IOTON MICRIO,基于Raspberry PI的全模块化PLC,适用于家庭和工业自动化
发布时间:2019-09-23
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IOTON MICRIO,基于Raspberry PI的全模块化PLC,适用于家庭和工业自动化
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过去,我在不同供应商(Siemens,Rockwell Automation,WAGO e.t.c.)的PLC方面积累了一些经验。

它是受人尊敬的制造商,他们制造了出色的产品。但是他们的产品对我也有一些缺陷:

1、价格。它的价格昂贵。

2、对于来自不同供应商的产品,编程环境有所不同,而且理解起来并不那么简单。

3、大小。这些产品大多数都无法安装在电气柜中(用于58毫米高度DIN导轨产品的家庭标准电气柜)

4、限制条件。例如,大多数使用自己的云服务的供应商都没有您可以在Amazon AWS中找到的功能。

5、输入-输出电压。没有电平转换器,无法连接便宜的3.3或5伏传感器。

所以,我想了一下,IOTON MICRIO的想法就诞生了。

IRL

一些模块(不是全部)。

在开始项目描述之前,首先介绍有关IOTON MICRIO设备的第一个工业项目。

一位老同学是公司生产的生物反应器的首席执行官。对于他的一个项目,他要求我制造一个系统来控制3个大风扇(按计划开/关)和一个泵电机。该泵电机的RPM必须取决于大气压和温度,并使用有趣的公式进行计算(由于NDA,无法在此发布)。有一天解决了这个问题。 IOTON MICRIO MPU通过MODBUS协议(RS485 PHY)从INTERNET和控制电动机获取大气压力和温度数据。此时此刻,系统将在大约3个月的时间内不出现任何问题。原理图很简单:

这是怎么实现的

基本原则:

首先,确定了整个系统的五个基本原则:

1.任何输入或输出必须与微处理器单元(MPU)进行电,光或机械隔离

2.保持尺寸尽可能小

3.保持简单,愚蠢

4.可靠性比功能更重要

5.所有模块必须可以互换

编程环境:

幸运的是,从IBM员工那里找到了Node-Red。对于IOT设备而言,这是一个非常出色且简单的编程环境。它可以在Raspbian上完美运行,并在其论坛上得到开发人员的大力支持。

示意图:

对我来说,这并不是那么具有挑战性。我有足够的经验。另外,我在维修不同型号的PLC方面也有经验,因此更了解安全性,可靠性和功能性的基本原理。

面临的一个小挑战是找到用于RS485和1线电流隔离的解决方案。使用了隔离式DC-DC转换器和Analog Devices变压器隔离器。

PCB追踪:

这不是火箭科学,因为整个项目中只有很少的轨道需要阻抗匹配。仅需记住两件事:最大走线电流以及PCB的受保护和不受保护部分之间的足够间隙。

3D建模:

很有挑战性。为了使尺寸尽可能小,垂直堆叠了PCB。并且在连接器位置和PCB形状方面存在许多问题。还始终需要牢记如何组装最终产品。

DIN外壳:

使用的是标准的1U,2U,3U 57mm高的DIN导轨式机箱。唯一需要购买的是用于铣削端口孔的CNC铣床。

外壳标签和其他图形工作:

以矢量形式制作的所有标签。因为它具有可伸缩性,适合打印。标签印在Lomond透明自粘膜上。一个小问题-渲染时,我需要将其转换为栅格。

PCB模板:

PCB模具成本很高。模具本身并不会花费太多(6-30美元取决于尺寸和电解抛光),但中国工厂仔细地将每个模具包装在自己的盒子中,带盒子的重量为900克。1个模板的交货期约为30美元(在这个项目中,对于17个PCB,如果为每个PCB订购模板,则全部成本约为750美元)。一种节省资金的聪明方法-将不同的板合并成一个大的gerber,并为所有板订购一个通用的模具。

PCB组装:

如果有模板,这很简单。只需将组件正确放置在PCB上,然后将PCB放入焊炉中即可。我用的是普惠T-962烤箱。

FRITZING:

在该项目中,我为大多数模块和一些电气设备制作了FRITZING模型。

模块说明:

IOTON MICRIO MPU

MICRIO MPU是所有系统的心脏。它基于Paspberry Pi Zero W,并具有大量不同的选项和界面。

主板:

在一个2U(96x36.5x58mm)DIN导轨外壳中,从顶部到底部放置了6个PCB:

  • OLED板
  • 顶板
  • 868mHz无线电板
  • 接口板(1个LAN,2个USB,1个UART)
  • Raspberry PI zero W
  • 基板

基本连接图:

特征:

  • 硬件看门狗
  • 外部电池的RTC
  • UPS(全模拟电路,提高可靠性)
  • 电池控制器(防止电池完全放电)
  • UPS输出,用于从UPS为外部设备供电(例如MODBUS从站)
  • 隔离的RS485端口(565Vpeak交流电压双极性波形)
  • 隔离式1线接口(Viorm 560Vpeak)
  • 隔离5V 50ma输出用于外部传感器
  • SMA天线连接器(用于WIFI天线或868MHz天线)
  • 2个带浪涌保护的USB2.0端口
  • 带有外部变压器保护的LAN端口
  • I / O模块的20针端口(16GPIO,I2C,5VDC)
  • 无线电模块(最长3000m)
  • 端子连接器

编程环境:

正如在使用Node-Red软件之前写的那样。IOTON编辑器-略微修改了带有特定MICRIO节点和子流的Node-red。

IOTON MICRIO PI-FACE

它具有与MICRIO MPU相同的功能,但使用Raspberry PI 2,3或4作为微处理器单元。

数字输入模块DI8.1,DI8.2

数字量输入模块设计为通过20pin(DI8.1)或12pin(DI8.2)接口连接器直接连接到IOTON MICRIO MPU。对于MICRIO MPU,可以连接2个DI8模块并获得多达16个数字输入。

如之前所写,需要具有通用输入的数字输入模块,所以我做到了!

如您在图片上所见。可以连接不同类型的开关或传感器。在此示例中:

  •  将IN1配置为“干触点”,您可以直接连接开关或瞬时按钮,而无需任何其他电压源。
  • IN2配置为3VDC至12VDC的电压源,您可以连接到此输入低压设备,例如3.3V arduino nano。
  • IN3配置为12VDC至28VDC的电压源,您可以将任何具有数字输出的24伏工业传感器连接到此输入。

所有输入均具有光电隔离。

数字输出模块DO8.1,DO8.2

数字量输出模块旨在通过20pin(DI8.1)或12pin(DI8.2)接口连接器直接连接到IOTON MICRIO MPU。对于MICRIO MPU,可以连接2个DO8模块并获得多达16个数字输出。

这些模块的工作电压范围为3V至28V。

  • OUT1可以为高达100W 24VDC的直流电动机供电
  • OUT5可以在低电压下工作,并兼容5V或3.3V接口

所有输出均具有光隔离。

数字输入/输出模块DIO4.1,DIO4.2

如果仅需要4in和4out,或者需要不同数量的输入和输出,例如一个IOTON MICRIO MPU的12in 4out或12out 4in,则数字输入/输出模块很有用。

数字输入规格与DI8模块中的相同。数字输出规格与DO8模块中的相同。

所有输入和输出均具有光隔离。

继电器模块RLY4.1,RLY4.2,RLY4.3,RLY4.4

继电器模块直接用于高电压负载。每个继电器可在最高6A 250VDC负载下工作。最多可以将4个继电器模块连接到IOTON MICRIO MPU并获得16个继电器输出。

这是一个如何与感应电动机和220V指示灯一起使用的示例。

4通道通用输入16位ADC模块

要测量电压或电流,您将需要一个ADC(模数转换器)。专业的PLC主要设计用于标准信号值:

  • 电压为0-10V
  • 4-20ma用于电流回路
  • 电流回路为0-20ma(很少是因为0个校准问题)

当设计ADC模块时,我想也许可以添加一些功能来与专业传感器和消费类传感器兼容(例如Arduino e.t.c的不同传感器),因为专业设备价格昂贵。

如您所见,ADC4板具有3组跳线:

  • 顶部-两个右跳线用于电压选择,左跳线将3.3v连接到CH1。如果您需要通过简单的电位计来控制某些东西而无需额外的电压,这将非常方便。
  • 左下方-设置I2C地址(最多可以将4个ADC4连接到一个MICRIO MPU并获得16个ADC通道)。
  • 右下方-CH3和CH4的电压选择

任何ADC4的任何输入都可以切换到以下任何一种模式:

  • 0-3.3V(使用内部ADC PGA(可编程增益放大器),您可以测量低至+/- 256mV的满量程电压)
  • 0-10V
  • 4-20ma(您将需要一个额外的120R电阻)
  • ADC4通过I2C和POWER线与MICRIO MPU完全电隔离。最大隔离电压(Viorm)-560VAC

IOTON MODBUS MCU RS485

MODBUS MCU RS485是通过RS485 PHY通过MODBUS协议连接IOTON模块(DI8,DO8,DIO4,RLY4,SSR4)的接口。

该模块与在市场上看到的所有模块都有很大的不同。用户可以设置4组GPIO触点来分别充当输入或输出。为了添加此功能,使用了4个modbus寄存器(每个GPIO组一个)。如果将0放入这些寄存器中,则GPIO就像输入(对于DI8或DIO4模块),如果您将1-GPIO就像输出,并允许连接(DO8或RLY4模块)。

如您在本示例中所见,可以使用完全相同的MODBUS MCU控制器获得任何IN-OUT配置。

 

来源:hackaday.io

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