magyar elektronika

E-mail cím:*

Név:

Digy Kex lidAz ipari dolgok internete (IIoT) gyorsan terjed, ám a folyamatfejlesztő mérnököknek a hagyományos programozható logikai vezérlőegységek (PLC-k) által kínáltnál nagyobb egyedi rugalmasságra és csatlakoztatási lehetőségekre van szükségük. Az egyedi megoldások építése viszont drága és időigényes lehet, mivel kevés folyamatfejlesztő mérnöknek van tapasztalata a mikrovezérlőkön alapuló, ténylegesen beágyazott megoldások kivitelezésében.

 

A cikk először röviden ismerteti a PLC-ket, majd bemutatja, hogy miként hozhatják létre a fejlesztők a saját vezeték nélküli PLC-jüket, amely létradiagramos logikát használva implementálja az alkalmazásokat.

 

A programozható logikai vezérlőegységek (PLC-k) ismertetése

A PLC egy különlegesen biztonságos működésűre tervezett számítógép, amelyet ipari alkalmazások egyes folyamatainak automatizálására használnak. Az automatizálandó folyamat bármi lehet a gyári szerelősortól az épületeknek a dolgok internetére (IoT) kapcsolódó világításvezérlési rendszeréig, a kettő között minden egyebet is beleértve. 

A jellegzetes PLC szerkezeti felépítése az alábbiakból áll: (1. ábra)

  • egy központi jelfeldolgozó egység (processzor, CPU) belső RAM és ROM memóriával,
  • digitális és analóg bemenetek,
  • digitális és analóg kimenetek,
  • ipari körülményekre tervezett tápegységek és
  • a kívánt működésmód végrehajtására szolgáló logikai alkalmazások.

Figure 1

1. ábra A jellegzetes PLC szerkezeti felépítése tartalmaz egy sor analóg és digitális bemenetet. E bemenetekről érkező jeleket egy logikai alkalmazás dolgozza fel és hajtja végre, majd a kívánt módon működteti a jelekkel a digitális és analóg kimenetekre kapcsolt berendezéseket (A kép forrása: Unitronics)

 

A piacon a hagyományos PLC-kből elég nagy a választék, a fejlesztők azonban szeretnék testre szabni a PLC működését, illetve saját, egyedi készüléket szeretnének építeni. A számos lehetőség közül igen érdekes módszer, amellyel a hagyományos beágyazott rendszereket tervező mérnökök egyszerűen élhetnek, az STM32 ODE nyílt fejlesztői környezet (Open Development Environment) használata.

 

Vezeték nélküli PLC építése

A fejlesztőknek az alábbi három fő hardverösszetevőre van szükségük saját vezeték nélküli PLC-jük megépítéséhez:

  • egy processzor (CPU),
  • bemeneti és kimeneti jelformázás, valamint
  • egy Wi-Fi-modul.

A fejlesztők megtervezhetik mindezen összetevőket a nulláról kiindulva, vagy alkalmazhatnak valamilyen már meglévő ökorendszert. Az STMicroelectronics leegyszerűsítette a PLC-k építését az STM32 fejlesztői csomag kialakításával, amely mindegyik fent említett összetevőt tartalmazza, és még egy alapszoftvert is kínál a létradiagramos logikára épülő alkalmazások kifejlesztéséhez. 

Vizsgáljuk most meg ezeket a legfontosabb összetevőket és azokat a követelményeket, amelyeknek meg kell felelniük, hogy ipari környezetben lehessen őket használni.
Az első fontos összetevő a CPU, amely ebben az esetben az STM32F401RE kódjelű termék az STMicroelectronics-tól.
Az STM32F401RE is egy 32 bites ARM® Cortex®-M4 processzor, amely 84 MHz-es órajelen fut, 512 MB gyorsmemóriát tartalmaz az alkalmazáskód számára, és 96 kB RAM van benne. Az STM32F401RE a Nucleo-401RE kiértékelő kártyán kapható, amely tartalmazza a más hardverhez való illesztéshez használható Arduino foglalatokat is, valamint egy ST-Link alkotóelemet a beágyazott szoftver programozásához. A Nucleo-401RE az az egység, ahol az összes PLC-kód végrehajtása történik. A PLC megépítéséhez szükséges második összetevő a bemenetekhez és a kimenetekhez használandó jelformáló kártya. A fejlesztők két kártya közül választhatnak, vagy kombinálhatják azokat, ha az alkalmazás ezt szükségessé teszi.
Az első az X-Nucleo-PLC01A1 ipari be- és kimenetbővítő kártya (2. ábra). Az X-Nucleo-PLC01A1 a CLT01-38SQ7 nagy sebességű digitális bemenethatárolón keresztül elérhető nyolc formázott bemenetet tartalmaz. A CLT01-38SQ7 a bemeneti érintkezők által felvett áram korlátozásával védi a PLC digitális bemeneteit. Van ezenkívül 8 ipari kimenet is, amely a VNI8200XP nyolccsatornás monolit illesztőáramkörrel van formázva. Ennek jellemzője a nagyon kis tápáram, a beépített SPI illesztőfelület és a nagy hatásfokú 100 mA-es, törpefeszültségű feszültségcsökkentő kapcsolóüzemű feszültségszabályozó. A VNI8200XP nyolc lapkára épített félvezetős relét tartalmaz, ezek mindegyike 0,7 A erősségű áramot képes vezérelni. Az X-Nucleo-PLC01A1 tartalmaz továbbá egy LED-es kijelzőt is, amely mutatja az egyes be- és kimenetek állapotát, valamint három figyelmeztető LED-et, amelyek a túlmelegedést és a kártya egyéb hibáit jelzik.

 

Figure 2

2. ábra Az X-Nucleo-PLC01A1 egy ipari minősítésű kártya, amelyet nyolc digitális bemenettel és nyolc digitális kimenettel rendelkező PLC-alkalmazás kialakítására terveztek (A kép forrása: STMicroelectronics)

 

Az X-Nucleo-PLC01A1 kártya SPI kapcsolaton keresztül kommunikál a Nucleo-401RE kártyával.
A PLC-k esetében szükség lehet arra is, hogy képesek legyenek nagy áramú és analóg jelek vezérlésére is. Az X-Nucleo-PLC01A1 kártyát kizárólag digitális jelekhez tervezték. A fent említett egyéb jelek vezérléséhez a fejlesztők használhatják az X-Nucleo-OUT01A1 kártyát (3. ábra). Az X-Nucleo-OUT01A1 tartalmazza az STMicroelectronics cég ISO8200BQ típusjelű, galvanikusan szigetelt nyolccsatornás, magas jelű, intelligens, nagy teljesítményű félvezetős reléjét. Ha összehasonlítjuk e kimenőjeleket a PLC01A1 kimenőjeleivel, lényeges eltérés, hogy ez a kártya képes 10,5...33 V közötti feszültségen is működni, és az analóg és digitális jelek egymástól galvanikusan elszigeteltek. A kártyán található emellett néhány LED-es kijelző is, amelyek kommunikációs hibára vagy túlmelegedésre figyelmeztetnek.

 

Figure 3

3. ábra Az X-Nucleo-OUT01A1 egy ipari minősítésű kártya, amelyet PLC-alkalmazások készítéséhez terveztek, nyolc relés kimenettel rendelkezik, és 0,7 A áramerősséget képes kezelni (A kép forrása: STMicroelectronics)


A vezeték nélküli programozási mechanizmus készítéséhez vagy a dolgok internetéhez (IoT) kapcsolódó PLC létrehozásához használható utolsó összetevő egy vezeték nélküli lapka.
A fejlesztők használhatják az X-Nucleo-IDW01M1X-Nucleo-IDW01M1 lapkát, amely egy 802.11 b/g/n szabványnak megfelelő Wi-Fi-bővítőmodul, amely szintén az STMicroelectronics terméke (4. ábra). Az X-Nucleo-IDW01M01 egy FCC-, IC- és CE-jóváhagyással rendelkező lapka, beépített antennával, amelynek köszönhetően készen építhető be éles rendszerekbe.

 

Fig4

4. ábra Az X-Nucleo-IDW01M01 egy ipari minősítésű Wi-Fi-modul, amely PLC-kbe építhető be a vezeték nélküli kapcsolat biztosítása végett (A kép forrása: STMicroelectronics)


Ha mindezen összetevők rendelkezésre állnak, a fejlesztő összeállíthatja a PLC hardverét az 5. ábrán látható sorrendben.
A kártyákat fordított sorrendben is össze lehet építeni, ami nem károsítja őket, de további hibakeresést eredményez. Abban az esetben, ha lenne valamilyen egyedi hardverelem, amelyet hozzá kell még adni a PLC-hez, amilyen például az RS-485 lapka, a fejlesztők használhatják az Arduino prototípus-készítő kártyáját, amilyen például a Proto Shield az Olimextől, vagy az Adafruit Proto Shield kártyája.

 

Figure 5

5. ábra Az STMicroelectronics fejlesztői kártya összeszerelési sorrendje adott funkcióknak megfelelő PLC készítéséhez (A kép forrása: Beningo Embedded Group)

 

A PLC szoftverének beállítása

Előfordulnak olyan szoftverelemek, amelyekre szükség van a PLC beállításához. Ezek a következők:

  • a PLC beágyazott szoftvere,
  • egy beágyazott fordítóprogram, és
  • egy létradiagramos logikát megvalósító alkalmazás.

Figure 6

6. ábra A PLC működtetéséhez szükséges beágyazott PLC-alkalmazáscsomag (A kép forrása: Beningo Embedded Group)

 

A PLC beágyazott szoftverét, az FP_IND_PLCWIFI1 szoftvert az STMicroelectronics fejlesztette, és letölthető az STM webhelyről. Tartalmazza az STM32F401RE beállításához és működtetéséhez szükséges valamennyi kódot, és néhány gyárilag megadott beállítást, attól függően, hogy milyen hardver-összeállításra van szükség. A beágyazott szoftver úgy érkezik, hogy három projekt már gyárilag be van állítva az STM System Workbench, IAR Workbench és a Keil MDK használatához, ezeket a http://www.st.com/en/embedded-software/fp-ind-plcwifi1.html weblapról lehet letölteni (6. ábra). A fejlesztők ezek bármelyikét használhatják a PLC beágyazott szoftverének lefordítására és telepítésére.
A beágyazott alkalmazás a letöltés után importálható a kívánt fordítóprogramok IDE-környezetébe, és lefordítható. A fejlesztőnek azt kell tapasztalnia, hogy a kódfordítás hiba nélkül megy végbe. A lefordított alkalmazás ezután a számítógép bármelyik normál USB-csatlakozóján át letölthető a PLC-re.
Végül az STMicro készített egy egyszerű PLC-alkalmazás-programot is, amelynek segítségével létrehozhatók a létradiagramos logikai alkalmazások. Ez az alkalmazás iOS és Android rendszerre is elérhető. Az alkalmazást az alkalmazásboltokban az ST PLC App névre rákeresve lehet letölteni a mobileszközökre.

Figure 7

7. ábra Az ST PLC alkalmazásban a fejlesztő létrehozhat egy új projektet (a bal oldalon pirossal kiemelve), kiválaszthatja a projekt nevét (a jobb oldalon narancssárgával), majd meghatározhatja a használt hardvert (a jobb oldalon zölddel) (A kép forrása: Beningo Embedded Group)

 

Egy egyszerű mintaalkalmazás

Miután fut a PLC beágyazott szoftvere, a fejlesztő saját alkalmazáskódjának az ST PLC alkalmazás segítségével való kifejlesztésére összpontosíthat. Az alkalmazáskód kifejlesztése létradiagramos logika használatával történik. A fejlesztő elindíthat egy alkalmazást, és létrehozhat egy új projektet a hardverkészletébe kiválasztott fejlesztői kártyák alapján (7. ábra).
A projekt beállítása után a fejlesztőnek tiszta lapja van, hogy létrehozza a létradiagramos logika létrafokait az alkalmazásához. Első projektnek kiválóan megfelel pusztán annak ellenőrzése, hogy olvasható-e az egyik bemenőjel, valamint egy kimenőjel beállítása ezen bemenőjel alapján. A fejlesztő ezt az ellenőrzést az Add rung (Létrafok hozzáadása) gombra kattintva, majd az alkalmazáson belül szükséges logikát kialakítva hozhatja létre. Miután ezzel elkészült, a fejlesztő a 8. ábra bal oldalán láthatóhoz hasonló létrafokot kap.
A létrafok mentése után a fejlesztő visszakerül a projekt fő képernyőjére. Itt a fejlesztő módosíthatja a létrafokot, vagy létrehozhat új létrafokokat az alkalmazásban. Ha az alkalmazás telepítésre kész, a 8. ábra jobb oldalán látható Wireless Transmit (Vezeték nélküli átvitel) gombra kattintva a mobileszköz csatlakozik a PLC-hez, és átküldi rá a PLC-alkalmazást. Itt jegyeznénk meg, hogy a fejlesztőnek csatlakoztatnia kell a mobileszközét a PLC hozzáférési pontjához, és be kell állítania a portszámot és az IP-címet ahhoz, hogy az alkalmazás átvitele sikerüljön.

Figure 8

8. ábra Az ST PLC alkalmazásban a fejlesztő kialakíthatja a készülék elképzelése szerinti működésének vezérléséhez szükséges logikát (balra). Az alkalmazás a létrehozása után vezeték nélkül átvihető a PLC-re a Send Application (az Alkalmazás elküldése) gombra kattintva (jobbra) (A kép forrása: Beningo Embedded Group)

 

Tanácsok és trükkök a vezeték nélküli PLC építéséhez

Van néhány tanács és trükk, amit a fejlesztők követhetnek saját egyedi vezeték nélküli PLC-jük építése során. Ezek a következők:

  • Ha a vezeték nélküli kártya nem működik, ellenőrizze, hogy a kártya megfelelően van-e elhelyezve a foglalatban (azaz megfelelő irányban lett-e behelyezve).
  • Növelhető a rendszer biztonsága, ha biztonsági kulcsot ad az SSID-hez.
  • Frissítse a PLC-t az alapértelmezett vezeték nélküli működés Station (Állomás) üzemmódra állításával, és csakis frissítéskor kapcsolódjon a hozzáférési ponthoz.
  • Gondolja meg az olyan ipari kommunikációs protokollok hozzáadását, mint az RS-485 és a Modbus.
  • A legjobb módszer arra, hogy naprakész legyen a PLC-ket illetően, ha elgondolkozik egy érdekes problémán, majd megpróbálja azt a PLC segítségével megoldani.
  • A PLC beágyazott szoftverének lefordításához használja az IAR Embedded Workbench for ARM alkalmazást. Az összekapcsolt fejlesztőeszköz-készlet 30 napig korlátlanul használható kód nélkül.

 

Következtetés

Az egyedi PLC építésének nem kell szükségszerűen nehéznek lennie. Mint látható, az STMicroelectronics által kínált ökorendszer lehetővé teszi a fejlesztők számára az alapszintű PLC-szoftver rendkívül gyors beállítását és működtetését. Az alkalmazás ezt követően egyszerűen módosítható és testre szabható, hogy az alkalmazások és kihívások széles körének megfeleljen.
Miközben az elsődleges cél a végleges alkalmazáskód létradiagramos logika segítségével történő kialakítása, ha a fejlesztő rendelkezik kellő tapasztalattal és tudással, egyszerűen módosíthatja a beágyazott szoftvert, és így az eredetinél sokkal hatékonyabb és rugalmasabb hibrid rendszert hozhat létre.

 

Szerző: Rich Miron – Digi-Key Electronics

 

Digi-Key Electronics

Angol/német nyelvű kapcsolat
Hermann W. Reiter
Director, Global Strategic Business Development

Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +49 151 6286 5934
E-mail: hermann.reiter@digikey.com

www.digikey.hu

 

Még több Digi-Key Electronics

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 

 

   
Advertisement
--!>