單板電腦如何拓展到工業自動化應用

在 Arduino 和 Raspberry Pi 等適用於工業環境的單板電腦 (SBC) 普及下，搭配以國際電工委員會 (IEC) 61131-3 標準為基礎打造的軟體開發工具，已經為機器與工廠自動化設計人員開創新的契機。有些新推出的 SBC 架構解決方案更可針對自動化環境監測、智慧家庭與大樓設備、農業應用以及其他非工業系統拓展新的前景。

工業 SBC 逐漸運用到諸多領域，例如機器控制器、工業電腦 (IPC)、工業物聯網 (IIoT) 閘道器、微型可編程邏輯控制器 (PLC)、軟 PLC 以及類比與數位輸入／輸出 (I/O) 模組等。這些 SBC 架構裝置以開放式硬體與軟體平台為基礎打造，有時還能提供完整的根存取權限。

這類裝置符合 IEC 61131-3 標準，表示可支援五種標準的自動化程式語言，包括階梯圖、結構式文字、功能方塊圖、順序功能圖和指令清單。使用 SBC 進行構建，意味著設計人員也可以選擇使用 Java、Python、C 或 C++ 等語言，即可提供比傳統工業控制硬體更大的靈活性。有些裝置支援的資料安全性，可涵蓋從硬體到雲端，甚至到更高階的網路，如企業資源規劃 (ERP) 系統等，並且內建安全元件，且符合國際電信協會 (ITU) 的 X.509 公鑰標準。

本文介紹來自 Arduino、Industrial Shields 和 KUNBUS 的多款 SBC 架構解決方案，可供機器與自動化設計人員運用到眾多應用領域，包括中小規模自動化、小型機器的嵌入式控制，以及大型工廠自動化設備。文章最後會深入探討如何在 SBC PLC 上實作 PROFINET 及確定性網路。

Arduino PLC

大多數 Arduino 架構 PLC 有個優勢在於，可以使用 Arduino PLC 整合式開發環境 (IDE) 來編寫控制軟體。Arduino PLC IDE 能讓使用者從 IEC 61131-3 規定的五種編程語言中挑選任意一種，並可快速編寫 PLC 應用程式或移植現有應用程式。此 IDE 還含有現成的 Arduino 草稿 (程式)、教學課程和程式庫。

Industrial Shields 的 Arduino 架構 PLC 可利用 Arduino IDE 進行編程或直接使用 C 語言進行編程。這些 PLC 含有開放原始碼工具，並可透過多種軟體平台進行編程。可透過 USB 或乙太網路連接埠進行編程，以達到遠端連線。使用者可持續監測所有變數、輸入和輸出的狀態。

Industrial Shields 推出的 IS.MDUINO.21+ 型號，額定工作溫度介於 0°C 至 +60°C，其 ATmega 處理器可在 16 MHz 下達到 16 MIPS 的傳輸量 (圖 1)。特點包括：

• 13 個輸入：
  • 7 個光隔離數位 (5 V_DC 至 24 V_DC)
    • 2 個中斷 (5 V_DC 至 24 V_DC)
  • 6 個軟體可設定的類比 (0 V_DC 至 10 V_DC、10 位元) 或數位 (5 V_DC 至 24 V_DC)
• 8 個輸出：
  • 5 個光隔離 (5 V_DC 至 24 V_DC)
  • 3 個軟體可設定的類比 (0 V_DC 至 10 V_DC、8 位元)、數位 (5 V_DC 至 24 V_DC)，或脈寬調變 (5 V_DC 至 24 V_DC)
• 256 KB 記憶體
• 乙太網路、RS-232、RS-485 和 USB 通訊
• 最多可擴充至 127 個模組

圖 1：Industrial Shields 的 IS.MDUINO.21+ 型號具有 13 個輸入和 8 個輸出。(圖片來源：Industrial Shields)

微型 PLC

Arduino Opta 是專為支援 IIoT 應用的微型 PLC。可使用 Arduino PLC IDE 進行編程，且支援 Arduino 草稿與標準 PLC 語言。搭載了雙核心 STM32H747 主處理器，搭配 480 MHz 的 Cortex M7、240 MHz 的 Cortex M4 和 1 MB 的程式記憶體，可支援即時控制、監測和實作預測性維護演算法。可透過板載的安全元件及 X.509 合規，支援安全的空中 (OTA) 韌體更新。

Opta PLC 提供三種款式，主要區別在於通訊能力。這三種款式都配有 USB-C。型號如下：

• Opta Lite，型號 AFX00003，添加 10/100BASE-T 乙太網路
• Opta RS485，型號 AFX00001，添加 10/100BASE-T 乙太網路與半雙工 RS-485
• Opta Wi-Fi，型號 AFX00002，添加 10/100BASE-T 乙太網路、半雙工 RS-485 802.11 b/g/n Wi-Fi 和低功耗藍牙 (BLE)

這些微型 PLC 具有八個可編程的類比／數位輸入，以及四個額定值為 10 A (2.3 kW) 的常開式繼電器輸出。其即時時脈 (RTC) 在 +25°C 環境溫度下，通常能達到十天的功率保持時間，並可透過乙太網路連接埠達到網路時間協議 (NTP) 同步。這些 PLC 與 DIN 軌道相容，有利於加快系統整合 (圖 2)。

圖 2：Opta Lite Arduino 微型 PLC，左前端配有四個 10 A 繼電器輸出。(圖片來源：Arduino)

適用於小型機器的嵌入式 PLC

對於標籤製作、成型和密封、紙箱包裝、黏合、電烤箱、工業洗衣機與烘衣機、攪拌器等小型機器的設計人員而言，Portenta 機器控制 PLC 是不錯的選擇，其尺寸僅有 170 x 90 x 50 mm。這款 PLC 具有與 DIN 條相容的外殼，並配備了可快速連接的直插式端子，額定工作溫度介於 -40°C 至 +85°C，而且不需要外接散熱 (圖 3)。搭載雙核心 STM32H747 主處理器搭配 480 MHz 的 Cortex M7 和 240 MHz 的 Cortex M4。此電路板可支援平面螢幕顯示器、觸控面板、鍵盤、搖桿和滑鼠，以便安裝人員和操作人員進行介面互動。可使用 Arduino PLC IDE 或其他嵌入式開發平台進行編程。

圖 3：Portenta 機器控制電路板專為多種機器的嵌入式應用而設計。(圖片來源：Arduino)

Portenta 機器控制電路板可支援預測性維護與人工智慧 (AI) 軟體。其嵌入式 RTC 可支援流程同步化，並可促成即時資料的收集以及對設備的遠端控制。

此電路板可透過多個隔離式可編程數位和類比 I/O 連線、三個設定溫度通道以及一個 I2C 連接器，連接多種外部感測器和致動器。自復式保險絲可為所有 I/O 提供防護。此電路板還支援 USB、乙太網路、Wi-Fi、BLE 和 RS-485 的網路連線。

適用於工廠自動化的 Raspberry Pi

Raspberry Pi 4 架構的 PLC 採用 Broadcom 的 BCM2711B0 處理器，可處理更複雜的自動化任務。BCM2711B0 處理器採用 28 nm 製程技術與 Cortex-A72 架構，具有四個核心和 1.5 GHz 的時脈速度以及 4 GB 的 RAM。還整合多個周邊裝置，包括計時器、中斷控制器、一般用途 I/O (GPIO)、USB、PCM/I2S 數位音訊介面、直接記憶體存取 (DMA) 控制器、I2C 主控、序列周邊裝置介面 (SPI) 主控、PWM、通用非同步收發器 (UART)，以及支援 4K 輸出的雙微型 HDMI 連接埠等。

Industrial Shields 的 Raspberry Pi 乙太網路 PLC 採用 BCM2711B0 處理器，能在 12 V_DC 至 24 V_DC 的輸入電壓範圍內工作並汲取高達 1.5 A 的電流。此 PLC 配備 Linux 作業系統，並配有雙乙太網路連接埠、雙 RS-485 連接埠、Wi-Fi、BLE 和 CAN 匯流排選項，可透過多種協定和通訊連接埠與多種裝置進行連接。這些 PLC 已針對需要即時控制的應用進行最佳化，並提供 2、4 和 8 GB 的 RAM 選項。Industrial Shields 的多款 Raspberry Pi PLC 範例，包括：

• 012003000200，配有 4 GB 的 RAM 和 21 個 I/O (圖 4)
• 012003001100，配有 4 GB 的 RAM 和 54 個 I/O
• 016003000200，配有 4 GB 的 RAM、21 個 I/O 以及通用封包無線電服務 (GPRS) 行動連線功能

圖 4：Industrial Shields 的 Raspberry Pi 乙太網路 PLC，配有 4 GB 的 RAM 和 21 個 I/O。(圖片來源：Industrial Shields)

透過 SimpleComm 在 PLC 中橋接 Arduino 和 Raspberry Pi

藉由 SimpleComm C++ 程式庫，設計人員可以使用 RS-485、RS-482、乙太網路和其他協定傳送資料，並可適應不同的通訊拓撲，例如臨機操作、主從結構以及用戶端伺服器模式。其原始程式具有直覺的應用程式開發介面 (API)，可用於 Arduino 環境。Industrial Shields 近期還對 SimpleComm 進行調整，可適應 Raspberry Pi PLC 的 Linux 環境。

IPC 和 IIoT 閘道器解決方案

若需要更大的靈活性，設計人員可以選擇 KUNBUS 的 RevPi Core S 與 SE IPC，以及 RevPi Connect S 與 SE IIoT 閘道器，這些裝置全以 Raspberry Pi 架構打造並專為 DIN 軌道安裝而設計 (圖 5)。KUNBUS 不僅提供電路圖，還採用開放原始碼版本的 Raspberry Pi 作業系統 (OS)，搭配即時操作的修補程式。此 Raspberry Pi OS 具有強大的互通性，可配合針對 Raspberry Pi 開發的多種軟體應用程式。KUNBUS 還攜手軟體廠商，為監控與數據採集 (SCADA) 軟體提供支援，以便控制、監測和分析工業裝置及流程。更提供完整的根存取權限，因此可加速實作客製化程式。

圖 5：RevPi Core SE IPC (左) 與 RevPi Connect IIoT 閘道器 (右) 範例。(圖片來源：KUNBUS)

RevPi Core S 與 SE 皆構建於開放式硬體與軟體平台之上，並符合 IEC 61131 標準。RevPi Core S 單元與所有 KUNBUS 擴充模組相容，包括現場匯流排閘道器。RevPi Core SE 單元與 KUNBUS I/O 模組相容，但不支援現場匯流排閘道器。RevPi Core S/SE IPC 配有 USB、Micro-USB、乙太網路和 HDMI 連接埠。具有 1.5 GHz 的四核心處理器搭配 1 GB 的 RAM，並提供 8、16 和 32 GB 的儲存空間選項。例如，型號 PR100360 的 RevPi Core S 配有 16 GB 記憶體。

為了支援 IIoT 連線能力，RevPi Connect S 與 SE 閘道器皆可提供最多 32 GB 的記憶體，並配有兩個 RJ45 10/100 乙太網路插槽、兩個 USB 連接埠、一個 4 引腳 RS-485 介面，以及 micro-HDMI 和 micro-USB 插槽。這兩個乙太網路插槽可支援自動化網路和資訊技術 (IT) 網路的同步連線。作為開放原始碼軟體平台，應用程式可使用 Node-RED、Python 和 C 語言進行編程。此外，RevPi Connect 可透過 PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT、Modbus TCP 和 Modbus RTU 功能進行升級，無需使用擴充模組。RevPi Connect 單元範例包括：

• PR100363：RevPi Connect S，配有 16 GB 的記憶體。
• PR100197：RevPi 數位 I/O 擴充模組。
• PR100250：RevPi 類比擴充模組。

PROFINET 和 SBC PLC

SBC PLC 是一種精密裝置，可支援進階網路協定。流程現場網路 (PROFINET) 則是一種適用於工業連網裝置的開放式標準，可用於 PLC、驅動器、機器人、診斷工具等，會透過工業乙太網路運作並且經過最佳化，可透過即時通訊來收集資料和控制工業設備。此協定可在大多數 Arduino 及 Raspberry Pi PLC 上執行。

工業自動化網路需要高速且具確定性的通訊。PROFINET 協定致力於提供確定性效能，可依照需要和預期精確傳遞訊息。

這表示會根據目前執行的任務，以適當速度傳遞每道訊息。並非所有任務都對時間敏感。PROFINET 能透過多種協定傳送訊息，包括：

• PROFINET 即時 (RT) 協定
• PROFINET 等時即時 (IRT) 協定
• 時效型網路 (TSN) 協定
• TCP/IP (或 UDP/IP) 協定

結論

目前，市場上已推出一系列以 Arduino 和 Raspberry Pi 技術為基礎打造的 SBC 架構 PLC 和工業網路裝置。這些裝置皆採用開放原始碼軟體，有些還採用開放原始碼硬體。Arduino PLC 既有適用於小型網路的標準尺寸單元，也有適用於有限空間安裝的微型 PLC，亦有適用於嵌入式應用的機器控制器。四核心 Raspberry Pi 架構的 PLC 可支援更複雜的工業網路應用。此外，市面上還有提供可支援高靈活性網路設計與部署的 Raspberry Pi 架構的 IPC 和 IIoT 閘道器。