價值20美元的微控制器是否可以與現(xiàn)實工業(yè)控制應(yīng)用中的PLC匹敵？

隨著公司開發(fā)硬件和軟件來支持各種有趣的應(yīng)用程序，地下機器人制造商的“制造者”世界繼續(xù)增長。已經(jīng)出現(xiàn)了許多微控制器，它們以非常低的前期硬件和軟件成本執(zhí)行各種功能。

已經(jīng)出現(xiàn)了許多板，包括微控制器，現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）和單板計算機。其中，Arduino和Raspberry Pi是兩個主要名稱（圖1）。兩者都是開放源代碼的設(shè)備，具有可從各種供應(yīng)商處獲得的組件，并且它們都需要高水平的編程技能和一定的想象力，然后才能用于實時工業(yè)控制應(yīng)用。

一些工業(yè)用戶可能會想到這些平臺可以替代入門級PLC。畢竟，如果Arduino可以控制機器人來參加STEM競賽，那為什么它不能控制工業(yè)機器人或簡單的機器呢？如果有可能以低至20美元的價格購買Arduino，為什么要在PLC上花費數(shù)百美元？Arduino可以做很多事情，但是正如我發(fā)現(xiàn)的那樣，即使在簡單的工業(yè)應(yīng)用程序中工作也要說起來容易做起來難。

網(wǎng)絡(luò)研討會：PLC與Arduino-按需觀看

使用Arduino進行實時工業(yè)控制

工業(yè)平臺？

圖1：Arduino和Raspberry Pi平臺具有許多功能，但也缺乏許多實用功能以支持在工業(yè)應(yīng)用中輕松實現(xiàn)。

Raspberry Pi實際上是基于Linux的小型單板PC，而Arduino更像是PLC。盡管這兩種平臺都合適，但我還是選擇了Arduino供我們的項目使用：對泵產(chǎn)生的流量進行閉環(huán)控制。傳感器測量流量并將數(shù)據(jù)發(fā)送到Arduino，后者調(diào)整控制閥執(zhí)行器以維持設(shè)定點。這是最基本的工業(yè)模擬自動化功能之一，通常使用PID回路作為控制算法。

Arduino使用PI控制功能-這種類型的回路不需要派生-從流量計讀取信號并調(diào)節(jié)閥以達到并保持設(shè)定值。這個概念很簡單，但是，在使用實際工業(yè)設(shè)備時，它變得更加復(fù)雜。

Arduino是價格合理的準系統(tǒng)設(shè)備，但如果可以編寫正確的程序來匹配應(yīng)用程序，它確實具有廣泛的功能。對于程序員而言，這是一片空白，沒有本機功能或功能塊可以上傳，因此我不得不從頭開始創(chuàng)建PI算法。

它具有離散和模擬I / O。但是，選擇是有限的。模擬輸入為0-5 V，模擬輸出為脈寬調(diào)制（PWM）。這適用于調(diào)節(jié)電動機的速度或調(diào)節(jié)溫度控制回路，但不適用于許多其他應(yīng)用。大多數(shù)工業(yè)模擬儀器和執(zhí)行器都是為4-20 mA電流環(huán)路設(shè)計的，因此該標準已在演示項目中使用，需要大量的設(shè)計和工程工作。

處理電流回路

該演示設(shè)備使用標準的現(xiàn)成工業(yè)組件：羅斯蒙特3051SFP一體式孔板流量計和Fisher Easy-Drive控制閥，均由艾默生自動化解決方案公司提供（圖2）。除了物理尺寸以外，沒有針對任何特定功能或特性選擇這些產(chǎn)品。它們都是非常常見的設(shè)備類型，因此非常適合此演示。

流量控制

圖2：此流量計和閥門代表通常用于控制流量的典型工業(yè)設(shè)備。

第一步是將來自流量計的4-20 mA信號轉(zhuǎn)換為0-5 V，或更佳的1-5 V，以保持有效零位。這種情況并不罕見，可以從多個來源獲得轉(zhuǎn)換器。但是，為了保持實驗的DIY特性并降低成本，我從頭開始創(chuàng)建了一個（圖3）。它建立在Arduino原型屏蔽板上，可安裝在主板頂部。一個簡單的250歐姆電阻將4-20 mA信號轉(zhuǎn)換為1-5V。

電流回路轉(zhuǎn)換

圖3：信號轉(zhuǎn)換器板位于Arduino屏蔽棧的中間。它轉(zhuǎn)換兩個電流回路輸入并將PWM輸出更改為電流回路以控制閥。

更具挑戰(zhàn)性的任務(wù)是將PWM轉(zhuǎn)換為4-20 mA。缺乏商業(yè)解決方案表明這不是常見的轉(zhuǎn)換，因此我不得不從頭開始構(gòu)建此轉(zhuǎn)換器（圖4）。我決定使用兩通道光電隔離器對4-20 mA電流環(huán)路輸出進行電隔離，以便在與其他電流環(huán)路設(shè)備連接時具有更大的靈活性。由于電路與電源隔離，因此留下了為電路供電的問題。這是通過使用電壓基準集成電路從電流環(huán)路本身為電路供電來解決的。

PWM轉(zhuǎn)換

圖4：雖然脈寬調(diào)制可以很好地控制電動機或加熱元件，但必須將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流環(huán)路來驅(qū)動大多數(shù)其他設(shè)備。

Arduino PWM輸出以500 Hz運行。低通濾波器去除500 Hz信號及其諧波，從而產(chǎn)生與PWM占空比成比例的直流信號。設(shè)計了二階Sallen-Key有源濾波器，其截止頻率為7 Hz，以提供對500 Hz分量的足夠衰減。

運算放大器（運算放大器）用于將低通濾波器輸出轉(zhuǎn)換為電流。請記住，所有運算放大器，基準電壓源和光電隔離器輸出的電源電流必須小于4 mA，因為它們必須流過電流環(huán)路。最終的隔離輸出需要4-20 mA電流環(huán)路提供的最大10 V電源，因此在24 V系統(tǒng)中可以很好地工作。有足夠的空間將所有信號轉(zhuǎn)換電路安裝在同一屏蔽層上。

基本基礎(chǔ)設(shè)施支持

Arduino沒有電源，也沒有任何類型的人機界面（HMI），但是它可以使用添加到堆棧中的小型圖形顯示護罩，屏幕尺寸約為1.75 x 2.25英寸。與PLC不同，需要自定義程序來提供有用的信息，而PLC通常具有多個HMI選項，僅需簡單的屏幕配置即可。電線安裝也是基本的，因此連接外部設(shè)備需要一些工作。安裝Arduino板需要創(chuàng)造力，因為沒有外殼，也沒有任何方便的選擇，例如DIN導(dǎo)軌安裝。

在演示項目中，我使用了適合為流量計和控制閥供電的標準24 Vdc電源，但必須通過一個簡單的線性穩(wěn)壓器將電壓降低至12 Vdc，才能為Arduino供電。

規(guī)范的

圖5：流量計，控制閥和大多數(shù)PLC在電源（24Vdc）下運行（左）。Arduino的工作電壓為12 Vdc，因此在散熱器下方需要一個額外的調(diào)節(jié)器（右）以使其脫離主電源。

編寫代碼以在Arduino上實現(xiàn)PI算法必須從頭開始，但是相對簡單。讀取電流環(huán)路輸入，計算設(shè)定值和輸入之間的差，計算積分和比例校正，并將結(jié)果發(fā)送到PWM電流環(huán)路輸出。

為了查看操作，我編寫了一個程序，使用小顯示屏顯示過程變量（通過電流回路輸入讀取）和控制輸出作為時間的函數(shù)。這提供了控制系統(tǒng)性能的直接視圖。

Arduino提供了幾個模擬輸入，因此將三個以上的模擬輸入連接到電位器以調(diào)節(jié)操作系數(shù)（圖6）。一個控制控制器的設(shè)定點，允許通過旋鈕旋轉(zhuǎn)來控制水流。另外兩個為控制回路提供了比例和積分增益，并且可以通過調(diào)節(jié)兩者來平衡穩(wěn)定性和響應(yīng)時間。它們都沒有任何規(guī)模或工程單位來指示設(shè)置。

監(jiān)管職位

圖6：在其余三個模擬輸入中添加電位計可以調(diào)整設(shè)定點以及P和I增益，但是沒有刻度或指示。

準備運行

循環(huán)表現(xiàn)

圖7：流量計上的變送器提供了本地顯示，可滾動顯示常規(guī)工程單位中的一系列過程變量。使用此功能，可以驗證循環(huán)的性能。

流量計具有默認的本地顯示（圖7），以加侖/分鐘（GPM）的形式顯示流速，以英寸水柱為單位的壓差（dP）來顯示回路功能。PI算法按預(yù)期執(zhí)行，可以通過操縱電位器來調(diào)整兩個控制因子來調(diào)整環(huán)路。流量控制表現(xiàn)出PI回路的正常特性（好的和壞的）。

有一個旁通閥，可用于引起過程變化，迫使環(huán)路調(diào)節(jié)閥以保持設(shè)定值。我創(chuàng)建了一個程序，以便顯示屏可以顯示循環(huán)的有效表示形式（圖8）；但是，根據(jù)顯示器的尺寸，需要花費一些時間來閱讀。

PWM到電流環(huán)路轉(zhuǎn)換器是主要的帶寬限制。使用低截止頻率來充分過濾PWM的必要性限制了Arduino對條件變化的響應(yīng)速度。一旦調(diào)整了比例增益和積分增益，100 ms（10 Hz）的采樣間隔就可以很好地工作。如果旁通閥打開，它將搶斷系統(tǒng)大約一半的輸入流量，但是Arduino會調(diào)整控制閥以在幾秒鐘內(nèi)達到所需的流量。在水流量穩(wěn)定的情況下，系統(tǒng)是穩(wěn)定的，沒有任何跡象表明控制閥正在調(diào)整。

從頭開始編程

圖8：顯示屏是Arduino板棧的頂層。雖然很小，但它可以給出環(huán)路性能的圖像。但是，所有功能（例如繪制基本網(wǎng)格）都必須從頭開始編程。

自然，Arduino沒有要處理的工程單位的概念，但是PLC也沒有。它只是在處理當前值，這實際上是它要做的全部。操作員可能希望看到加侖或打開的百分比，但對于控制器而言則不必要。

大多數(shù)工業(yè)級設(shè)備（例如PLC）都設(shè)計用于在操作至關(guān)重要且必須連續(xù)的潛在敵對環(huán)境中使用。它不能僅僅因為植物變得太熱或太冷而分解并退出。大多數(shù)Arduino并非出于這一考慮而構(gòu)建。越來越多的工業(yè)級設(shè)備和額定外殼也應(yīng)運而生，但這種考慮應(yīng)作為任何分析的一部分。

用PLC進行實時工業(yè)控制

演示項目的第二階段使用基本的低端PLC，在這種情況下為AutomationDirect的BRX（BX-DM1E-10ED23-D）。我之前沒有PLC編程經(jīng)驗或沒有梯形邏輯知識，就進入了這個項目，盡管與經(jīng)驗豐富的PLC程序員相比，它與Arduino目標進行比較更具挑戰(zhàn)性。

PLC具有一個模擬輸出和一個模擬輸入，均可配置為4-20 mA電流環(huán)路操作，以及多個離散輸入和輸出。通過以太網(wǎng)從外部Windows PC對PLC進行編程訪問。第一步是在PC上下載并安裝Do-more Designer軟件，可從www.automationdirect.com免費下載。

安裝軟件后，將PLC通過以太網(wǎng)電纜連接到PC，并用24 Vdc供電（圖9）。便攜式計算機上的快速“ ipconfig”命令顯示了便攜式計算機的以太網(wǎng)地址。通過Do-more Designer軟件將同一子網(wǎng)中的另一個IP地址編程到PLC中。

工業(yè)級PLC

AutomationDirect BRX PLC具有內(nèi)置的，行業(yè)標準的模擬和離散I / O以及用于配置和編程的免費Do-more Designer軟件，非常適合于此流環(huán)控制應(yīng)用。

下一步是學習一些梯形邏輯編碼?！?BRX PLC硬件用戶手冊》的第10章包含使用梯形邏輯對簡單計時器進行編程的分步示例。通過本練習，可以很好地介紹軟件和PLC的基本編程結(jié)構(gòu)。

通過軟件將模擬輸入和輸出配置為4-20 mA電流環(huán)路。這比為Arduino設(shè)計和構(gòu)建當前循環(huán)接口要容易得多。在編寫了幾梯形邏輯梯級之后，直流毫安表驗證了輸出的功能。

PLC提供了復(fù)雜的PID指令，允許設(shè)置各種回路參數(shù)以手動或自動控制回路。通過再次使用毫安表將模擬輸出連接回模擬輸入，創(chuàng)建了一個非常簡單的控制環(huán)。將PID指令與縮放的模擬量輸入和輸出相關(guān)聯(lián)，使PLC無需處理幾加侖的水即可學習PID功能。通過使用電阻器“搶斷”一點輸出電流并觀察BRX PLC的補償來驗證主動PI控制。

有了這種能力，是時候?qū)LC與我們的流量控制回路集成在一起了。連接到流量傳感器非常簡單，其中24 Vdc電源為流量傳感器電流環(huán)路提供激勵?？刂崎y更加容易，因為PLC電流回路輸出提供了必要的激勵。

啟動系統(tǒng)，使用Do-more Designer軟件調(diào)整PID函數(shù)的比例系數(shù)和積分系數(shù)以實現(xiàn)穩(wěn)定的流量就很簡單了。流量的調(diào)整非常簡單，可以通過Do-more Designer軟件調(diào)整設(shè)定值。

Do-more Designer軟件的PID功能提供了過程變量和控制變量的自定標圖，從而可以清晰，實時地監(jiān)視系統(tǒng)性能。

除了基本的核心操作級別外，PLC還提供了工業(yè)應(yīng)用中經(jīng)常需要的各種通用支持功能，例如極限檢測，報告和數(shù)據(jù)記錄。與必須從頭開始編寫每個功能的Arduino演示相比，該PLC使系統(tǒng)設(shè)計人員可以專注于應(yīng)用程序及其如何適應(yīng)更大的生產(chǎn)系統(tǒng)，而無需關(guān)注控制器硬件和軟件的細節(jié)。

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制造還是購買？

那么，Arduino還是PLC，哪個更好？如果僅考慮控制器和I / O的裸機成本，則Arduino勝出。但是，當添加了使Arduino在此相對簡單的應(yīng)用程序中使用所需的所有輔助組件時，硬件成本差距將縮小或消失。組裝和編程Arduino所需的時間也很長。如果以接近正常工程工時費率的時間來計算時間，則PLC無疑是總成本方面的贏家。

關(guān)于性能，Arduino和PLC都完成了任務(wù)。

盡管我們的項目僅著眼于控制簡單的流量回路，但大多數(shù)工業(yè)應(yīng)用將需要多種其他離散和模擬控制功能。使用PLC，很多都是內(nèi)置的，而沒有使用Arduino。

有C語言編程經(jīng)驗的人可能會很快對Arduino進行研究，但是即使是最基本的工業(yè)功能也必須從頭開始編寫。從未對這兩種類型的控制器進行過編程的人都將與兩種平臺有關(guān)。

但是，PLC的在線教程和其他教程的數(shù)量無疑受到了青睞，因為它們專門針對工業(yè)用戶，有許多功能庫可供下載以執(zhí)行常見操作。例如，PLC有可用的環(huán)路調(diào)整軟件，為Arduino編寫將非常復(fù)雜。

在更工業(yè)化的Arduino和Raspberry PI器件出現(xiàn)之前，設(shè)備的耐用性肯定會有利于PLC。同時，大多數(shù)PLC都是產(chǎn)品系列的一部分，具有可擴展性和本機功能的廣度，因此擴展起來容易得多。與Arduino或Raspberry PI平臺相比，帶有附加I / O模塊，HMI和其他用于安裝在控制柜中的輔助設(shè)備的PLC將更易于使用，并且效率更高。

對于學習代碼編寫和控制概念的基礎(chǔ)的人，Arduino及其同類產(chǎn)品提供了有趣的教學工具。必須從頭開始編寫控制算法會使用戶考慮如何執(zhí)行自動化的復(fù)雜性。如此低廉的成本可提供如此先進的設(shè)備，這是非?？捎^的，對于時間比金錢還多的人來說，這是一個福音。

但是對于生產(chǎn)和收入受到威脅的實際工業(yè)應(yīng)用，只需花幾百美元就可以獲得具有同等或更好功能的PLC，它將附帶大量的在線培訓視頻和其他信息，以及專門設(shè)計的功能塊庫用于工業(yè)應(yīng)用。