ARMADAS工业数据采集平台

描述

介绍

ARMADAS 项目的诞生需要为工厂数据采集创建一种廉价的PLC（可编程逻辑控制器）替代方案。PLC 已经成为工业标准已有很长一段时间了，但它们价格昂贵，并且需要更昂贵的附加模块。

通过 ARMADAS 项目获得的数据不是关键任务读数。这些读数主要用于 OEE（操作设备效率），它为管理人员提供有关工厂车间绩效的信息。因此，该项目的设计考虑到了最低成本，但以牺牲可靠性为代价。但每块板的成本仅为 5 美元左右，这意味着它们可以以 PLC 的价格更换一百倍。

该项目在工厂车间进行了几个月的测试和监控。通过 ARMADAS 项目，我们希望改善工厂的能源管理、远程监控和预测性维护。

框图和项目描述

首先确定了必须从工厂车间获取的输入类型。

• 数字输入 - 来自 NPN 或 PNP传感器（接近传感器等）的 12V/24V 数字输入

• vwin 输入 - 来自 RTD 传感器和 4-20ma 传感器的模拟输入。

• 特殊输入 - 使用 MODBUS 协议读取的值。

然后开发了一种将获得的值传输到中央服务器的方法。使用了两种技术。

• NRF24 - 基于射频的通信，适用于存在影响 WiFi 的电气干扰的工厂区域。

• 使用ESP8266通过 WiFi 进行 MQTT。

该框图说明了数据采集过程的所有关键阶段。

中央服务器是一个 AWS EC2 实例，带有一个 Mosquitto (MQTT) 代理和一个 NodeJS 脚本，用于在 Web 仪表板上显示数据。另一个应用程序是使用 Visual Studio 开发的，用于在本地可视化数据。（通过 RF 发送的数据被发送到工厂的主 RF 设备，该设备可以访问互联网）。

PCB制造

为此项目创建了两个PCB。一个是围绕流行的 ATmega328P-AUIC设计的，另一个是为ESP32-NodeMCU设计的。这两种 PCB 都具有以下特点。

• 互联网连接 - （对带有 ATmega IC 的 PCB 使用外部 ESP8266）ATmega 板的射频连接。

• 使用模拟多路复用器的 8x 4-20ma 输入。

• 通过RS485与多达 255 个从属 MODBUS 设备连接。

• RTD 传感器的两个模拟输入。

• 通过光耦合器为数字传感器提供 6 个数字输入（atmega 板只有 2 个中断输入）

• 通过I2C、SPI 或串行连接不同外设的附加端口。

为 ATmega328P-AU 设计的 PCB 如下所示。

为 NodeMCU 设计的另一个 PCB 如下所示。

物料清单

板 #1 -

• ATmega328P-AU

• 8MHz振荡器

• 4051N 模拟多路复用器 IC

• 7085 5V线性稳压器

• AMS1117 3.3V稳压器

• 330欧姆电阻器- SMD 1206

• IN5041二极管

• MAX485-RS485 模块

• NRF24收发器

• ESP8266 模块

• 电线连接器

• 光耦合器

板 #2 -

• ESP12E NodeMCU

• 3.3V RS485模块

• LM2596降压转换器

• 光耦合器

• 电线连接器

设备代码

编程是使用ArduinoWeb Editor 和 Arduino IDE 完成的。**附上代码。（特别感谢 Doc Walkerhttps://github.com/4-20ma）用于 ModbusMaster Arduino 库。两个板子执行的功能各不相同，这里将分别说明。

1. 基于 ATmega328P 的开发板

该板主要用于通过射频采集和传输数据。一块板使用 FTDI 连接到计算机并设置为主。所有其他板都连接到工厂车间的不同传感器并设置为从站。应主机的请求，所有其他从机将发送请求的数据。主站每 5 秒从每个从站请求一次。在主机接收到数据后，它通过串行将其推送到计算机，使用 Visual Studio 编写的程序将其显示在计算机上。此数据也被推送到在 AWS EC2 实例上运行的 MQTT 代理。

数字输入（脉冲输入）是通过光耦合器获得的，因为工业信号在 12-24V 下运行。通过通过 330 欧姆电阻器发送电流并测量电压来获得 4-20ma 输入。这是通过 4051N 模拟多路复用器测量的，以减少 atmega 的引脚使用。在工厂连接的一些工业设备是，

• Endress+Hauser Liquiline 传感器具有 4-20ma 电流输出，用于测量 pH、氯浓度和电导率。

• Endress+Hauser Proline Promag – 电磁流量计 – 用于流量的 4-20ma 电流输出和用于累加器的脉冲输出。

• Schnieder 电能表 - 使用 MODBUS 的 kWh

当获得 4-20ma 读数时，有必要在范围的远端获得两个已知读数，以确定电压与ADC值图的梯度和截距。

上面两张图片显示了为评估项目的有效性而准备的测试台。

SIM900 GSM 模块连接到主设备，以便通过文本发送请求的读数。

2.NodeMCU板

该板已连接到，

• Forbes Marshal FIT 蒸汽流量传感器 - MODBUS 上的累加器和流量

• SET 功率计 - MODBUS 上的三相电压、电流、功率因数和 kWh

通过 MODBUS 收集的数据直接发送到 MQTT 代理。

后端

服务器后端由一个简单的 nodejs 脚本组成，用于订阅 mqtt 代理中的不同主题并将它们可视化。

结论

显然，基于 Arduino 的设备是用于非关键任务任务的 PLC 的完美替代品。如果它们设计有适当的滤波器和保护电路，它们也可以在未来被纳入关键任务中。这些设备在工厂环境中运行了两个多月，没有遇到任何问题。使用 Arduino Web 编辑器和 Arduino IDE 进行编程相对容易，并且可用的大量库和教程使该项目的开发成为现实。