Jste zde

Iono Pi Max - řídicí jednotka s velkých počtem I/O

Mezi další řídicí jednotku pro průmyslové použití postavenou na Raspberry Pi Compute Module 3+ patří i Iono Pi Max. Mimo Raspberry Pi obsahuje i hardware využívající různé další přidané čipy, jako MCU pro řízení I/O, watchdog, RTCC, CAN, RS-232/RS-485 apod. Softwarová podpora zahrnuje vlastní kernel pro Linux.

Výrobce označuje Iono Pi Max jako "all-in-one solution for industrial control with a Raspberry Pi core", tedy extrémně všestranný průmyslový server s montáží na DIN do rozvaděče či skříně, který poskytuje širokou škálou vstupních / výstupních linek a standardními komunikačními rozhraními založenými založený na výpočetním modulu Raspberry Pi.

Řídicí / výpočetní jádro

Konkrétně lze jednotku Iono Pi Max objednat s již integrovaným Raspberry Pi Compute Module 3+ modulem v provedení Lite (bez eMMC paměti) či s eMMC pamětí (diskem) 8GB, 16GB či 32GB. Navíc je jednotka vybavena hned 2 microSD sloty, kde jeden může obsahovat kartu s operačním systémem (jako klasické Raspberry Pi) a druhý pak mít kartu jen čistě pro záznam dat a souborů. Protože však úloha jednotlivých slotů není pevně definována, bylo by možné použít druhý slot i jako záložní kartu s OS pro případ poškození operačního systému na první kartě. Což se v některých průmyslových aplikacích může velmi hodit.

Z pohledu řídícího / výpočetního výkonu tedy obsahuje v rámci Raspberry Pi modulu CPU 64bitový čtyřjádrový processor Broadcom® BCM 2837 1,2 GHz s RAM pamětí 1 GB. Raspberry PI modul však není na všechno sám, protože pokud se podíváte do schéma zapojení jednotky, které výrobce dává k dispozici, tak je z něho vidět, že přímé řízení většiny připojovacích a komunikační rozhraní zajišťuje 32bit. MCU ATSAME54P20A s 1 MB EEPROM programové paměti a 256 kB RAM datové paměti napojené na Raspberry Pi modul přes I2C sběrnici. Proto výrobce nabízí svůj "Iono Pi Max kernel module", který se stahuje z GitHubu a následně instaluje do nabootovaného Linux OS Raspberry Pi. Výrobce ve svém pdf manuálu k jednotce dává přesný popis "krok za krokem", jak instalaci provést. Podle toho to tedy zvládne i hůře se v Linuxu orientující uživatel. Podobně je pak nutné nainstalovat do Linuxu podporu CAN komunikace, opět postup podrobně popsaný v manuálu. Pak se již hodnoty stavů všech dále popisovaných vstupů a výstupů ukládají do vlastních souborů v adresáři "/sys/class/ionopimax/" (pro IO) a "/dev/ttyXXX" (pro sběrnice), kde je lze číst snadno číst či zapisovat např. prostřednictvím Python aplikace jako soubory (v manuálu výrobce jsou opět konkrétní příklady Python kódů, jak na to).

Jinak samozřejmě z pohledu podpory různých softwarů 3 stran pak na jednotce rozběhnete cokoliv, co je schopné na Raspberry Pi 3+ běžet. Takže v tomto směru nejsou žádné omezení a může využít například služeb průmyslových programovacích jazyků IEC 61131 v rámci softwaru a runtime aplikace CoDeSys, využít IoT systému NodeRed, webserveru Node.js či programovacích jazyků C/C++ nebo Python podle potřeby a možností programátora a aplikací.

Nebo lze pro komunikaci se periferiemi nainstalovat programovací uživatelsky přívětivé softwary FHEM (Freundliche Hausautomation und Energie-Messung), openHAB (open Home Automation Bus) nebo Mosquitto.

Připojovací rozhraní / konektory

Proti mnoha různým konkurentům je v tomto případě kladen až extrémní důraz na konektivitu, tedy osazení již základního modulu neobyčejně širokým portfoliem vstupů / výstupů, jak digitálních i analogových, tak i různými komunikačními rozhraními. A ne jen tzv. podporou, ale přímo je modul osazen potřebnými hardwarovými čipy realizující oddělené vysílače i přijímače a vyvedení na příslušné svorky pro snadné přímé napojení komunikačních vodičů. V případě průmyslových sběrnic a IO signálů k tomu slouží vyjímatelné šroubovací konektory. Ten široký sortiment je dán již výše zmíněným využitím MCU, které je uvnitř modulu na DPS integrováno. Analogové vstupy pak zajišťuje 24bit. ADC čip AD4112.

Konkrétně jsou v modulu implementovány následující připojovací rozhraní:

  • 1x port RJ-45 10/100 Ethernet
  • 2x externí porty USB 2.0 A s řízením výkonu a detekcí chyby
  • 1x interní USB 2.0 A port pod krytem pro různé USB dongle
  • 1x standardní RS-232
  • 1x standardní RS-485 s optickým galvanickým oddělení a ochranou proti elektrostatickému výboji
  • 1x CAN V2.0B a CAN-FD (až 8 Mb/s) s optickým galvanickým oddělení a ochranou proti elektrostatickému výboji
  • 1x konektor I2C expansion bus (5V úroveň, chráněný)
  • 4x reléové výkonové výstupy NO/NC,  250VAC/6A
  • 4x tranzistorové výstupy (s otevřeným kolektorem)
  • 2x analogové výstupy 0-10 V / 0-20 mA
  • 4x analogové napěťové vstupy 0-20 V
  • 4x analogové vstupy proudové smyčky 0-20 mA
  • 2x vstup pro teplotní senzory Pt100 / Pt1000
  • 4x digitální dvoustavové vstupy s napětím až 30 V
  • 4x digitální dvoustavové vstupy/výstupy 5V s podporou 1-Wire / Wiegand (přímé IO na Raspberry Pi)

Rozměry a popis vstupů a výstupů řídicí jednotky Iono Pi Max.

Iono PI Max se skládá mimo Raspberry Pi modulu ze dvou elektronických desek.

Integrované UPS napájení

Velmi masivně dimenzovaný interní napájecí zdroj s neobvykle širokým vstupním napájecím rozsahem +10 až +50 VDC poskytuje nejen vyvedený +5VDC plně stabilizovaný a i softwarově ovládaný výstup pro napájení senzorů, ale i přímé regulované výstupy pro nabíjení externí 12V či 24V baterie a tedy kompletní realizaci UPS zálohovacího zdroje řízená integrovaným obvodem SN74LVC1G123.

Jednotka Iono Pi Max tak bez dalších externích řídících komponent (mimo uvedené aku baterie) může pracovat trvale i při krátkodobém i středně dobrém výpadku hlavního napájení. A to je zajímavá funkce hlavně pro jakoukoliv automatizaci budov či domů, protože nikdo nechce kompletní výpadek regulačních funkcí při výpadku silového napájení objektu. Dle informací výrobce je vnitřní zdroj velmi silně dimenzován z pohledu potlačení externího rušení, podpětí a přepětí, které se často vyskytují v průmyslu z důvodu rušení od různých frekvenčních měničů a náběhu a vypínání výkonných spínaných zdrojů. Tyto řešení by mělo umožnit spolehlivou funkci i v průmyslových aplikacích.

Integrované LED, tlačítka a další

Každá správná průmyslová jednotka pak musí mít implementované i funkce, které podporují průmyslový požadavek na přesnost a spolehlivost funkce. Velmi důležitou funkcí je Watchdog, který hlídá správný běh softwaru, zaseknutí či zacyklení jeho vykonávání. Proto má Iono Pi Max má implementovaný samostatný hardwarový watchdog SN74LVC1G123 umístění na desce jednotky mimo samotný Raspberry Pi Compute Module, na kterém je plně nezávislý a ovládá jeho hardwarový resetovací vstup. Stejně tak tento watchdog může řídit přepínání microSD slotů a tak například přehodit bootování OS z jedné karty na druhou.

Pro zabezpečení přístupu do paměti slouží embedded secure element chip Microchip ATECC608A a pro přesné časovací procesy slouží integrovaný hardwarový obvod reálných hodin RTCC MCP79410 (Real Time ClockCalendar) zálohovaný lithiovou baterií CR12020. Přepokládaná doba zálohování času je 2 roky bez připojení externiho napájení jednotky.

Pro vnější snadnou indikaci stavu a funkce jednotky i jejího programu slouží integrované RGB LED diody, které indikují přítomnost napájení a aktivitu sériových linek, a také piezoakustický prvek akustickou indikaci. K dispozici je i externí tlačítko připojení na GPIO pin Raspberry Pi modulu. Pro kontrolu vnitřní teploty jsou integrovány dva teplotní senzory LM75ADP.

Rozšiřující moduly a prostředky

Jednotka Iono Pi Max sama osobě nemá vyvedenou specializovanou rozšiřující sběrnici pro přímé napojení svých rozšiřujících modulů vstupů a výstupů. Nicméně lze samozřejmě využít různých vzdálených Remote modulů dalších výrobců podporující ethernetovou, sériovou RS-485 či CAN komunikaci.

Takže další rozšíření není v tomto směru problém a například lze tedy připojit libovolné modul podporující průmyslovou komunikaci Modbus-TCP či například řídit frekvenční měniče přes CAN.

Odkazy:

Hodnocení článku: