Raspberry Pi goes Industry: Professionelle Automatisierung mit PiXtend

| Autor / Redakteur: Heinz A. Gall * / Margit Kuther

PiXtend / Raspberry Pi als speicherprogrammierbare Steuerung

PiXtend erweitert den Raspberry Pi zu einer echten speicherprogrammierbaren Steuerung (SPS / engl.: PLC). Das breite Spektrum digitaler und analoger Ein- und Ausgänge ermöglicht den Anschluss unterschiedlichster Sensoren und Aktoren aus der Industrie oder dem Maker-Bereich. Die Verbindung zu anderen Geräten, Steuerungen und Computersystemen wird über das Internet oder durch serielle Standardschnittstellen hergestellt. Alle Schnittstellen und I/Os sind robust ausgeführt und entsprechen der SPS-Norm (IEC 61131-2). Einen Überblick hinsichtlich der Möglichkeiten gibt die Liste der SPS-spezifischen Merkmale der kleinsten Erweiterungsplatine (PiXtend V2 -S-) aus dem PiXtend-Programm von Qube Solutions.

  • 8 digitale Eingänge
  • 4 digitale Ausgänge (PNP)
  • 4 Relais
  • 2 analoge Eingänge (0 … 10 V)
  • 2 analoge Ausgänge (0 … 10 V)
  • 4 PWM-Ausgänge
  • 4 GPIOs 5 V
  • 1 RS232-Schnittstelle
  • 1 RS485-Schnittstelle (über USB-Dongle)
  • Real Time Clock (RTC)
  • Retain-/Remanenzspeicher
  • Kleinste Zykluszeit 2,5 ms (400 Hz)

Zur Erleichterung der Gerätekonstruktion stehen 3D-Modelle zur Verfügung. Auf der Softwareseite gibt es kostenlose Treiber für OpenPLC Project, C, Phython, Four-Zero, FHEM und Node-RED. Eingefleischte SPS-Anwender freuen sich sicher darüber, dass mit CODESYS V3 ein IEC-61131-3-basiertes Profi-Entwicklungswerkzeug für die Kompaktsteuerung bereitsteht. Neben der Steuerungs- und Regelungsprogrammierung erlaubt CODESYS unter anderem das direkte Erstellen von HTML5-Seiten für Benutzeroberflächen.

Und so kommt Tony Steinbock in seinem Blog ‚einplatinencomputer‘ zum Schluss: „Unterm Strich ist PiXtend die ideale Grundlage für umfassende Projekte mit dem Raspberry Pi. […] Die Verarbeitung der Platine ist hochwertig und robust. Die Ausführung der Schaltung zeichnet sich durch Verpolungs-, Kurzschluss- und Überspannungsschutz aus.“

Raspberry Pi + Pixtend = Kleinsteuerung

Die Kombination aus Raspberry Pi 3B+ und PiXtend V2 -S- besitzt alle Funktionen eines Industrie-4.0-Systems und muss daher als eine Industrie-4.0/IoT-fähige Kleinsteuerung betrachtet werden. Für Serienprodukte steht damit eine preiswerte und internetfähige Steuerung zur Verfügung. Auch für die ständig klammen Bildungseinrichtungen ergibt sich ein preiswertes Lehrsystem mit umfassenden Möglichkeiten.

In Sachen Umgebungsbedingungen erfüllt der Raspberry Pi die üblichen Steuerungsstandards nicht ganz. Tests im Klimaschrank haben aber ergeben, dass die Kombination aus Raspberry Pi und PiXtend bei einer definierten, praxisgerechten Rechnerlast bis zu einer Umgebungstemperatur von 50 °C eingesetzt werden kann (Qube-Manual 2018, S. 62ff). Dieser Temperaturbereich ist für Anwendungen mit weniger rauen Umgebungsbedingungen völlig ausreichend. Vorteilhaft ist, dass der Computer bei einer zu hoher Prozessortemperatur nicht einfach abstürzt, sondern seine Taktfrequenz reduziert, um die Wärmeentwicklung zu verringern. Der Raspberry Pi arbeitet dann, wenn auch verlangsamt, bis zu einer Prozessortemperatur von 85 °C weiter.

Ergänzendes zum Thema
 
PiXtend V2 -L- bietet mehr Schnittstellen

Anwendungsbeispiele mit Raspberry Pi und PiXtend

Als Anwendungsbeispiel aus dem Hochschulbereich sei der ‚R2D2-NT‘ angeführt. ‚R2D2-NT‘ ist ein kleiner, mobiler, autonomer Roboter, der von Studierenden der Dualen Hochschule Stuttgart/ Campus Horb im Rahmen eines Studienarbeitsprojektes entwickelt wurde. Gesteuert und geregelt wird der Roboter von einem Raspberry Pi 2 Model B V1.1 und der Erweiterungskarte PiXtend V1.2. Direkt am Raspberry ist eine kleine Kamera angebracht, die den Fußboden beobachtet. Durch Bildverarbeitung mit der Software OpenCV wird eine Linie und deren Krümmung auf dem Untergrund erkannt und der Roboter dieser Linie nachgeführt.

Dieser, bis heute nur diese einfache Aufgabe lösende Roboter, verdeutlicht den Aufbau eines modernen Automatisierungssystems. Im Computer, dem Raspberry Pi, wird unter dem Betriebssystem Raspbian mittels OpenCV die Bildverarbeitung berechnet. Unter CODESYS werden die Geschwindigkeitssteuerung, die Spurregelung und die Akku-Überwachung realisiert. Mit der CODESYS-Webvisu wurde eine HTML-Seite erstellt, welche die Fernsteuerung und Fernüberwachung des Roboters über das Smartphone ermöglicht. Mess- und Bilddaten können für eine spätere Auswertung in einem Cloud-Speicher hinterlegt werden. Die prozessnahe Steuerung geschieht hardwareseitig über die Schnittstellen der Erweiterungskarte PiXtend. Dazu wird ein Analogeingang zur Akku-Spannungsüberwachung verwendet. Über zwei PWM-Ausgänge werden die beiden Fahrantriebsmotoren stufenlos angesteuert. Mittels diverser digitaler Ein- und Ausgänge werden z.B. die Motordrehrichtungen vorgegeben und eine Notabschaltung realisiert.

Ein Anwendungsbeispiel aus der Industrie ist der ‘uniqster feeder’ der niederländischen Firma Canister Applications. Das mehrfach preisgekrönte Gerät befüllt vollautomatisch Magazine mit halben, viertel, speziellen und nicht üblichen Tabletten. Sowohl die Geräte als auch die Magazine werden im zertifizierungsintensiven medizinischen Umfeld, also etwa in Krankenhäusern, Pflegeheimen und Großapotheken, eingesetzt. Die Bedienung erfolgt per CODESYS-Webvisu auf einem Raspberry-Pi-Touch-Display.

Das Raspberry-Pi-/PiXtend-System, man kann auch sagen das ePLC-Fertiggerät (ePLC steht für economy Programmable Logic Controller), ist die zentrale Steuerung des Geräts und übernimmt dabei nicht nur klassische SPS-Funktionen. Auch essenzielle Funktionen wie das sicherheitsrelevante Logging und die Benutzerverwaltung, die in medizintechnischen Anwendungen vorgeschrieben sind, werden von der Kompaktsteuerung übernommen. Wenn man bedenkt, dass mit den Magazinen die unterschiedlichsten Tablettenrationen für die Patienten portioniert werden, ist klar, dass eine Vernetzung, zum Beispiel mit dem Patientenverwaltungssystem eines Krankenhauses, unerlässlich ist.

Fazit: Preiswerte, zuverlässige IoT-Lösung

Mit einer Steuerung, die auf der Kombination aus dem Minicomputer Raspberry Pi Modell 3 B+ und der Interface-Elektronik PiXtend V2-S- basiert, steht ein kostengünstiges, zuverlässiges, Industrie-4.0/IoT-fähiges und erprobtes System zur Verfügung. Mit ihm kann dem steigenden Kostendruck entgegengewirkt werden. Basis für die hohe Wirtschaftlichkeit ist die preiswerte Hardware für etwa 240 € und die Nutzung von kostenloser Freeware.

* Prof. Dipl.-Ing. Heinz A. Gall ist DHBW-Dozent im Ruhestand

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