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的流程自動化和機械控制而設計的工業計算機。PLC以其高可靠性、堅固耐用性著稱，能夠處理諸如管理傳送帶、監控傳感器或操作機器人系統等任務。它們是確保自動化過程中精度、效率和安全性的關鍵。

樹莓派 則是一款多功能、經濟實惠的單板計算機，憑借其緊湊的設計和廣泛的應用領域而廣受歡迎。樹莓派最初是作為教育工具開發的，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PLC在預算有限的愛好者、教育工作者和小型企業中的有前景的替代品。

工業自動化趨勢

工業4.0與智能工廠

集成物聯網（IoT）、人工智能（AI）和機器學習等先進技術，創建互聯且智能的生產系統。實時數據采集與分析，用于預測性維護、流程優化和提高效率。

工業物聯網（IIoT）

使用聯網設備和傳感器監控設備和流程。重點在于實現機器與系統之間的無縫通信，以提高生產力并減少停機時間。

人工智能與機器學習

AI驅動的解決方案用于預測性維護、質量控制和決策。機器學習模型可優化生產線并動態適應變化條件。

協作機器人與先進機器人技術

部署與人類工人協同工作的協作機器人（cobots）。機器人在重復性任務、精密組裝和危險操作中的應用日益增多。

邊緣計算

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

自動化中的網絡安全

強調保護工業網絡免受網絡威脅。實施諸如加密通信和異常檢測等強大安全措施。

PLC的定義

PLC通過接收來自各種來源（如傳感器、開關或其他設備）的輸入信號來工作。這些信號代表現實世界中的條件，如溫度、壓力、運動或機械狀態。

處理（邏輯執行）：PLC的中央處理單元（CPU）根據預編程的邏輯處理輸入數據。邏輯通常使用梯形圖、功能塊圖或結構化文本編程來定義。

根據處理后的邏輯，PLC向執行器、電機、閥門或其他設備發送輸出信號以執行特定動作。例如，啟動電機、打開閥門或停止傳送帶。

PLC以循環方式（掃描周期）運行，反復讀取輸入、處理邏輯和更新輸出，確保實時控制。

通信 現代PLC可以連接到網絡并與其他控制器或監控系統通信，從而集成到更大的自動化框架中。

PLC的典型應用場景

制造自動化

控制裝配線、機械臂和工廠中的機械。協調焊接、包裝或質量控制等流程。

流程控制

調節石油和天然氣、食品加工和制藥等行業中的變量，如溫度、壓力或流量。

物料處理

管理倉庫、機場或港口中的傳送帶、分揀系統和起重機。

能源管理

自動化發電廠中的系統，如渦輪機控制、電網管理和負荷分配。

建筑自動化

運營商業和住宅建筑中的暖通空調系統、照明和電梯。

水和廢水處理

監控和控制處理廠中的泵、閥門和過濾系統。

交通系統

控制鐵路信號、交通燈和收費亭。管理地鐵或機場系統的無縫運行。

農業自動化

控制灌溉系統、溫室和動物喂養系統，以優化農業實踐。

使用樹莓派作為PLC的優勢

成本效益

樹莓派比傳統PLC便宜得多，是小型企業、初創公司、愛好者和教育項目的理想選擇。

可定制性

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

豐富的軟件生態系統

與Python、Node-RED和Codesys等多種編程環境兼容。可以使用眾多庫和工具實現數據記錄、物聯網連接和機器學習等高級功能。

物聯網集成

樹莓派可以無縫連接到云平臺，實現實時監控、遠程控制和預測分析。是實施工業4.0和基于物聯網的自動化解決方案的理想選擇。

多種輸入/輸出（IO）選項

配備GPIO引腳以實現基本的IO功能，并可以通過HAT（Hardware Attached on Top）或shield擴展工業級連接。

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的完全控制。

所需組件

硬件

樹莓派和數字/模擬I/O擴展板

? 數字I/O板

提供額外的數字輸入和輸出引腳。可用于控制繼電器、傳感器和執行器。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據或控制模擬執行器至關重要。例如：基于ADS1115或MCP3008的ADC/DAC HAT。

? 繼電器板

啟用對高壓設備（如電機、燈光或工業機械）的控制。例如：PiRelay、Sainsmart 4通道繼電器模塊。

? 工業I/O板

專為惡劣環境設計，具備光隔離、過壓保護和工業信號電平兼容性等功能。例如：Sequent Microsystems Industrial HAT、UniPi Neuron。

? 通信協議板

支持Modbus、CAN或RS-485等工業通信協議。例如：PiCAN2、RS485 HAT。

數字和模擬I/O模塊

? 數字I/O模塊

數字I/O模塊用于與使用二進制信號（開/關、高/低）運行的設備接口。這些模塊擴展了數字輸入/輸出的數量，并與工業電壓電平兼容。

關鍵特性：

支持TTL（3.3V或5V）、12V和24V信號。

控制繼電器、開關、LED和電磁閥等設備。

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重要。

關鍵特性：

ADC（模數轉換器）將模擬輸入轉換為數字信號。

DAC（數模轉換器）生成模擬輸出。

常見分辨率：10位、12位或更高，以實現精確讀數。

樹莓派OS、Codesys和OpenPLC：自動化平臺

樹莓派OS 概述

- 樹莓派OS是樹莓派設備推薦的操作系統。

Codesys 概述

- Codesys是一個專業級的PLC編程開發環境，支持IEC 61131-3標準語言，如梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）和結構化文本（ST）。

- 它可以安裝在樹莓派上，將其轉變為工業級PLC。

OpenPLC 概述

- OpenPLC是一個專為PLC編程和自動化設計的開源平臺。

- 它支持IEC 61131-3編程語言，是傳統PLC軟件的經濟替代品。

開發環境

使用Python、Node-RED和MQTT為樹莓派構建自動化系統，提供了靈活且強大的開發環境。Python是樹莓派實現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、執行器和其他設備接口，并具有強大的數據處理能力。RPi.GPIO和gpiozero等庫可高效管理硬件，而paho-mqtt等庫則與MQTT無縫集成以實現通信。

Node-RED是一種基于流程的開發工具，通過提供可視化編程界面補充了Python。它通過拖放節點簡化了自動化工作流程的創建，使用戶無需廣泛的編碼知識即可設計復雜系統。Node-RED支持GPIO控制、HTTP請求和云服務集成，使其成為協調數據流和構建實時監控與控制儀表板的實用工具。

MQTT作為通信的骨干。它是一種輕量級協議，非常適合資源受限的設備（如樹莓派）。MQTT采用發布-訂閱模型，實現設備間高效且實時的消息傳遞。這使其成為物聯網應用中可靠通信的自然選擇。

Python、Node-RED和MQTT共同構成了一個無縫生態系統。Python可以管理硬件交互并執行高級計算，MQTT確保設備或云平臺間的數據通信高效進行，而Node-RED則通過可視化工作流管理和實時數據可視化將所有內容整合在一起。例如，在家庭自動化系統中，Python可以從傳感器讀取溫度數據，發布到MQTT代理，Node-RED可以訂閱數據，在儀表板上顯示并觸發諸如開啟風扇等操作。

這種環境具有可擴展性和靈活性，適用于簡單和復雜的自動化任務。Python提供了高級功能所需的深度，Node-RED增強了易用性和可視化，MQTT實現了無縫通信。無論是用于原型設計、物聯網應用還是全規模自動化系統，這種組合都提供了一個強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是一個免費的開源平臺，可將樹莓派轉變為符合IEC 61131-3標準的強大可編程邏輯控制器（PLC）。以下是安裝和配置OpenPLC的步驟。

準備樹莓派：

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。

3. 安裝所需依賴項：安裝構建和運行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：導航到主目錄并克隆OpenPLC倉庫：

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

- 運行安裝腳本：OpenPLC提供了一個安裝腳本，可自動化設置過程。運行以下命令：

sudo ./install.sh rpi

- 設置權限：安裝后，確保OpenPLC運行時具有與GPIO交互所需的權限：

sudochmoda+rw /dev/mem

配置OpenPLC：

啟動OpenPLC運行時：通過運行以下命令啟動OpenPLC運行時：

sudo ./start_openplc.sh

這將啟動OpenPLC的Web界面和運行時系統。

訪問Web界面：在本地網絡上的計算機上打開Web瀏覽器，訪問：

http://<樹莓派IP>:8080

登錄：默認用戶名：openplc，默認密碼：openplc。出于安全考慮，建議在Web界面的“設置”選項卡中更改默認憑據。

加載PLC程序：

- 在OpenPLC的Web界面中，轉到“程序”選項卡。

- 上傳支持格式（如梯形圖、功能塊圖、結構化文本）的PLC程序。

- 編譯并部署程序。

可選 - 啟用Modbus通信：

激活Modbus服務器：OpenPLC包含一個用于工業通信的Modbus TCP/RTU服務器。在“設置”選項卡中啟用它。

測試Modbus：使用modpoll等工具或兼容Modbus的SCADA系統與OpenPLC通信。

故障排除

? Web界面無法訪問：確保Apache服務器正在運行：

sudosystemctl restart apache2

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

? 程序錯誤：在上傳前驗證PLC程序的語法錯誤。

限制

× 工業適用性：樹莓派缺乏工業級的耐用性和認證，因此在惡劣環境中可靠性較低。

× 有限的GPIO：GPIO引腳的數量可能限制復雜的系統，需要擴展板。

× 實時性能：樹莓派的實時能力不如專用PLC強大。

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

結論

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境中的工業級PLC，但它是原型設計、教育用途以及中小型應用的理想平臺。通過利用Python、Node-RED和OpenPLC等工具，用戶可以構建與物聯網生態系統無縫集成的定制自動化解決方案。隨著開源工業自動化的不斷發展，樹莓派作為可編程控制器的潛力將不斷增長，成為愛好者、教育工作者和創新企業的無價工具。