摘要：可编程逻辑控制器（PLC） 是一种专为各种行业的流程自动化和机械控制而设计的工业计算机。PLC以其高可靠性、坚固耐用性著称，能够处理诸如管理传送带、监控传感器或操作机器人系统等任务。它们是确保自动化过程中精度、效率和安全性的关键。

PLC和树莓派简介

可编程逻辑控制器（PLC） 是一种专为各种行业的流程自动化和机械控制而设计的工业计算机。PLC以其高可靠性、坚固耐用性著称，能够处理诸如管理传送带、监控传感器或操作机器人系统等任务。它们是确保自动化过程中精度、效率和安全性的关键。

树莓派 则是一款多功能、经济实惠的单板计算机，凭借其紧凑的设计和广泛的应用领域而广受欢迎。树莓派最初是作为教育工具开发的，但凭借其低成本、通用输入/输出（GPIO）引脚以及与开源软件的兼容性，它成为传统PLC在预算有限的爱好者、教育工作者和小型企业中的有前景的替代品。

工业自动化趋势

工业4.0与智能工厂

集成物联网（IoT）、人工智能（AI）和机器学习等先进技术，创建互联且智能的生产系统。实时数据采集与分析，用于预测性维护、流程优化和提高效率。

工业物联网（IIoT）

使用联网设备和传感器监控设备和流程。重点在于实现机器与系统之间的无缝通信，以提高生产力并减少停机时间。

人工智能与机器学习

AI驱动的解决方案用于预测性维护、质量控制和决策。机器学习模型可优化生产线并动态适应变化条件。

协作机器人与先进机器人技术

部署与人类工人协同工作的协作机器人（cobots）。机器人在重复性任务、精密组装和危险操作中的应用日益增多。

边缘计算

在数据源（如传感器和控制器）附近处理数据，以减少延迟并提高决策速度。增强安全性和减少对集中式云系统的依赖。

自动化中的网络安全

强调保护工业网络免受网络威胁。实施诸如加密通信和异常检测等强大安全措施。

PLC的定义

PLC通过接收来自各种来源（如传感器、开关或其他设备）的输入信号来工作。这些信号代表现实世界中的条件，如温度、压力、运动或机械状态。

处理（逻辑执行）：PLC的中央处理单元（CPU）根据预编程的逻辑处理输入数据。逻辑通常使用梯形图、功能块图或结构化文本编程来定义。

根据处理后的逻辑，PLC向执行器、电机、阀门或其他设备发送输出信号以执行特定动作。例如，启动电机、打开阀门或停止传送带。

PLC以循环方式（扫描周期）运行，反复读取输入、处理逻辑和更新输出，确保实时控制。

通信 现代PLC可以连接到网络并与其他控制器或监控系统通信，从而集成到更大的自动化框架中。

PLC的典型应用场景

制造自动化

控制装配线、机械臂和工厂中的机械。协调焊接、包装或质量控制等流程。

流程控制

调节石油和天然气、食品加工和制药等行业中的变量，如温度、压力或流量。

物料处理

管理仓库、机场或港口中的传送带、分拣系统和起重机。

能源管理

自动化发电厂中的系统，如涡轮机控制、电网管理和负荷分配。

建筑自动化

运营商业和住宅建筑中的暖通空调系统、照明和电梯。

水和废水处理

监控和控制处理厂中的泵、阀门和过滤系统。

交通系统

控制铁路信号、交通灯和收费亭。管理地铁或机场系统的无缝运行。

农业自动化

控制灌溉系统、温室和动物喂养系统，以优化农业实践。

使用树莓派作为PLC的优势

成本效益

树莓派比传统PLC便宜得多，是小型企业、初创公司、爱好者和教育项目的理想选择。

可定制性

树莓派的开源特性允许用户创建和定制符合特定需求的自动化系统，与专有PLC系统相比提供了无与伦比的灵活性。

丰富的软件生态系统

与Python、Node-RED和Codesys等多种编程环境兼容。可以使用众多库和工具实现数据记录、物联网连接和机器学习等高级功能。

物联网集成

树莓派可以无缝连接到云平台，实现实时监控、远程控制和预测分析。是实施工业4.0和基于物联网的自动化解决方案的理想选择。

多种输入/输出（IO）选项

配备GPIO引脚以实现基本的IO功能，并可以通过HAT（Hardware Attached on Top）或shield扩展工业级连接。

开源许可

消除对专有软件或硬件的依赖，降低长期成本并提供对系统的完全控制。

所需组件

硬件

树莓派和数字/模拟I/O扩展板

✓ 数字I/O板

提供额外的数字输入和输出引脚。可用于控制继电器、传感器和执行器。例如：PiFace Digital、Automation HAT。

✓ 模拟I/O板

为树莓派添加模拟输入/输出功能，树莓派本身不支持模拟信号。对于读取温度、压力等模拟传感器的数据或控制模拟执行器至关重要。例如：基于ADS1115或MCP3008的ADC/DAC HAT。

✓ 继电器板

启用对高压设备（如电机、灯光或工业机械）的控制。例如：PiRelay、Sainsmart 4通道继电器模块。

✓ 工业I/O板

专为恶劣环境设计，具备光隔离、过压保护和工业信号电平兼容性等功能。例如：Sequent Microsystems Industrial HAT、UniPi Neuron。

✓ 通信协议板

支持Modbus、CAN或RS-485等工业通信协议。例如：PiCAN2、RS485 HAT。

数字和模拟I/O模块

✓ 数字I/O模块

数字I/O模块用于与使用二进制信号（开/关、高/低）运行的设备接口。这些模块扩展了数字输入/输出的数量，并与工业电压电平兼容。

关键特性：

支持TTL（3.3V或5V）、12V和24V信号。

控制继电器、开关、LED和电磁阀等设备。

光隔离以防止电压尖峰。

✓ 模拟I/O模块

模拟I/O模块对于处理传感器测量的温度、湿度或压力等变化值的信号至关重要。

关键特性：

ADC（模数转换器）将模拟输入转换为数字信号。

DAC（数模转换器）生成模拟输出。

常见分辨率：10位、12位或更高，以实现精确读数。

树莓派OS、Codesys和OpenPLC：自动化平台

树莓派OS 概述

- 树莓派OS是树莓派设备推荐的操作系统。

Codesys 概述

- Codesys是一个专业级的PLC编程开发环境，支持IEC 61131-3标准语言，如梯形图（LD）、功能块图（FBD）和结构化文本（ST）。

- 它可以安装在树莓派上，将其转变为工业级PLC。

OpenPLC 概述

- OpenPLC是一个专为PLC编程和自动化设计的开源平台。

- 它支持IEC 61131-3编程语言，是传统PLC软件的经济替代品。

开发环境

使用Python、Node-RED和MQTT为树莓派构建自动化系统，提供了灵活且强大的开发环境。Python是树莓派实现中最有效的语言之一，因其使用高级命令和众多库而广受欢迎。它可以直接控制GPIO引脚以与传感器、执行器和其他设备接口，并具有强大的数据处理能力。RPi.GPIO和gpiozero等库可高效管理硬件，而paho-mqtt等库则与MQTT无缝集成以实现通信。

Node-RED是一种基于流程的开发工具，通过提供可视化编程界面补充了Python。它通过拖放节点简化了自动化工作流程的创建，使用户无需广泛的编码知识即可设计复杂系统。Node-RED支持GPIO控制、HTTP请求和云服务集成，使其成为协调数据流和构建实时监控与控制仪表板的实用工具。

MQTT作为通信的骨干。它是一种轻量级协议，非常适合资源受限的设备（如树莓派）。MQTT采用发布-订阅模型，实现设备间高效且实时的消息传递。这使其成为物联网应用中可靠通信的自然选择。

Python、Node-RED和MQTT共同构成了一个无缝生态系统。Python可以管理硬件交互并执行高级计算，MQTT确保设备或云平台间的数据通信高效进行，而Node-RED则通过可视化工作流管理和实时数据可视化将所有内容整合在一起。例如，在家庭自动化系统中，Python可以从传感器读取温度数据，发布到MQTT代理，Node-RED可以订阅数据，在仪表板上显示并触发诸如开启风扇等操作。

这种环境具有可扩展性和灵活性，适用于简单和复杂的自动化任务。Python提供了高级功能所需的深度，Node-RED增强了易用性和可视化，MQTT实现了无缝通信。无论是用于原型设计、物联网应用还是全规模自动化系统，这种组合都提供了一个强大而集成的解决方案。

软件配置

在树莓派上安装和配置OpenPLC

OpenPLC是一个免费的开源平台，可将树莓派转变为符合IEC 61131-3标准的强大可编程逻辑控制器（PLC）。以下是安装和配置OpenPLC的步骤。

准备树莓派：

1. 硬件要求：

- 树莓派（推荐使用3B、4或更新型号）。

- 至少16GB的SD卡，安装树莓派OS。

2. 更新系统。

3. 安装所需依赖项：安装构建和运行OpenPLC所需的基本软件包：

sudo apt install git build-essential python3-pip apache2 php libmodbus-dev libsnmp-dev -y

安装OpenPLC：

- 克隆OpenPLC仓库：导航到主目录并克隆OpenPLC仓库：

git clone https://github.com/thiagoralves/OpenPLC_v3.gitcd OpenPLC_v3

- 运行安装脚本：OpenPLC提供了一个安装脚本，可自动化设置过程。运行以下命令：

sudo ./install.sh rpi

- 设置权限：安装后，确保OpenPLC运行时具有与GPIO交互所需的权限：

sudo chmod a+rw /dev/mem

配置OpenPLC：

启动OpenPLC运行时：通过运行以下命令启动OpenPLC运行时：

sudo ./start_openplc.sh

这将启动OpenPLC的Web界面和运行时系统。

访问Web界面：在本地网络上的计算机上打开Web浏览器，访问：

http://:8080

登录：默认用户名：openplc，默认密码：openplc。出于安全考虑，建议在Web界面的“设置”选项卡中更改默认凭据。

加载PLC程序：

- 在OpenPLC的Web界面中，转到“程序”选项卡。

- 上传支持格式（如梯形图、功能块图、结构化文本）的PLC程序。

- 编译并部署程序。

可选 - 启用Modbus通信：

激活Modbus服务器：OpenPLC包含一个用于工业通信的Modbus TCP/RTU服务器。在“设置”选项卡中启用它。

测试Modbus：使用modpoll等工具或兼容Modbus的SCADA系统与OpenPLC通信。

故障排除

• Web界面无法访问：确保Apache服务器正在运行：

sudo systemctl restart apache2

• GPIO问题：检查GPIO访问权限，并确保在OpenPLC配置中使用正确的引脚映射。

• 程序错误：在上传前验证PLC程序的语法错误。

限制

× 工业适用性：树莓派缺乏工业级的耐用性和认证，因此在恶劣环境中可靠性较低。

× 有限的GPIO：GPIO引脚的数量可能限制复杂的系统，需要扩展板。

× 实时性能：树莓派的实时能力不如专用PLC强大。

× 软件稳定性：作为开源软件，OpenPLC的功能和支持可能不如商业PLC软件丰富。

结论

树莓派凭借其低成本、灵活性和与开源平台的兼容性，为自动化项目提供了一个令人兴奋的PLC替代方案。虽然它可能无法完全取代恶劣环境中的工业级PLC，但它是原型设计、教育用途以及中小型应用的理想平台。通过利用Python、Node-RED和OpenPLC等工具，用户可以构建与物联网生态系统无缝集成的定制自动化解决方案。随着开源工业自动化的不断发展，树莓派作为可编程控制器的潜力将不断增长，成为爱好者、教育工作者和创新企业的无价工具。

来源：上海晶珩