So wird Raspberry Pi 3 zum Industrie-Controller

| Redakteur: Margit Kuther

Echtzeitfunktionalität für Raspberry Pi

Echtzeit: RTC-HAT 3013 von Adafruit
Echtzeit: RTC-HAT 3013 von Adafruit (Bild: Digi-Key)

Automation-HATs bieten die für kleine industrielle Automatisierungs-Anwendungen erforderliche grundlegende I/O-Funktionalität. Endwickler können hier aus einem breiten Spektrum von verfügbaren HATs wählen, die etwa auch für spezielle Anwendungen, z. B. in der industriellen Automatisierung, benötigt werden. Das RTC-HAT 3013 von Adafruit bietet z. B. die Funktionalität einer Echtzeituhr (RTC).

Dies ist keine Standardfunktion der Platine selbst. Die Designer des Raspberry Pi erwarten, dass Entwickler die Verbindung des Boards mit dem Internet aufrechterhalten, wo es das standardmäßige Netzwerkzeitprotokoll NTP (Network Time Protocol) verwenden kann, um die Uhrzeit beizubehalten. Daher ist für Bausteine, deren Internetverbindung absichtlich oder versehentlich abbrechen kann, eine externe Echtzeituhr (RTC) wie das RTC-HAT 3013 von Adafruit erforderlich.

Beim Hinzufügen von Funktionen wie RTC sind die Entwickler bei der Entwicklung eines Bausteins für die industrielle Automatisierung nicht auf ein einziges HAT beschränkt. Auf einem Raspberry Pi können mehrere HATs gestapelt werden. Obwohl für die meisten HATs das Stapeln vorgesehen ist, müssen gegebenenfalls Stapel-Steckleisten wie die 2223 von Adafruit oder M2.5-Abstandhalter angebracht werden, um zu verhindern, dass die HATs sich gegenseitig oder die Grundplatine berühren.

Echtzeit mit dem Linux PREEMPT_RT-Patch

In manchen dieser Anwendungen benötigen die Entwickler möglicherweise eine genauere Zeitsteuerung als die, die von Konfigurationen mit RTC wie dem RTC-HAT 3013 von Adafruit geboten wird. Das RTC-HAT 3013 basiert auf dem RTC-IC DS3231 von Maxim Integrated. Dieser bietet zwei programmierbare Alarme und ein Rechteckwellen-Ausgangssignal.

Entwickler können mithilfe der Alarme Interrupts nach einer bestimmten Anzahl von Tagen, Stunden, Minuten und Sekunden generieren oder mithilfe der Rechteckwelle Interrupts mit deren Frequenz von 1 Hz generieren. Für Anwendungen, die periodische Interrupts mit höheren Frequenzen als 1 Hz erfordern, müssen geeignete Softwarefunktionen entwickelt werden, die den Systemzeitgeber des Prozessors einsetzen, oder es müssen spezielle Hardware-Counter eingebaut werden, die den Interrupt mit der gewünschten Häufigkeit generieren.

In Anwendungen, für die eine feinere Zeitauflösung erforderlich ist, wird die Forderung nach einer deterministischen Reaktionslatenz ebenfalls wichtig. Bei sehr hohen Frequenzen könnte die variable Reaktionslatenz des Standard-Raspbian-Betriebssystems die Genauigkeit beeinträchtigen. Zwar liefert das Standardsystem im Millisekundenbereich eine wahrscheinlich ausreichende deterministische Reaktion, aber möglicherweise sind Ansätze wie das Linux PREEMPT_RT-Patch nötig, wenn höhere und deterministischere Auflösungen gefordert sind.

Erweiterunsmodul für die Motorsteuerung

Mit Stapel-Steckleisten und Abstandhaltern kann ein HAT wie das Motor-HAT 2348 von Adafruit, das eine für viele industrielle Automatisierungsanwendungen benötigte Motoransteuerung mitbringt, einfach angebracht werden. Ein Motor-HAT 2348 kann zwei Schrittmotoren oder vier Gleichstrommotoren ansteuern. Tatsächlich können bis zu 32 dieser Zusatzplatinen aufeinander gestapelt werden und bis zu 64 Schrittmotoren oder 128 Gleichstrommotoren ansteuern (Abbildung 2).

Ebenso wie das Automation-HAT von Pimoroni kann das Motor-HAT 2348 von Adafruit mit ein paar einfachen Python-Befehlen programmiert werden. Die Softwarebeispiele von Adafruit für das Motor-HAT veranschaulichen sogar grundlegende Konstruktionsmuster für den Einsatz der Python-Threading-Moduls zur parallelen Ansteuerung mehrerer Motoren (Listing 3). Wenn über die verfügbaren HATs hinausgehende Funktionalität benötigt wird, so sind die Entwickler nicht auf das HAT-Format beschränkt.

Auch Arduino-Shields und Grove-Komponenten können RPi erweitern

Das Arduino-Shield DFR0327 von DFRobot, das Starter-Kit GrovePi+ von Seeed Technology und das Click-Shield MIKROE-2756 von MikroElektronika eröffnen den Entwicklern den Zugang zu einem breiten Spektrum von Arduino-Shields, Grove-Komponenten und MikroBUS-Click-Boards.

Mit diesen Boards können Entwickler schnell Unterstützung für Standard-CAN-Schnittstellen hinzufügen, indem sie das CAN-Click-Board MIKROE-988 von MikroElektronika einsetzen. Und mit dem Click-Board MIKROE-1296 von MikroElektronika kann Unterstützung für 4 bis 20 mA Stromschleifen hinzugefügt werden.

Fertige Software vereinfacht die Arbeit

Auch nach der Aufrüstung eines Raspberry Pi-Designs mit der erforderlichen Zusatzfunktionalität verlieren die Entwickler häufig Zeit mit dem Erstellen einer geeigneten Benutzeroberfläche. Beim Raspberry Pi 3 können die Entwickler das Gerät mit dem I/O-Cloud-Dienst von Adafruit verbinden, der eine grafische Oberfläche zum Feedback und zur Steuerung des Automatisierungsprozesses bereitstellt. Der Cloud-Dienst ermöglicht den Entwicklern, einfache Feeds mit Daten- und Prozessinformationen zu erzeugen (Listing 4) und Dashboards zu generieren, die die Überwachung und Steuerung von Projekten von jedem Browser, Desktop-PC, Smartphone oder einem beliebigen Mobilgerät aus erlaubt (Abbildung 3).

Diese Kombination von einfacher Softwareentwicklung, verschiedenen Zusatzplatinen und dem äußerst leistungsfähigen Raspberry Pi bietet eine geeignete Lösung für kleinere industrielle Automatisierungsanwendungen.

Fazit: Die Fähigkeiten herkömmlicher speicherprogrammierbarer Steuerungen liegen normalerweise jenseits des Anforderungen und Budgets kleinerer Industrieunternehmen, die Kleinserien fertigen, bearbeiten und Prototypen herstellen. Bei diesen Anwendungen stehen die Betreiber normalerweise vor bescheideneren Anforderungen, die häufig im Bereich eines Raspberry Pi 3 liegen. Mit dem Raspberry Pi 3 und geeigneten Zusatzplatinen können schnell dedizierte industrielle Automatisierungssysteme implementiert werden, die die Anforderungen vieler kleiner Unternehmen erfüllen.

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Solange man die Raspberrys nicht einfach ausschalten kann, ohne befürchten zu müssen, dass das...  lesen
posted am 20.09.2018 um 12:54 von Unregistriert

Und Sie sind als Elektronik-Experten wirklich der Meinung, dass ein RasPi3 für einen ernsthaften,...  lesen
posted am 22.07.2018 um 20:30 von Unregistriert


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