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.
