Controllo di una ventola industriale con Arduino Portenta Machine Control

La scheda Arduino Portenta Machine Control è un'unità di controllo industriale completamente centralizzata e a basso consumo, ideale per applicazioni di Intelligenza Artificiale e automazione industriale. In questo articolo, andremo a descrivere le caratteristiche tecniche della scheda e ad esibire le sue potenzialità attraverso un piccolo progetto di controllo industriale facente uso di sensori remoti e protocollo MQTT.

Introduzione

Portenta Machine Control (PMC) è un'aggiunta alla famiglia di prodotti basati su Portenta H7, il modulo Arduino Pro che presenta un microcontrollore a 32 bit STM32H747XI con doppio processore Arm Cortex-M7+M4 a basso consumo. Con tensione nominale di 24 V, Portenta Machine Control dispone di numerosi protocolli di I/O e di comunicazione con specifiche industriali, tra cui Ethernet, WiFi/BLE, CAN Bus, RS232, RS422, RS485 e un clock in tempo reale. Ha 16 MB di memoria flash e 8 MB di SDRAM. PMC è in realtà una scheda di espansione per il modulo Portenta H7 incluso nella scheda e montato sul retro (Figura 1). Il connettore di programmazione da USB a seriale e il connettore dell'antenna SMA sono portati nella parte anteriore della scheda e il PCB viene fornito in un involucro che misura 170 mm x 90 mm x 50 mm di altezza adatto per il montaggio su guida DIN.

Figura 1: Elementi del Portenta Machine Control

Portenta Machine Control può essere programmato utilizzando il framework Arduino o altre piattaforme di sviluppo integrate.

Di seguito, vengono riportate le principali caratteristiche tecniche della scheda.

Microcontrollore STM32H747XI dual Cortex
- core Arm Cortex-M7 fino a 480 MHz + core Arm 32-bit Cortex-M4 fino a 240 MHz
- 2 MB di memoria Flash
- 1 MB di RAM
Memoria sulla scheda
- 8 MB SDRAM
- 16 MB memoria Flash
Elemento di sicurezza NXP SE050
Alimentazione
- Tensione d'ingresso: 24 V CC +/- 20%
- Tensione d'uscita: 24 V CC
- Protezione da inversione di polarità
8x canali digitali di ingresso
- ingresso 0-24 V CC
8x canali digitali di uscita
3x canali analogici di ingresso
- Ogni canale è configurabile via software
4x canali analogici di uscita
12x canali digitali programmabili
3x canali di temperatura
2x canali encoder ABZ
CAN ad alta velocità
RS-232/RS-422/RS-48 configurabili via software
I2C, Ethernet
Connettore USB-A a piena velocità
Connettore micro-USB Type B a mezza velocità
RTC
Wi-Fi/BLE
- Connettore SMA 50 Ω

Casi d'uso

Grazie alla sua potenza di calcolo, Portenta Machine Control consente un'ampia gamma di casi d'uso nei campi della manutenzione predittiva e dell'Intelligenza Artificiale. Consente la raccolta di dati in tempo reale dalla fabbrica, supportando al tempo stesso il controllo remoto delle apparecchiature, anche dal cloud.

I principali vantaggi includono:

Prestazioni industriali sfruttando la potenza delle schede Arduino Portenta
Custodia compatibile con guida DIN
Terminali push-in per una connessione rapida
Dimensioni compatte (170 x 90 x 50 mm)
Design affidabile, funzionante a temperature industriali (da -40 °C a +85 °C) con architettura dual-core e senza raffreddamento esterno
RTC (clock in tempo reale) incorporato, per una perfetta sincronizzazione dei processi
Sfrutta la connettività integrata senza alcuna apparecchiatura esterna
Time-to-market più breve
Miglioramento dei prodotti esistenti
Connettività per il monitoraggio e il controllo
Ogni pin I/O può essere configurato e quindi adattato alle proprie esigenze
Le apparecchiature possono essere rese più intelligenti e pronte per l'Intelligenza Artificiale
Fornisce sicurezza e robustezza da zero
Apre nuove opportunità di modelli di business
Interazione con le apparecchiature grazie alle avanzate interfacce uomo-macchina (HMI)
Design modulare per adattamenti, espansioni e aggiornamenti
Certificazione CE, FCC e RoHs

Portenta Machine Control consente alle aziende di abilitare nuovi modelli di business-as-a-service. È possibile monitorare l'utilizzo delle apparecchiature da parte dei clienti per la manutenzione predittiva raccogliendo al contempo preziosi dati di produzione.

Il dispositivo abilita lo standard industriale di controllo soft-PLC. Per questo motivo, è in grado di connettersi a una gamma di sensori e attuatori esterni. Ad esempio, sono disponibili tutte le seguenti opzioni.

I/O digitali isolati, I/O analogici compatibili con 4-20 mA
Tre canali di temperatura configurabili
Connettore I2C dedicato

Sono disponibili molteplici scelte per la connettività di rete, tra cui USB, Ethernet, WiFi e BLE. Inoltre, offre un'impressionante compatibilità attraverso protocolli specifici del settore come RS485. Tutti gli I/O sono protetti da fusibili ripristinabili, ma la gestione dell'alimentazione integrata garantisce la massima affidabilità in ambienti difficili. Il core della Portenta Machine Control è una scheda microcontrollore Arduino Portenta H7. Si tratta di un design altamente affidabile che funziona a intervalli di temperatura industriali (da -40 °C a +85 °C). Innanzitutto, vanta un'architettura dual-core che non richiede alcun raffreddamento esterno. In secondo luogo, grazie a questo versatile processore è possibile collegare anche interfacce uomo-macchina esterne. Queste includono display, pannelli touch, tastiere, joystick e mouse per consentire la configurazione in loco delle macchine a stati e la manipolazione diretta dei processi. Il design di Portenta Machine Control è adatto ad un’ampia varietà di casi d’uso. È possibile configurare una selezione dei pin I/O nel software. Per questo, si distingue come un potente computer per unificare e ottimizzare la produzione dove un unico tipo di hardware può soddisfare tutte le esigenze. Portenta Machine Control può essere utilizzato in molteplici settori, in un'ampia gamma di tipi di macchine. Ad esempio, etichettatrici, macchine formatrici e sigillatrici, astucciatrici, incollatrici, forni elettrici, lavatrici e asciugatrici industriali, miscelatori e altro ancora.

Progetto

In questo progetto viene utilizzata la scheda PMC connessa a dei sensori remoti di CO2 mediante protocollo MQTT su connessione WiFi per controllare una ventola industriale da 24 V in continua. Lo sviluppo del firmware in C/C++ utilizzando l'IDE Arduino 2.0 dà accesso a un gran numero di librerie Open Source esistenti. Grazie al modulo WiFi integrato risulta semplice connettere la scheda PMC ad un server MQTT remoto sulla LAN che pubblica dati ambientali locali in formato JSON. Il firmware PMC gestisce la connessione WiFi e il client MQTT ed estrae le letture di CO2 dal payload del messaggio. I livelli di CO2 sono mappati su uno dei canali di uscita analogici del PMC collegato a un controller per ventole industriali, che pilota un segnale PWM in ingresso alla ventola stessa.

Il circuito

Il circuito, riportato in Figura 2, è costituito da componenti con specifiche industriali montati su guida DIN standard da 32 mm. La scheda PMC viene fornita in un alloggiamento per guida DIN, ma dispone anche di 4 fori di montaggio nel PCB se si desidera montarlo direttamente tramite distanziatori. Il controller della ventola e la ventola sono accoppiati utilizzando morsettiere per guida DIN e cavi di collegamento da 18 AWG per l'alimentazione e 22 AWG per i segnali.

Figura 2: Connessione tra le componenti del circuito

Tutte le morsettiere PMC sono del tipo a innesto in grado di collegare in modo sicuro cavi di dimensioni fino a 18 AWG. L'unità PMC è alimentata dalla linea a 24 V in continua. Il canale di uscita analogico A0 è collegato all'ingresso analogico (P) del controller della ventola. Tutte le masse (GND, GND) sono collegate alla linea comune GND. L'unità di controllo della ventola è alimentata dalla linea a 24 V (R) e riceve un segnale di controllo (P) tra 0 e 10 V dal canale di uscita analogica (A0) del PMC. Tutte le masse (B, Q) sono collegate alla linea comune GND. La ventola si collega direttamente alla linea da 24 V (R) e alla terra comune (B). Richiede un segnale di controllo PWM Open Collector (Y) dal controller della ventola. C'è anche un'uscita tachimetrica PWM Open Collector (W) che può essere utilizzata per rilevare la velocità della ventola, ma in questa applicazione viene lasciata non collegata.

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