ואנלוגיים ניתנים לתכנות, שלושה ערוצי טמפרטורת תצורה ומחבר I2C אחד. נתיכים ניתנים לאיפוס (Resettable) מגינים על כל הכניסות/יציאות (I/Os). חיבוריות רשת נתמכת על ידי ‏USB‏, Ethernet‏, Wi-Fi‏, BLE‏ ו-RS-485‏.

Raspberry Pi עבור אוטומציה של מפעל

משימות אוטומציה מורכבות יותר יכולות להפיק תועלת מכוח העיבוד של בקרי PLC מבוססי Raspberry Pi 4 תוך שימוש במעבד Broadcom BCM2711B0. מיוצר בתהליך של 28 ננומטר (nm), ה-BCM2711B0 משתמש בארכיטקטורת Cortex-A72. יש לו ארבע ליבות עם מהירות שעון של‏ GHz‏ 1.5‏ ו-4‎ GB RAM. הוא משלב מספר התקנים היקפיים, כולל קוצבי זמן, בקרי פסק, General Purpose I/O‏ (GPIO), ‏USB, ממשק אודיו דיגיטלי PCM/I2S, בקר גישה ישירה לזיכרון (DMA), ‏I2C Masters, ‏Masters ממשק היקפי טורי (SPI), ‏PWM, מקלטים/משדרים אסינכרוניים אוניברסליים (UARTs), שתי יציאות micro HDMI התומכות ביציאת 4K, ועוד.

בקרי Raspberry Pi Ethernet PLC‏ של Industrial Shields משתמשים ב-BCM2711B0, עובדים עם מתחי כניסה ‎12 V_DC עד 24‎ V_DC ומושכים זרם של עד ‎1.5 A‏. הם כוללים את מערכת ההפעלה Linux והם בעלי אופציות לשתי יציאות Ethernet‏, שתי יציאות RS-485‏, Wi-Fi‏, BLE‏ ואפיק-CAN, ההופכות אותם למסוגלים‏ להתחבר עם התקנים רבים תוך שימוש בפרוטוקולים ויציאות תקשורת מרובים. הם ממוטבים במיוחד עבור יישומים המפיקים תועלת מבקרת זמן-אמת וזמינים עם 2, 4‏ ו-Gb‏ 8‏ של RAM. דוגמאות של בקרי ‏Raspberry Pi PLC‏ של Industrial Shields‏ כוללות:

• 012003000200, עם ‎4 GB RAM ו-21‏ כניסות/יציאות (I/Os)‏ (איור 4‏)
• 012003001100, עם ‎4 GB RAM ו-54‏ כניסות/יציאות (I/Os)‏
• 016003000200, עם ‎4 GB RAM ו-21‏ כניסות/יציאות (I/Os), וקישוריות סלולרית general packet radio service‏ (GPRS)‏

איור4: Raspberry Pi Ethernet PLC של Industrial Shields עם 4‎ GB RAM ו-‏21 כניסות/יציאות (I/Os). (מקור תמונה: Industrial Shields)

גישור Arduino‏ ו-Raspberry Pi‏ בבקרי PLC‏ עם SimpleComm

ספריית ה-++SimpleComm C מאפשרת למתכננים לשלוח נתונים תוך שימוש ב-RS-485‏, RS-482,‏ Ethernet‏ ופרוטוקולים אחרים. ניתן להתאים אותה לטופולוגיות תקשורת שונות כמו ad-hoc,‏ master-slave ו-client-server. לתוכנית המקורית יש ממשק תכנות יישום (API) אינטואיטיבי‏ עבור סביבות Arduino‏. חברת Industrial Shields התאימה לאחרונה את SimpleComm לסביבת ה-Linux הנמצאת בבקרי Raspberry Pi PLC‏.

פתרון שער IPC ו-IIoT‏

כשדרושה גמישות גדולה יותר, מתכננים יכולים לפנות אל RevPi Core S ובקרי SE IPC ו-RevPi Connect S ושער SE IIoT של KUNBUS, כולם מבוססים על Raspberry Pi‏ ומתוכננים עבור הרכבה על מסילת DIN‏ (איור 5‏). בנוסף לאספקת שרטוטי מעגלים, KUNBUS משתמשת‏ באדפטציית קוד-פתוח של מערכת ההפעלה (OS‏) Raspberry Pi‏ עם‏ תיקון פעולת זמן-אמת. ה-Raspberry Pi OS‏ מציעה תפעוליות-בינית (Interoperability) איתנה עם‏ מגוון רחב של‏ יישומי תוכנה המפותחים עבור Raspberry Pi‏. חברת KUNBUS עובדת עם ספקי תוכנה כדי לתמוך בתוכנת בקרת פיקוח ואיסוף נתונים (SCADA) עבור בקרה, ניטור וניתוח התקנים ותהליכים תעשייתיים. הזמינות של גישת שורש מלאה מאיצה את היישום של תוכניות מותאמות אישית.

איור 5: דוגמאות של RevPi Core SE IPC (שמאל) ושער RevPi Connect IIoT (ימין). (מקור תמונה: KUNBUS)

ה-RevPi Core S ו-SE בנויים על‏ פלטפורמת חומרה פתוחה ותוכנה פתוחה התואמת לתקן ה-IEC 61131. יחידות RevPi Core S תואמות עם כל מודולי ההרחבה KUNBUS, כולל שערי Fieldbus. יחידות RevPi Core SE תואמות עם מודולי KUNBUS I/O אך אינן תומכות בשערי ה-Fieldbus. לבקרי RevPi Core S/SE IPC יש חיבורי USB,‏ Micro-USB,‏ Ethernet ו-HDMI. הם כוללים מעבד ארבע-ליבות‏ GHz‏ 1.5‏ עם 1‎ GB RAM, ודגמים זמינים עם 8‏, 16‏ ו-GB‏ 32‏ אחסון. לדוגמה, RevPi Core S דגם PR100360 הוא בעל GB‏ 16‏ זיכרון.

כדי לתמוך בקישוריות IIoT‏, שערי ה-RevPi Connect S ו-SE‏ זמינים עם עד GB‏ 32‏ זיכרון וכוללים שני שקעי RJ45 10/100 Ethernet‏, שתי יציאות USB‏, ממשק RS-485‏‏ 4‏-פינים, ועוד שקעי micro-HDMI‏ ו-micro-USB. שני שקעי ה-Ethernet‏‏ תומכים בקישוריות סימולטנית עם אוטומציה ורשתות טכנולוגיית מידע (IT). כפלטפורמת‏ תוכנה קוד-פתוח, ניתן לתכנת יישומים תוך שימוש ב-Node-RED‏, Python‏, ו-C.‏ ה-RevPi Connect ניתן לשדרוג עם פונקציונליות PROFINET‏, EtherNet/IP‏, EtherCAT‏, Modbus TCP ו-Modbus RTU‏ ללא השימוש במודולי הרחבה. דוגמאות של יחידות‏ RevPi Connect כוללות:

• PR100363,‏ RevPi Connect S עם GB‏ 16‏ זיכרון.
• PR100197,‏ מודול הרחבה RevPi digital I/O.
• PR100250, מודול הרחבה RevPi אנלוגי.

PROFINET ובקרי SBC PLC‏

בקרי SBC PLC‏ יכולים להיות התקנים מתוחכמים המסוגלים לתמוך בפרוטוקולים מתקדמים של רשת. Process field network‏ (PROFINET) הוא תקן פתוח עבור התקני רשת תעשייתיים כמו בקרי PLC‏, דוחפים, רובוטים, כלי דיאגנוסטיקה וכו'. הוא רץ על Ethernet תעשייתי וממוטב עבור איסוף נתונים ובקרת ציוד תעשייתי עם תקשורת זמן-אמת. הוא זמין לרוץ על מרבית בקרי Arduino ו-Raspberry Pi PLC.

רשתות אוטומציה תעשייתיות צריכות מהירות-גבוהה ותקשורת דטרמינסטית. PROFINET‏ מתמקד בביצועים דטרמיניסטיים המספקים מסרים בדיוק כשדרושים וצפויים.

זה אומר, מסירת כל מסר במהירות המתאימה בהתאם למשימה המבוצעת. לא כל המשימות הן רגישות לזמן במידה שווה. PROFINET‏ יכול למסור מסרים בפרוטוקולים שונים, כולל:

• PROFINET‏ זמן-אמת (RT)
• PROFINET‏ זמן-אמת איזוכרוני (IRT)
• רשת תלויית זמן (TSN)
• TCP/IP‏ (או UDP/IP)

סיכום

קיים מגוון רחב של בקרי PLC מבוססי-SBC והתקני רשת תעשייתיים המבוססים על טכנולוגיות ‏Arduino ו-Raspberry Pi. הם משתמשים בתוכנת קוד-פתוח, ובמקרים מסוימים, חומרת קוד-פתוח. בקרי Arduino PLC זמינים כיחידות בגודל סטנדרטי עבור רשתות קטנות, בקרי micro PLC עבור התקנות רגישות-מקום, ובקרי מכונות עבור יישומים משובצים. בקרי PLC מבוססי Raspberry Pi‏ ארבע-ליבות יכולים לתמוך ביישומי רשת תעשייתית מורכבים יותר. זמינים בקרי IPC מבוססי Raspberry Pi‏ ושערי IIoT התומכים ברמות גבוהות של‏ גמישות בתכנון ופריסת רשתות.