Node-RED ช่วยให้การควบคุมอุณหภูมิบนระบบ Raspberry Pi ง่ายขึ้นอย่างไร

การควบคุมแบบโลว์โค้ดเข้าใกล้ระบบอัตโนมัติภาคอุตสาหกรรมมากขึ้น

แพลตฟอร์มวิศวกรรมแบบโลว์โค้ดยังคงปรับเปลี่ยนแนวทางที่ช่างเทคนิคและวิศวกรระบบอัตโนมัติใช้กับโครงการควบคุมขนาดเล็ก สิ่งที่ครั้งหนึ่งต้องใช้การเขียนสคริปต์จำนวนมาก ปัจจุบันสามารถนำไปใช้งานผ่านสภาพแวดล้อมการเขียนโปรแกรมแบบกราฟิก เช่น Node-RED

ในโครงการนี้ Raspberry Pi และเซนเซอร์อุณหภูมิ DS18B20 เป็นพื้นฐานของตัวควบคุมอุณหภูมิขนาดกะทัดรัด การตั้งค่านี้แสดงให้เห็นว่าเครื่องมือแบบโลว์โค้ดสมัยใหม่สามารถเชื่อมโยงการพัฒนาแบบ DIY เข้ากับแนวคิดระบบอัตโนมัติภาคอุตสาหกรรมที่ใช้งานได้จริง

รูปที่ 1. แพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ Raspberry Pi รองรับงานระบบอัตโนมัติและการตรวจติดตามขนาดเล็กมากขึ้น

เหตุใดการควบคุมอุณหภูมิจึงยังคงเป็นแบบฝึกหัดพื้นฐานสำหรับวิศวกรรม

การควบคุมอุณหภูมิช่วยให้วิศวกรได้ทำความรู้จักแนวคิดพื้นฐานด้านระบบอัตโนมัติ ได้แก่ การรับข้อมูลจากเซนเซอร์ เอาต์พุตดิจิทัล และตรรกะควบคุม แม้แต่โครงการง่าย ๆ ก็แสดงให้เห็นว่าเงื่อนไขป้อนกลับมีอิทธิพลต่อพฤติกรรมของอุปกรณ์แบบเรียลไทม์อย่างไร

โครงการนี้ใช้คอนโทรลเลอร์ Raspberry Pi เซนเซอร์อุณหภูมิดิจิทัล DS18B20 และสภาพแวดล้อมการเขียนโปรแกรม Node-RED การผสานรวมนี้ช่วยลดความซับซ้อนในการพัฒนา ขณะเดียวกันยังคงมองเห็นกระบวนการควบคุมพื้นฐานได้

รูปที่ 2. การจัดวางสายเซนเซอร์แบบกะทัดรัดช่วยให้สร้างต้นแบบสำหรับระบบตรวจติดตามสภาพแวดล้อมได้อย่างรวดเร็ว

เซนเซอร์ดิจิทัลช่วยลดความซับซ้อนในการผสานรวม

ข้อดีของ DS18B20

อุปกรณ์วัดอุณหภูมิแบบดั้งเดิม เช่น RTD และเทอร์โมคัปเปิล มักต้องใช้ฮาร์ดแวร์ปรับสภาพสัญญาณเพิ่มเติม DS18B20 ช่วยให้การผสานรวมทำได้ง่ายขึ้น เนื่องจากสื่อสารแบบดิจิทัลผ่านโปรโตคอล 1-Wire

สายสัญญาณเส้นเดียวรองรับเซนเซอร์หลายตัวบนสายสื่อสารเดียวกัน สถาปัตยกรรมดังกล่าวช่วยลดความหนาแน่นของการเดินสาย และทำให้การออกแบบเหมาะสำหรับการใช้งานตรวจจับแบบกระจาย

สำหรับวิศวกรที่ทำงานกับแพลตฟอร์มควบคุมแบบกระจาย การผสานรวมเซนเซอร์ที่ปรับขนาดได้ยังคงเป็นหัวข้อสำคัญในยุคปัจจุบัน ระบบควบคุม DCS และสภาพแวดล้อมระบบอัตโนมัติแบบเอดจ์

การเดินสายเซนเซอร์และการเชื่อมต่อ GPIO

เซนเซอร์นี้ต้องใช้การเดินสายแบบง่าย โดยมีตัวต้านทานพูลอัปขนาด 4.7 kΩ แหล่งจ่ายไฟและกราวด์เชื่อมต่อโดยตรงกับ Raspberry Pi ขณะที่สายสัญญาณต่อไปยังขาอินพุต GPIO

เซนเซอร์หลายตัวสามารถใช้สายอินพุตเดียวกันได้ ทำให้การกำหนดค่ามีประสิทธิภาพสำหรับระบบขนาดกะทัดรัดที่มีทรัพยากร I/O จำกัด

รูปที่ 3. การวางตัวต้านทานพูลอัปอย่างถูกต้องช่วยให้การสื่อสารแบบ 1-Wire มีเสถียรภาพ

Node-RED เปลี่ยนตรรกะการควบคุมให้เป็นเวิร์กโฟลว์แบบภาพ

การสร้างสภาพแวดล้อมรันไทม์

Node-RED ช่วยลดอุปสรรคด้านการเขียนโปรแกรมที่เกี่ยวข้องกับระบบฝังตัวบน Linux ได้มาก อินเทอร์เฟซบนเบราว์เซอร์ช่วยให้ผู้ใช้สร้างโฟลว์ตรรกะด้วยบล็อกฟังก์ชันแบบลากแล้ววาง

หลังการติดตั้ง แพ็กเกจเพิ่มเติมจะช่วยให้สื่อสารกับเซนเซอร์ DS18B20 และฮาร์ดแวร์ GPIO ของ Raspberry Pi ได้ อินเทอร์เฟซจะพร้อมใช้งานภายในเครื่องผ่านที่อยู่รันไทม์มาตรฐานของ Node-RED

รูปที่ 4. Node-RED แทนที่การเขียนสคริปต์แบบดั้งเดิมด้วยบล็อกการเขียนโปรแกรมแบบภาพและการวินิจฉัยแบบเรียลไทม์

การอ่านข้อมูลอุณหภูมิแบบเรียลไทม์

ขั้นตอนแรกของการเขียนโปรแกรมคือการเพิ่มโหนด DS18B20 ลงในโฟลว์และกำหนดเซนเซอร์เป้าหมาย จากนั้นโหนดดีบักจะแสดงค่าอุณหภูมิแบบเรียลไทม์เพื่อการตรวจสอบและแก้ไขปัญหา

ต้องกำหนดจังหวะการสแกนเป็นระยะอย่างรอบคอบเช่นกัน อัตราการโพลที่สูงเกินไปอาจเพิ่มการใช้ทรัพยากรของโปรเซสเซอร์บนฮาร์ดแวร์แบบฝังตัวโดยไม่จำเป็น

รูปที่ 5. โหนดดีบักช่วยให้มองเห็นข้อมูลเซนเซอร์ได้ทันทีระหว่างการทดสอบเดินระบบ

การสร้างตรรกะควบคุมอุณหภูมิ

การใช้เงื่อนไขสวิตช์เพื่อควบคุมเอาต์พุต

โหนดสวิตช์ทำหน้าที่เป็นกลไกตัดสินใจของแอปพลิเคชัน เมื่ออุณหภูมิที่วัดได้สูงเกินค่าเกณฑ์ที่กำหนดไว้ ตรรกะจะส่งเพย์โหลดไปยังเส้นทางเอาต์พุต

เงื่อนไขที่สองจัดการกับอุณหภูมิที่ต่ำกว่าค่าที่ตั้งไว้ เพื่อให้แน่ใจว่าเอาต์พุตจะรีเซ็ตอย่างถูกต้องเมื่ออุณหภูมิลดลง

รูปที่ 6. ตรรกะแบบกำหนดค่าเกณฑ์สร้างการตอบสนองการควบคุมแบบวงปิดที่เรียบง่ายแต่มีประสิทธิภาพ

การควบคุมเอาต์พุต GPIO

โหนดเอาต์พุต GPIO ต้องใช้ค่าแบบไบนารี ดังนั้นโหนดเปลี่ยนค่าจึงแปลงผลลัพธ์ทางตรรกะให้เป็น 1 หรือ 0 ค่าดังกล่าวจะควบคุมขาเอาต์พุต Raspberry Pi ที่เลือกไว้

แนวทางนี้สะท้อนโครงสร้างตรรกะที่ใช้ภายในสภาพแวดล้อม PLC ขนาดใหญ่กว่า รวมถึงระบบแบบโมดูลาร์ ระบบ PLC และ PAC ที่ติดตั้งใช้งานทั่วทั้งโรงงานผลิต

รูปที่ 7. การแปลงเพย์โหลดช่วยให้ฟังก์ชันตรรกะทำงานเข้ากันได้กับเอาต์พุตทางกายภาพ

เมื่อเชื่อมต่อแล้ว โหนดเอาต์พุตจะจ่ายไฟให้พิน GPIO ทุกครั้งที่อุณหภูมิที่วัดได้สูงเกินค่าขีดจำกัดที่กำหนด จากนั้นระบบจะเปลี่ยนเอาต์พุตกลับเป็นสถานะต่ำเมื่ออุณหภูมิลดลงต่ำกว่าขีดจำกัด

รูปที่ 8. เวิร์กโฟลว์ทั้งหมดผสานการตรวจจับ ตรรกะการตัดสินใจ และการควบคุมเอาต์พุตทางกายภาพ

จากต้นแบบ DIY สู่การควบคุมเอดจ์ระดับอุตสาหกรรม

โครงการนี้ยังคงเรียบง่ายโดยตั้งใจ แต่สะท้อนกระแสการเปลี่ยนแปลงในวงกว้างภายในระบบอัตโนมัติอุตสาหกรรม สภาพแวดล้อมแบบโลว์โค้ดเริ่มปรากฏมากขึ้นในเอดจ์เกตเวย์ ระบบ IIoT และแอปพลิเคชันตรวจสอบแบบกระจาย

วิศวกรสามารถขยายแพลตฟอร์มด้วยแดชบอร์ด ฐานข้อมูลคลาวด์ การจัดการสัญญาณเตือน หรือการเชื่อมต่อกับฮิสทอเรียน ตรรกะการกรองเพิ่มเติมยังช่วยลดการตัดต่อถี่และเพิ่มเสถียรภาพในการทำงานได้

รูปที่ 9. การแสดงผลแดชบอร์ดช่วยให้ผู้ปฏิบัติงานมองเห็นข้อมูลได้ดีขึ้นและรองรับการตรวจสอบจากระยะไกล

ความสำคัญที่แท้จริงของ Node-RED ในระบบอัตโนมัติ

ความสำคัญของ Node-RED ไม่ได้จำกัดอยู่เพียงโครงการสำหรับผู้ชื่นชอบงานอดิเรก สถาปัตยกรรมแบบภาพช่วยลดช่องว่างระหว่างเทคโนโลยีการปฏิบัติงานกับระบบอัตโนมัติที่ขับเคลื่อนด้วยซอฟต์แวร์

ขณะที่ผู้ผลิตยังคงนำเอดจ์คอมพิวติ้งและโครงสร้างพื้นฐาน IIoT มาใช้ เครื่องมือพัฒนาแบบโลว์โค้ดมีแนวโน้มที่จะกลายเป็นเครื่องมือคู่มาตรฐานของสภาพแวดล้อม PLC และ DCS แบบดั้งเดิม สำหรับวิศวกรที่เริ่มต้นทำงานด้านระบบอัตโนมัติในปัจจุบัน การทำความเข้าใจแพลตฟอร์มแบบไฮบริดเหล่านี้มีความสำคัญเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง

ในทางปฏิบัติ ตัวควบคุมอุณหภูมินี้แสดงให้เห็นว่าปัจจุบันสามารถนำระบบอัตโนมัติที่ใช้งานได้จริงไปติดตั้งได้รวดเร็วเพียงใด สิ่งที่ครั้งหนึ่งต้องใช้เฟิร์มแวร์แบบกำหนดเองและวงจรการพัฒนาที่ยาวนาน ปัจจุบันสามารถประกอบขึ้นแบบภาพได้ภายในไม่กี่นาที

ผู้เขียน: Daniel Mercer | ผู้สื่อข่าวอาวุโสด้านระบบอุตสาหกรรม | Daniel มีประสบการณ์ 14 ปีในการรายงานข่าวครอบคลุมแพลตฟอร์มควบคุมอุตสาหกรรม ระบบอัตโนมัติแบบฝังตัว และระบบเอดจ์คอมพิวติ้ง ภูมิหลังของเขารวมถึงโครงการบูรณาการภาคสนามที่เกี่ยวข้องกับ Siemens, Emerson DeltaV, ระบบกระบวนการของ Honeywell และสถาปัตยกรรมของ Beckhoff Automation