Automatyzacja procesów produkcyjnych w fabrykach wydaje się być jedną z najbardziej przyszłościowych dziedzin współczesnej elektroniki. Monitorowanie, sterowanie i nadzorowanie pracy maszyn za pomocą urządzeń elektronicznych pozwala bowiem na tańszą i bardziej powtarzalną produkcję. Wiele aplikacji bez systemów automatyzacji w ogóle byłaby niewykonalna, zwłaszcza gdy mówimy o dużej szybkości i wysokiej precyzji procesu.

Najważniejszym elementem systemów automatyzacji przemysłowej są sterowniki PLC. Działają one jako serce systemu lub podsystemu – zbierają dane z czujników, a następnie zgodnie z logiką programu analizują i przekształcają na sygnały sterujące urządzeniami wykonawczymi, takimi jak silniki czy aktuatory. W ostatnich latach coraz większą popularność zdobywają sobie miniaturowe sterowniki, takie jak LOGO! 8 produkowane przez Siemens. Ich zaletą jest łatwość programowania, niska cena i nadal pełne możliwości sterownika PLC sprawiają, że rozwiązanie jest atrakcyjne w aplikacjach niewielkich maszyn przemysłowych. Pozwala także na stosowanie do obsługi tylko części funkcji maszyny, co pozwala np. stosować kilka sterowników obsługujące prostsze podsystemy.

Jednym z najnowszych urządzeń na tym rynku jest seria sterowników Arduino Opta. To kolejne urządzenie z serii Arduino Pro, czyli produktów zgodnych ze środowiskiem Arduino, a jednocześnie przeznaczonych do zastosowań profesjonalnych. Sterownik powstał we współpracy z firmą Finder, a więc doświadczonym producentem urządzeń do automatyki przemysłowej i budowlanej. Pozwala to sądzić, że pomimo debiutu Arduino na rynku przemysłowym, otrzymujemy pełnowartościowy i dopracowany produkt.

Wyposażenie sterownika Arduino Opta

Sercem sterownika jest dwurdzeniowy mikrokontroler STM32H747XI. Zawiera on rdzeń Cortex-M7 480 MHz oraz Cortex-M4 240 MHz. Jest to jeden z najmocniejszych mikrokontrolerów na rynku i z pewnością poradzi sobie doskonale z obciążeniem spowodowanym działaniem sterownika PLC.

Arduino Opta oferuje osiem wejść, z których każde można skonfigurować jako cyfrowe lub analogowe. Jest to delikatna różnica pomiędzy takimi sterownikami jak LOGO! czy nawet S7-1200, z których tylko część wejść oferuje taką możliwość, a część jest wyłącznie cyfrowych. Każde z wejść można ustawić w pożądany tryb w kodzie programu. Wejście analogowe ma rozdzielczość 12 bitów. Opta dysponuje też czterema wyjściami przekaźnikowymi zdolnymi do przełączania napięcia do 250 V AC i prądu do 10 A. Daje to więc możliwość przełączania nawet napięcia z sieci i dużych mocy, co jest bardzo przydatne w układach przemysłowych.

Podobnie jak większość sterowników PLC, Opta zawiera złącze Ethernet 10/100, które pozwala także komunikować się za pomocą protokołu Modbus TCP/IP. Jest to standardowy protokół przemysłowy, który służy do komunikacji urządzeń przemysłowych, takich jak sterowniki PLC, panele HMI, rozmaite mierniki, czujniki, sterowniki silników itp. Oczywiście samo połączenie z siecią Ethernet pozwala dołączyć system przemysłowy do internetu, co umożliwia sterowanie z zewnątrz, komunikację z chmurą, przetwarzanie danych, wysyłanie alertów itd.

Przy okazji – sterowniki Arduino Opta mogą współpracować z usługami chmurowymi różnych dostawców. Oczywiście preferowana jest chmura Arduino Cloud, czyli usługi dostarczane przez samo Arduino. Jest to prosta chmura przeznaczona do pozyskiwania i wizualizacji danych z urządzeń Arduino, sterowania nimi, przetwarzania danych i wszystkich innych opcji znanych z innych, uznawanych za bardziej profesjonalnych systemów. Obsługa jest stosunkowo prosta, co pozwala nauczyć się podstaw obsługi i implementacji aplikacji chmurowych.

Kokpit chmury Arduino Cloud

Poza Arduino Cloud, sterowniki Opta można też połączyć z usługami innych dostawców. Urządzenia można połączyć m.in. z Amazon Web Services czy Microsoft Azure.W modelach Opta RS485 oraz Opta WiFi zainstalowano także port komunikacyjny RS-485. Za pośrednictwem tego interfejsu Arduino Opta korzysta z protokołu Modbus RTU. Służy on z grubsza do tego samego co Modbus TCP – pozwala łączyć ze sobą urządzenia przemysłowe w sieć. Właściwie jest to inna implementacja tego samego protokołu. Tym niemniej obecność obu wersji daje większe możliwości projektantom aplikacji przemysłowych, choćby dlatego, że starszy sprzęt często dysponuje tylko wersja RTU.

Złącze RS-485 w sterowniku Arduino Opta

Z kolei wersja WiFi zawiera także dodatkowy moduł komunikacji bezprzewodowej, obsługujący standardy Wi-Fi oraz Bluetooth Low Energy. Jest to dość ciekawe i nietypowe rozwiązanie, dość rzadko stosowane w sterownikach PLC. Pozwala m.in. na bezpieczną, bezprzewodową aktualizację oprogramowania (OTA), bezprzewodową komunikację z siecią, a także łączenie się z innymi urządzeniami poprzez Bluetooth. Zbliża to sterownik do funkcjonalności urządzenia IoT, a także daje dość ciekawą kombinację możliwości, którą można kreatywnie wykorzystać w projekcie.

Podstawowym interfejsem do komunikacji z komputerem jest USB-C. Podobnie jak w tradycyjnych płytkach Arduino może służyć on do zasilania urządzenia, programowania pamięci, a także do podstawowej komunikacji poprzez port szeregowy. Jednak mimo, że można zasilać Optę z gniazda USB, to nie damy rady w ten sposób poradzić sobie z wymaganiami systemów przemysłowych, choćby z zakresem napięć standardu wejść 0-10V. W związku z tym warto zaopatrzyć się w zasilacz przemysłowy, o napięciu 12 V lub 24 V, taki jak Mean Well MDR-20-24 i z tego sprzętu korzystać przy pracy ze sterownikiem.

Arduino Opta umożliwia także programowanie za pomocą połączenia Ethernet, a przy połączeniu z chmurą Arduino również aktualizację oprogramowania bezprzewodowo (Over-the-air).

Sterowniki zachowują także najważniejsze standardy bezpieczeństwa. Są zgodne z certyfikatem X.509, a więc przesyłają dane w sposób bezpieczny. Za kryptografię oraz autentyfikację odpowiada specjalny układ sprzętowy ATECC608B firmy Microchip. Dysponuje on szyfrowaniem eliptycznym (ECDH i ECDSA), akceleratorem AES, a także zabezpieczeniem uruchamiania, co pozwala przeciwdziałać nieuprawnionemu podmienianiu kodu. Ogólnie, sterownik zapewnia wystarczający poziom bezpieczeństwa dla aplikacji IoT i przemysłowych, co jest niezwykle ważne we współcześnie realizowanych projektach.

Z pozostałych elementów sterownika warto wspomnieć o zegarze RTC, który pozwala przechowywać aktualną datę i godzinę. Czas można też synchronizować poprzez serwer NTP (o ile łączymy się z internetem). Poza tym na obudowie jest przycisk funkcyjny, przycisk Reset oraz cztery diody LED.

Sterowniki Arduino Opta można instalować na standardowej szynie DIN. Klasa szczelności to IP20 czyli można go stosować wyłącznie wewnątrz pomieszczeń.

Wersje sterownika

Sterownik Arduino Opta dostępny jest w trzech wersjach o różnym wyposażeniu.

• Arduino Opta RS485 – wyposażony w interfejs szeregowy Modbus RTU (RS-485),

• Arduino Opta WiFi – wyposażony w interfejs szeregowy Modbus RTU (RS-485), a także moduł Wi-Fi/Bluetooth,

• Arduino Opta Lite – wersja odchudzona, bez komunikacji bezprzewodowej i interfejsu RS-485.

Kilka dostępnych modeli sterownika umożliwia dobranie odpowiedniej do potrzeb wersji wyposażenia oraz kosztów sterownika.

Programowanie Arduino Opta

Sterownik można programować na dwa sposoby. Pierwszym jest skorzystanie z bezpłatnego środowiska Arduino PLC IDE. Jest to oprogramowanie umożliwiające programowanie modułów przemysłowych Arduino w taki sam sposób, co inne sterowniki PLC, a więc według standardu IEC 61131-3.

Arduino PLC IDE pozwala programować sterownik w następujących językach:

• Schemat drabinkowy (LD),
• Schemat bloków funkcyjnych (FBD),
• Sekwencyjny wykres funkcji (SFC),
• Tekst strukturalny (ST),
• Lista instrukcji (IL).

Ekran startowy środowiska Arduino PLC IDE

Ponadto środowisko umożliwia pisanie programów jako kod Arduino i korzystanie ze zmiennych globalnych. Oznacza to, że część programu można napisać w jednym z języków IEC 61131-3, a część w języku C. Można także korzystać z bibliotek Arduino, co znacząco przyspiesza projektowanie.

Środowisko zawiera także szereg narzędzi do konfiguracji i debugowania programu na PLC. Część opcji można więc ustawić w odpowiednich kreatorach, co jest bardzo wygodnym rozwiązaniem. Arduino PLC IDE jest środowiskiem otwartym i darmowym. Ma też wsparcie szerokiej społeczności Arduino, co pozwala na szybkie rozwiązywanie pojawiających się problemów.

Alternatywą jest programowanie w standardowym środowisku Arduino. Można w ten sposób programować sterownik tak jak każdą inną płytkę. Pozwala to również korzystać z całej gamy bibliotek dla środowiska. Zaletą takiego podejścia jest duża prostota – można korzystać ze sterownika bez konieczności nauki języków i technik programowania PLC.

Arduino Opta jako alternatywa dla małych sterowników przemysłowych

Sterowniki z serii Arduino Opta to małe urządzenie dostosowane do kontroli niewielkich maszyn i procesów przemysłowych. Zawierają wszystkie niezbędne funkcje i interfejsy, których oczekujemy od urządzeń PLC. Ponadto część funkcji, takich jak komunikacja Wi-Fi i BLE, pozwala rozwinąć możliwości Opty na świat systemów IoT. Arduino zadbało też o odpowiednie zaplecze programowe. Zarówno środowiska programistyczne, jak i chmura Arduino Cloud są łatwe w obsłudze i funkcjonalne. Wszystkie te cechy sprawią, że sterowniki Arduino Opta są nie tylko rozwiązaniem do nauki, ale także mogą stać się korzystną alternatywą dla systemów przemysłowych.

Sterowniki Arduino Opta są dostępne w sklepie Kamami.pl, który jest oficjalnym dystrybutorem Arduino w Polsce