【導(dǎo)讀】工業(yè) SBC 正廣泛應(yīng)用于機(jī)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(tái)之上，有時(shí)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(jī) (SBC) 的出現(xiàn)，以及基于國(guó)際電工委員會(huì) (IEC) 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的軟件開發(fā)工具的推出，為機(jī)器和工廠自動(dòng)化設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了新的機(jī)遇。其中一些基于 SBC 的新解決方案還為自動(dòng)化環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能家居和樓宇安裝、農(nóng)業(yè)應(yīng)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(yīng)用于機(jī)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(tái)之上，有時(shí)還包括完全 root 權(quán)限。
只要符合 IEC 61131-3 標(biāo)準(zhǔn)，即意味著支持五種標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)化編程語(yǔ)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(yǔ)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(guó)際電信聯(lián)盟 (ITU) X.509 標(biāo)準(zhǔn)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(jí)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)安全。
本文以來(lái)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(jī)器和自動(dòng)化設(shè)計(jì)人員，適用于各種應(yīng)用，包括中小型自動(dòng)化、小型機(jī)器的嵌入式控制和大型工廠自動(dòng)化裝置。文章最后介紹了如何在 SBC PLC 上實(shí)現(xiàn) PROFINET 和確定性聯(lián)網(wǎng)。
Arduino PLC
對(duì)于大多數(shù)基于 Arduino 的 PLC 來(lái)說(shuō)，其優(yōu)點(diǎn)之一是可使用 Arduino PLC 集成開發(fā)環(huán)境 (IDE) 來(lái)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(yǔ)言中的任何一種，并快速編寫 PLC 應(yīng)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(kù)。
Industrial Shields 基于 Arduino 的 PLC 可使用 Arduino IDE 或直接使用 C 語(yǔ)言進(jìn)行編程。這些 PLC 包括開源工具，可在多種軟件平臺(tái)上進(jìn)行編程。它們可通過 USB 或以太網(wǎng)端口進(jìn)行編程，以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(hào)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(dá)到 16 MIPS 的吞吐量（圖 1）。特性包括：
· 13 個(gè)輸入：
7 個(gè)光電隔離數(shù)字輸入（5 VDC 至 24 VDC）
2 個(gè)中斷（5 VDC 至 24 VDC）
6 個(gè)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(gè)輸出：
5 個(gè)光電隔離數(shù)字輸出（5 VDC 至 24 VDC）
3 個(gè)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(kuò)展 127 個(gè)模塊
圖 1：Industrial Shields 的 IS.MDUINO.21+ 型號(hào)有 13 個(gè)輸入和 8 個(gè)輸出。（圖片來(lái)源：Industrial Shields）
微型 PLC
Arduino Opta 是一款專為支持 IIoT 應(yīng)用而設(shè)計(jì)的微型 PLC。該器件可使用 Arduino PLC IDE 進(jìn)行編程，支持 Arduino 草圖和標(biāo)準(zhǔn) PLC 語(yǔ)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(chǔ)器，支持實(shí)時(shí)控制、監(jiān)測(cè)和實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)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(hào)，按通信能力進(jìn)行區(qū)分。這三款產(chǎn)品都包括 USB-C。這些型號(hào)是：
· Opta Lite，型號(hào) AFX00003，添加了 10/100BASE-T 以太網(wǎng)
· Opta RS485，型號(hào) AFX00001，添加了 10/100BASE-T 以太網(wǎng)和半雙工 RS-485
· Opta Wi-Fi，型號(hào) 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(lán)牙 (BLE)
這些微型 PLC 有 8 個(gè)可編程模擬/數(shù)字輸入和 4 個(gè)常開繼電器輸出，額定電流為 10 A (2.3 kW)。實(shí)時(shí)時(shí)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)時(shí)間協(xié)議 (NTP) 同步。它們與 DIN 導(dǎo)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(gè) 10 A 繼電器輸出。（圖片來(lái)源：Arduino）
適用于小型機(jī)器的嵌入式 PLC
對(duì)于貼標(biāo)機(jī)、成型機(jī)、密封機(jī)、紙箱包裝機(jī)、涂膠機(jī)、電烤箱、工業(yè)清洗機(jī)和烘干機(jī)、攪拌機(jī)等小型機(jī)器來(lái)說(shuō)，設(shè)計(jì)人員可以使用 170 x 90 x 50 mm 的 Portenta 機(jī)器控制 PLC。該器件具有 DIN 導(dǎo)軌兼容外殼以及能實(shí)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(wú)需外部冷卻（圖 3）。主處理器為雙核 STM32H747，配備一個(gè) 480 MHz Cortex M7 和一個(gè) 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(biāo)，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(tái)進(jìn)行編程。
圖 3：Portenta 機(jī)器控制板專為各種機(jī)器的嵌入式應(yīng)用而設(shè)計(jì)。（圖片來(lái)源：Arduino）
Portenta 機(jī)器控制可支持預(yù)測(cè)性維護(hù)和人工智能 (AI) 軟件。其嵌入式 RTC 支持流程同步，并可進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集和遠(yuǎn)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(gè)配置溫度通道和一個(gè) I2C 連接器，該板可連接到各種外部傳感器和致動(dòng)器。自恢復(fù)保險(xiǎn)絲可保護(hù)所有 I/O。網(wǎng)絡(luò)連接支持 USB、以太網(wǎng)、Wi-Fi、BLE 和 RS-485。
適用于工廠自動(dòng)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(fù)雜的自動(dòng)化任務(wù)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(gè)內(nèi)核，時(shí)鐘速度為 1.5 GHz，RAM 為 4 GB。它集成了眾多外設(shè)，包括定時(shí)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(chǔ)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(duì)受益于實(shí)時(shí)控制的應(yīng)用進(jìn)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(gè) I/O（圖 4）
· 012003001100，配備 4 GB RAM 和 54 個(gè) I/O
· 016003000200，配備 4 GB RAM、21 個(gè) I/O 和通用分組無(wú)線服務(wù) (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(gè) I/O。（圖片來(lái)源：Industrial Shields）
用 SimpleComm 在 PLC 中橋接 Arduino 和 Raspberry Pi
SimpleComm C++ 庫(kù)允許設(shè)計(jì)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(kù)可以適應(yīng)不同的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如自組織 (ad-hoc) 通信、主從通信和客戶端-服務(wù)器通信。原始程序有一個(gè)適用于 Arduino 環(huán)境的直觀應(yīng)用編程接口 (API)。Industrial Shields 最近針對(duì) Raspberry Pi PLC 上的 Linux 環(huán)境對(duì) SimpleComm 進(jìn)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(jì)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(jì)用于 DIN 導(dǎo)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(shí)時(shí)操作補(bǔ)丁。該 Raspberry Pi 操作系統(tǒng)與專為 Raspberry Pi 開發(fā)的各種軟件應(yīng)用程序具有穩(wěn)健的互操作性。KUNBUS 與軟件供應(yīng)商合作，支持監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 軟件對(duì)工業(yè)設(shè)備和流程進(jìn)行控制、監(jiān)測(cè)和分析。提供完全 root 訪問權(quán)限則加快了定制程序的實(shí)現(xiàn)。
圖 5：RevPi Core SE IPC（左）和 RevPi Connect IIoT 網(wǎng)關(guān)（右）的示例。（圖片來(lái)源：KUNBUS）
RevPi Core S 和 SE 建立在符合 IEC 61131 標(biāo)準(zhǔn)的開放式硬件和開放式軟件平臺(tái)之上。RevPi Core S 設(shè)備兼容所有 KUNBUS 擴(kuò)展模塊，包括現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(chǔ)容量的型號(hào)可供選擇。例如，型號(hào)為 PR100360 的 RevPi Core S 擁有 16 GB 存儲(chǔ)容量。
為了支持 IIoT 連接，RevPi Connect S 和 SE 網(wǎng)關(guān)提供高達(dá) 32 GB 的存儲(chǔ)容量，還包括兩個(gè) RJ45 10/100 以太網(wǎng)插座、兩個(gè) USB 端口、一個(gè) 4 針 RS-485 接口，以及 micro-HDMI 和 micro-USB 插座。兩個(gè)以太網(wǎng)插座支持同時(shí)連接自動(dòng)化和信息技術(shù) (IT) 網(wǎng)絡(luò)。作為一個(gè)開源軟件平臺(tái)，應(yīng)用程序可以使用 Node-RED、Python 和 C 語(yǔ)言進(jìn)行編程。RevPi Connect 可通過 PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus TCP 和 Modbus RTU 功能進(jìn)行升級(jí)，而無(wú)需使用擴(kuò)展模塊。RevPi Connect 設(shè)備的示例包括：
· PR100363，具有 16 GB 存儲(chǔ)容量的 RevPi Connect S。
· PR100197，RevPi 數(shù)字 I/O 擴(kuò)展模塊。
· PR100250，RevPi 模擬擴(kuò)展模塊。
PROFINET 和 SBC PLC
SBC PLC 可以是能夠支持高級(jí)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的精密器件。過程現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò) (PROFINET) 是一種適用于 PLC、驅(qū)動(dòng)器、機(jī)器人、診斷工具等工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的開放標(biāo)準(zhǔn)。其運(yùn)行于工業(yè)以太網(wǎng)上，針對(duì)通過實(shí)時(shí)通信來(lái)收集數(shù)據(jù)和控制工業(yè)設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化。PROFINET 可在大多數(shù) Arduino 和 Raspberry Pi PLC 上運(yùn)行。
工業(yè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)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(yù)期準(zhǔn)確傳遞消息。
這意味著要根據(jù)正在執(zhí)行的任務(wù)，以適當(dāng)?shù)乃俣葌鬟f每一條消息。并非所有任務(wù)都具有同樣的時(shí)間敏感性。PROFINET 可通過各種協(xié)議傳遞消息，包括：
· PROFINET 實(shí)時(shí) (RT)
· PROFINET 等時(shí)同步實(shí)時(shí) (IRT)
· 時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò) (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(luò)設(shè)備種類繁多。這些設(shè)備使用開源軟件，有時(shí)還使用開源硬件。Arduino PLC 可提供適用于小型網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用的機(jī)器控制器。基于四核 Raspberry Pi 的 PLC 可支持更復(fù)雜的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(luò)設(shè)計(jì)和部署。
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