ARMADAS工業數據采集平臺

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資料介紹

描述

介紹

ARM ADAS 項目的誕生需要為工廠數據采集創建一種廉價的 PLC（可編程邏輯控制器）替代方案。PLC 已經成為工業標準已有很長一段時間了，但它們價格昂貴，并且需要更昂貴的附加模塊。

通過 ARMADAS 項目獲得的數據不是關鍵任務讀數。這些讀數主要用于 OEE（操作設備效率），它為管理人員提供有關工廠車間績效的信息。因此，該項目的設計考慮到了最低成本，但以犧牲可靠性為代價。但每塊板的成本僅為 5 美元左右，這意味著它們可以以 PLC 的價格更換一百倍。

該項目在工廠車間進行了幾個月的測試和監控。通過 ARMADAS 項目，我們希望改善工廠的能源管理、遠程監控和預測性維護。

框圖和項目描述

首先確定了必須從工廠車間獲取的輸入類型。

數字輸入 - 來自 NPN 或 PNP 傳感器（接近傳感器等）的 12V/24V 數字輸入

模擬輸入 - 來自 RTD 傳感器和 4-20ma 傳感器的模擬輸入。

特殊輸入 - 使用 MODBUS 協議讀取的值。

然后開發了一種將獲得的值傳輸到中央服務器的方法。使用了兩種技術。

NRF24 - 基于射頻的通信，適用于存在影響 WiFi 的電氣干擾的工廠區域。

使用 ESP8266 通過 WiFi 進行 MQTT。

該框圖說明了數據采集過程的所有關鍵階段。

圖 2 - 框圖

中央服務器是一個 AWS EC2 實例，帶有一個 Mosquitto (MQTT) 代理和一個 NodeJS 腳本，用于在 Web 儀表板上顯示數據。另一個應用程序是使用 Visual Studio 開發的，用于在本地可視化數據。（通過 RF 發送的數據被發送到工廠的主 RF 設備，該設備可以訪問互聯網）。

PCB制造

為此項目創建了兩個PCB。一個是圍繞流行的 ATmega328P-AU IC 設計的，另一個是為 ESP32-NodeMCU 設計的。這兩種 PCB 都具有以下特點。

互聯網連接 - （對帶有 ATmega IC 的 PCB 使用外部 ESP8266）ATmega 板的射頻連接。

使用模擬多路復用器的 8x 4-20ma 輸入。

通過 RS485 與多達 255 個從屬 MODBUS 設備連接。

RTD 傳感器的兩個模擬輸入。

通過光耦合器為數字傳感器提供 6 個數字輸入（atmega 板只有 2 個中斷輸入）

通過 I2C、SPI 或串行連接不同外設的附加端口。

為 ATmega328P-AU 設計的 PCB 如下所示。

圖 3-ARMADAS 板

為 NodeMCU 設計的另一個 PCB 如下所示。

圖 4 - 安裝在工廠位置的 NodeMCU 電路

圖 5-NodeMCU 板原理圖

物料清單

板 #1 -

ATmega328P-AU

8MHz 振蕩器

4051N 模擬多路復用器 IC

7085 5V線性穩壓器

AMS1117 3.3V穩壓器

330歐姆電阻器 - SMD 1206

IN5041 二極管

MAX485- RS485 模塊

NRF24 收發器

ESP8266 模塊

電線連接器

光耦合器

板 #2 -

ESP12E NodeMCU

3.3V RS485模塊

LM2596 降壓轉換器

光耦合器

電線連接器

設備代碼

編程是使用 Arduino Web Editor 和 Arduino IDE 完成的。**附上代碼。（特別感謝 Doc Walker https://github.com/4-20ma ）用于 ModbusMaster Arduino 庫。兩個板子執行的功能各不相同，這里將分別說明。

1. 基于 ATmega328P 的開發板

該板主要用于通過射頻采集和傳輸數據。一塊板使用 FTDI 連接到計算機并設置為主。所有其他板都連接到工廠車間的不同傳感器并設置為從站。應主機的請求，所有其他從機將發送請求的數據。主站每 5 秒從每個從站請求一次。在主機接收到數據后，它通過串行將其推送到計算機，使用 Visual Studio 編寫的程序將其顯示在計算機上。此數據也被推送到在 AWS EC2 實例上運行的 MQTT 代理。

數字輸入（脈沖輸入）是通過光耦合器獲得的，因為工業信號在 12-24V 下運行。通過通過 330 歐姆電阻器發送電流并測量電壓來獲得 4-20ma 輸入。這是通過 4051N 模擬多路復用器測量的，以減少 atmega 的引腳使用。在工廠連接的一些工業設備是，

Endress+Hauser Liquiline 傳感器具有 4-20ma 電流輸出，用于測量 pH、氯濃度和電導率。

Endress+Hauser Proline Promag – 電磁流量計 – 用于流量的 4-20ma 電流輸出和用于累加器的脈沖輸出。

Schnieder 電能表 - 使用 MODBUS 的 kWh

當獲得 4-20ma 讀數時，有必要在范圍的遠端獲得兩個已知讀數，以確定電壓與 ADC 值圖的梯度和截距。

1 / 2 ?圖 6 - 從站連接到傳感器

上面兩張圖片顯示了為評估項目的有效性而準備的測試臺。

SIM900 GSM 模塊連接到主設備，以便通過文本發送請求的讀數。

2.NodeMCU板

該板已連接到，

Forbes Marshal FIT 蒸汽流量傳感器 - MODBUS 上的累加器和流量

SET 功率計 - MODBUS 上的三相電壓、電流、功率因數和 kWh

通過 MODBUS 收集的數據直接發送到 MQTT 代理。

圖 7 -NodeMCU 板連接

后端

服務器后端由一個簡單的 nodejs 腳本組成，用于訂閱 mqtt 代理中的不同主題并將它們可視化。

圖 8 - 數據可視化

結論

顯然，基于 Arduino 的設備是用于非關鍵任務任務的 PLC 的完美替代品。如果它們設計有適當的濾波器和保護電路，它們也可以在未來被納入關鍵任務中。這些設備在工廠環境中運行了兩個多月，沒有遇到任何問題。使用 Arduino Web 編輯器和 Arduino IDE 進行編程相對容易，并且可用的大量庫和教程使該項目的開發成為現實。