樹莓派PLC：讓工業(yè)自動化進(jìn)入DIY時代！

PLC和樹莓派簡介

可編程邏輯控制器（PLC） 是一種專為各種行業(yè)的流程自動化和機(jī)械控制而設(shè)計(jì)的工業(yè)計(jì)算機(jī)。PLC以其高可靠性、堅(jiān)固耐用性著稱，能夠處理諸如管理傳送帶、監(jiān)控傳感器或操作機(jī)器人系統(tǒng)等任務(wù)。它們是確保自動化過程中精度、效率和安全性的關(guān)鍵。

樹莓派 則是一款多功能、經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的單板計(jì)算機(jī)，憑借其緊湊的設(shè)計(jì)和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域而廣受歡迎。樹莓派最初是作為教育工具開發(fā)的，但憑借其低成本、通用輸入/輸出（GPIO）引腳以及與開源軟件的兼容性，它成為傳統(tǒng)PLC在預(yù)算有限的愛好者、教育工作者和小型企業(yè)中的有前景的替代品。

工業(yè)自動化趨勢

工業(yè)4.0與智能工廠

集成物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、人工智能（AI）和機(jī)器學(xué)習(xí)等先進(jìn)技術(shù)，創(chuàng)建互聯(lián)且智能的生產(chǎn)系統(tǒng)。實(shí)時數(shù)據(jù)采集與分析，用于預(yù)測性維護(hù)、流程優(yōu)化和提高效率。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）

使用聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和傳感器監(jiān)控設(shè)備和流程。重點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)機(jī)器與系統(tǒng)之間的無縫通信，以提高生產(chǎn)力并減少停機(jī)時間。

人工智能與機(jī)器學(xué)習(xí)

AI驅(qū)動的解決方案用于預(yù)測性維護(hù)、質(zhì)量控制和決策。機(jī)器學(xué)習(xí)模型可優(yōu)化生產(chǎn)線并動態(tài)適應(yīng)變化條件。

協(xié)作機(jī)器人與先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)

部署與人類工人協(xié)同工作的協(xié)作機(jī)器人（cobots）。機(jī)器人在重復(fù)性任務(wù)、精密組裝和危險操作中的應(yīng)用日益增多。

邊緣計(jì)算

在數(shù)據(jù)源（如傳感器和控制器）附近處理數(shù)據(jù)，以減少延遲并提高決策速度。增強(qiáng)安全性和減少對集中式云系統(tǒng)的依賴。

自動化中的網(wǎng)絡(luò)安全

強(qiáng)調(diào)保護(hù)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)免受網(wǎng)絡(luò)威脅。實(shí)施諸如加密通信和異常檢測等強(qiáng)大安全措施。

PLC的定義

PLC通過接收來自各種來源（如傳感器、開關(guān)或其他設(shè)備）的輸入信號來工作。這些信號代表現(xiàn)實(shí)世界中的條件，如溫度、壓力、運(yùn)動或機(jī)械狀態(tài)。

處理（邏輯執(zhí)行）：PLC的中央處理單元（CPU）根據(jù)預(yù)編程的邏輯處理輸入數(shù)據(jù)。邏輯通常使用梯形圖、功能塊圖或結(jié)構(gòu)化文本編程來定義。

根據(jù)處理后的邏輯，PLC向執(zhí)行器、電機(jī)、閥門或其他設(shè)備發(fā)送輸出信號以執(zhí)行特定動作。例如，啟動電機(jī)、打開閥門或停止傳送帶。

PLC以循環(huán)方式（掃描周期）運(yùn)行，反復(fù)讀取輸入、處理邏輯和更新輸出，確保實(shí)時控制。

通信 現(xiàn)代PLC可以連接到網(wǎng)絡(luò)并與其他控制器或監(jiān)控系統(tǒng)通信，從而集成到更大的自動化框架中。

PLC的典型應(yīng)用場景

制造自動化

控制裝配線、機(jī)械臂和工廠中的機(jī)械。協(xié)調(diào)焊接、包裝或質(zhì)量控制等流程。

流程控制

調(diào)節(jié)石油和天然氣、食品加工和制藥等行業(yè)中的變量，如溫度、壓力或流量。

物料處理

管理倉庫、機(jī)場或港口中的傳送帶、分揀系統(tǒng)和起重機(jī)。

能源管理

自動化發(fā)電廠中的系統(tǒng)，如渦輪機(jī)控制、電網(wǎng)管理和負(fù)荷分配。

建筑自動化

運(yùn)營商業(yè)和住宅建筑中的暖通空調(diào)系統(tǒng)、照明和電梯。

水和廢水處理

監(jiān)控和控制處理廠中的泵、閥門和過濾系統(tǒng)。

交通系統(tǒng)

控制鐵路信號、交通燈和收費(fèi)亭。管理地鐵或機(jī)場系統(tǒng)的無縫運(yùn)行。

農(nóng)業(yè)自動化

控制灌溉系統(tǒng)、溫室和動物喂養(yǎng)系統(tǒng)，以優(yōu)化農(nóng)業(yè)實(shí)踐。

使用樹莓派作為PLC的優(yōu)勢

成本效益

樹莓派比傳統(tǒng)PLC便宜得多，是小型企業(yè)、初創(chuàng)公司、愛好者和教育項(xiàng)目的理想選擇。

可定制性

樹莓派的開源特性允許用戶創(chuàng)建和定制符合特定需求的自動化系統(tǒng)，與專有PLC系統(tǒng)相比提供了無與倫比的靈活性。

豐富的軟件生態(tài)系統(tǒng)

與Python、Node-RED和Codesys等多種編程環(huán)境兼容?？梢允褂帽姸鄮旌凸ぞ邔?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄、物聯(lián)網(wǎng)連接和機(jī)器學(xué)習(xí)等高級功能。

物聯(lián)網(wǎng)集成

樹莓派可以無縫連接到云平臺，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制和預(yù)測分析。是實(shí)施工業(yè)4.0和基于物聯(lián)網(wǎng)的自動化解決方案的理想選擇。

多種輸入/輸出（IO）選項(xiàng)

配備GPIO引腳以實(shí)現(xiàn)基本的IO功能，并可以通過HAT（Hardware Attached on Top）或shield擴(kuò)展工業(yè)級連接。

開源許可

消除對專有軟件或硬件的依賴，降低長期成本并提供對系統(tǒng)的完全控制。

所需組件

硬件

樹莓派和數(shù)字/模擬I/O擴(kuò)展板

? 數(shù)字I/O板

提供額外的數(shù)字輸入和輸出引腳?？捎糜诳刂评^電器、傳感器和執(zhí)行器。例如：PiFace Digital、Automation HAT。

? 模擬I/O板

為樹莓派添加模擬輸入/輸出功能，樹莓派本身不支持模擬信號。對于讀取溫度、壓力等模擬傳感器的數(shù)據(jù)或控制模擬執(zhí)行器至關(guān)重要。例如：基于ADS1115或MCP3008的ADC/DAC HAT。

? 繼電器板

啟用對高壓設(shè)備（如電機(jī)、燈光或工業(yè)機(jī)械）的控制。例如：PiRelay、Sainsmart 4通道繼電器模塊。

? 工業(yè)I/O板

專為惡劣環(huán)境設(shè)計(jì)，具備光隔離、過壓保護(hù)和工業(yè)信號電平兼容性等功能。例如：Sequent Microsystems Industrial HAT、UniPi Neuron。

? 通信協(xié)議板

支持Modbus、CAN或RS-485等工業(yè)通信協(xié)議。例如：PiCAN2、RS485 HAT。

數(shù)字和模擬I/O模塊

? 數(shù)字I/O模塊

數(shù)字I/O模塊用于與使用二進(jìn)制信號（開/關(guān)、高/低）運(yùn)行的設(shè)備接口。這些模塊擴(kuò)展了數(shù)字輸入/輸出的數(shù)量，并與工業(yè)電壓電平兼容。

關(guān)鍵特性：

支持TTL（3.3V或5V）、12V和24V信號。

控制繼電器、開關(guān)、LED和電磁閥等設(shè)備。

光隔離以防止電壓尖峰。

? 模擬I/O模塊

模擬I/O模塊對于處理傳感器測量的溫度、濕度或壓力等變化值的信號至關(guān)重要。

關(guān)鍵特性：

ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）將模擬輸入轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。

DAC（數(shù)模轉(zhuǎn)換器）生成模擬輸出。

常見分辨率：10位、12位或更高，以實(shí)現(xiàn)精確讀數(shù)。

樹莓派OS、Codesys和OpenPLC：自動化平臺

樹莓派OS 概述

- 樹莓派OS是樹莓派設(shè)備推薦的操作系統(tǒng)。

Codesys 概述

- Codesys是一個專業(yè)級的PLC編程開發(fā)環(huán)境，支持IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)語言，如梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）和結(jié)構(gòu)化文本（ST）。

- 它可以安裝在樹莓派上，將其轉(zhuǎn)變?yōu)楣I(yè)級PLC。

OpenPLC 概述

- OpenPLC是一個專為PLC編程和自動化設(shè)計(jì)的開源平臺。

- 它支持IEC 61131-3編程語言，是傳統(tǒng)PLC軟件的經(jīng)濟(jì)替代品。

開發(fā)環(huán)境

使用Python、Node-RED和MQTT為樹莓派構(gòu)建自動化系統(tǒng)，提供了靈活且強(qiáng)大的開發(fā)環(huán)境。Python是樹莓派實(shí)現(xiàn)中最有效的語言之一，因其使用高級命令和眾多庫而廣受歡迎。它可以直接控制GPIO引腳以與傳感器、執(zhí)行器和其他設(shè)備接口，并具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。RPi.GPIO和gpiozero等庫可高效管理硬件，而paho-mqtt等庫則與MQTT無縫集成以實(shí)現(xiàn)通信。

Node-RED是一種基于流程的開發(fā)工具，通過提供可視化編程界面補(bǔ)充了Python。它通過拖放節(jié)點(diǎn)簡化了自動化工作流程的創(chuàng)建，使用戶無需廣泛的編碼知識即可設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)。Node-RED支持GPIO控制、HTTP請求和云服務(wù)集成，使其成為協(xié)調(diào)數(shù)據(jù)流和構(gòu)建實(shí)時監(jiān)控與控制儀表板的實(shí)用工具。

MQTT作為通信的骨干。它是一種輕量級協(xié)議，非常適合資源受限的設(shè)備（如樹莓派）。MQTT采用發(fā)布-訂閱模型，實(shí)現(xiàn)設(shè)備間高效且實(shí)時的消息傳遞。這使其成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中可靠通信的自然選擇。

Python、Node-RED和MQTT共同構(gòu)成了一個無縫生態(tài)系統(tǒng)。Python可以管理硬件交互并執(zhí)行高級計(jì)算，MQTT確保設(shè)備或云平臺間的數(shù)據(jù)通信高效進(jìn)行，而Node-RED則通過可視化工作流管理和實(shí)時數(shù)據(jù)可視化將所有內(nèi)容整合在一起。例如，在家庭自動化系統(tǒng)中，Python可以從傳感器讀取溫度數(shù)據(jù)，發(fā)布到MQTT代理，Node-RED可以訂閱數(shù)據(jù)，在儀表板上顯示并觸發(fā)諸如開啟風(fēng)扇等操作。

這種環(huán)境具有可擴(kuò)展性和靈活性，適用于簡單和復(fù)雜的自動化任務(wù)。Python提供了高級功能所需的深度，Node-RED增強(qiáng)了易用性和可視化，MQTT實(shí)現(xiàn)了無縫通信。無論是用于原型設(shè)計(jì)、物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用還是全規(guī)模自動化系統(tǒng)，這種組合都提供了一個強(qiáng)大而集成的解決方案。

軟件配置

在樹莓派上安裝和配置OpenPLC

OpenPLC是一個免費(fèi)的開源平臺，可將樹莓派轉(zhuǎn)變?yōu)榉螴EC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)大可編程邏輯控制器（PLC）。以下是安裝和配置OpenPLC的步驟。

準(zhǔn)備樹莓派：

1. 硬件要求：

- 樹莓派（推薦使用3B、4或更新型號）。

- 至少16GB的SD卡，安裝樹莓派OS。

2. 更新系統(tǒng)。

3. 安裝所需依賴項(xiàng)：安裝構(gòu)建和運(yùn)行OpenPLC所需的基本軟件包：

sudoapt install git build-essential python3-pip apache2 php libmodbus-dev libsnmp-dev -y

安裝OpenPLC：

- 克隆OpenPLC倉庫：導(dǎo)航到主目錄并克隆OpenPLC倉庫：

gitclonehttps://github.com/thiagoralves/OpenPLC_v3.gitcdOpenPLC_v3

- 運(yùn)行安裝腳本：OpenPLC提供了一個安裝腳本，可自動化設(shè)置過程。運(yùn)行以下命令：

sudo ./install.sh rpi

- 設(shè)置權(quán)限：安裝后，確保OpenPLC運(yùn)行時具有與GPIO交互所需的權(quán)限：

sudochmoda+rw /dev/mem

配置OpenPLC：

啟動OpenPLC運(yùn)行時：通過運(yùn)行以下命令啟動OpenPLC運(yùn)行時：

sudo ./start_openplc.sh

這將啟動OpenPLC的Web界面和運(yùn)行時系統(tǒng)。

訪問Web界面：在本地網(wǎng)絡(luò)上的計(jì)算機(jī)上打開Web瀏覽器，訪問：

http://<樹莓派IP>:8080

登錄：默認(rèn)用戶名：openplc，默認(rèn)密碼：openplc。出于安全考慮，建議在Web界面的“設(shè)置”選項(xiàng)卡中更改默認(rèn)憑據(jù)。

加載PLC程序：

- 在OpenPLC的Web界面中，轉(zhuǎn)到“程序”選項(xiàng)卡。

- 上傳支持格式（如梯形圖、功能塊圖、結(jié)構(gòu)化文本）的PLC程序。

- 編譯并部署程序。

可選 - 啟用Modbus通信：

激活Modbus服務(wù)器：OpenPLC包含一個用于工業(yè)通信的Modbus TCP/RTU服務(wù)器。在“設(shè)置”選項(xiàng)卡中啟用它。

測試Modbus：使用modpoll等工具或兼容Modbus的SCADA系統(tǒng)與OpenPLC通信。

故障排除

? Web界面無法訪問：確保Apache服務(wù)器正在運(yùn)行：

sudosystemctl restart apache2

? GPIO問題：檢查GPIO訪問權(quán)限，并確保在OpenPLC配置中使用正確的引腳映射。

? 程序錯誤：在上傳前驗(yàn)證PLC程序的語法錯誤。

限制

× 工業(yè)適用性：樹莓派缺乏工業(yè)級的耐用性和認(rèn)證，因此在惡劣環(huán)境中可靠性較低。

× 有限的GPIO：GPIO引腳的數(shù)量可能限制復(fù)雜的系統(tǒng)，需要擴(kuò)展板。

× 實(shí)時性能：樹莓派的實(shí)時能力不如專用PLC強(qiáng)大。

× 軟件穩(wěn)定性：作為開源軟件，OpenPLC的功能和支持可能不如商業(yè)PLC軟件豐富。

結(jié)論

樹莓派憑借其低成本、靈活性和與開源平臺的兼容性，為自動化項(xiàng)目提供了一個令人興奮的PLC替代方案。雖然它可能無法完全取代惡劣環(huán)境中的工業(yè)級PLC，但它是原型設(shè)計(jì)、教育用途以及中小型應(yīng)用的理想平臺。通過利用Python、Node-RED和OpenPLC等工具，用戶可以構(gòu)建與物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)無縫集成的定制自動化解決方案。隨著開源工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，樹莓派作為可編程控制器的潛力將不斷增長，成為愛好者、教育工作者和創(chuàng)新企業(yè)的無價工具。