Управлението с малко код се доближава до индустриалната автоматизация

Платформите за инженеринг с малко или без програмиране продължават да променят начина, по който техниците и инженерите по автоматизация подхождат към малки проекти за управление. Това, което преди изискваше обширно скриптиране, сега може да бъде реализирано чрез среди за графично програмиране като Node-RED.

В този проект Raspberry Pi и температурен сензор DS18B20 формират основата на компактен контролер за температура. Настройката показва как съвременните инструменти с малко или без програмиране могат да свържат разработката „направи си сам“ с практическите концепции на индустриалната автоматизация.

Фигура 1. Хардуерните платформи Raspberry Pi все по-често поддържат леки задачи за автоматизация и мониторинг.

Защо управлението на температурата остава фундаментално инженерно упражнение

Регулирането на температурата запознава инженерите с основни концепции в автоматизацията, включително получаване на данни от сензори, цифрови изходи и логика за управление. Дори простите проекти показват как условията на обратната връзка влияят върху поведението на оборудването в реално време.

Проектът използва контролер Raspberry Pi, цифров сензор DS18B20 и средата за програмиране Node-RED. Тази комбинация намалява сложността на разработката, като същевременно осигурява видимост върху протичащия процес на управление.

Фигура 2. Компактните схеми на свързване на сензори позволяват бързо създаване на прототипи за системи за мониторинг на околната среда.

Цифровите сензори намаляват сложността на интеграцията

Предимствата на DS18B20

Традиционните температурни устройства, като RTD и термодвойки, често изискват допълнителен хардуер за обработка на сигнала. DS18B20 улеснява интеграцията, тъй като комуникира цифрово чрез протокола 1-Wire.

Един сигнален проводник поддържа множество сензори на една и съща комуникационна линия. Тази архитектура намалява плътността на окабеляването и прави дизайна подходящ за приложения с разпределено измерване.

За инженерите, работещи с разпределени платформи за управление, мащабируемата интеграция на сензори остава важна тема в съвременните DCS системи за управление и среди за периферна автоматизация.

Свързване на сензора и GPIO връзки

Сензорът изисква проста схема на свързване с подтеглящ резистор 4,7 kΩ. Захранването и масата се свързват директно към Raspberry Pi, а сигналната линия се свързва към входен GPIO пин.

Няколко сензора могат да споделят една и съща входна линия, което прави конфигурацията ефективна за компактни системи с ограничени ресурси за входове/изходи.

Фигура 3. Правилното разполагане на подтеглящия резистор осигурява стабилна работа на 1-Wire комуникацията.

Node-RED превръща логиката за управление във визуален работен поток

Изграждане на средата за изпълнение

Node-RED премахва голяма част от преградите пред програмирането, свързани с вградените системи на базата на Linux. Базираният на браузър интерфейс позволява на потребителите да изграждат логически потоци чрез функционални блокове с плъзгане и пускане.

След инсталирането допълнителни пакети осигуряват комуникация със сензора DS18B20 и GPIO хардуера на Raspberry Pi. Интерфейсът става достъпен локално чрез стандартния адрес на средата за изпълнение на Node-RED.

Фигура 4. Node-RED заменя традиционното скриптиране с визуални програмни блокове и диагностика в реално време.

Отчитане на текущите температурни данни

Първата стъпка в програмирането включва добавяне на възела DS18B20 към потока и задаване на целевия сензор. След това отладъчен възел показва текущите температурни стойности за проверка и отстраняване на неизправности.

Периодичният интервал на сканиране също трябва да бъде конфигуриран внимателно. Прекомерно високата честота на запитванията може ненужно да увеличи натоварването на процесора във вграден хардуер.

Фигура 5. Отладъчните възли осигуряват незабавна видимост на данните от сензора по време на въвеждането в експлоатация.

Създаване на температурната логика

Използване на условията на превключвателя за управление на изхода

Възелът за превключване служи като механизъм за вземане на решения в приложението. Когато измерената температура надвиши конфигурирания праг, логиката насочва полезния товар към изходния път.

Второ условие обработва температури под зададената стойност, като гарантира, че изходът се нулира правилно при охлаждане.

Фигура 6. Прагова логика създава проста, но ефективна реакция на управление със затворен контур.

Управление на GPIO изходи

Възлите за GPIO изход изискват двоични стойности, затова възлите за промяна преобразуват логическия резултат в 1 или 0. Тези стойности управляват избрания изходен пин на Raspberry Pi.

Този подход отразява логическата структура, използвана в по-големи PLC среди, включително модулни PLC и PAC системи, внедрени в производствени предприятия.

Фигура 7. Преобразуването на полезния товар осигурява съвместимост между логическите функции и физическите изходи.

След свързването изходният възел активира GPIO пина всеки път, когато измерената температура надхвърли конфигурирания праг. След това системата връща изхода в ниско състояние, когато температурата спадне под границата.

Фигура 8. Целият работен процес съчетава отчитане на данни, логика за вземане на решения и управление на физически изход.

От DIY прототип до индустриално периферно управление

Проектът остава умишлено прост, но отразява по-широкото развитие в индустриалната автоматизация. Средите за разработка с малко код все по-често се използват в периферни шлюзове, IIoT системи и приложения за разпределено наблюдение.

Инженерите могат да разширят платформата с табла, облачни бази данни, управление на аларми или свързаност с архиватор. Допълнителната логика за филтриране също може да намали честото включване и изключване и да подобри стабилността на работата.

Фигура 9. Визуализацията на таблото подобрява информираността на операторите и осигурява възможност за дистанционно наблюдение.

Истинското значение на Node-RED в автоматизацията

Значението на Node-RED надхвърля хоби проектите. Визуалната ѝ архитектура намалява бариерата между оперативните технологии и автоматизацията, управлявана от софтуер.

Тъй като производителите продължават да внедряват периферни изчислителни технологии и IIoT инфраструктура, инструментите за разработка с малко код вероятно ще се превърнат в стандартно допълнение към традиционните PLC и DCS среди. За инженерите, които навлизат в автоматизацията днес, разбирането на тези хибридни платформи става все по-ценно.

На практика този температурен контролер показва колко бързо вече може да бъде внедрена функционална автоматизация. Това, което преди изискваше специално разработен фърмуер и дълги цикли на разработка, сега може да бъде сглобено визуално за минути.

Автор: Даниел Мърсър | Старши репортер за индустриални системи | Даниел има 14 години опит в отразяването на индустриални системи за управление, вградената автоматизация и периферните изчислителни системи. Опитът му включва проекти за интеграция на място, свързани със Siemens, Emerson DeltaV, процесни системи на Honeywell и архитектури за автоматизация на Beckhoff.