Erschienen am: 10.08.2016, Ausgabe SPS-MAGAZIN 8 2016

Raspberry Pi + Arduino + I2C = Automatisierungslösung?

Kostengünstige und einfache Automatisierungssteuerung

Auf der Basis von Arduino und Raspberry Pi hat der Lehrstuhl für Strömungsmechanik der Universität Erlangen-Nürnberg ein Automatisierungssystem entwickelt, das die flexiblen Anforderungen der Test- und Pilotanwendungen erfüllt. Der folgende Bericht beschreibt das System.

Autor: Liam Pettigrew, Rolf Zech, Prof. Dr.-Ing. habil. Antonio Delgado


Gestaltung des Labormaßstab-System. Eine optionale Erweiterung ist für zukünftige Erweiterungsmöglichkeiten dargestellt. Mehrere Systeme können über die Ethernet-Schnittstelle angeschlossen werden. Serial-USB-Verbindung mit PC statt Raspberry Pi ist möglich. Die Prozessgeräte sind nur Beispiele.
Bild: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg

Der Lehrstuhl für Strömungsmechanik (LSTM) der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg suchte nach einer kostengünstigen und leicht verständlichen Lösung für die Automatisierung von Laborprozessen. Es wurde daher auf freie Hardware und vor allem freie Software (auch Open Source genannt) zurückgegriffen. Diese offenen Systeme werden seit mehreren Jahren meist von Entwicklern oder Bastlern benutzt und sind nicht mit größeren industriellen Steuerungen zu vergleichen. Die freie Hardware bietet auch meist nur eine begrenzte Zahl von digitalen/analogen Ein- und Ausgängen, und ist somit nur als Kleinsteuerung anzusehen. Ein alternatives System mit dieser freien Hardware ohne diese begrenzten Einschränkungen wurde von LSTM-Mitarbeitern entwickelt und gebaut. Das System ist durch seinen Aufbau modular, flexibel, erweiterbar, kostengünstig und vor allem leicht zu programmieren. Als Controller-Hardware wurden die Arduino-Produkte ausgewählt.

Industrienahe Forschung

An Universitäten und in Labors kommt es häufig vor, dass Studierende und Wissenschaftler in neuen Forschungsprojekten unter Einhaltung von Fristen die Prozesse automatisieren müssen. Diese Personen sind Spezialisten in ihren besonderen Fachgebieten, aber haben wenig oder keine Erfahrung mit professioneller SPS-Hard- und Software. Es ist daher oft schwierig für die Studierenden, sich in die komplizierte Gerätetechnik und Software-Anwendung einzuarbeiten. Bei kleineren Projekten stellt sich auch die Frage, ob es sich lohnt, eine professionelle Automatisierung einzusetzen. Industriepartner wollen Forschungsergebnisse, die anwendungsorientiert und industriekompatibel sind sowie ein Höchstmaß an Messgenauigkeit bereitstellen, und eine zeitgemäße Ablaufsteuerung, die alles verwaltet.

Schnell, einfach und günstig

Prozessautomatisierung für Forschung mit Industriepartnern muss schnell implementierbar sein. Dadurch kann sich dann der Studierende bzw. Wissenschaftler auf seine Forschung bzw. den Prozess im Detail konzentrieren. Eine leicht zu lernende Programmiersprache, die auch in anderen Anwendungsbereichen benutzt wird, ist hierfür die Voraussetzung. Durch umfangreiche Libraries und Beispiele wird der Einstieg in die Prozessautomatisierung für Anwender vereinfacht. Die Methoden der Datenerfassung und Systemsteuerung sollten mit üblicher Software kompatibel sein, damit der Benutzer keine neue Software erlernen muss. Herausforderungen sind vor allem bei kleineren Projekten die Finanzierung, Zeitvorgaben sowie die Steuerungstechnik, wenn das Forschungsprojekt nicht von Anfang an auf Automatisierung fokussiert wurde. Die Lösung für das Projekt mit SPS-Unterstützung sollte daher kostengünstig, lizenzfrei und programmverständlich sein.

Freier Informationsfluss

Obwohl kommerzielle Lösungen im (Klein-) SPS-Bereich existieren, (Beispiel: Siemens Logo, Rockwell Micro Logix oder Eaton easy usw.) sind diese Systeme firmeneigen und geschützt. Flexible Lösungen, wie sie in der Forschung oft vorkommen, aber in der Industrie nicht typisch sind, brauchen Umgehungs- und Variationsmöglichkeiten. Probleme, die oft bei Forschungsaufgaben auftreten, können durch Open-Source-Software als Informationszugang einer großen Gemeinde im Internet ausgetauscht werden und somit als Ansatz zu einer Lösung dienen.

Arduino und Raspberry Pi

Der Arduino ist ein Low Cost Mikrocontroller Board. Es wurde 2005 ursprünglich als Lehrmittel für Studierende an der Interaction Design Institute Ivrea entwickelt. Der Arduino hat sich zu einem der beliebtesten 'do-it-yourself'-Bausteine entwickelt. Über 700.000 offizielle Boards sind im Jahr 2013 registriert worden. Der Raspberry Pi ist ein kostengünstiger Single Board Computer im Scheckkartenformat, der in Großbritannien von der Raspberry Pi Foundation im Jahre 2009 entwickelt wurde, um das Studium der Informatik in den Schulen zu fördern. Über 5Mio. Raspberry Pis sind in drei Jahren verkauft worden und somit ist er der am häufigsten verkaufte britische Computer. Die Stärke dieser beiden Baugruppen ist die gute Kombination von Elektronik und Software zusammen mit Open Source, das heißt frei verfügbarer Quellcode und integrierte Entwicklungsumgebung zum kostenlosen Schreiben der Software. Andere derivate Baugruppen von z.B. Texas Instruments, Infineon usw. sind ähnlich aufgebaut und genauso zu betrachten.

Module für Steuerung

Die SPS-Entwicklung von Mitarbeitern am Lehrstuhl für Strömungsmechanik besteht aus einzelnen Modulen, die über einen I²C-Bus miteinander verbunden sind. Als Steuermodul wird der Arduino eingesetzt. Die weiteren Module sind Interface-Schaltungen mit digitalen oder analogen Ein-/Ausgängen, sowie auch Messverstärker für die Sensortechnik. Diese Module werden mit Adressierung angesteuert und so können z.B. acht Digital-Ausgangsmodule mit je acht Schaltkanälen (teilweise 16 Kanäle) bis zu 128 Kanäle schalten. Die Module besitzen einen I²C-Bus-Controller mit Schaltverstärker, der Relais, Schütze und kleinere Lasten bis ca. 100mA je Kanal direkt ansteuern kann. Durch die High-Side-Schaltstufen wird die übliche Verdrahtungstechnik 'Relais an Masse' beibehalten. Bei den Analogmodulen können ebenso durch Adressierung jeweils bis zu 64 Kanäle bearbeitet werden. Wird ein anderer Typ des I²C-Bus-Controllers verwendet, so besteht eine weitere Erhöhung der Aus- oder Eingänge um weitere 64 bzw. 128 Kanäle. Mit Multiplexer und Bus-Driver kann die Busstruktur noch ausgebaut und erweitert werden. Wie aus den Bildern ersichtlich ist, sind die Module als Hutschienengehäuse mit Steckklemmen ausgeführt. Die Gehäusebreite je Modul beträgt 22,5mm. Auch die Versorgungsspannung ist mit 12 bis 30V (typisch: 24VDC) schaltschrankgerecht. Die Programmierung bzw. Verbindung des Controllers mit einem PC ist frontseitig über USB möglich. Der Raspberry Pi kann als Servermodul im Schaltschrank eingebaut werden. Der Server verwendet eine benutzerdefinierte Java-Software. Diese sendet Befehle aus und fasst alle Informationen von den verteilten Arduino-Modulen zusammen.

Offene SPS ohne Grenzen

Durch die vielfältige Adressierung der einzelnen Module sind genügend Kanäle verfügbar. Die Modultechnik lässt eine flexible Gestaltung der SPS zu, das heißt die SPS könnte z.B. nur aus Analog- oder Digitalmodulen bestehen. Der I²C-Bus ist in den 80er-Jahren durch die Firma Philips in der Fernsehtechnik eingeführt worden und hat sich bis heute z.B. bei den Chipkarten-Lesegeräten, Haushaltsgeräten, oder Blinklichtsteuerungen in der Automobilindustrie bewährt. Bei der I²C-Technik ist nur der Datentransfer begrenzt und die Buskapazität (kapazitive Last) als kritisch anzusehen, was aber durch geeignete Bausteine und Schaltungen kompensiert werden kann. Die neueste Generation Arduino haben einen 32bit Mikrocontroller, größeren Speicher und eine höhere Taktfrequenz, was für komplexere Projekte nützlich ist.