描述

介紹

ARMADAS 項(xiàng)目的誕生需要為工廠數(shù)據(jù)采集創(chuàng)建一種廉價(jià)的 PLC（可編程邏輯控制器）替代方案。PLC 已經(jīng)成為工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)已有很長(zhǎng)一段時(shí)間了，但它們價(jià)格昂貴，并且需要更昂貴的附加模塊。

通過(guò) ARMADAS 項(xiàng)目獲得的數(shù)據(jù)不是關(guān)鍵任務(wù)讀數(shù)。這些讀數(shù)主要用于 OEE（操作設(shè)備效率），它為管理人員提供有關(guān)工廠車間績(jī)效的信息。因此，該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)考慮到了最低成本，但以犧牲可靠性為代價(jià)。但每塊板的成本僅為 5 美元左右，這意味著它們可以以 PLC 的價(jià)格更換一百倍。

該項(xiàng)目在工廠車間進(jìn)行了幾個(gè)月的測(cè)試和監(jiān)控。通過(guò) ARMADAS 項(xiàng)目，我們希望改善工廠的能源管理、遠(yuǎn)程監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)。

框圖和項(xiàng)目描述

首先確定了必須從工廠車間獲取的輸入類型。

• 數(shù)字輸入 - 來(lái)自 NPN 或 PNP 傳感器（接近傳感器等）的 12V/24V 數(shù)字輸入

• 模擬輸入 - 來(lái)自 RTD 傳感器和 4-20ma 傳感器的模擬輸入。

• 特殊輸入 - 使用 MODBUS 協(xié)議讀取的值。

然后開發(fā)了一種將獲得的值傳輸?shù)街醒敕?wù)器的方法。使用了兩種技術(shù)。

• NRF24 - 基于射頻的通信，適用于存在影響 WiFi 的電氣干擾的工廠區(qū)域。

• 使用 ESP8266 通過(guò) WiFi 進(jìn)行 MQTT。

該框圖說(shuō)明了數(shù)據(jù)采集過(guò)程的所有關(guān)鍵階段。

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圖 2 - 框圖

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中央服務(wù)器是一個(gè) AWS EC2 實(shí)例，帶有一個(gè) Mosquitto (MQTT) 代理和一個(gè) NodeJS 腳本，用于在 Web 儀表板上顯示數(shù)據(jù)。另一個(gè)應(yīng)用程序是使用 Visual Studio 開發(fā)的，用于在本地可視化數(shù)據(jù)。（通過(guò) RF 發(fā)送的數(shù)據(jù)被發(fā)送到工廠的主 RF 設(shè)備，該設(shè)備可以訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)）。

PCB制造

為此項(xiàng)目創(chuàng)建了兩個(gè)PCB。一個(gè)是圍繞流行的 ATmega328P-AU IC 設(shè)計(jì)的，另一個(gè)是為 ESP32-NodeMCU 設(shè)計(jì)的。這兩種 PCB 都具有以下特點(diǎn)。

• 互聯(lián)網(wǎng)連接 - （對(duì)帶有 ATmega IC 的 PCB 使用外部 ESP8266）ATmega 板的射頻連接。

• 使用模擬多路復(fù)用器的 8x 4-20ma 輸入。

• 通過(guò) RS485 與多達(dá) 255 個(gè)從屬 MODBUS 設(shè)備連接。

• RTD 傳感器的兩個(gè)模擬輸入。

• 通過(guò)光耦合器為數(shù)字傳感器提供 6 個(gè)數(shù)字輸入（atmega 板只有 2 個(gè)中斷輸入）

• 通過(guò) I2C、SPI 或串行連接不同外設(shè)的附加端口。

為 ATmega328P-AU 設(shè)計(jì)的 PCB 如下所示。

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圖 3-ARMADAS 板

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為 NodeMCU 設(shè)計(jì)的另一個(gè) PCB 如下所示。

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圖 4 - 安裝在工廠位置的 NodeMCU 電路

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圖 5-NodeMCU 板原理圖

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物料清單

板 #1 -

• ATmega328P-AU

• 8MHz 振蕩器

• 4051N 模擬多路復(fù)用器 IC

• 7085 5V線性穩(wěn)壓器

• AMS1117 3.3V穩(wěn)壓器

• 330歐姆電阻器 - SMD 1206

• IN5041 二極管

• MAX485- RS485 模塊

• NRF24 收發(fā)器

• ESP8266 模塊

• 電線連接器

• 光耦合器

板 #2 -

• ESP12E NodeMCU

• 3.3V RS485模塊

• LM2596 降壓轉(zhuǎn)換器

• 光耦合器

• 電線連接器

設(shè)備代碼

編程是使用 Arduino Web Editor 和 Arduino IDE 完成的。**附上代碼。（特別感謝 Doc Walker https://github.com/4-20ma ）用于 ModbusMaster Arduino 庫(kù)。兩個(gè)板子執(zhí)行的功能各不相同，這里將分別說(shuō)明。

1. 基于 ATmega328P 的開發(fā)板

該板主要用于通過(guò)射頻采集和傳輸數(shù)據(jù)。一塊板使用 FTDI 連接到計(jì)算機(jī)并設(shè)置為主。所有其他板都連接到工廠車間的不同傳感器并設(shè)置為從站。應(yīng)主機(jī)的請(qǐng)求，所有其他從機(jī)將發(fā)送請(qǐng)求的數(shù)據(jù)。主站每 5 秒從每個(gè)從站請(qǐng)求一次。在主機(jī)接收到數(shù)據(jù)后，它通過(guò)串行將其推送到計(jì)算機(jī)，使用 Visual Studio 編寫的程序?qū)⑵滹@示在計(jì)算機(jī)上。此數(shù)據(jù)也被推送到在 AWS EC2 實(shí)例上運(yùn)行的 MQTT 代理。

數(shù)字輸入（脈沖輸入）是通過(guò)光耦合器獲得的，因?yàn)楣I(yè)信號(hào)在 12-24V 下運(yùn)行。通過(guò)通過(guò) 330 歐姆電阻器發(fā)送電流并測(cè)量電壓來(lái)獲得 4-20ma 輸入。這是通過(guò) 4051N 模擬多路復(fù)用器測(cè)量的，以減少 atmega 的引腳使用。在工廠連接的一些工業(yè)設(shè)備是，

• Endress+Hauser Liquiline 傳感器具有 4-20ma 電流輸出，用于測(cè)量 pH、氯濃度和電導(dǎo)率。

• Endress+Hauser Proline Promag – 電磁流量計(jì) – 用于流量的 4-20ma 電流輸出和用于累加器的脈沖輸出。

• Schnieder 電能表 - 使用 MODBUS 的 kWh

當(dāng)獲得 4-20ma 讀數(shù)時(shí)，有必要在范圍的遠(yuǎn)端獲得兩個(gè)已知讀數(shù)，以確定電壓與 ADC 值圖的梯度和截距。

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1 / 2 ?圖 6 - 從站連接到傳感器

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上面兩張圖片顯示了為評(píng)估項(xiàng)目的有效性而準(zhǔn)備的測(cè)試臺(tái)。

SIM900 GSM 模塊連接到主設(shè)備，以便通過(guò)文本發(fā)送請(qǐng)求的讀數(shù)。

2.NodeMCU板

該板已連接到，

• Forbes Marshal FIT 蒸汽流量傳感器 - MODBUS 上的累加器和流量

• SET 功率計(jì) - MODBUS 上的三相電壓、電流、功率因數(shù)和 kWh

通過(guò) MODBUS 收集的數(shù)據(jù)直接發(fā)送到 MQTT 代理。

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圖 7 -NodeMCU 板連接

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后端

服務(wù)器后端由一個(gè)簡(jiǎn)單的 nodejs 腳本組成，用于訂閱 mqtt 代理中的不同主題并將它們可視化。

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圖 8 - 數(shù)據(jù)可視化

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結(jié)論

顯然，基于 Arduino 的設(shè)備是用于非關(guān)鍵任務(wù)任務(wù)的 PLC 的完美替代品。如果它們?cè)O(shè)計(jì)有適當(dāng)?shù)?a href='http://www.tjjbhg.com/tags/濾波器/' target='_blank' class='arckwlink_none'>濾波器和保護(hù)電路，它們也可以在未來(lái)被納入關(guān)鍵任務(wù)中。這些設(shè)備在工廠環(huán)境中運(yùn)行了兩個(gè)多月，沒有遇到任何問(wèn)題。使用 Arduino Web 編輯器和 Arduino IDE 進(jìn)行編程相對(duì)容易，并且可用的大量庫(kù)和教程使該項(xiàng)目的開發(fā)成為現(xiàn)實(shí)。