Keandalan platform Arduino untuk penggunaan industri

Saya bukan insinyur listrik (hanya mekanik) tetapi saya ingin menerapkan beberapa pengalaman hobi saya untuk pekerjaan saya dan menerapkan berbagai sistem otomatis dalam lingkungan industri (manufaktur).

Secara tradisional, otomatisasi dalam pengaturan industri terdiri dari sistem rekayasa atau PLC. Sistem yang direkayasa terlalu mahal dan PLC tidak memiliki fleksibilitas (dan mereka bisa menjadi sangat mahal juga).

Saya ingin mengganti PLC tradisional dengan Arduino yang lebih fleksibel, kuat, dan lebih murah tapi saya khawatir tentang keandalan Arduino. PLC berevolusi dalam pengaturan industri dan dengan demikian sangat kasar dan dapat diandalkan tetapi bagaimana platform Arduino dibandingkan?

Dengan asumsi bahwa langkah-langkah yang tepat diambil untuk melindungi Arduino dari kerusakan mekanis dan listrik, seberapa andalkah platform? Apakah Anda mempercayainya untuk mengganti PLC tradisional yang mengontrol sistem interlock keselamatan alat berat agar orang tidak terlalu dekat dengan mesin yang sedang beroperasi?

Sunting: Bagaimana dengan sistem kritis yang tidak aman? Misalnya, memperkenalkan intelijen ke dalam fixture yang PLC tidak akan mampu?

Produsen PLC ingin Anda percaya bahwa perangkat lunak mereka lebih andal dan lebih teruji. Kesan saya adalah bahwa komponen inti OS PLC biasanya dirancang dan diuji dengan cukup baik, tetapi driver untuk perangkat keras eksternal (sistem gerak dan sejenisnya) sering perpustakaan diretas bersama oleh insinyur aplikasi dan kemudian diedarkan di sekitar perusahaan. Perangkat keras dalam PLC sering ketinggalan zaman - banyak dari mereka yang berjalan lama, prosesor Geode panas.

Ketika Anda membeli PLC dari Allen-Bradley, B&R, Siemens, atau pemain besar lainnya, Anda sebagian besar membayar untuk dukungan ketika ada masalah. Perangkat keras mereka dibuat dengan proses pembuatan yang sama seperti Arduinos, dan tidak ada yang ajaib tentang sistem operasi real-time yang berjalan pada PLC yang membuat mereka bebas bug. Tapi, saya pikir dukungan itu sering layak dibayar. Jika itu adalah mesin yang harganya $ 1juta perusahaan setiap hari itu tidak beroperasi, saya akan sangat yakin bahwa ketika terjadi kesalahan, ada tim profesional yang dapat membantu memperbaikinya, bukan hanya saya dan Google. Untuk kasus spesifik dari tirai ringan atau kunci pengaman lainnya, saya ingin memastikan bahwa pabrikan memiliki polis asuransi yang kuat, daripada pernyataan yang mencoba untuk menafikan semua barang yang dapat diperjualbelikan untuk tujuan tertentu.

Meski begitu, jika saya mendesain (misalnya) sedikit aktuasi pneumatik sederhana untuk beberapa fixture, dan saya bersedia memikul beban dukungan untuk memperbaiki mesin ketika rusak (atau jika saya tidak bisa mendapatkan sumber daya yang dialokasikan untuk membayar PLC), dan keamanan tidak menjadi masalah, saya dengan senang hati menggunakan Arduino.

Saya mungkin akan membuat prototipe sistem dengan Arduino dan kemudian menulis ulang kode dalam C murni setelah berfungsi, sehingga kode saya adalah satu-satunya kode pada mikrokontroler.

Arduino sendiri tidak baik untuk aplikasi industri karena kurangnya perlindungan & perisai yang tepat. Tetapi dimungkinkan untuk membuat pengontrol berbasis AVR tingkat industri:

Anda harus memiliki pelindung, penyaringan daya / regulasi / perlindungan, optopairs untuk mendorong hal-hal eksternal, tutup decoupling yang layak pada setiap chip digital.

Anda harus mengujinya dengan sangat hati-hati ketika menghidupkan / mematikan muatan tinggi, lebih baik untuk memeriksa apakah Anda memiliki gangguan pada jalur ground / power / data selama pergantian ini dengan osiloskop (kisaran 1ns).

Anda harus memeriksa sumber jam Anda dengan sangat hati-hati - AVR tidak mundur ke osilator RC jika osilator kristal gagal. Jadi, Anda sebaiknya tetap menggunakan RC internal jika Anda tidak membutuhkan keakuratan clock atau memberi perhatian ekstra pada routing kristal, memuat kapasitor, kualitas PCB (= pengingat fluks, perlindungan kelembaban) dan melindungi kristal.

Ada UC yang lebih baik untuk aplikasi industri, terutama memiliki fitur RC-fall-back ini.

Sebelum ke PLC , kontrol proses industri dilakukan oleh relay logix (untuk kontrol digital) dan pengontrol PID untuk kontrol analog. Relai terkenal tidak dapat diandalkan, kegagalan yang dalam beberapa kasus memiliki konsekuensi serius. Meskipun demikian, saran bahwa ini bisa lebih baik dilakukan oleh komputer yang menjalankan perangkat lunakdengan output semikonduktor, bukan relay, ngeri sebagian besar insinyur listrik pada saat itu. Argumen yang menentang adopsi PLC pada masa itu mirip dengan beberapa argumen dalam jawaban di forum ini. Tahan saran yang menarik dan Anda yakin akan berada di perusahaan yang baik. Pertimbangan ekonomi, waktu henti, dan pemeliharaan mendorong (secara perlahan) transisi dari kontrol kabel ke kontrol mikro-kontrol / perangkat lunak. Saya ingat baru-baru ini, kengerian yang Ethernet dan berbagai protokol terkait pada saat itu disambut oleh pembentukan kontrol. Ethernet sekarang dengan cepat menjadi standar de facto untuk kontrol proses.

Saat ini, dalam sistem kontrol yang paling canggih, proses yang kritis terhadap keselamatan selalu memiliki cadangan terprogram / pneumatik / hidrolik / mekanis, atau setidaknya kondisi gagal-aman. Antarmuka operator ke sistem kontrol merupakan bagian penting dari sistem kontrol, yang di luar kendali mesin, dalam kebanyakan kasus adalah komputer desktop dari toko PC lokal, dengan sistem operasi buggy / rawan kecelakaan yang menjalankan buggy / crash- aplikasi kontrol proses yang rawan. Ini tidak berlebihan. Kami telah merancang dan membangun pabrik di lingkungan yang paling menantang di industri kimia dan pertambangan tempat debu dan asap menjadi bagian dari kehidupan, bahkan di ruang kontrol, dan tidak ada lagi kegagalan dari peralatan konsumen / komersial standar selain dari dari peralatan Industri. Hard drive gagal tetapi disegel. Mereka gagal juga. Kami secara teratur meniupkan awan debu industri dari motherboard PC yang menjalankan HMI. Kuncinya adalah memiliki redundansi ganda / tiga di semua sistem penting / kritis. Apa pun bisa gagal. Itulah sebabnya hal-hal yang sangat penting untuk keselamatan selalu didukung oleh perangkat keras, dan ini merupakan persyaratan legislatif di Indonesiasebagian besar negara dan akal sehat di negara lain.

Jika seseorang ingin membawa penerbangan ke dalam diskusi, ingatlah horor dengan mana produsen pesawat non-Airbus memenuhi saran fly-by-wire. Dalam kecelakaan udara, kesalahan manusia (sebagian besar pilot tetapi juga staf pemeliharaan), bukan kegagalan sistem / teknis masih menyumbang sebagian besar kecelakaan sejauh ini. Di ruang industri / komersial PLC / mikro-controller, saya berpendapat bahwa manusia di terminal pemrograman masih merupakan elemen yang paling kritis. DESAIN, STRUKTUR, dan PEMELIHARAAN Perangkat Lunak adalah bahan-bahan penting daripada perangkat keras.

Rockwell menawarkan produk SoftLogix yang merupakan perangkat lunak PLC yang berjalan pada PC toko standar. Pikirkan tentang itu. Argumen bahwa PC dijalankan dalam lingkungan listrik / atmosfer yang lebih terlindungi daripada PLC / pengontrol dapat benar untuk beberapa kasus, tetapi tidak di sebagian besar, dan sangat sedikit di pabrik yang kami layani. Ironisnya adalah bahwa proliferasi Ethernet memerlukan switch Ethernet di lapangan. Kami tidak, sebagai suatu peraturan, menggunakan sakelar industri, tetapi hal-hal komersial standar dan belum mengalami kegagalan sakelar setelah 10 tahun dan ratusan pemasangan. Sakelar ini berada di panel yang sama dengan PLC I / O. Apa yang TIDAK gagal, tetapi jarang, adalah catu daya murah yang menyertai sakelar. Hindari itu dan saklar tidak akan menjadi komponen yang paling tidak dapat diandalkan dalam instalasi.

Adapun pengujian ketat / kontrol kualitas peralatan PLC industri, saya baru-baru ini menugaskan pabrik di mana SETIAP SATU dari 8 atau 10 kartu input analog I / O jarak jauh adalah DOA. Pemasok, salah satu merek nama terbesar di dunia, tidak peduli dan segera mengganti semuanya. Saya kira itu adalah kumpulan yang buruk dan mereka mungkin telah mengetahui masalah sebelum laporan kami. Pengganti bekerja dengan sempurna dan masih dilakukan 3 tahun kemudian.

Ketakutan digunakan di mana-mana akhir-akhir ini untuk mengintimidasi kita. Gunakan akal dan seperti yang biasa dikatakan oleh orang-orang tua, 'hisap dan lihat (untuk dirimu sendiri)'. Saya tidak akan ragu menguji coba mikro-controller 'non-industri' di mana saja. Cukup ikuti praktik rekayasa yang baik, kuantifikasi risiko dan lakukan tindakan dengan tepat. Kebetulan, kendaraan bermotor beroperasi dalam kondisi yang tidak terlalu berbeda dengan beberapa kondisi industri (basah, panas, getaran) tetapi memiliki banyak sistem yang kritis terhadap keselamatan elektronik. Sekarang coba sarankan kepada insinyur sistem kontrol industri bahwa Anda akan mencoba komponen otomotif di pabrik Anda! CANbus atau DNET siapa pun? Go figure (:)

Saya bukan insinyur jenis apa pun. Saya seorang teknisi elektronik di sebuah perusahaan dirgantara besar dan harus memperbaiki dan / atau memutakhirkan mesin-mesin yang dikontrol secara numerik seperti ini setiap saat karena peralatan kuno yang tidak dapat lagi kita sumber suku cadangnya. Sementara biaya adalah masalah besar yang akan membuat Anda dalam masalah besar adalah masalah keamanan.

Dalam edisi 2012 NFPA 79 (Standar kelistrikan untuk Mesin Industri) sub bagian 9.4.3.4.2 menyatakan:

"Sistem kontrol yang menggabungkan pengendali berbasis perangkat lunak dan firmware yang menjalankan fungsi terkait keselamatan haruslah pemantauan sendiri dan mematuhi semua hal berikut:

1. Dalam hal terjadi kegagalan tunggal, kegagalan tersebut harus:
   a. tidak menyebabkan hilangnya fungsi terkait keselamatan
   b. Menyebabkan shutdown sistem dalam keadaan aman
   c. Cegah operasi selanjutnya hingga kerusakan komponen diperbaiki
   d. Cegah permulaan peralatan yang tidak diinginkan setelah koreksi dari kegagalan

2. Memberikan perlindungan yang setara dengan sistem kontrol yang menggabungkan komponen hardware / hardware

3. Didesain sesuai dengan standar yang disetujui yang menyediakan persyaratan untuk sistem tersebut "

Jika Anda mampu memastikan Anda memenuhi ketentuan 1 dan 2, saya tahu Anda tidak akan dapat memenuhi ketentuan 3 (kecuali jika Anda terbiasa berurusan dengan pihak berwenang yang berwenang)

NAMUN,

Jika Anda menggunakan Arduino hanya untuk memantau dan menyarankan bahwa kondisi keselamatan telah terjadi tidak mengontrol sirkuit keselamatan yang sebenarnya itu sendiri, Anda tidak boleh melanggar persyaratan hukum ini.

yaitu rantai e-stop berada di tempat yang memutus daya dari semua kontaktor motor / drive dari kontaktor E-stop utama ketika diputus oleh saklar e-stop di sirkuit. Anda tidak ingin menggunakan arduino untuk mengontrol sirkuit e-stop tetapi Anda harus baik-baik saja menggunakan sakelar kontak bantu pada tombol E-stop untuk memberi tahu operator E-stop mana yang telah ditekan pada tampilan.

Dengan cara ini bahkan jika Arduino mencoba mengendarai motor dengan sinyal kontrol, tidak akan ada daya aktual yang tersedia karena kontaktor E-stop utama telah putus dikendalikan oleh rantai e-stop berenergi keras - bukan mikrokontroler Anda .

Pastikan Anda mengetahui semua peraturan di NFPA70E dan NFPA79 dan penuhi semuanya. Percayalah, Anda tidak ingin menemukan diri Anda dalam pengaturan litigasi yang mencoba menjawab pertanyaan tanpa sepengetahuan penuh peraturan ini sebelum Anda merancang sesuatu.

yaitu hal-hal lain yang perlu dipertimbangkan adalah menghentikan gerakan terlalu cepat - kadang-kadang hal-hal harus tetap diberi energi untuk jangka waktu tertentu sebelum berhenti untuk mencegah bahaya keselamatan - yaitu roda gerinda besar harus berputar ke bawah pada tingkat yang ditetapkan sehingga tidak meledak dari berhenti tiba-tiba - dalam hal ini Anda ingin resistor besar yang akan menggunakan motor Counter EMF untuk memperlambat kecepatan rotasi dengan aman. Anda ingin kontaktor yang menjatuhkan drive motor untuk meletakkan resistor ini sejalan dengan belitan motor - bukan arduino

Skenario ini juga tercakup dalam NFPA79.

Pastikan Anda dan majikan Anda nyaman memenuhi peraturan ini dan menerima segala potensi kewajiban.

pasti menggunakan ruggeduino (sepadan dengan 45.oo untuk perlindungan tambahan) dan isolasi optik untuk apa pun yang melekat pada sirkuit lebih dari 24 volt. Sebagian besar kontrol relai yang kompatibel dengan Arduino di situs yang sama adalah OMRON dan digunakan untuk banyak aplikasi industri. Mintalah seseorang dengan pengalaman dan kualifikasi meninjau desain Anda sebelum implementasi - ingat tidak satu pun dari kita yang sepandai kita semua

Satu-satunya cara untuk menguji aplikasi Anda untuk daya tahan adalah dengan mendesainnya dan melihat berapa lama kerjanya. Pasti memiliki cadangan identik siap untuk diganti di rak jika biaya / waktu adalah pertimbangan besar.

Beri tahu saya jika Anda memiliki pertanyaan.

Ada apa yang diklaim sebagai klon Arduino berkualitas industri bernama Ruggeduino yang memiliki perlindungan input dan output, situs web mereka membuat bacaan menarik tentang topik ruggedising sebuah Arduino.

Mereka menjual MSP430 dengan sirkuit untuk penggunaan di mobil.

Karena saya tidak tahu apa-apa tentang persetujuan industri, saya tidak tahu apa jenis persetujuan untuk aplikasi keselamatan yang dimiliki "Mikro-PLC" ini.

Namun, untuk interlock keamanan saya tidak akan mempercayai apa pun dengan perangkat lunak yang lebih rumit daripada saklar sederhana.

Pada dasarnya ... Saya tidak memiliki dukungan untuk Arduino. Arduino terbuka, tidak memiliki kasing dan tidak memberikan garansi tentang beberapa standar IEC yang harus Anda penuhi. Misalnya bagaimana Arduino berjalan dengan 2 atau 3 tahun debu di atasnya.

Pada akhirnya, seperti yang sudah dikatakan, jika sebuah mesin berharga $ 1 juta per hari, lebih murah untuk tidak menggunakan Arduino. Terutama karena ia akan mati, lebih cepat daripada lebih cepat dan dalam 6 sampai 10 tahun, Arduino yang Anda gunakan hari ini tidak akan lagi tersedia bagi Anda untuk memperbaiki mesin dalam waktu yang sesuai (sebagai sumber terbuka Anda dapat memproduksinya ... tetapi).

OTOH ... jika Anda menggunakan Arduino sebagai PLC, Anda harus mengembangkan sirkuit bantu, mengembangkan banyak perangkat lunak dan pada akhirnya, setelah berton - ton waktu dan peralatan Anda akan melihat bahwa Anda akan memiliki yang sama seperti Allen Bradley, Siemens et al. tetapi dengan biaya yang superior.

Tidak hanya biaya pembuatannya yang besar, tetapi juga memodifikasinya dalam beberapa tahun, kebanyakan jika Anda mencoba mengintegrasikan teknologi fieldbus seperti profibus atau ASi.

Ini menyenangkan untuk dimainkan ... tetapi itu bukan solusi.

Sebagian besar kekasaran berasal dari EE yang diletakkan di belakang desain elektrik dari keseluruhan skema dan PCB. Tidak ada yang istimewa dari chip yang menggunakan perusahaan 'bersertifikat' - mereka hanya lebih murah dalam jumlah dan mungkin memiliki sertifikasi sendiri. Tapi saya akan menganggap Atmel dan Microchip sudah cocok dengan itu. Kekuatan sesungguhnya berasal dari banyak pengujian, berbagai metode cadangan (detektor brownout / overvoltage, watchdogs) dan tata letak yang cermat. Kesan saya adalah bahwa PIC / Arduino tidak digunakan dalam skala besar karena mereka lebih mahal dan menyediakan lebih dari yang sebenarnya dibutuhkan.

Saya seorang Insinyur elektronik dan menggunakan papan Arduino mega untuk beberapa aplikasi pendidikan saya dan saya juga pengguna Labview DAQ Modul seperti DAQ-6009/6008 dan lain-lain ... saya juga pengguna PLC dari allen-bradelly dan lain-lain. tapi saya menemukan kesesuaian Arduino harus diuji di lingkungan industri yang keras seperti fluktuasi suhu, kondisi debu dan kelembaban dan juga getaran dan radiasi EM dan bahkan koneksi yang dapat diandalkan ke sensor atau aktuator dan juga ke kartu pengolah data lainnya sebelum berikan sinyal i? p dan sebelum memberikannya kepada end-effector akhir seperti katup dan lain-lain ...

dari halaman web ini dan diskusi saya akan menghasilkan fasilitas pengujian kartu Arduino untuk aplikasi industri .. untuk berbagai jenis lingkungan .. dan untuk berbagai parameter .. dll.

Mikrokontroler Atmel yang menjalankan Arduino juga tersedia untuk sistem kontrol otomotif dan industri. Sejauh ini baik!

[quote] Perangkat keras mereka dibuat dengan proses pembuatan yang sama seperti Arduinos [/ quote]

Sayangnya, sisa papan Arduino mungkin tidak terlalu kasar.

Ada sejumlah kompromi desain yang dapat mengurangi masa pakai untuk menurunkan biaya. Sebagai contoh, kapasitor mungkin tidak diberi nilai 10k-jam di 105C, tetapi sebaliknya untuk2k-jam di 80C, dan ada perbedaan nyata seumur hidup di sana! Demikian pula, regulator pada Arduino adalah versi dropout tinggi murah, daripada versi dropout rendah ultra mampu. (Pernah bertanya-tanya mengapa Arduino membutuhkan 7V atau lebih untuk menghasilkan 5V? Inilah sebabnya - dengan regulator ULDO, 5.3V sudah cukup.) Dan apakah catu daya Anda akan pernah mati? Bagaimana Anda tahu bahwa keseluruhan sistem dalam keadaan aman jika benar? Bahkan tidak ada sumbu di papan!

Demikian pula, tidak ada perlindungan terhadap lingkungan yang keras di papan Arduino. Kontak yang murah, kontak wanita kelas konsumen yang dinilai untuk beberapa lusin penyisipan, bukan kontak IP-65 (untuk biaya). Pin I / O mengandalkan perlindungan ESD bawaan dari Atmega MCU, tanpa eksternal. perlindungan.

Jika saya membangun sistem yang kritis terhadap keselamatan, saya mungkin menggunakan Atmega MCU, tapi saya tidak akan menggunakan papan Arduino apa adanya. Biaya memintal papan baru dengan komponen-komponen baru yang dirancang untuk situasi akan menjadi kecil jika dibandingkan. Dan di papan itu, saya bisa meletakkan semua perangkat keras driver yang saya butuhkan, dan perlindungan antarmuka, dan menggunakan konektor yang nyata dan kasar. Bukannya saya benar-benar memenuhi syarat untuk membangun sistem elektronik yang kritis terhadap keselamatan - Saya seorang pria perangkat lunak!

Untuk mengambil Arduino dengan beberapa perlindungan listrik (tapi masih tidak ada perlindungan pada mode kegagalan lainnya), periksa Ruggeduino: http://ruggedcircuits.com/html/ruggeduino.html

Saya pikir masalah dengan debu, kelembaban, getaran, dll., Dapat dengan mudah diatasi. Saya telah bekerja dalam perbaikan tabrakan otomotif selama 30 tahun dan melayani segala macam pengontrol. Solusi sederhana yang digunakan dalam mobil untuk mengatasi lingkungan yang keras adalah dengan membungkus modul kontrol dalam resin non-konduktif yang mencegah segala kelembaban atau debu dari kontak dengan pengontrol dan pada saat yang sama membuat pengontrol tahan terhadap getaran.

Saya juga seorang pembuat kayak dan membangun sistem pompa listrik untuk kapal saya untuk mengatasi masalah yang mengancam jiwa ketika mencoba memompa keluar kapal yang banjir dalam kondisi badai. Selama bertahun-tahun masalah dengan pompa listrik di kayak adalah elektronik yang dapat diakses tetapi dilindungi dari air garam. Sepertinya tidak ada yang berhasil kecuali sukses sementara.

Ternyata, dengan menggunakan sakelar magnetik dan sakelar pembungkus dan pengontrol dalam uretan, saya memiliki sistem yang telah bertahan selama 3 tahun garam, dan perendaman air yang segar serta semua hantaman ombak, dan transportasi mobil, dapat melempar pada perahu.

Saya bukan ahli elektronik, ingatlah. Jadi mungkin ada kelemahan pada Arduino yang membuatnya tidak cocok untuk sistem keselamatan tetapi tidak ada di lingkungan yang tidak dapat dilindungi dengan sedikit pemikiran.

Menggunakan Arduino di lingkungan industri dapat diterima jika:

1. Anda melindungi input dan output Anda sebaik PLC
2. Anda menerapkan deteksi keluar dan pengawas dalam aplikasi Anda atau dengan bantuan perangkat keras eksternal
3. Aplikasi Anda memastikan bahwa output Anda selalu dalam kondisi aman yang dikenal
4. Anda menerapkan semua interlock dan keamanan langsung dalam kode
5. Anda menghabiskan lebih banyak waktu menguji kemudian menulis kode
6. Anda tidak perlu sertifikasi untuk perangkat yang dibuat khusus

Anda mungkin perlu menyediakan antarmuka protokol MODBUS atau PROFIBUS , dan membuat driver ke antarmuka 0..20mA, 4..20mA, 0..10V, TC, motor, pembuat enkode (atau menggunakan kartu pendukung MODBUS / PROFIBUS dengan driver bawaan seperti itu ) ...

Jika Anda ingin memprogram perangkat Anda dalam logika tangga alih-alih C / ASM / PAS / BAS, Anda bisa. Perangkat lunak ini menyediakannya.