樹莓派大變身：如何用 OpenPLC 打造你的迷你 PLC

通過使用Raspberry Pi和OpenPLC軟件平臺，可以創(chuàng)建一個(gè)簡單的PLC，該P(yáng)LC可以使用梯形圖進(jìn)行編程，并具有遠(yuǎn)程訪問和I/O監(jiān)控儀表板功能。

OpenPLC提供了一個(gè)控制工程開發(fā)平臺，能夠?qū)⒏鞣N微控制器轉(zhuǎn)變?yōu)榭删幊踢壿?a target="_blank">控制器。OpenPLC兼容包括Arduino Uno、ESP32、RP2040等平臺，甚至像Raspberry Pi這樣的單板計(jì)算機(jī)也可以配備編輯器、運(yùn)行時(shí)引擎和Web服務(wù)器，用作PLC。

本文將介紹如何使用OpenPLC在Raspberry Pi上創(chuàng)建PLC。

▲OpenPLC 可在 Raspberry Pi 上實(shí)現(xiàn)

在Raspberry Pi上運(yùn)行PLC（運(yùn)行時(shí)）

使用Raspberry Pi開發(fā)PLC的概念在于實(shí)現(xiàn)OpenPLC運(yùn)行時(shí)環(huán)境，該環(huán)境具有一個(gè)集成的Web服務(wù)器，允許配置運(yùn)行時(shí)參數(shù)。這些運(yùn)行時(shí)參數(shù)與數(shù)據(jù)類型和內(nèi)存寄存器相對應(yīng)。以下列出了一些參數(shù)：

• X：位（1位）

• B：字節(jié)（8位）

• W：字（16位）

• D：雙字（32位）

L：長字（64位）

這些參數(shù)是在結(jié)構(gòu)化文本（.st）文件編譯并下載后創(chuàng)建的。通過Raspberry Pi的IP地址后加“;”和端口號8080來訪問運(yùn)行時(shí)Web服務(wù)器。將鼠標(biāo)指向PI桌面環(huán)境工具欄右側(cè)附近的Wi-Fi圖標(biāo)，可以找到IP地址。IP地址將出現(xiàn)在一個(gè)彈出窗口中。

在 Raspberry Pi 上使用 OpenPLC 的先決條件

WiringPi GPIO庫

OpenPLC運(yùn)行時(shí)需要訪問通用輸入/輸出（GPIO）引腳。最新的Pi平臺（版本3及更新版本）已經(jīng)包含了這個(gè)庫，但為了驗(yàn)證，請打開終端并輸入以下命令：

gpio -v

如果找不到庫（命令），請確保啟用了Wi-Fi，并使用以下命令集安裝WiringPi庫：

git clone https://github.com/WiringPi/WiringPi.git

這將復(fù)制并創(chuàng)建一個(gè)名為WiringPi的文件夾。將當(dāng)前目錄更改為WiringPi：

cd WiringPi

然后輸入以下命令。這將從源文件構(gòu)建WiringPi，類似于安裝過程：

./build

這應(yīng)該完成了該過程，但此時(shí)，請運(yùn)行“gpio -v”命令，并查看為您的Pi平臺新安裝的詳細(xì)信息。它應(yīng)該看起來與下面的圖像類似：

▲成功構(gòu)建 WiringPi 庫

OpenPLC運(yùn)行時(shí)

如果尚未安裝OpenPLC運(yùn)行時(shí)，則過程與之前類似。首先，輸入命令“cd”切換回主目錄：

與之前一樣，使用克隆命令復(fù)制OpenPLC文件夾：

git clone https://github.com/thiagoralves/OpenPLC_v3.git

現(xiàn)在，切換到OpenPLC目錄：

cd OpenPLC_v3

最后，安裝實(shí)際的OpenPLC運(yùn)行時(shí)（這需要一段時(shí)間，請耐心等待）：

./install.sh rpi

安裝完成后，轉(zhuǎn)到您的家用電腦瀏覽器，輸入Raspberry Pi的IP地址（在我的情況下是192.168.1.27），后跟端口8080，運(yùn)行時(shí)登錄屏幕應(yīng)該會(huì)出現(xiàn)：

有關(guān)更詳細(xì)的文檔，請參閱OpenPLC官方網(wǎng)站。

現(xiàn)在，在Pi平臺上完成了先決條件步驟，我們可以繼續(xù)接線和梯形圖邏輯編程！

從 Raspberry Pi 到PLC的引腳映射

輸入和輸出設(shè)備，如按鈕開關(guān)、執(zhí)行器、可視指示器和聲音警報(bào)器，將被分配到 Raspberry Pi 的相應(yīng) I/O 引腳上。本項(xiàng)目文章將通過一個(gè)非常簡單的梯形圖 PLC 程序來操作一個(gè) LED 按鈕開關(guān)。

Raspberry Pi使用兩種不同的編號格式來引用引腳。一種格式使用適當(dāng)?shù)腉PIO引腳編號和功能來標(biāo)記引腳。

在另一種格式中，40針接頭垂直編號，左側(cè)為奇數(shù)，右側(cè)為偶數(shù)。OpenPLC使用左側(cè)的GPIO引腳作為輸入，因此引腳3、5、7、11和13（映射到GPIO引腳2、3、4、17和27）將構(gòu)成輸入標(biāo)簽IX0.0、IX0.1、IX0.2、IX0.3、IX0.4等。

對于輸出，以類似的方式，引腳8、10、16、18和22（GPIO 14、15、23、24和25）等同于輸出標(biāo)簽QX0.0、QX0.1、QX0.2、QX0.3、QX0.4等。

▲Raspberry Pi 4 引腳布局

將I/O設(shè)備連接到Raspberry Pi

按鈕電路將使用一個(gè)帶有10kΩ下拉電阻的觸覺開關(guān)。輸出指示電路由一個(gè)與LED串聯(lián)的330Ω電阻組成。

在最簡單的層面上，可以將單根導(dǎo)線插入40針接頭連接器，并連接到安裝在外部面包板上的按鈕開關(guān)和LED電路。

將按鈕開關(guān)和LED電路連接到Raspberry Pi的另一種方法使用擴(kuò)展板（如下所示），該擴(kuò)展板在T形PCB上引出Raspberry Pi的I/O引腳。擴(kuò)展板插入適當(dāng)長度/尺寸的免焊面包板中，使得按鈕開關(guān)、下拉電阻和LED電路能夠輕松連接到Raspberry Pi，而無需使用大量跳線。

▲擴(kuò)展板 PCB 電氣接線

作為額外的電氣接線參考，提供了電子電路原理圖。

▲Raspberry Pi PLC 原理圖

擴(kuò)展板通過扁平帶狀電纜物理連接到Raspberry Pi，允許電壓（+3.3V）、接地和I/O控制信號電連接到Raspberry Pi的40針接頭連接器。扁平電纜允許免焊面包板的布置方便地放置在車間桌子或?qū)嶒?yàn)室工作臺上。

下面的面包板接線組件展示了連接到擴(kuò)展板的電氣部件。如果沒有擴(kuò)展板，您可以使用跳線直接連接到Pi接頭上的+3.3V、GND、引腳11（GPIO17）和引腳16（GPIO23）。

▲帶擴(kuò)展板的基于 Raspberry Pi 的 PLC 電路

Raspberry Pi的PLC軟件

Arduino OpenPLC介紹項(xiàng)目中提供的“Hello World”梯形圖（LD）可以很容易地修改為適用于Raspberry Pi控制器。LD的主要修改涉及將SBC物理I/O尋址方案應(yīng)用于Raspberry Pi。I/O地址反映引腳格式，而不是GPIO指定。采用這種方法，分配的標(biāo)簽將確保目標(biāo)按鈕開關(guān)的輸入和輸出控制信號以及LED電路將正確啟動(dòng)。

▲Raspberry Pi 物理尋址

與Arduino梯形圖邏輯項(xiàng)目一樣，“Hello World”LD和標(biāo)簽列表表是在OpenPLC編輯器中構(gòu)建的。

▲Raspberry Pi “你好世界 ”LD/標(biāo)記列表表

添加運(yùn)行時(shí)軟件和測試

Raspberry PiOpenPLC項(xiàng)目的最后一步是將運(yùn)行時(shí)軟件上傳到SBC。如“運(yùn)行時(shí)”部分所述，需要訪問Web服務(wù)器頁面。通過Web瀏覽器指向Raspberry Pi的IP地址，運(yùn)行時(shí)編程環(huán)境將可用。

默認(rèn)登錄用戶名和密碼均為openplc。建議您更改登錄憑據(jù)以確保LD程序的安全性。

▲OpenPLC 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器登錄界面

要在Raspberry Pi上運(yùn)行，需要.st文件。通過在OpenPLC編輯器的任務(wù)欄上點(diǎn)擊橙色向下的箭頭圖標(biāo)，.st文件將被存儲(chǔ)在為初始項(xiàng)目創(chuàng)建的指定文件夾中。

▲OpenPLC Runtime .st 文件下載按鈕

返回web服務(wù)器，點(diǎn)擊“Hardware”（硬件）按鈕，選擇Raspberry Pi作為硬件層，并保存更改。

▲選擇 Raspberry Pi 硬件

要上傳.st文件，請?jiān)贠penPLC web服務(wù)器面板的左側(cè)點(diǎn)擊“Programs”（程序）按鈕。

將打開一個(gè)窗口，您可以在此將.st文件（程序）上傳到web服務(wù)器。點(diǎn)擊“Choose File”（選擇文件）按鈕，選擇Hello World.st文件，然后點(diǎn)擊“Upload Program”（上傳程序）。

▲選擇并上傳 .st 文件

將顯示將.st文件轉(zhuǎn)換為C++程序的編譯過程。上傳/轉(zhuǎn)換過程完成后，Hello World程序?qū)@示在表格中。

Hello World程序上傳到Raspberry Pi后，在web服務(wù)器窗口底部用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“Dashboard”（儀表板）按鈕。在面板左側(cè)點(diǎn)擊“Start PLC”（啟動(dòng)PLC）按鈕。程序的執(zhí)行過程將在窗口中可見。

▲用于 Raspberry Pi 的 “Hello World ”監(jiān)控儀表板

可以使用“Monitor”（監(jiān)視器）觀察按鈕開關(guān)和LED的狀態(tài)。用鼠標(biāo)點(diǎn)擊監(jiān)視器按鈕，以觀察按鈕開關(guān)和LED的動(dòng)作。每次按下按鈕時(shí)，LED將從紅色切換到綠色。監(jiān)視器可以作為一種診斷的人機(jī)界面（HMI）工具，用于虛擬觀察Raspberry Pi PLC I/O的物理操作。