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Aus Raspberry Pi Geek 04/2020

Pixtend-eIO-Erweiterung steuert Fischertechnik-Kugelbahn

© seventysix, 123RF

Kugelkarussell

Martin Mohr

Die Erweiterungsmodule der Pixtend-eIO-Reihe erlauben das komfortable Ansteuern über Python. In Verbindung mit einem pneumatischen Antrieb lädt es eine Kugelbahn vollautomatisch nach.

Das Erweiterungsmodul Pixtend eIO gibt es in zwei Ausführungen: als Digitalmodul mit je 8 digitalen Ein- und Ausgängen sowie als Analogmodul mit 8 analogen Ein- und 6 analogen Ausgängen. Je vier der analogen Anschlüsse arbeiteten mit Spannungswerten von 0 bis 10 Volt. Die restlichen Anschlüsse verarbeiten Ströme von 0 bis 20 mA. Sensoren verwenden oft diese Schnittstelle, um ihre Messwerte zu übertragen. Ein RS-485-Anschluss steuert die eIO-Module an. Dabei handelt es sich um einen seriellen Datenbus, der oft bei industriellen Steuerungen zum Einsatz kommt. Details darüber verrät der Kasten “RS-485-Bus”.

Als Kommunikationsprotokoll verwendet das Modul entweder das Modbus RTU oder ein geräteeigenes ASCII-Protokoll. Eine genaue Beschreibung von Modbus RTU liefert der Kasten “Modbus RTU”.

RS-485-Bus

RS-485 (heute: EIA-485) definiert einen asynchronen, seriellen Datenbus, über den sich Informationen mit unterschiedlichen Protokollen übertragen lassen. Der Standard beschreibt dabei lediglich, wie die Daten elektrisch übertragen werden sollen. Er erlaubt dafür den Einsatz unterschiedlicher Protokolle. Bei EIA-485 laufen die Daten als differenzielles Signal über zwei Leitungen (A und B). Fällt die Spannungsdifferenz zwischen den Leitungen positiv aus, hat das übertragene Bit den Wert 1, andernfalls den Wert 0. Die Spannungen dürfen in einem Bereich von ±1,5 Volt bis ±6 Volt liegen.

Die differenzielle Datenübertragung kommt deswegen zum Einsatz, weil sie wenig anfällig für Störungen von außen ist. Bei einer Datenrate von 9600 Bit/s lassen sich Distanzen von bis zu 1,2 Kilometern überbrücken. Bei kürzeren Distanzen erlaubt es der Bus, die Datenrate zu erhöhen, über 12 Meter beispielsweise auf bis zu 10 Mbit/s. Laut Standard arbeitet der RS-485-Bus mit bis zu 32 Teilnehmern. Dieses Limit lässt sich auf bis zu 256 Teilnehmer erhöhen, indem man die Bustreiber anpasst oder den Bus in unterschiedliche Segmente aufteilt. Der Bus erfordert eine Terminierung mit Abschlusswiderständen an beiden Enden.

Modbus RTU

Bei Modbus handelt es sich um ein Protokoll, das nach dem Master-Slave-Prinzip arbeitet und das häufig in der Automationstechnik zum Einsatz kommt. Es gibt einen Busmaster, der es erlaubt, bis zu 246 Slaves anzusteuern. Es stehen die Adressen 1 bis 247 bereit; die 0 dient als Broadcast-Adresse, deren Daten alle empfangen. CRC-Checksummen gewährleisten die Konsistenz der einzelnen Datenpakete. Die internen Register der Slaves nehmen unterschiedliche Funktionen wahr, einen Überblick darüber zeigt die Tabelle “Modbus-RTU-Register”.

Es gibt drei Ausprägungen des Modbus Protokolls: Modbus RTU definiert binäre Übertragungen via RS-485 (EIA-485). Modbus ASCII setzt dagegen auf eine Klartextübertragung via RS-485 (EIA-485). Das ist weniger effizient als eine binäre Übertragung, lässt sich dafür aber von Menschen lesen. Die Kommandos kann man dadurch auch über ein einfaches Terminal versenden. Modbus TCP: Überträgt die Kommandos per TCP/IP, meist via Ethernet. Die meisten Geräte verwenden das Modbus-RTU-Protokoll über RS-485.

Beschreibung

Bezeichnung

Modus

Bits

Einzelner Ein-/Ausgang

Coil

Lesen/Schreiben

1

Einzelner Eingang

Discrete Input

Lesen

1

(Analoge) Eingänge

Input Register

Lesen

16

(Analoge) Ein-/Ausgänge

Holding Register

Lesen/Schreiben

16

Das Pixtend eIO lässt sich mit jeder Programmiersprache ansteuern, die es erlaubt, auf die seriellen Schnittstellen eines Rechners zuzugreifen. Bequemer gestaltet sich das Programmieren, wenn die Sprache auch eine Bibliothek für den Zugriff auf Modbus mitbringt. Auf der Homepage des Produkts stehen Beispielprogramme für die Sprachen CODESYS V3.5, C, C#, Java, Python und Node-RED zum Herunterladen bereit [1].

Jedes der beiden eIO-Module gibt es in zwei Varianten, einer Basisausführung ohne Gehäuse sowie einer Pro-Version mit Edelstahlhaube und Hutschienengehäuse [2]. Die Preise für die digitalen Versionen liegen bei 104 und 139 Euro, die analogen Varianten kosten 229 und 284 Euro.

Das Unternehmen liefert die eIO-Module vollständig getestet aus, sie lassen sich entsprechend direkt verwenden. Der Hersteller entwickelt und produziert die Module in Deutschland. Neben dem Einbau in Maschinen, Anlagen und Geräten kommen als mögliche Einsatzgebiete Automation, Smart Home, Ausbildung, IoT und Industrie 4.0 infrage.

Die Basiseinstellungen der Module nehmen Sie über DIP-Schalter von außen vor. Ab Werk stehen die digitalen Eingänge auf 24 Volt. Offene Fragen zu den Pixtend eIO-Modulen klärt die Dokumentation, die alle Funktionen der Module sehr ausführlich und verständlich darstellt. Dabei gibt es je ein Handbuch für Hardware [3] und Software [4].

RS-485-Setup

Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Raspberry Pi mit einer RS-485-Schnittstelle auszustatten. Die bei Weitem einfachste führt über den Pixtend-USB-Dongle [5], den der RasPi direkt nach dem Einstecken automatisch erkennt. Mit dem Kommando lsusb überprüfen Sie die korrekte Funktionsweise. Es muss dann ein Gerät mit dem Namen “Future Technology Devices International, Ltd FT232 USB-Serial (UART) IC” in der Geräteliste erscheinen. Verwenden Sie einen Dongle eines anderen Herstellers, meldet der sich unter einem anderen Namen.

Testaufbau

Abbildung 1 zeigt die Fischertechnik-Kugelbahn, die als Testaufbau dient. Zwei Pneumatikzylinder drücken die Kugeln in einer senkrechten Bahn nach oben. Der erste drückt die Kugeln hoch, wo sie der zweite festhält. Zylinder 1 fährt wieder herunter, eine neue Kugel rollt in den Mechanismus. Zylinder 2 gibt die Kugeln frei, und Zylinder 1 beginnt wieder, sie nach oben zu schieben. Sobald die senkrechte Bahn voll ist, kommen die Kugeln oben heraus und rollen die Bahn herunter. Zylinder 3 schiebt jede zweite Kugel auf eine andere Strecke. Ein Youtube-Video zeigt den technischen Aufbau [6].

Zum Ansteuern der Pneumatikzylinder kommen 24-Volt-Magnetventile zum Einsatz, die es günstig bei chinesischen Händlern zu kaufen gibt [7]. Von dort stammt auch der hier verwendete 24-Volt-Kompressor [8]. Abbildung 2 zeigt den Pneumatik-Schaltplan, Abbildung 3 den elektrischen. Darin sehen Sie auch den Messverstärker, der im Wesentlichen aus einem INA125-Baustein besteht.

Abbildung 1: Der Testaufbau der Fischertechnik-Kugelbahn, angesteuert von einem Pixtend eIO und drei Pneumatikzylindern.

Abbildung 1: Der Testaufbau der Fischertechnik-Kugelbahn, angesteuert von einem Pixtend eIO und drei Pneumatikzylindern.

Abbildung 2: Der Pneumatik-Schaltplan für den Betrieb der Kugelbahn.

Abbildung 2: Der Pneumatik-Schaltplan für den Betrieb der Kugelbahn.

Abbildung 3: Der Elektrik-Schaltplan der Kugelbahn.

Abbildung 3: Der Elektrik-Schaltplan der Kugelbahn.

Die Kugelbahn selbst baute der Autor aus Teilen unterschiedlicher Fischertechnik-Kästen auf. Ihr eigener Versuchsaufbau lässt sich nach Lust und Laune variieren und an die vorhandenen Bauteile anpassen. Fehlt einmal ein Teil, finden Sie es sehr wahrscheinlich auf Fischerfriendsman [9].

Analoger Drucksensor

Um den Luftdruck im System zu messen und den Druck konstant zu halten, verwenden wir in unserem Testaufbau den auf 1 Bar Betriebsdruck ausgelegten Drucksensor MXP2100AP. Seine Ausgangsspannung verändert sich bei 1 Bar Druckunterschied um 40 Millivolt. Allerdings fällt diese Spannungsdifferenz zu gering für die Eingänge des eIO-Analogmoduls aus. Entsprechend gilt es, die Ausgangsspannung des Sensors zu verstärken.

Erschwerend kommt hinzu, dass der Sensor eine Betriebsspannung von 10 Volt benötigt, die der Versuchsaufbau von Haus aus nicht anbietet. Diese zwei Probleme treten so oder ähnlich bei vielen analogen Sensoren auf. Deswegen gibt es spezielle Halbleiter, die dazu dienen, die Ausgangssignale von Sensoren so anzupassen, dass sie sich weiterverarbeiten lassen.

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