Como os computadores de placa única ampliam o alcance da automação industrial

A disponibilidade de computadores de placa única (SBCs) como Arduino e Raspberry Pi, dimensionados para uso em ambientes industriais, juntamente com ferramentas de desenvolvimento de software baseadas na norma 61131-3 da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC), abriu novas oportunidades para os projetistas de automação de máquinas e fábricas. Algumas dessas novas soluções baseadas em SBC também abrem novas possibilidades para automatizar o monitoramento ambiental, instalações residenciais e prediais inteligentes, aplicações agrícolas e outros sistemas não industriais.

Os SBCs industriais estão sendo usados em controladores de máquinas, PCs industriais (IPCs), gateways de Internet Industrial das Coisas (IIoT), microcontroladores lógicos programáveis (CLPs), CLPs baseados em software, módulos de entrada/saída (E/S) analógica e digital e muito mais. Esses dispositivos baseados em SBC são criados em plataformas de hardware e software abertas, às vezes incluindo direitos completos ao diretório raiz.

A conformidade com a IEC 61131-3 significa que as cinco linguagens de programação de automação padrão são compatíveis, incluindo diagrama Ladder, texto estruturado, diagrama de blocos funcionais, diagrama de funções sequenciais e lista de instruções. O fato de ser construído usando SBCs significa que os desenvolvedores também podem usar linguagens como Java, Python, C ou C++, proporcionando maior flexibilidade do que o hardware de controle industrial tradicional. Alguns oferecem suporte à segurança de dados do hardware à nuvem ou a uma rede de nível superior, como um sistema de planejamento de recursos empresariais (ERP) com um elemento seguro na placa e conformidade com a chave pública do padrão X.509 da União Internacional de Telecomunicações (ITU).

Este artigo apresenta exemplos de soluções baseadas em SBC disponíveis para projetistas de máquinas e automação com Arduino, Industrial Shields e KUNBUS para várias aplicações, incluindo automação de pequena e média escala, controle embarcado em pequenas máquinas e instalações de automação de grandes fábricas. O artigo termina com uma análise de como o PROFINET e a rede determinística podem ser implementados em CLPs de SBC.

CLPs Arduino

Uma das vantagens da maioria dos CLPs baseados em Arduino é a disponibilidade do ambiente de desenvolvimento integrado (IDE) do CLP Arduino para escrever software de controle. O IDE do CLP Arduino permite que os usuários escolham qualquer uma das cinco linguagens de programação definidas pela IEC 61131-3 e codifiquem rapidamente aplicações CLP ou portem as existentes. Ele também inclui esboços (programas), tutoriais e bibliotecas do Arduino prontos para uso.

Os CLPs baseados em Arduino da Industrial Shields podem ser programados usando o IDE do Arduino ou diretamente usando C. Esses CLPs incluem ferramentas de código aberto e podem ser programados com várias plataformas de software. Eles podem ser programados por meio das portas USB ou Ethernet para conexões remotas. Os usuários podem monitorar continuamente o status de todas as variáveis, entradas e saídas.

O modelo IS.MDUINO.21+ da Industrial Shields é dimensionado para operação de 0°C a +60°C, e seu processador ATmega atinge uma taxa de transferência de 16 MIPS a 16 MHz (Figura 1). Os recursos incluem:

• 13 Entradas:
  • 7 opto-isoladas digitais (5 V_CC a 24 V_CC)
    • 2 Interrupções (5 V_CC a 24 V_CC)
  • 6 softwares configuráveis como analógicos (0 V_CC a 10 V_CC, 10 bits) ou digitais (5 V_CC a 24 V_CC)
• 8 saídas:
  • 5 opto-isoladas digitais (5 V_CC a 24 V_CC)
  • 3 softwares configuráveis como analógicos (0 V_CC a 10 V_CC, 8 bits), digitais (5 V_CC a 24 V_CC) ou modulados por largura de pulso (5 V_CC a 24 V_CC)
• 256 KB de memória
• Comunicações Ethernet, RS-232, RS-485 e USB
• Expansível com até 127 módulos

Figura 1: O modelo IS.MDUINO.21+ da Industrial Shields tem 13 entradas e 8 saídas. (Fonte da imagem: Industrial Shields)

Micro CLPs

O Arduino Opta é um micro CLP projetado para dar suporte a aplicações de IIoT. Programável com o IDE do CLP Arduino, ele suporta esboços Arduino e linguagens CLP padrões. O processador principal é o STM32H747 de núcleo duplo com um Cortex M7 de 480 MHz, um Cortex M4 de 240 MHz e 1 MB de memória de programa que suporta controle em tempo real, monitoramento e implementação de algoritmos de manutenção preditiva. As atualizações de firmware OTA (over-the-air) seguras são suportadas pelo elemento seguro na placa e pela conformidade com X.509.

Os CLPs Opta estão disponíveis em três variantes diferenciadas por seus recursos de comunicação. Todos os três incluem USB-C. Os modelos são:

• Opta Lite, modelo AFX00003, que adiciona Ethernet 10/100BASE-T
• Opta RS485, modelo AFX00001, que adiciona Ethernet 10/100BASE-T e RS-485 half-duplex
• Opta Wi-Fi, modelo AFX00002, que adiciona Ethernet 10/100BASE-T, Wi-Fi half-duplex RS-485 802.11 b/g/n e Bluetooth de baixa energia (BLE)

Esses micro CLPs têm oito entradas analógicas/digitais programáveis e quatro saídas de relé normalmente abertas dimensionadas para 10 A (2,3 kW). O relógio de tempo real (RTC) tem uma retenção de energia típica de dez dias a +25 °C, e a sincronização do protocolo de tempo de rede (NTP) está disponível por meio da porta Ethernet. Eles são compatíveis com o trilho DIN para acelerar a integração do sistema (Figura 2).

Figura 2: Micro CLP Opta Lite Arduino mostrando as quatro saídas de relé de 10 A na parte frontal esquerda da unidade. (Fonte da imagem: Arduino)

CLP embarcado para máquinas pequenas

Os projetistas de pequenas máquinas para rotulagem, conformação e selagem, embalagem de papelão, colagem, fornos elétricos, lavadoras e secadoras industriais, misturadores, etc., podem recorrer ao CLP de controle de máquinas Portenta de 170 x 90 x 50 milímetros (mm). Ele tem um invólucro compatível com barra DIN e terminais push-in para conexão rápida e é dimensionado para operação de -40°C a +85°C sem resfriamento externo (Figura 3). O processador principal é o STM32H747 de núcleo duplo com um Cortex M7 de 480 MHz e um Cortex M4 de 240 MHz. A placa pode suportar monitores de tela plana, painéis sensíveis ao toque, teclados, joysticks e mouse para interfaces de instalação e operação. Ele pode ser programado usando o IDE do CLP Arduino ou outras plataformas de desenvolvimento embarcadas.

Figura 3: A placa de controle de máquina Portenta foi projetada para aplicações embarcadas em uma ampla variedade de máquinas. (Fonte da imagem: Arduino)

O controle de máquina Portenta pode suportar manutenção preditiva e software de inteligência artificial (IA). Seu RTC embarcado oferece suporte à sincronização de processos e permite a coleta de dados em tempo real e o controle remoto de equipamentos.

Ele pode se conectar a vários sensores e atuadores externos com conexões de E/S digitais e analógicas, isoladas e programáveis, três canais de configuração de temperatura e um conector I2C. Os fusíveis rearmáveis protegem todas as E/Ss. A conectividade de rede é suportada por USB, Ethernet, Wi-Fi, BLE e RS-485.

Raspberry Pi para automação de fábrica

Tarefas de automação mais complexas podem se beneficiar do poder de processamento dos CLPs baseados no Raspberry Pi 4 que usam o processador Broadcom BCM2711B0. Fabricado em um processo de 28 nanômetros (nm), o BCM2711B0 usa a arquitetura Cortex-A72. Ele tem quatro núcleos com velocidade de clock de 1,5 GHz e 4 GB de RAM. Ele integra vários periféricos, incluindo temporizadores, controlador de interrupções, E/S de uso geral (GPIO), USB, interface de áudio digital PCM/I2S, controlador de acesso direto à memória (DMA), mestres I2C, mestres de interface periférica serial (SPI), PWM, receptores/transmissores assíncronos universais (UARTs), portas micro HDMI duplas compatíveis com saída 4K e muito mais.

Os CLPs Raspberry Pi Ethernet da Industrial Shields usam o BCM2711B0, operam com tensões de entrada de 12 V_CC a 24 V_CC e consomem até 1,5 A de corrente. Eles incluem o sistema operacional Linux e têm duas portas Ethernet, duas portas RS-485, Wi-Fi, BLE e opções de barramento CAN, o que os torna capazes de se conectar a muitos dispositivos usando vários protocolos e portas de comunicação. Eles foram otimizados para aplicações que se beneficiam do controle em tempo real e estão disponíveis com 2, 4 e 8 GB de RAM. Exemplos de CLPs Raspberry Pi da Industrial Shields incluem:

• 012003000200, com 4 GB de RAM e 21 E/Ss (Figura 4)
• 012003001100, com 4 GB de RAM e 54 E/Ss
• 016003000200, com 4 GB de RAM, 21 E/Ss e conectividade celular GPRS (General Packet Radio Service)

Figura 4: CLP Raspberry Pi Ethernet da Industrial Shields com 4 GB de RAM e 21 E/Ss. (Fonte da imagem: Industrial Shields)

Conectando Arduino e Raspberry Pi em CLPs com o SimpleComm

A biblioteca SimpleComm C++ permite que os projetistas enviem dados usando RS-485, RS-482, Ethernet e outros protocolos. Ela pode ser adaptada a diferentes topologias de comunicação, como ad-hoc, mestre-escravo e cliente-servidor. O programa original tem uma interface de programação de aplicativos (API) intuitiva para ambientes Arduino. A Industrial Shields adaptou recentemente o SimpleComm para o ambiente Linux encontrado nos CLPs Raspberry Pi.

Solução de gateway de IPC e IIoT

Quando é necessária maior flexibilidade, os projetistas podem recorrer aos IPCs RevPi Core S e SE da KUNBUS e ao gateway RevPi Connect S e SE IIoT, todos baseados no Raspberry Pi e projetados para montagem em trilho DIN (Figura 5). Além de fornecer diagramas de circuitos, a KUNBUS usa uma adaptação de código aberto do sistema operacional (SO) do Raspberry Pi com um patch de operação em tempo real. O SO do Raspberry Pi oferece interoperabilidade robusta com uma ampla gama de aplicações de software desenvolvidas para o Raspberry Pi. A KUNBUS trabalha com fornecedores de software para dar suporte ao software de controle de supervisão e aquisição de dados (SCADA) para controle, monitoramento e análise de dispositivos e processos industriais. A disponibilidade de acesso total ao diretório raiz agiliza a implementação de programas personalizados.

Figura 5: Exemplos de IPC RevPi Core SE (esquerda) e Gateway RevPi Connect IIoT (direita). (Fonte da imagem: KUNBUS)

O RevPi Core S e SE são construídos em uma plataforma aberta de hardware e software que está em conformidade com a norma IEC 61131. As unidades RevPi Core S são compatíveis com todos os módulos de expansão KUNBUS, incluindo gateways de fieldbus. As unidades RevPi Core SE são compatíveis com os módulos de E/S KUNBUS, mas não são compatíveis com os gateways de fieldbus. Os IPCs RevPi Core S/SE têm conexões USB, Micro-USB, Ethernet e HDMI. Eles apresentam um processador de quatro núcleos de 1,5 GHz com 1 GB de RAM, e os modelos estão disponíveis com 8, 16 e 32 GB de armazenamento. Por exemplo, o modelo PR100360, RevPi Core S, tem 16 GB de memória.

Para dar suporte à conectividade IIoT, os gateways RevPi Connect S e SE estão disponíveis com até 32 GB de memória e incluem dois soquetes Ethernet RJ45 10/100, duas portas USB, uma interface RS-485 de 4 pinos, além de micro-HDMI e soquetes micro-USB. Os dois soquetes Ethernet suportam conectividade simultânea com redes de automação e de tecnologia da informação (TI). Como uma plataforma de software de código aberto, as aplicações podem ser programadas usando Node-RED, Python e C. O RevPi Connect pode ser atualizado com as funcionalidades PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP e Modbus RTU sem o uso de módulos de expansão. Exemplos de unidades RevPi Connect incluem:

• PR100363, RevPi Connect S com 16 GB de memória.
• PR100197, módulo de expansão de E/S digital RevPi.
• PR100250, módulo de expansão analógica RevPi.

PROFINET e CLPs SBC

Os CLPs SBC podem ser dispositivos sofisticados capazes de suportar protocolos avançados de rede. A rede de campo do processo (PROFINET) é um padrão aberto para dispositivos de rede industrial, como CLPs, drives, robôs, ferramentas de diagnóstico, etc. A execução é em Ethernet industrial e está otimizado para coletar dados e controlar equipamentos industriais com comunicações em tempo real. Está disponível para ser executado na maioria dos CLPs Arduino e Raspberry Pi.

As redes de automação industrial precisam de comunicação determinística e de alta velocidade. O PROFINET se concentra no desempenho determinístico que entrega mensagens exatamente quando for necessário e esperado.

Isso significa entregar cada mensagem com a velocidade adequada com base na tarefa que está sendo executada. Nem todas as tarefas são igualmente sensíveis ao tempo. O PROFINET pode enviar mensagens em vários protocolos, incluindo:

• PROFINET em tempo real (RT)
• PROFINET em tempo real isócrono (IRT)
• Rede sensível ao tempo (TSN)
• TCP/IP (ou UDP/IP)

Conclusão

Há uma grande variedade de CLPs baseados em SBC e dispositivos de rede industrial baseados nas tecnologias Arduino e Raspberry Pi. Eles usam software de código aberto e, em alguns casos, hardware de código aberto. Os CLPs Arduino estão disponíveis como unidades de tamanho padrão para redes pequenas, micro CLPs para instalações sensíveis ao espaço e controladores de máquina para aplicações embarcadas. Os CLPs de quatro núcleos baseados em Raspberry Pi podem suportar aplicações de rede industrial mais complexas. Estão disponíveis IPCs e gateways de IIoT baseados em Raspberry Pi que oferecem suporte a altos níveis de flexibilidade no projeto e na implantação da rede.