manbetxapp下载 问题38 - 2017年 学习资源 笔记本问题 产品 可编程控制

Arduino与BRX PLC在工业自动化应用中万博官网手机登陆

在车库或地下室自动化和机器人建设者的世界中,许多低成本的微控制器和相关软件用于实时控制。Arduino和Raspberry PI可能是几十个选项中最流行的两个(图1)。这些开源控制器可从多个供应商处获得,但在实时工业控制应用中使用它们需要相当多的时间和精力。万博官网手机登陆

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图1

一些工业用户可能会想象这些微控制器作为入门级PLC的替代品。在控制设计2017年8月封面故事Arduino与PLC为工业控制,作者Doug Reneker说,“如果Arduino可以控制一个茎竞争进入的机器人,为什么不能控制工业机器人或简单的机器?如果有可能购买Arduino的20美元,为什么要在PLC上花费数百个?一个Arduino可以做很多东西,但正如我所发现的那样,即使是一个简单的工业应用而言,它就是说比完成更容易。“万博官网手机登陆Doug Reneker是一家电路设计师,最近退休为Arris的高级经理,互联网提供商和消费者的宽带通信设备提供商。

本文使用Arduino MicroController进行了自动化简单的流量,然后使用AutomationDirect BRX PLC进行了自动化。虽然微控制器可能能够完成作业,但需要额外的硬件和重大的程序开发。一个目的建造的工业控制器,如自动化程式BRX,可以更容易地完成工作。

实时控制与Arduino

根据控制设计封面故事,覆盆子PI有效地是一种基于小型的基于Linux的单板PC,而Arduino在某些方面更像是PLC。虽然任何一种平台都看起来很合适,但雷恩克在这个项目的Arduino身上定居,这是由泵产生的流量的闭环控制。传感器测量流量并将数据发送到Arduino,调整控制阀执行器以维护设定值。这是最基本的工业模拟自动化功能之一,并且通常使用PID环路作为控制算法,在封面故事中说Reneker说。

该应用程万博官网手机登陆序只需要PI控制能力,因为从流量计读取过程变量并调节阀门达到并保持一个设定值,通常不需要使用PID方程中的导数。这是一个简单的控制回路,但是在真实的工业过程中使用Arduino会变得很复杂。

“Arduino是一个裸露的设备,因为它的价格是蜜蜂的,但如果可以写入正确的程序以匹配应用程序,它确实具有广泛的功能,”封面故事中的Reneker说明Reneker。万博官网手机登陆“这是一个用于程序员的完全空白的Slate,没有本机能力或函数块可以上传,”他说。他不仅需要设计和构建硬件来连接仪器,他必须使用Arduino编程从头开始创建PI算法。

Arduino包括离散和模拟I / O,但信号类型和范围是有限的。模拟输入范围为0-5 V,模拟输出是脉冲宽度调制(PWM)。虽然这些有限的信号电平用于调节电动机速度或调制温度控制回路,但它们不是典型工业应用的最常见范围。万博官网手机登陆常见的工业模拟信号电平为4-20 mA电流,标准在演示项目中使用。这需要与Arduino实施的重大设计努力。

不要遵守当前的循环

根据《控制设计》封面故事,演示设备使用标准的现成工业组件:Rosemount 3051SFP集成孔板流量计和Fisher Easy-Drive控制阀,均由艾默生自动化解决方案提供(图2)。除了物理尺寸之外,它们并没有被选择为任何特定功能或特性。它们都是非常常见的组件类型,因此非常适合此演示。

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图2

“第一步是将来自流量计的4-20 mA信号转换为0-5 V,或更好的1-5 V,以保持活零,”Reneker在封面故事中解释说。“这种情况并不少见,而且转换器可以从多个来源获得。但是为了配合实验的DIY特性和降低成本,我从头开始创建了一个(图3)。它是在Arduino原型盾上搭建的,安装在主板的顶部。一个简单的250欧姆电阻将4-20 mA信号转换为1-5 v "

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图3

在该工业应用中使用Arduino时,挑战的任务将PWM模拟输出转换为4-20 mA。万博官网手机登陆“缺乏商业解决方案表明这不是一个普遍的转换,所以我必须从头开始建立这个转换器,”在封面故事中的Reneker说。“我决定使用双通道的光学器器电隔离4-20 mA电流回路输出,以便在与其他电流回路设备连接时更具灵活性图4..这就留下了电路供电的问题,因为它与电源隔离。通过使用参考电压集成电路,从电流回路本身为电路供电,解决了这个问题。”

采用低通滤波器对Arduino的500hz PWM模拟输出及相关谐波进行滤波。滤波器提供了一个与PWM信号占空比成比例的直流信号。运放然后将低通滤波器输出转换为电流。

添加到硬件堆栈中

在封面故事中,有人指出,Arduino没有电源,也没有任何类型的人机界面(HMI),但它可以使用小图形显示“盾牌”,添加到设备堆栈中,具有屏幕尺寸约为1.75×2.25英寸(图5)。将HMI添加到Arduino需要自定义编程以显示有用的信息。使用PLC如AutomationDirect BRX,有几种HMI硬件选择可用,每个选项只需要简单的屏幕配置。

终止与Arduino的连接需要额外的硬件和工具。当电源连接到终端时,I/O不是简单的终端和螺旋连接。小规格电线,压接端子,压接工具和三个不同的宽度(针数)电子头连接器是需要的。安装Arduino板还需要一些定制安装,因为没有商业上可用的Arduino enclosure与行业标准DIN-rail安装。

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图5

标准24 VDC电源为该演示项目中的流量计和控制阀提供动力,但Arduino不接受该标准电压电平。需要一种线性规则来将24个VDC降至Arduino所需的12个VDC。

时间来编程

Reneker简要描述了他如何在控制设计封面故事中写入PI算法和简单的显示程序。“写作代码来实现arduino上的PI算法必须从头开始完成,但相对简单,”他说。“读取电流回路输入,计算设定点和输入的差异,计算,积分和比例校正,结果被发送到PWM电流环输出。”

根据封面报道,为了查看控制电路的运行情况,Reneker“写了一个程序,使用小显示器来指示过程变量(通过电流回路输入读取)和控制输出作为时间的函数。这为控制系统的性能提供了一个直观的视角。”

有额外的模拟输入可用,因此连接三个电位器以提供可调节的操作参数。这包括水流设定值和P和I动作 - 控制回路的比例和积分增益 - 调整稳定性和响应时间(图6)。

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图6

Arduino过程控制

流量计包括一个本地显示,显示加仑每分钟的流量和英寸水的压差横跨仪表,提供一个简单的指示循环操作。Reneker在封面故事中说:“PI算法按照预期执行,可以通过操纵电位器来调整两个控制因素来调整回路。”“流量控制表现出PI循环的正常特性,有好有坏。”

Reneker使用流量旁通阀强制改变工艺,要求控制回路调节流量控制阀以保持设定值。他还为Arduino显示屏创建了一个程序来显示控制回路的趋势(图7)。但是,显示屏非常小,在工厂应用中很难读取。万博官网手机登陆

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图7

运行演示项目过程后,Reneker发现了他构建的自定义PWM-to-Curle-Loop转换器是主要带宽限制。“使用低截止频率的必要性充分过滤PWM限制Arduino可以响应变化的速度,”Reneker在封面故事中说。“100毫秒(10 Hz)采样间隔工作良好,一旦调整比例和积分增益。如果旁通阀打开,它抢夺了从系统的输入流量的大约一半,但Arduino调节控制阀以在几秒钟内实现所需的流量。通过稳定的水流,系统稳定,没有任何指示控制阀正在调整。“

Arduino确实可以控制演示项目中的简单环路控制,但它并没有激发真正的工厂中使用的信心。例如,如果设计为工业级控制器,例如PLC,则能够处理厂地板上的控制机柜内的连续操作。它需要在热,冷和振动中存活。Arduino似乎没有设计这种类型的操作,因为它看起来非常脆弱。即使在工业强度Arduinos出现时,也应仔细审查其在工厂地板上的使用。

工业级BRX PLC

为了比较,演示项目的第二部分使用了PLC,在这种情况下,来自AutomationDirect的BRX系列PLC(BX-DM1E-10ED23-D)来控制处理循环(图8)。这是Arduino控制器和PLC之间的客观比较,因为Reneker没有先前的PLC编程或梯形逻辑知识的经验。在此应用程序中实现BRX将更容易经验丰富的PLC程序员。万博官网手机登陆

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图8

AutomationDirect BRX控制器具有执行在工业应用中经常需要的许多逻辑操作和通信请求的能力和可靠性。万博官网手机登陆虽然在本演示项目中未使用,但BRX系列控制器可以提供数据记录,运动控制,高速I / O与加工,以及可定制的通信,以满足工业自动化机器的需求和过程。

BRX PLC具有一个模拟输入和一个模拟输出(电流/电压可选),以及10个离散I / O点的混合。所有连接都是通过5 mm间距的可移动端子块。可以使用模拟和离散扩展模块,但不需要。

BRX还包括内置以太网端口。这提供了轻松的编程访问,通过以太网,在运行Do-More Designer软件之间的PLC和基于Windows的PC之间进行编程。这种全功能的软件编程工具,用于DO-MORE CPU,如BRX可以免费下载https://support.automationdirect.com/products/domore.html.

PLC配置和沟通

通过装入PC上的软件,它通过以太网连接到PLC。24 VDC电源也连接并施加到PLC上。使用ipconfig命令确定PC的以太网IP地址。然后,使用更多的设计器软件将PLC在同一网络子网上提供唯一的IP地址。

正如封面故事中提到的,Reneker并不熟悉梯子逻辑,所以他需要学习它。“BRX PLC硬件用户手册的第10章包括了一个使用梯形逻辑编程一个简单计时器的循序渐进的例子,”Reneker说。“通过这个练习,对软件和PLC的基本编程结构进行了很好的介绍。”

根据Arduino的需要,而不是设计和构建自定义PWM-to-Chinive的模拟输出接口,提供了更详细的设计师软件提供了一个简单的填充空中配置窗口,可以将模拟输出设置为4-20嘛。创建了几个梯形逻辑,然后使用万用表快速验证模拟输出功能。

PLC包括模块化,可互换和运行时间可配置的PID指令。这种有效的逻辑指令提供易于访问的参数,如过滤器,缩放,斜坡 - 浸泡表和警报处理程序。可以在PC上查看PLC的PID趋势视图,而不是购买Arduino所需的趋势屏幕,而不是购买趋势屏幕,而不是购买趋势屏幕,而是可以在PC上查看控制回路响应,从而在PC上查看调整和故障排除的时间。

“PLC提供了一个复杂的PID指令,允许设置手动或自动控制循环的各种循环参数,”Reneker在控制设计封面故事中说。“通过将模拟输出连接回模拟输入来创建一个非常简单的控制回路,再次使用Milliammeter。将PID指令与缩放模拟输入和输出相关联,允许PLC学习PID功能而无需处理几加仑的水。通过使用电阻的“抢夺”一位输出电流并观察BRX PLC来验证有源PI控制。

将模拟信号集成到PLC很简单。对于PLC的模拟输入,将24 VDC添加到流量传感器电流回路中。PLC模拟输出提供环路电源,因此它直接连接到控制阀。

系统被打开,以实现稳定流过系统,使用更多的设计者软件用于调整PID指令的比例和积分系数。通过使用该软件简单地在PLC的数据表中更改浮点变量来调整流动设定值。使用更多软件用于使用过程和控制变量的自缩放图来提供对系统性能的实时监控。

Reneker在《控制设计》封面文章中写道:“除了基本的、核心的操作层面,PLC还提供了工业应用中经常需要的各种通用支持功能,如极限检测、报告和数据记录。万博官网手机登陆在Arduino演示中,每个功能都必须从头开始编写,与此相比,这款PLC让系统设计师专注于应用程序,以及它如何适应更大的生产系统,而不是控制器硬件和软件的细节。”万博官网手机登陆

选择很容易

“那么,Arduino和PLC哪个更好呢?”Reneker在封面故事中问道。如果只考虑控制器和I/O的裸硬件成本,Arduino就胜出了。但是当Arduino在这个相对简单的应用中发挥作用所必需的所有辅助组件都被添加进去时,硬件成本差距就会缩小或消失。万博官网手机登陆组装和编程Arduino所需的时间也相当可观。当以任何接近正常的工程工时计算时,PLC在总成本方面显然是赢家。”

关于功能和性能,控制设计封面故事显示Arduino,PLC完成了工作。但是,它还指出这只是一个简单的流量控制循环。典型的工业应用包括许多其他离散和模拟功万博官网手机登陆能。这是一个强大的PLC,因为内置了许多功能,并且I / O扩展功能很广泛。除非您进行硬件和软件,否则此功能和可扩展性并不包含在Arduino中,除非您进行工作以创建硬件和软件。

最好的编程方法通常取决于用户的背景。有经验的C语言程序员可能会发现Arduino是一个快速学习的对象。然而,所有函数,甚至是最基本的函数,都需要从头编写自定义代码。梯子逻辑编程也可能需要一些时间,这取决于用户。

然而,封面故事记录说,可用于PLC的网上和其他教程的数量肯定是其青睐。AutomationDirect网站有许多视频和教程,专门针对工业用户。“有许多功能库可用于执行常用操作,”Reneker说明。“例如,PLC具有可用的循环调整软件,为Arduino写入非常复杂。”

显然,从设备耐用性的角度来看,PLC比Arduino或树莓派更适合工业应用。万博官网手机登陆BRX PLC也是AutomationDirect产品线的一部分,提供长期支持,以及可扩展性、内置功能和易于扩展。此外,快速查看扩展I/O模块、操作界面和其他定制的集成硬件,使BRX PLC成为一个现成的和高效的解决方案。

Reneker在2017年8月的控制设计结束时总结了它。“对于学习代码写作的基础知识和控制权的某人,Arduino及其ILK提供了有趣的教学工具。必须从头划痕编写控制算法导致用户考虑如何执行自动化的复杂性。在这种低成本下,具有这种复杂程度的设备的可用性是非常显着的,并且是那些比金钱更多的人的福音。“

但对于实际的工业应用程序,在生产和收入受到威胁的情况下,R万博官网手机登陆eneker在封面故事中表示,“具有同等或更好的能力的PLC可以获得几百美元,并将在广泛的在线培训视频和其他信息中获取,专为工业应用而设计的功能块库。“万博官网手机登陆

当然,这都是彼得·韦兰德和道格·瑞克的功劳

*最初发布时间:2017年11月8日