PiXtend: Leichter Einstieg in die industrielle Steuerungstechnik (SPS)

© Rainer Plendl, 123RF

Angesteuert

Der Raspberry Pi eignet sich dank des GPIO-Ports auch für den Einsatz in der Industrie. Dort stößt er aber schnell an seine Grenzen. Mit dem PiXtend-Board lassen sich bei Bedarf leicht analoge Ein- und Ausgänge oder PWM-Anschlüsse aufrüsten.

Beim PiXtend [1] handelt es sich um ein professionelles Erweiterungsboard für den Raspberry Pi. Es verwendet nicht nur die vorhandenen GPIO-Ports des Mini-Rechners, sondern stellt mithilfe eines zusätzlichen Mikrocontrollers weitere Funktionen bereit, über die der Raspberry Pi von Haus aus nicht verfügt. Dazu zählen etwa analoge Ein- und Ausgänge.

Darüber hinaus gibt es für das PiXtend-Board ein Gehäuse für die Hutschienenmontage. Damit steht dem Einsatz im heimischen Schaltschrank nichts mehr im Wege. Zu guter Letzt umfasst der Lieferumfang eine Software, mit der Sie das PiXtend-Board problemlos als Steuerzentrale für die Hausautomation einsetzen. Daneben es gibt noch weitere nützliche Funktionen des PiXtend zu entdecken.

Hardware

Das PiXtend-Board (Abbildung 1) gibt es in verschiedenen Ausbaustufen, von der Einzelplatine ohne Bauteile bis hin zum komplett bestückten Gerät. Entscheiden Sie sich für den Bausatz, müssen Sie für die Bestückung der Platine großzügig Zeit einplanen, da zahlreiche Bauteile auf dem Board aufgebracht werden müssen. Alle Anschlüsse sind mit einfach zu handhabenden Federkraftklemmen ausgestattet, wodurch man sich bei der Verdrahtung lästiges Schrauben erspart.

Abbildung 1: Das vollständig bestückte PiXtend-Board.

Die digitalen Ein- und Ausgänge zeigen ihren aktuellen Status über LEDs an. Die Relais-Ausgänge schalten bei 230 Volt bis zu 6 Ampere. Das entspricht einer Schaltleistung von 1,3 KW – es gibt also keine Probleme, auch größere Verbraucher zu schalten.

Die Verarbeitung der Platine macht einen grundsoliden Eindruck. Ein Blick in den Schaltplan verstärkt diesen Eindruck. An allen kritischen Stellen finden sich PTC-Sicherungen, die das Board vor Fehlbedienung schützen. Diese Sicherungen bieten den Vorteil, dass sie bei zu hohem Stromfluss thermisch auslösen. Sobald die PTC-Sicherung abgekühlt ist, lässt sie den Strom wieder ungehindert fließen. Fehler beim Verdrahten zerstören also keine Bauelemente. Weiter fallen die an allen Eingängen vorhandenen Tiefpassfilter auf, die verhindern, dass das System Störungen an den Eingängen als Signal interpretiert.

Alle ICs sitzen auf Sockeln. Sollte einmal einer dieser Bausteine Schaden nehmen, lässt er sich ohne großen Aufwand tauschen. Grundsätzlich finden sich auf dem PiXtend-Board nur Komponenten, die sich für den rauen Einsatz in einem Industriebetrieb eignen. Das macht die RasPi-Erweiterung zu einem idealen Hilfsmittel im Bereich der Ausbildung. Das aktuelle PiXtend-Board wurde für die RasPi-Modelle Typ B/B+ und 2B entworfen. Es lohnt sich, als Basis zu einem RasPi der zweiten Generation zu greifen, da nur dieser auch für anspruchsvolle Anwendungen ausreichend Rechenleistung mitbringt.

Das PiXtend akzeptiert eine Betriebsspannung zwischen 12 und 24 Volt. Alle Spannungen, die das Board und der Raspberry Pi benötigen, erzeugt ein Schaltnetzteil, wodurch nur sehr wenig Verlustleistung und damit unnötige Abwärme entsteht. Das PiXtend-Board erfüllt die in der EU gültigen Sicherheitsbestimmungen, wie sein CE-Siegel ausweist.

Möchten Sie das Board in das vorgesehene Gehäuse montieren, sollten Sie darauf achten, vorher alle Jumper zu setzen und auch das Flachbandkabel zum Raspberry Pi zu montieren: Nach dem Verschrauben des Gehäuses erreichen Sie diese Komponenten nicht mehr. Um zu erfahren, welcher Jumper welche Funktion besitzt, lohnt sich ein Blick ins Datenblatt des PiXtend. Im Hardware-Archiv [2] finden sich alle nötigen Pläne, um das Board fachgerecht zu montieren.

Die Tabelle "PiXtend: Die Hardware" gibt einen Überblick über die Hardware-Ausstattung des PiXtend. Für weiterreichende Informationen empfiehlt sich ein Blick in das bereits erwähnte Datenblatt [3].

PiXtend: Die Hardware

Digitale Eingänge

8

Digitale Ausgänge

6

PWM/Servo-Ausgänge

2

Relais-Ausgänge

4

Analoge Spannungseingänge

2

Analoge Stromeingänge

2

Analoge Ausgänge

2

Serielle Schnittstellen

RS232, RS485 und CAN 2.0B

Sonstiges

Real Time Clock (RTC) mit Batterie-Pufferung, Unterstützung von bis zu vier DHT11/DHT22, Temperatur- und Luftfeuchtesensoren, 433-MHz-Transceiver steckbar

Software

Es gibt mehrere Möglichkeiten, das PiXtend-Modul per Software anzusteuern. Eine davon ist die Codesys-Software, mit der sich das PiXtend-Board wie eine handelsübliche SPS programmieren lässt. Das Programm ist dabei kompatibel zum Standard IEC61131-3, den zahlreiche namhafte Hersteller von Industriesteuerungen unterstützen. Ein Blick ins Geräteverzeichnis [4] von Codesys zeigt, dass das System eine sehr weite Verbreitung gefunden hat.

Bei Bedarf erstellen Sie mit der WebVisu-Komponente [5] sehr leicht eine übersichtliche Prozessvisualisierung im Browser (Abbildung 2). Die Codesys-Software gibt es jedoch nur für Anwender mit Windows-Systemen. Andere namhafte Hersteller bieten in der Regel immer eine Linux-Variante ihrer Software an oder haben zumindest eine plattformunabhängige Java-Software im Programm.

Abbildung 2: Das Codesys-Demo in Browser.

Eine weitere Möglichkeit, das PiXtend-Board anzusteuern, bietet der Hersteller mit dem Pxdev-Paket (PiXtend Development) selbst an. Die Software laden Sie entweder aus dem Software-Archiv auf der PiXtend-Homepage [6] oder alternativ von Sourceforge [7] herunter. Etwas versteckt im Abschnitt "App-Notes" findet sich zudem eine Installations- und Bedienungsanleitung der PiXtend Linux Tools [8]. Für all diejenigen, die eine schnelle Internetverbindung und keine Zeit haben, gibt es zudem ein Image für den Raspberry [9], das die Software mit allen nötigen Konfigurationen enthält.

Mit Pxdev erhalten Sie von der Kommandozeile des Raspberry Pi aus Zugriff auf die Ein- und Ausgänge des PiXtend-Boards. Dazu booten Sie den RasPi vom PiXtend-Image und öffnen den Ordner ~/pxdev/pixtendtool. Für erste Erklärungen starten Sie das Tool aus diesem Verzeichnis heraus mit ./pixtendtool -h. Wie bei jedem guten Unix-Werkzeug erhalten Sie auf diesem Weg eine Erklärung, welche Funktionen das Programm bietet.

Für einen ersten Versuch testen Sie mit dem Aufruf von ./pixtendtool -rel 15 die Relaisausgänge. Die zugehörigen LEDs der vier Ausgänge sollten nach dem Ausführen des Kommandos aufleuchten. Wie die ausführliche Hilfe andeutet, kann man auf diese einfache Art und Weise auf alle Komponenten des PiXtend-Boards zugreifen. Die Kommandozeilenbefehle stehen in jeder beliebigen Hochsprache zur Verfügung und bieten so die Möglichkeit, das PiXtend-Board flexibel in eigene Projekte einzubinden.

Im Ordner ~/pxdev/pxauto finden Sie mit dem PiXtend Auto Tool ein kleines Werkzeug (Abbildung 3), mit dem Sie über eine textbasierte Oberfläche bequem Werte setzen oder auch auslesen. Das Programm erweist sich als sehr praktisch, sobald das PiXtend-Board in einem Schaltschrank steckt und Sie die LEDs nicht direkt ablesen können.

Abbildung 3: Die schlichte Oberfläche des Pxauto-Tools.

PiXtend-Schnittstellen

CAN-Bus

Beim CAN-Bus handelt es sich um ein serielles Bussystem, das überwiegend in der Automobilindustrie zum Einsatz kommt. Einer der größten Vorteile des CAN-Busses besteht darin, dass sich mit wenigen Kupferleitungen viele Funktionen im Fahrzeug ansteuern lassen. Das spart Platz, Gewicht und teures Kupfer ein.

RS232 

Die RS232-Schnittstelle ist in der PC-Welt aus der Mode gekommen, in der Industrie oder auch in der Mikrocontrollertechnik kommt sie hingegen noch oft zum Einsatz. Die Schnittstelle übermittelt Signale seriell mittels unterschiedlicher Spannungspegel. In der minimalen Konfiguration genügen drei Leitungen (RXD, TXD und GND), um Daten im Vollduplexmodus in beide Richtungen zu übertragen. Dabei lassen sich Übertragungsraten von 300 bis 115 200 Baud erzielen, wobei die Geschwindigkeit mit der Leitungslänge stark abnimmt.

RS485 

Die RS485-Schnittstelle beschreibt lediglich die elektrischen Eigenschaften einer seriellen Datenübertragung, definiert aber weder Geschwindigkeiten noch Übertragungsprotokolle. Dahinter steht der Grundgedanke, eine störungsfreie Übertragung der Informationen zu erreichen. Dazu überträgt RS485 ein Signal gleichzeitig invertiert und nicht invertiert. Dies macht die Verbindung erheblich weniger anfällig für Störungen und erlaubt höhere Datenraten. RS485-Treiber kommen oft zum Einsatz, um die Übertragungsgeschwindigkeit und Reichweite von RS232-Schnittstellen zu erhöhen. Aber auch andere Protokolle (etwa Differential-SCSI) oder Bussysteme mit bis zu 32 Teilnehmern lassen sich mit RS485 aufbauen.

I2

Der serielle Datenbus I2C wurde für die Kommunikation über kürzeste Distanzen (innerhalb von Platinen oder Geräten) entwickelt. Die Datenübertragung erfolgt synchron über zwei Leitungen, die Datenleitung SDA und die Taktleitung SCL. Pullup-Widerstände ziehen beide Leitungen auf ein positives Potenzial. Die Kommunikation initiiert stets der Busmaster. Der Bus verfügt über einen Adressbereich von 7 Bit, das entspricht 128 Teilnehmern. 16 Adressen reserviert das System allerdings für sich, somit bleiben netto 112 freie Adressen. Der Bus überträgt Daten byte- oder wortweise und erreicht Geschwindigkeiten zwischen 100 kbit/s bidirektional ("Standard Mode") und 5 Mbit/s unidirektional ("Ultra Fast Mode").

PWM 

Bei der Pulsweitenmodulation erzeugt das System ein Rechtecksignal mit konstanter Frequenz und variiert nur das Verhältnis zwischen Puls- und Pausenzeiten. Somit lässt sich mit diesem Verfahren genau einstellen, welche Leistung an einem Verbraucher ankommt. Moderne Schaltnetzteile verwenden ein zu PWM ähnliches Verfahren und kommen so auf einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent. Ein Tiefpassfilter sorgt dabei oft für eine saubere Gleichspannung am Ausgang der PWM-Stufe. Das PWM-Verfahren kommt auch oft bei Servomotoren zum Einsatz. Dort entspricht das Verhältnis zwischen Puls und Pause dem Winkel, den der Servo annimmt.

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