Comment les ordinateurs monocartes étendent la portée de l'automatisation industrielle

La disponibilité d'ordinateurs monocartes (SBC) comme Arduino et Raspberry Pi, conçus pour être utilisés en environnements industriels, ainsi que d'outils de développement logiciel basés sur la norme 61131-3 de la Commission électrotechnique internationale (CEI), a ouvert de nouvelles opportunités pour les concepteurs d'automatisation d'usines et de machines. Certaines de ces nouvelles solutions basées sur SBC ouvrent également de nouvelles possibilités pour l'automatisation de la surveillance environnementale, d'installations de maisons et de bâtiments intelligents, d'applications agricoles et d'autres systèmes non industriels.

Les SBC industriels sont utilisés dans les contrôleurs de machines, les PC industriels (IPC), les passerelles pour l'Internet industriel des objets (IIoT), les micro-automates programmables (PLC), les PLC logiciels, les modules entrée/sortie (E/S) analogiques et numériques, et plus. Ces dispositifs basés sur SBC sont construits sur des plateformes matérielles et logicielles ouvertes, incluant parfois des droits « root » complets.

La conformité à la norme CEI 61131-3 implique que les cinq langages de programmation d'automatisation standard sont pris en charge, notamment le langage Ladder, le texte structuré, le langage FBD, le langage SFC et la liste d'instructions. L'utilisation de SBC signifie que les développeurs peuvent également recourir à des langages tels que Java, Python, C ou C++, offrant une plus grande flexibilité que le matériel de contrôle industriel traditionnel. Certains prennent en charge la sécurité des données depuis le matériel jusqu'au cloud ou à un réseau de plus haut niveau comme un système de planification des ressources d'entreprise (ERP) avec un élément sécurisé embarqué et la conformité à la norme X.509 de l'Union internationale des télécommunications (UIT) en matière de clés publiques.

Cet article présente des exemples de solutions basées sur SBC d'Arduino, d'Industrial Shields et de KUNBUS disponibles pour les concepteurs de machines et d'automatisation pour diverses applications, y compris l'automatisation à petite et moyenne échelle, le contrôle embarqué dans les petites machines et les grandes installations d'automatisation d'usine. L'article se termine par un aperçu de la manière dont PROFINET et la mise en réseau déterministe peuvent être implémentés sur les PLC SBC.

Arduino PLC

L'un des avantages de la plupart des PLC basés sur Arduino est la disponibilité de l'environnement de développement intégré (IDE) Arduino PLC pour l'écriture de logiciels de contrôle. L'IDE Arduino PLC permet aux utilisateurs de choisir l'un des cinq langages de programmation définis par la norme CEI 61131-3 et de coder rapidement des applications PLC ou de porter des applications existantes. Il inclut également des bibliothèques, des tutoriels et des sketchs (programmes) Arduino prêts à l'emploi.

Les PLC basés Arduino d'Industrial Shields peuvent être programmés à l'aide de l'IDE Arduino ou directement en C. Ces PLC incluent des outils open-source et peuvent être programmés avec plusieurs plateformes logicielles. Ils peuvent être programmés via les ports USB ou Ethernet pour des connexions à distance. Les utilisateurs peuvent surveiller en permanence l'état de toutes les variables, entrées et sorties.

Le modèle IS.MDUINO.21+ d'Industrial Shields est répertorié pour fonctionner de 0°C à +60°C, et son processeur ATmega atteint un débit de 16 MIPS à 16 MHz (Figure 1). Les fonctionnalités incluent :

• 13 entrées :
  • 7 opto-isolées numériques (5 V_CC à 24 V_CC)
    • 2 interruptions (5 V_CC à 24 V_CC)
  • 6 configurables par logiciel en analogique (0 V_CC à 10 V_CC, 10 bits) ou numérique (5 V_CC à 24 V_CC)
• 8 sorties :
  • 5 opto-isolées numériques (5 V_CC à 24 V_CC)
  • 3 configurables par logiciel en analogique (0 V_CC à 10 V_CC, 8 bits), numérique (5 V_CC à 24 V_CC) ou PWM (5 V_CC à 24 V_CC)
• 256 Ko de mémoire
• Communications Ethernet, RS-232, RS-485 et USB
• Possibilité d'extension avec jusqu'à 127 modules

Figure 1 : Le modèle IS.MDUINO.21+ d'Industrial Shields est doté de 13 entrées et 8 sorties. (Source de l'image : Industrial Shields)

Micro PLC

L'Arduino Opta est un micro PLC conçu pour prendre en charge les applications IIoT. Programmable avec l'IDE Arduino PLC, il prend en charge les sketchs Arduino et les langages PLC standard. Le processeur principal est le STM32H747 double cœur avec un Cortex-M7 à 480 MHz, un Cortex-M4 à 240 MHz et 1 Mo de mémoire programme prenant en charge la mise en œuvre d'algorithmes de maintenance prédictive, la surveillance et le contrôle en temps réel. Les mises à jour micrologicielles OTA (Over-the-Air) sécurisées sont prises en charge par l'élément sécurisé embarqué et la conformité X.509.

Les PLC Opta sont disponibles en trois variantes différenciées par leurs capacités de communication. Tous les trois incluent USB-C. Les modèles sont les suivants :

• Opta Lite, modèle AFX00003, qui ajoute 10/100BASE-T Ethernet
• Opta RS485, modèle AFX00001, qui ajoute 10/100BASE-T Ethernet et RS-485 semi-duplex
• Opta Wi-Fi, modèle AFX00002, qui ajoute 10/100BASE-T Ethernet, Wi-Fi 802.11 b/g/n RS-485 semi-duplex et Bluetooth Low Energy (BLE)

Ces micro PLC sont dotés de huit entrées analogiques/numériques programmables et de quatre sorties relais normalement ouvertes répertoriées pour 10 A (2,3 kW). L'horloge temps réel (RTC) a une capacité de conservation de l'énergie typique de dix jours à +25°C, et la synchronisation NTP (Network Time Protocol) est disponible via le port Ethernet. Les dispositifs sont compatibles avec le montage sur rail DIN pour accélérer l'intégration du système (Figure 2).

Figure 2 : Micro PLC Arduino Opta Lite montrant les quatre sorties relais de 10 A sur la face avant gauche de l'unité. (Source de l'image : Arduino)

PLC embarqué pour petites machines

Les concepteurs de petites machines pour l'étiquetage, le formage et le scellage, l'emballage de cartons, le collage, les fours électriques, les laveuses et sécheuses industrielles, les mélangeurs, etc., peuvent se tourner vers le PLC Portenta Machine Control de 170 mm x 90 mm x 50 mm. Il est doté d'un boîtier compatible barre DIN et de bornes enfichables pour une connexion rapide, et il est répertorié pour un fonctionnement de -40°C à +85°C sans refroidissement externe (Figure 3). Le processeur principal est le STM32H747 double cœur avec un Cortex-M7 à 480 MHz et un Cortex-M4 à 240 MHz. La carte peut prendre en charge des écrans plats, des écrans tactiles, des claviers, des joysticks et des souris pour les interfaces installateur et opérateur. Elle peut être programmée à l'aide de l'IDE Arduino PLC ou d'autres plateformes de développement embarquées.

Figure 3 : La carte Portenta Machine Control est destinée aux applications embarquées dans une large sélection de machines. (Source de l'image : Arduino)

Le Portenta Machine Control peut prendre en charge les logiciels de maintenance prédictive et d'intelligence artificielle (IA). Son horloge RTC embarquée prend en charge la synchronisation des processus et permet la collecte de données en temps réel et le contrôle à distance des équipements.

La carte peut se connecter à divers capteurs et actionneurs externes avec des connexions E/S numériques et analogiques isolées et programmables, trois canaux de température de configuration et un connecteur I2C. Des fusibles réarmables protègent toutes les E/S. La connectivité réseau est prise en charge par USB, Ethernet, Wi-Fi, BLE et RS-485.

Raspberry Pi pour automatisation d'usine

Les tâches d'automatisation plus complexes peuvent bénéficier de la puissance de traitement des PLC basés sur Raspberry Pi 4 avec le processeur Broadcom BCM2711B0. Fabriqué selon un processus de 28 nm, le BCM2711B0 utilise l'architecture Cortex-A72. Il est doté de quatre cœurs avec une fréquence d'horloge de 1,5 GHz et 4 Go de RAM. Il intègre de nombreux périphériques, notamment des temporisateurs, un contrôleur d'interruption, des E/S à usage général (GPIO), USB, une interface audio numérique PCM/I2S, un contrôleur d'accès direct à la mémoire (DMA), des maîtres I2C, des maîtres SPI, PWM, des émetteurs/récepteurs universels asynchrones (UART), deux ports micro HDMI prenant en charge la sortie 4K, et plus encore.

Les PLC Ethernet Raspberry Pi d'Industrial Shields utilisent le BCM2711B0, fonctionnent avec des tensions d'entrée de 12 V_CC à 24 V_CC et consomment jusqu'à 1,5 A de courant. Ils incluent le système d'exploitation Linux et disposent de deux ports Ethernet, de deux ports RS-485, et d'options Wi-Fi, BLE et de bus CAN, ce qui leur permet de se connecter à de nombreux dispositifs avec plusieurs protocoles et ports de communication. Ils sont optimisés pour les applications bénéficiant d'un contrôle en temps réel et sont disponibles avec 2 Go, 4 Go et 8 Go de RAM. Exemples de PLC Raspberry Pi d'Industrial Shields :

• 012003000200, avec 4 Go de RAM et 21 E/S (Figure 4)
• 012003001100, avec 4 Go de RAM et 54 E/S
• 016003000200, avec 4 Go de RAM, 21 E/S et une connectivité cellulaire GPRS

Figure 4 : PLC Ethernet Raspberry Pi d'Industrial Shields avec 4 Go de RAM et 21 E/S. (Source de l'image : Industrial Shields)

Relier Arduino et Raspberry Pi dans les PLC avec SimpleComm

La bibliothèque C++ SimpleComm permet aux concepteurs d'envoyer des données via RS-485, RS-482, Ethernet et d'autres protocoles. Elle peut être adaptée à différentes topologies de communication notamment ad-hoc, maître-esclave et client-serveur. Le programme original est équipé d'une interface de programmation (API) intuitive pour les environnements Arduino. Industrial Shields a récemment adapté SimpleComm à l'environnement Linux présent sur les PLC Raspberry Pi.

Solution de passerelle IIoT et IPC

Lorsqu'une plus grande flexibilité est requise, les concepteurs peuvent se tourner vers les IPC RevPi Core S et SE et la passerelle IIoT RevPi Connect S et SE de KUNBUS, tous basés sur Raspberry Pi et conçus pour un montage sur rail DIN (Figure 5). En plus de fournir des schémas de circuit, KUNBUS utilise une adaptation open-source du système d'exploitation (OS) Raspberry Pi avec un patch de fonctionnement en temps réel. Le système d'exploitation Raspberry Pi offre une interopérabilité robuste avec une large gamme d'applications logicielles développées pour Raspberry Pi. KUNBUS travaille avec des fournisseurs de logiciels pour prendre en charge les logiciels SCADA pour le contrôle, la surveillance et l'analyse des dispositifs et processus industriels. La disponibilité d'un accès root complet accélère la mise en œuvre de programmes personnalisés.

Figure 5 : IPC RevPi Core SE (à gauche) et passerelle IIoT RevPi Connect (à droite). (Source de l'image : KUNBUS)

Les dispositifs RevPi Core S et SE sont construits sur une plateforme matérielle et logicielle ouverte conforme à la norme CEI 61131. Les unités RevPi Core S sont compatibles avec tous les modules d'extension de KUNBUS, y compris les passerelles de bus de terrain. Les unités RevPi Core SE sont compatibles avec les modules E/S de KUNBUS mais ne prennent pas en charge les passerelles de bus de terrain. Les IPC RevPi Core S/SE disposent de connexions USB, Micro-USB, Ethernet et HDMI. Ils sont dotés d'un processeur à quatre cœurs de 1,5 GHz avec 1 Go de RAM, et des modèles avec 8 Go, 16 Go et 32 Go de stockage sont disponibles. Par exemple, le modèle RevPi Core S PR100360 dispose de 16 Go de mémoire.

Pour prendre en charge la connectivité IIoT, les passerelles RevPi Connect S et SE sont disponibles avec jusqu'à 32 Go de mémoire et incluent deux connecteurs 10/100 Ethernet RJ45, deux ports USB, une interface RS-485 à 4 broches, ainsi que des connecteurs micro-HDMI et micro-USB. Les deux connecteurs Ethernet prennent en charge la connectivité simultanée avec les réseaux d'automatisation et informatiques. En tant que plateforme logicielle open-source, les applications peuvent être programmées à l'aide de Node-RED, Python et C. RevPi Connect peut être mis à niveau avec les fonctionnalités PROFINET, EtherNet/IP, EtherCAT, Modbus TCP et Modbus RTU sans recourir à des modules d'extension. Exemples d'unités RevPi Connect :

• PR100363, RevPi Connect S avec 16 Go de mémoire.
• PR100197, module d'extension E/S numérique RevPi.
• PR100250, module d'extension analogique RevPi.

PLC SBC et PROFINET

Les PLC SBC peuvent être des dispositifs sophistiqués capables de prendre en charge des protocoles réseau avancés. PROFINET est une norme ouverte pour les dispositifs de réseaux industriels tels que les PLC, les variateurs, les robots, les outils de diagnostic, etc. Il s'exécute sur Industrial Ethernet et est optimisé pour la collecte de données et le contrôle des équipements industriels avec des communications en temps réel. Il est disponible pour la plupart des PLC Arduino et Raspberry Pi.

Les réseaux d'automatisation industrielle ont besoin de communications déterministes et haut débit. PROFINET cible les performances déterministes qui délivrent les messages exactement quand ils sont nécessaires et attendus.

Cela signifie que chaque message est transmis à la vitesse appropriée en fonction de la tâche effectuée. Toutes les tâches ne présentent pas le même degré d'urgence. PROFINET peut transmettre des messages sur différents protocoles, notamment :

• PROFINET Real-Time (RT)
• PROFINET Isochronous Real-Time (IRT)
• Time Sensitive Networking (TSN)
• TCP/IP (ou UDP/IP)

Conclusion

De nombreux PLC SBC et dispositifs de réseaux industriels basés sur les technologies Arduino et Raspberry Pi sont disponibles. Ils utilisent des logiciels open-source et, dans certains cas, du matériel open-source. Les PLC Arduino sont disponibles sous forme d'unités de taille standard pour les petits réseaux, de micro PLC pour les installations à espace restreint et de contrôleurs de machines pour les applications embarquées. Les PLC basés sur Raspberry Pi à quatre cœurs peuvent prendre en charge des applications réseau industrielles plus complexes. Des IPC basés sur Raspberry Pi et des passerelles IIoT prenant en charge de hauts niveaux de flexibilité dans la conception et le déploiement des réseaux sont disponibles.