Các máy tính đơn bo hay thường gọi là máy tính nhúng như Raspberry Pi hay LattePanda đã rất phổ biến trên thị trường. Các máy tính này được thiết kế theo tiêu chuẩn IEC 61131-3 cùng với các công cụ phát triển phần mềm đi kèm, mở ra nhiều cơ hội và ý tưởng đột phá cho các nhà thiết kế máy móc và nhà máy tự động hoá. Các ứng dụng máy tính đơn bo (single-board computers – SBC) cho thấy khả năng hoạt động mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực như quan trắc môi trường tự động, nhà thông minh, nông nghiệp thông minh và nhiều hệ thống phi công nghiệp khác.
Việc tương thích với tiêu chuẩn IEC, các SBC này sẽ hỗ trợ 5 ngôn ngữ lập trình tự động hoá, bao gồm ladder diagram, structured text, function block diagram, sequential function diagram, và instruction list. Dùng SBC, các lập trình viên cũng có thể dùng các ngôn ngữ thông thường như Java, Python, C hay C++, cho thấy sự linh hoạt cao hơn rất nhiều khi so sánh với các phần cứng công nghiệp thông thường. Một số còn hỗ trợ tiêu chuẩn bảo mật ITU X.509 khi truyền dữ liệu lên Cloud hoặc mạng dữ liệu cấp cao hơn.
Bài viết sẽ giới thiệu một số SBC tương thích tốt với các ứng dụng tự động hoá từ Arduino, Industrilal Shields và KUNBUS
1. Máy tinh đơn bo Arduino PLCs
Lợi thế lớn nhất của PLC sử dụng lõi Arduino là có thể sử dụng IDE Arduino PLC để lập trình. IDE này cho phép chọn bất kỳ ngôn ngữ nào trong 5 ngôn ngữ lập trình được định nghĩ bởi IEC 61131-3. IDE cũng bao gồm nhiều chương trình có sẵn, ví dụ, hướng dẫn và thư viện.
Industrial Shields’ Arduino-based PLCs còn có thể trực tiếp sử dụng IDE Arduno hoặc C. Các PLCs này còn hỗ trợ các công cụ mã nguồn mở và có thể lập trình với các nền tảng đa phần mềm, có thể lập trình qua USB hay cổng Ethernet. Người dùng có thể theo dõi liên tục trạng thái của các biến, đầu vào, đầu ra.
Model IS.MDUINO.21+ từ Industrial Shields được thiết kế để hoạt động từ 0 độ C tới 60 độ C, và bộ xử lý ATmega cho thông lượng tới 16MIPS ở tần số 16MHz. Các tính năng bao gồm:
- 13 đầu vào:
- 7 đầu vào số dạng opto có cách ly (5 VDC đến 24 VDC)
- 2 ngắt (5 VDC to 24 VDC)
- 6 đầu vào dạng analog cấu hình bằng phần mềm (0 VDC đến10 VDC, 10 bit) hoặc dạng số (5 VDC đến 24 VDC)
- 7 đầu vào số dạng opto có cách ly (5 VDC đến 24 VDC)
- 8 đầu ra:
- 5 đầu ra số dạng opto có cách ly (5 VDC đến 24 VDC)
- 3 đầu ra analog cấu hình bằng phần mềm (0 VDC tới10 VDC, 8 bit), dạng số (5 VDC tới 24 VDC), hoặc dạng PWM (5 VDC tới 24 VDC)
- 256 KB bộ nhớ
- Ethernet, RS-232, RS-485 và USB
- Mở rộng được tới 127 mô đun
Hình 1: IS.MDUINO.21+ từ Industrial Shields.
2. PLC vi mô
Arduino Opta là một PLC vi mô được thiết kế đặc biệt để hỗ trợ các ứng dụng Công nghiệp 4.0 (IIoT). Có thể lập trình thông qua Arduino PLC IDE, thiết bị vừa tương thích với các sketch Arduino, vừa hỗ trợ các ngôn ngữ lập trình PLC chuẩn. Bộ xử lý chính sử dụng SoC STM32H747 hai nhân, gồm một Cortex-M7 480 MHz và một Cortex-M4 240 MHz, tích hợp 1 MB bộ nhớ chương trình, cho phép thực thi điều khiển thời gian thực, giám sát và triển khai các thuật toán bảo trì dự đoán. Tính năng cập nhật firmware bảo mật qua mạng (OTA) được đảm bảo bởi phần tử bảo mật tích hợp và tuân thủ chuẩn chứng chỉ X.509.
Dòng Opta PLC hiện có ba phiên bản, khác nhau về khả năng giao tiếp. Cả ba đều trang bị cổng USB-C. Cụ thể:
Opta Lite (mã AFX00003): bổ sung giao tiếp Ethernet 10/100BASE-T.
Opta RS485 (mã AFX00001): bổ sung Ethernet 10/100BASE-T và RS-485 bán song công.
Opta Wi-Fi (mã AFX00002): bổ sung Ethernet 10/100BASE-T, RS-485 bán song công, Wi-Fi 802.11 b/g/n và Bluetooth Low Energy (BLE).
Mỗi thiết bị có 8 ngõ vào analog/số lập trình được và 4 ngõ ra relay thường mở, chịu tải tối đa 10 A (tương đương 2,3 kW). Đồng hồ thực (RTC) có khả năng giữ điện lưu trong khoảng 10 ngày ở +25 °C, đồng bộ thời gian qua NTP thông qua cổng Ethernet. Thiết kế chuẩn gắn trên thanh DIN giúp đẩy nhanh quá trình tích hợp vào tủ điện (xem Hình 2).
Hình 2: Opta Lite Arduino micro PLC s
3. Máy tính đơn bo PLC nhúng cho các máy công nghiệp nhỏ
Các kỹ sư thiết kế máy nhỏ – chẳng hạn máy đóng nhãn, tạo hình và niêm phong, đóng gói thùng carton, bơm keo, lò điện, máy giặt và sấy công nghiệp, máy trộn, v.v. – có thể lựa chọn PLC điều khiển máy Portenta với kích thước 170 × 90 × 50 mm. Thiết bị có vỏ tương thích thanh DIN và các đầu cắm push-in giúp kết nối nhanh chóng, hoạt động ổn định trong dải nhiệt độ từ –40 °C đến +85 °C mà không cần làm mát ngoài (xem Hình 3).
Bộ xử lý chính là SoC STM32H747 hai nhân, gồm một Cortex-M7 480 MHz và một Cortex-M4 240 MHz. Bo mạch hỗ trợ kết nối màn hình phẳng, màn hình cảm ứng, bàn phím, joystick và chuột để xây dựng giao diện cho cả người lắp đặt và vận hành. Việc lập trình có thể thực hiện qua Arduino PLC IDE hoặc các nền tảng phát triển nhúng khác.
Hình 3: Portenta Machine Control board được thiết kế cho nhiều ứng dụng tự đôgnj hoá khác nhau.
PLC điều khiển máy Portenta hỗ trợ triển khai các giải pháp bảo trì dự đoán (predictive maintenance) và phần mềm trí tuệ nhân tạo (AI). Đồng hồ thời gian thực (RTC) tích hợp cho phép đồng bộ hóa quy trình, thu thập dữ liệu thời gian thực và điều khiển thiết bị từ xa.
Thiết bị có khả năng kết nối với đa dạng cảm biến và cơ cấu chấp hành qua:
- Các ngõ vào/ra số và analog cách ly, có thể lập trình được (isolated, programmable I/O)
- Ba kênh đo nhiệt độ cấu hình sẵn (configuration temperature channels)
- Cổng giao tiếp I²C
Tất cả các ngõ I/O đều được bảo vệ bởi cầu chì tự phục hồi (resettable fuses). Hệ thống kết nối mạng hỗ trợ qua: USB, Ethernet, Wi-Fi, Bluetooth Low Energy (BLE) và RS-485.
4. PLC Raspberry Pi cho tự động hóa nhà máy
Các nhiệm vụ tự động hóa phức tạp hơn có thể tận dụng sức mạnh xử lý của các PLC dựa trên Raspberry Pi 4 sử dụng vi xử lý Broadcom BCM2711B0. Được sản xuất trên quy trình 28 nm, BCM2711B0 áp dụng kiến trúc Cortex-A72, gồm bốn lõi chạy ở 1,5 GHz và hỗ trợ 4 GB RAM. Bộ vi xử lý tích hợp sẵn nhiều ngoại vi, bao gồm:
- Bộ định thời (timers)
- Bộ điều khiển ngắt (interrupt controller)
- Cổng I/O đa năng (GPIO)
- Giao diện USB
- Giao diện âm thanh số PCM/I²S
- Bộ điều khiển truy cập trực tiếp bộ nhớ (DMA)
- Master I²C, master SPI
- PWM
- UART
- Hai cổng micro HDMI hỗ trợ xuất hình 4K
5. PLC Ethernet Raspberry Pi của Industrial Shields
- Vi xử lý: Broadcom BCM2711B0
- Nguồn cấp: 12–24 V DC, dòng tối đa 1,5 A
- Hệ điều hành: Linux
- Giao tiếp mạng: hai cổng Ethernet, hai cổng RS-485, Wi-Fi, BLE và tùy chọn CAN bus
- Tối ưu hóa: điều khiển thời gian thực
- Bộ nhớ: có các phiên bản 2 GB, 4 GB và 8 GB RAM
Ví dụ các mẫu PLC Raspberry Pi của Industrial Shields:
- 012003000200: 4 GB RAM, 21 ngõ I/O (xem Hình 4)
- 012003001100: 4 GB RAM, 54 ngõ I/O
- 016003000200: 4 GB RAM, 21 ngõ I/O và kết nối di động GPRS
Hình 4: Máy tính đơn bo Raspberry Pi Ethernet PLC của Industrial Shield với 4 GB RAM và 21 I/Os.
Thư viện C++ SimpleComm cho phép các kỹ sư truyền dữ liệu qua các giao thức như RS-485, RS-482, Ethernet và các giao thức khác. Thư viện này có thể được điều chỉnh để phù hợp với nhiều mô hình truyền thông khác nhau như ad-hoc, master-slave và client-server. Phiên bản gốc của SimpleComm cung cấp giao diện lập trình ứng dụng (API) trực quan cho môi trường Arduino. Gần đây, Industrial Shields đã chuyển đổi SimpleComm để chạy trên hệ điều hành Linux, phù hợp với các PLC nền tảng Raspberry Pi.
6. IPC và IIoT gateway
Khi cần độ linh hoạt cao hơn, các kỹ sư có thể chọn sử dụng các máy tính công nghiệp (IPC) RevPi Core S và RevPi Core SE, cũng như cổng IIoT RevPi Connect S và RevPi Connect SE của KUNBUS, tất cả đều dựa trên nền tảng Raspberry Pi và thiết kế gắn thanh DIN (Hình 5).
Bên cạnh việc cung cấp sơ đồ mạch điện, KUNBUS còn sử dụng phiên bản mã nguồn mở của hệ điều hành Raspberry Pi OS được vá để hỗ trợ vận hành thời gian thực. Raspberry Pi OS đảm bảo khả năng tương tác mạnh mẽ với đa dạng ứng dụng phần mềm phát triển cho Raspberry Pi. KUNBUS hợp tác với các nhà cung cấp phần mềm để hỗ trợ các giải pháp SCADA (supervisory control and data acquisition) trong việc điều khiển, giám sát và phân tích thiết bị cũng như quy trình công nghiệp. Việc cấp quyền truy cập root đầy đủ giúp đẩy nhanh quá trình triển khai các chương trình tùy chỉnh.
Hình 5: Máy tính đơn bo RevPi Core SE IPC (trái) và RevPi Connect IIoT Gateway (phải)
RevPi Core S/SE và RevPi Connect S/SE
Các thiết bị RevPi Core S và RevPi Core SE được xây dựng trên nền tảng phần cứng và phần mềm mở, tuân thủ tiêu chuẩn IEC 61131.
Tương thích mở rộng
RevPi Core S tương thích với tất cả các mô-đun mở rộng của KUNBUS, bao gồm cả các gateway fieldbus.
RevPi Core SE chỉ tương thích với các mô-đun I/O của KUNBUS và không hỗ trợ gateway fieldbus.
Kết nối
USB, Micro-USB
Ethernet 10/100 Mbps
HDMI
Phần cứng chính
Bộ xử lý: Quad-core 1,5 GHz
RAM: 1 GB
Bộ nhớ lưu trữ: các tùy chọn 8 GB, 16 GB, 32 GB
Ví dụ: PR100360 (RevPi Core S) với 16 GB flash
Để hỗ trợ kết nối IIoT, KUNBUS cung cấp RevPi Connect S và RevPi Connect SE gateway với các đặc tính sau:
Bộ nhớ: lên đến 32 GB
Cổng mạng:
2 × RJ45 10/100 Ethernet (hỗ trợ kết nối đồng thời mạng tự động hóa và IT)
1 × giao diện RS-485 4 chân
2 × USB
micro-HDMI, micro-USB
Nền tảng phần mềm
Hệ điều hành: Raspberry Pi OS (phiên bản mã nguồn mở với patch thời gian thực)
Lập trình: Node-RED, Python, C
Dễ dàng cấp quyền root đầy đủ
Nâng cấp giao thức (không cần mô-đun mở rộng):
PROFINET
EtherNet/IP
EtherCAT
Modbus TCP
Modbus RTU
Ví dụ sản phẩm:
PR100363: RevPi Connect S, 16 GB flash
PR100197: Mô-đun mở rộng I/O số
PR100250: Mô-đun mở rộng I/O tương tự
Tất cả dòng RevPi Core S/SE và RevPi Connect S/SE đều thiết kế gắn thanh DIN, phù hợp cho các ứng dụng công nghiệp cần tính mở rộng và linh hoạt cao.
7. Máy tính đơn bo PROFINET và SBC PLCs
Máy tính đơn bo PLC SBC (Single-Board Computer) có thể là những thiết bị rất tinh vi, hỗ trợ các giao thức mạng công nghiệp nâng cao. PROFINET (Process Field Network) là chuẩn mở cho các thiết bị mạng công nghiệp như PLC, biến tần, rô-bốt, công cụ chẩn đoán…, chạy trên Ethernet công nghiệp và được tối ưu hóa cho việc thu thập dữ liệu cũng như điều khiển thiết bị với khả năng thời gian thực. Chuẩn này có thể được triển khai trên hầu hết các PLC Arduino và Raspberry Pi.
Mạng tự động hóa công nghiệp đòi hỏi độ trễ thấp và xác định thời gian (deterministic) cao. PROFINET tập trung vào hiệu năng xác định, đảm bảo mỗi thông điệp được truyền đúng lúc và đúng theo kỳ vọng của quá trình điều khiển.
Điều này có nghĩa là PROFINET có thể điều chỉnh tốc độ truyền thông cho từng loại nhiệm vụ, bởi không phải mọi tác vụ đều có độ nhạy thời gian như nhau. PROFINET hỗ trợ nhiều chế độ truyền thông khác nhau
PROFINET Real-Time (RT): Đáp ứng thời gian thực soft-real-time, phù hợp cho các tác vụ điều khiển chung.
PROFINET Isochronous Real-Time (IRT): Đáp ứng thời gian thực cứng (hard real-time), dùng cho các ứng dụng đòi hỏi đồng bộ cao như điều khiển chuyển động.
Time Sensitive Networking (TSN): Chuẩn IEEE cho mạng Ethernet có khả năng ưu tiên và định thời gói tin, tích hợp trong PROFINET để mở rộng độ xác định mạng.
TCP/IP hoặc UDP/IP: Cho các kết nối dữ liệu ít nhạy thời gian hơn hoặc cho việc cấu hình, giám sát.
8. Kết luận
Một dải rộng các PLC SBC và thiết bị mạng công nghiệp dựa trên công nghệ Arduino và Raspberry Pi hiện đang có sẵn. Chúng sử dụng phần mềm mã nguồn mở và, trong một số trường hợp, cả phần cứng mã nguồn mở.
PLC Arduino được cung cấp dưới dạng:
Thiết bị kích thước tiêu chuẩn cho mạng nhỏ
PLC vi mô (micro PLC) cho các lắp đặt giới hạn không gian
Bộ điều khiển máy (machine controller) cho các ứng dụng nhúng
PLC dựa trên Raspberry Pi lõi tứ có khả năng hỗ trợ các ứng dụng mạng công nghiệp phức tạp hơn.
Máy tính công nghiệp (IPC) và gateway IIoT nền tảng Raspberry Pi với độ linh hoạt cao trong thiết kế và triển khai mạng cũng đã được thương mại hóa
Credit: Jeff Shepard
Dịch bởi: Điện tử Hatakey