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Steuern und Regeln
Arduino, Raspberry und Co.
Firmenseminare oder Schulung man
mit der Programmierung einer sol-
chen Steuerung schnell restlos über-
fordert ist, letztendlich durch die Viel-
fältigkeit der verschiedenen Firmen-
programme. Außerdem kosten die
Steuerungen teilweise hohe Lizenz-
gebühren und sind im oberen Preis-
segment angesiedelt.
Hinzu kommt vor allem, dass an
der Universität die Programmie-
rung für ein Projekt meist nur ein-
malig als Prototyp von Studieren-
den oder Wissenschaftlern für einen
einzelnen Forschungs- oder Indus-
trieauftrag zu erstellen ist. Der Aus-
bildungsschwerpunkt der Wissen-
schaftler und Studierenden liegt
aber auf einem anderen Gebiet und
somit würde diese komplexe SPS-
Programmierung noch zu einem
zusätzlichen Nebenfach ausufern.
Suche nach einer Lösung
Die Überlegung nach einer leicht
anwendbaren, kostengünstigen und
für alle zufriedenstellende Lösung,
nicht nur für die Industrieaufträge,
Bild 1: SPS mit Controller und mehreren Ein- und Ausgangsmodulen in einem Schaltschrank (Bilder: LSTM Erlangen sondern auch für die lehrstuhl
und Rolf Zech) interne Anwendung musste daher
gesucht werden.
Oft wird die Frage gestellt, ob Rockwell, Beckhoff, Wago, National
Arduino, Raspberry und Co. für den usw. eingesetzt, da diese vor allem „Arduino UNO“
Industriellen Einsatz tauglich sind. bei Industrieaufträgen als Empfeh- Als im Jahre 2012 sich diese For-
Rolf Zech möchte nach fast acht Jah- lung oder Wunsch der Auftraggeber derung ergab, wurde man mit dem
ren Entwicklung und Anwendungen einfließen, aber nicht unbedingt Microcontroller-Board von „Ardu-
seiner Entwicklung mit diesem Arti- Voraussetzung sind. Diese indus- ino UNO“ fündig. Ein Controller
kel zeigen, dass der professionelle triellen Steuerungen sind sehr gut, für 30 bis 40 €, der überwiegend
Einstieg in die Automatisierung mit betreffend ihrer Programmstruktur in Hobbykreisen bekannt und ver-
Arduino, Raspberry und Co. günstig und Hartwarekomponenten. Nach- breitet ist, bot sich förmlich an. Mit
gelingen kann. Er erläutert die Not- teil all dieser Steuerungen ist, dass noch einigen Elektronik-Kompo-
wendigkeit dieser Entwicklung und ohne intensive Einarbeitung durch nenten und einem Hutschienenge-
beschreibt die Umsetzung.
Rolf Zech bringt ein Beispiel: „Zu
verschiedenen Veröffentlichungen
über Entwicklungsboards von Ardu-
ino, Raspberry und Co., möchte ich
Ihnen hierzu eine SPS-Entwicklung
aus der Praxis vorstellen die 2012
und 2013 an der UNI-Erlangen ent-
stand und heute noch an der UNI-
Erlangen / Fachbereich: Lehrstuhl für
Strömungsmechanik (LSTM) erfolg-
reich Anwendung findet“.
Autor:
Rolf Zech, Hardware-Entwicklung Die Situation
Friedrich-Alexander-Universität Zur Messwerterfassung, Aus-
Erlangen-Nürnberg wertung und Automatisierung für
Lehrstuhl für Strömungsmechanik einzelne Projekte werden an der
(LSTM) UNI-Erlangen überwiegend SPS- Bild 2: Controllermodul mit eingebauten Arduino UNO in einem geöffneten
http://www.lstm.uni-erlangen.de Komponenten der Firma Siemens, Railbox-Gehäuse
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führt werden konnten. Durch diese Ab 2015 ist zusätzlich ein Rasp-
Neuentwicklung der Leiterplatten für berry Pi 2B, sowie ein Arduino ZERO
die jeweiligen Module konnten alle (M0 Pro) als Controller-Modul zum
oben erwähnten negativen Punkte bisherigen Arduino UNO Modul hin-
direkt korrigiert werden. zugekommen. Die drei Controller-
Die Betriebsspannung der Module module sind an den Steckklemmen
wurde auf einen schaltschrank „Pin-Kompatibel“ untereinander und
typischen Wert von 24 V DC die Steuerung unterscheidet sich nur
gebracht. Die Schaltleistung der durch die jeweilige Software für die
Digitalausgänge wurde für Verbrau- jeweiligen Controller.
cher auf ca. 150 mA gesteigert. Die
Digitaleingänge können TTL bis 30 V Das Ergebnis
mit galvanischer Trennung verarbei- Rolf Zech resümiert: „Eine SPS auf
ten. Der Ausgang wird „LOW“ bei der Grundlage von Arduino, Raspberry
Reset und Start. Die „Standard- und Co. mit dieser schmalen und kom-
Verdrahtung: Relais an Masse“ im pakten modularen Gehäuseform, die
Schaltschrank wird beibehalten. in einfacher Ausführung, d. h. ohne
Die Anschlüsse der Module erfol- zusätzliche I²C-Buserweiterung aus-
gen über steckbare Klemmen bis kommt und trotzdem ca. 200 Kanäle
Bild 3: Controllermodul mit eingebauten Raspberry Pi in einem geöffneten
1,5 mm² und im 5,08-mm-Raster, bedienen kann, habe ich bis heute am
Railbox-Gehäuse
wodurch auch eine 230-V-Verkabe- Markt noch nicht gesehen“.
lung an den Modulen (z. B. Relais-
häuse für einen Schaltschrankein- Geeignete I²C-Peripherie-Bausteine modul) erfolgen kann. Fazit
bau lag man bei unter 100 € Mate- dafür wurden bereits in den 80er Die Module (Bild 1) sind je nach Der professionelle Einstieg in die
rialkosten für eine Kleinsteuerung Jahren für die Fernsehtechnik von Typ als 4, 8 und 16 Kanäle, als Automatisierung mit dem Arduino,
in „Bastlerausführung“. Philips und später von unzähligen Digital-, Analog- und Relais-Stufen Raspberry und Co, ist von der Bastel
anderen IC-Herstellern (Texas, bestückt, wobei von jedem Modul- ecke in den industriellen Schalt-
Grenzen Maxim, Linear, AD usw.) entwickelt Typ bis zu 8 Module verbaut wer- schrankbau bestens gelungen. Die
Es zeigte sich allerdings auch und standen somit zur Verfügung. den dürfen. Das bedeutet, dass teil- in diesem Beispiel gezeigte modu-
sehr schnell, dass man mit einem Es waren auch fertige I²C- weise bis zu 128 Kanäle (16 Kanäle lar aufgebaute SPS ist mit ihren
Arduino UNO an dessen physika- Tragschienen-Module mit Analog x 8 Module) von jedem Modul-Typ Controllern eine gute Kombination
lische Grenze stößt. Die Ein- und wandler, Portbausteine usw. zum über Adressen steuerbar sind. Auch von Elektronik, montagefreund-
Ausgangs-Ports sind auf 20 Kanäle Schaltschrankeinbau von verschie- Buserweiterungen, Multiplexer, gal- lichem Gehäusedesign und leicht
begrenzt. Der Strom für jeden Schalt- denen Herstellern (Gravitech, vanische Trennung, Watchdog, bedien- und erlernbarer Software.
ausgang liegt bei 40 mA, darf aber Horter, SkPang usw.) verfügbar, PWM Leistungsstufen und Schritt- Zusammen mit der Entwicklungs-
in der Summe nicht über 200 mA die aber nicht in Betracht kamen, motorstufen sind vorbereitet bzw. umgebung und der von den „Com-
betragen. Dadurch ist man auf bedingt durch ihre Breite/Größe, ausgeführt. Der Arduino als Con- munity Gleichgesinnten“ bereitge-
wenige Verbraucher bzw. Relais ihrer offenen Bauweise der Elek- troller für die SPS wurde ebenso stellten kostenlosen Nutzung der
begrenzt. Dazu kommt noch die tronik, und daneben teilweise in einem getrennten Modul (Bild 2) Software aus dem Internet ist eine
unübliche Betriebsspannung der auch weitere Einschränkungen untergebracht. preisgünstige, lizenzfreie und pro-
Relais mit 5 V in einem Schalt- besaßen.
schrank, was auch für die Digital Es wurde 2013 beschlossen das
eingänge gilt. Analogausgänge vielversprechende Arduino-System
können nur über externe RC-Filter mit dem I²C-Bus beizubehalten und
wegen der PWM realisiert wer- durch Eigenentwicklung die verschie-
den. Bei Reset schalten die Ports denen Ein- und Ausgangsfunkti-
auf „High“, was auch nicht immer onen in einzelne Module aufzuteilen.
vorteilhaft in einer Schaltschrank Ein dafür geeignetes Hutschie-
installation ist. Die Anschlüsse zum nengehäuse wurde bei der Firma
Arduino sind nur über Stiftleisten „ITALTRONIC“ von der Serie „RAIL-
möglich und für einen Schaltschran- BOX“ gefunden. Das nur 22,5 mm
keinbau so völlig ungeeignet. Geeig- breite Gehäuse hat einen modu-
nete Gehäuse um den Arduino und/ laren Aufbau und ist dadurch platz-
oder dessen aufsteckbaren Zusatz- sparend.
module (Shields) mit Schraubklem-
men professionell in einen Schalt- Neuentwicklung von
schrank einzubauen standen nicht Leiterplatten
zur Verfügung.
Für jeden Modul-Typ mussten neue
Die Weiterentwickung Leiterplatten entwickelt und mit den
Deshalb entstand hier die Idee, an erforderlichen Komponenten in das
Stelle der 20 Ports am Arduino UNO Railbox-Gehäuse eingebaut wer-
seine I²C- Schnittstelle (Zweidraht- den, wodurch die SPS-Module nun
technik mit Adressen) zu benutzen. auch schaltschranktauglich ausge- Bild 4: Verschiedene SPS-Module im Gehäuse
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Steuern und Regeln
Einschränkungen Heutiger Stand und Ausblick
Allerdings gilt es ein paar Punkte Zwischenzeitlich sind ähnliche
bei der Entwicklung und Anwen- Gehäusemodule und Kleinsteu-
dung zu beachten. Einer davon erungen mit diesem Bus-System
ist der kostenlose Source-Code. von verschiedenen Firmen und
Wird er verwendet, muss er wie- Händlern verfügbar. Denkbar ist,
der unter freier Lizenz veröffent- dass noch weitere Microcontrol-
licht werden, auch wenn nur ein- ler- Boards mit I²C-Schnittstelle
zelne Teile daraus entnommen wur- (Banana, Leonardo, Nano, Odroid,
den, was unter Umständen Anwen- SMTxx, Pi 4B usw.), für diese Modu-
der vor allem in der Industrie davon lare-SPS hier auch eine Anwendung
abhalten könnte. als Controllermodul finden könnten.
Bei der I²C-Technik ist nur der Mit Buserweiterungen oder Feld-
Datentransfer begrenzt und die Bus- bus-Gateways kann die Busstruk-
kapazität (kapazitive Last = 400 pF) tur noch weiter ausgebaut werden.
als kritisch anzusehen, d. h. ohne
Buserweiterung können keine län- Der I²C-Bus findet heute nach ca.
geren Kabelstrecken und nur ca. 20 40 Jahren immer noch unzählige
Bild 5: Anschlüsse für Stromversorgung und I²C-Bus an den SPS-Modulen bis 25 Module am I²C-Bus betrieben Anwendungen z. B. bei Chipkarten
werden, was aber mit über 200 Kanä- Lesegeräte, Haushaltsgeräte, Sen-
grammüberschaubare Entwicklung sowie das 2006 abgelaufene, und len für Eingang und Ausgang einer sorik und neuerdings in Blinklicht-
entstanden, die von Studierenden heute immer noch angewendete kleinen Steuerung in einem Schalt- steuerungen mit Lauflicht (LT39xx)
und Wissenschaftlern schnell und und bewährte Patent der Firma Phi- schrank ausreichen sollte. in der Automobilindustrie.◄
erfolgreich angenommen wurde. lips (NXP), mit dem I²C-Bus. Eine
Verbindung dieser beiden meines
Der Einsatz Quellen:
Erachtens exzellenten Vorausset-
Ein störungsfreier Betrieb dieser zungen, bestätigt die Validierung die- Hardware-Entwicklung:
Controller in Verbindung mit seinen ser offenen und nahezu grenzen- Rolf Zech,
Ein- und Ausgabemodulen beweist losen SPS-Entwicklung auf der I²C- zech-erlangen@t-online.de,
die Tatsache, dass die SPS diverse Basis. Das heißt, die spezifizierten Software (u.a.): Liam Pettigrew
Heizungen, Ventile, Frequenzum- Anforderungen sind reproduzierbar, www.github.com/liampetti
richter, teilweise auch im oberen dokumentiert und werden im prak- Ansprechpartner an der Uni Erlangen: tobias.t.beck@fau.de
kW-Bereich, sowie G-Motor und tischen Einsatz von dieser modu- oder andreas.baur@fau.de
Lichtsteuerungen mit PWM-Lei- laren SPS voll erfüllt.
stungsstufen problemlos ansteu-
ert. Ebenso sind die Module für
die Messwerterfassung bzw. Sen-
sorauswertung im mV- bzw. mA-
Bereich eingesetzt. Mehrere Anla-
gen mit diesen SPS-Modulen lau-
fen bereits über Jahre ohne Bean-
standung. Durch die steckbare Klem-
menausführung an den Modulen ist
eine sichere Verbindung im Schalt-
schrank gegenüber den instabilen
Kontakten mit den Buchsenleisten
möglich, und nicht zu vernachläs-
sigen spiegelt sich dadurch die
Servicefreundlichkeit beim Umbau
einer Anlage wieder.
Diese Arduino- oder Raspberry-
SPS kann durchaus im kommerzi-
ellen Schaltschrankbau der Indus-
trie, Haustechnik wie auch in For-
schungs- und Entwicklungseinrich-
tungen als zuverlässige Steuerung
zum Einsatz kommen.
Als Qualitätsmerkmal und als
Grundlage für die Entwicklung dieser
modularen SPS im Jahre 2012/2013
sind die damals schon nahezu mil-
lionenfach verkauften Microcon-
troller von Arduino und Raspberry, Bild 6: Brettaufbau für Test am Schreibtisch
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