Hogyan egyszerűsíti a Node-RED a hőmérséklet-szabályozást Raspberry Pi-rendszereken

A kevés kódolást igénylő vezérlés közelebb kerül az ipari automatizáláshoz

A kevés kódolást igénylő mérnöki platformok továbbra is átalakítják azt, ahogyan a technikusok és az automatizálási mérnökök a kisebb vezérlési projekteket megközelítik. Ami korábban kiterjedt szkriptelést igényelt, az ma már grafikus programozási környezeteken, például a Node-RED-en keresztül is telepíthető.

Ebben a projektben egy Raspberry Pi és egy DS18B20 hőmérséklet-érzékelő alkotja egy kompakt hőmérséklet-szabályozó alapját. A beállítás bemutatja, hogyan hidalhatják át a modern, kevés kódolást igénylő eszközök a barkácsfejlesztés és a gyakorlati ipari automatizálási koncepciók közötti szakadékot.

1. ábra. A Raspberry Pi hardverplatformok egyre inkább támogatják a könnyű automatizálási és monitorozási feladatokat.

Miért marad a hőmérséklet-szabályozás alapvető mérnöki gyakorlat?

A hőmérséklet-szabályozás megismerteti a mérnököket az automatizálás alapvető fogalmaival, többek között az érzékelőadatok gyűjtésével, a digitális kimenetekkel és a vezérlési logikával. Még az egyszerű projektek is megmutatják, hogyan befolyásolják a visszacsatolási feltételek a berendezések működését valós időben.

A projekt egy Raspberry Pi vezérlőt, egy DS18B20 digitális érzékelőt és a Node-RED programozási környezetet használja. Ez a kombináció csökkenti a fejlesztés összetettségét, miközben megőrzi a betekintést a mögöttes vezérlési folyamatba.

2. ábra. A kompakt érzékelő-vezetékezési elrendezések gyors prototípus-készítést tesznek lehetővé környezetmonitorozó rendszerekhez.

A digitális érzékelők csökkentik az integráció összetettségét

A DS18B20 előnye

A hagyományos hőmérsékletmérő eszközök, például az RTD-k és a termoelemek, gyakran további jelkondicionáló hardvert igényelnek. A DS18B20 leegyszerűsíti az integrációt, mivel digitálisan, az 1-Wire protokollon keresztül kommunikál.

Egyetlen jelvezeték több érzékelőt is kiszolgál ugyanazon a kommunikációs vonalon. Ez az architektúra csökkenti a vezetékezés sűrűségét, és vonzóvá teszi a megoldást az elosztott érzékelési alkalmazásokhoz.

Az elosztott vezérlési platformokkal dolgozó mérnökök számára a skálázható érzékelőintegráció továbbra is kritikus témát jelent a modern DCS-vezérlőrendszerek és peremhálózati automatizálási környezetek.

Az érzékelő bekötése és a GPIO-csatlakozások

Az érzékelő egyszerű bekötést igényel egy 4,7 kΩ-os felhúzó ellenállással. A tápellátás és a földelés közvetlenül a Raspberry Pi-hez csatlakozik, míg a jelvezeték egy GPIO-bemeneti lábra csatlakozik.

Több érzékelő is megoszthatja ugyanazt a bemeneti vonalat, így a konfiguráció hatékony marad a korlátozott I/O-erőforrásokkal rendelkező kompakt rendszerekben.

3. ábra. A felhúzó ellenállás megfelelő elhelyezése stabil 1-Wire-kommunikációt biztosít.

A Node-RED vizuális munkafolyamattá alakítja a vezérlési logikát

A futtatókörnyezet felépítése

A Node-RED megszünteti a Linux-alapú beágyazott rendszerekhez kapcsolódó programozási akadályok nagy részét. Böngészőalapú felületén a felhasználók fogd és vidd funkcióblokkokkal hozhatnak létre logikai folyamatokat.

A telepítés után további csomagok teszik lehetővé a kommunikációt a DS18B20-érzékelővel és a Raspberry Pi GPIO-hardverével. A felület helyileg, a szabványos Node-RED-futókörnyezet címén válik elérhetővé.

4. ábra. A Node-RED a hagyományos szkriptelést vizuális programozási blokkokkal és élő diagnosztikával váltja fel.

Élő hőmérsékletadatok olvasása

Az első programozási lépés a DS18B20-csomópont hozzáadása a folyamatábrához és a célérzékelő hozzárendelése. Egy debug csomópont ezután megjeleníti az élő hőmérsékleti értékeket az ellenőrzéshez és a hibaelhárításhoz.

Az időszakos lekérdezési időzítést szintén gondosan kell beállítani. A túl gyakori lekérdezés szükségtelenül növelheti a beágyazott hardver processzorterhelését.

5. ábra. A debug csomópontok azonnal láthatóvá teszik az érzékelő adatait az üzembe helyezés során.

A hőmérsékleti logika létrehozása

Kimenetvezérlés switch-feltételekkel

A switch csomópont az alkalmazás döntési motorjaként működik. Amikor a mért hőmérséklet meghaladja a beállított küszöbértéket, a logika a payloadot a kimeneti útvonalra irányítja.

Egy második feltétel a beállított érték alatti hőmérsékleteket kezeli, így lehűléskor a kimenet megfelelően visszaáll.

6. ábra. A küszöblogika egyszerű, mégis hatékony zárt hurkú szabályozási választ hoz létre.

GPIO-kimenetek vezérlése

A GPIO-kimeneti csomópontok bináris értékeket igényelnek, ezért a change csomópontok a logikai eredményt 1-re vagy 0-ra alakítják. Ezek az értékek vezérlik a kiválasztott Raspberry Pi kimeneti tűjét.

Ez a megközelítés a nagyobb PLC-környezetekben használt logikai struktúrát tükrözi, beleértve a moduláris A gyártóüzemekben telepített PLC- és PAC-rendszerek.

7. ábra. A hasznos adatok átalakítása biztosítja a logikai funkciók és a fizikai kimenetek közötti kompatibilitást.

Csatlakoztatás után a kimeneti csomópont aktiválja a GPIO-tűt, amikor a mért hőmérséklet meghaladja a beállított küszöbértéket. A rendszer ezt követően alacsony állapotba állítja vissza a kimenetet, miután a hőmérséklet a határérték alá csökken.

8. ábra. A teljes munkafolyamat egyesíti az érzékelést, a döntési logikát és a fizikai kimenet vezérlését.

A barkácsprototípustól az ipari edge-vezérlésig

A projekt szándékosan egyszerű marad, mégis az ipari automatizálás szélesebb körű fejlődését tükrözi. Az alacsony kódigényű környezetek egyre gyakrabban jelennek meg edge átjárókban, IIoT-rendszerekben és elosztott felügyeleti alkalmazásokban.

A mérnökök műszerfalakkal, felhőalapú adatbázisokkal, riasztáskezeléssel vagy historikus adatbázis-kapcsolattal bővíthetik a platformot. További szűrési logika is csökkentheti a rövid ciklusokat, és javíthatja az üzemi stabilitást.

9. ábra. A műszerfalas vizualizáció jobb operátori rálátást és távfelügyeleti lehetőséget biztosít.

A Node-RED valódi jelentősége az automatizálásban

A Node-RED jelentősége túlmutat a hobbiprojekteken. Vizuális architektúrája csökkenti az operatív technológia és a szoftveralapú automatizálás közötti akadályt.

Ahogy a gyártók továbbra is bevezetik az edge computingot és az IIoT-infrastruktúrát, az alacsony kódigényű fejlesztőeszközök valószínűleg a hagyományos PLC- és DCS-környezetek standard kiegészítőivé válnak. A ma az automatizálás területére belépő mérnökök számára egyre értékesebbé válik e hibrid platformok megértése.

Gyakorlati szempontból ez a hőmérséklet-szabályozó megmutatja, milyen gyorsan telepíthető ma már működőképes automatizálás. Ami korábban egyedi firmware-t és hosszadalmas fejlesztési ciklusokat igényelt, az ma már percek alatt, vizuálisan összeállítható.

Szerző: Daniel Mercer | Vezető ipari rendszerekkel foglalkozó újságíró | Daniel 14 év tapasztalattal rendelkezik az ipari vezérlési platformok, a beágyazott automatizálás és az edge computing rendszerek bemutatása terén. Hátterébe Siemens, Emerson DeltaV, Honeywell folyamatirányítási rendszereit és Beckhoff Automation-architektúrákat érintő terepi integrációs projektek is tartoznak.