Affidabilità della piattaforma Arduino per uso industriale

Non sono un ingegnere elettrico (solo meccanico) ma vorrei applicare parte della mia esperienza di hobbista al mio lavoro e implementare vari sistemi automatizzati in un ambiente industriale (manifatturiero).

Tradizionalmente, l'automazione in ambito industriale consiste in sistemi ingegnerizzati o PLC. I sistemi ingegnerizzati sono troppo costosi e i PLC mancano di flessibilità (e possono anche diventare piuttosto costosi).

Vorrei sostituire i PLC tradizionali con Arduinos più flessibili, potenti ed economici, ma sono preoccupato per l'affidabilità di Arduino. I PLC si sono evoluti in ambito industriale e sono quindi molto robusti e affidabili, ma come si confronta la piattaforma Arduino?

Supponendo che vengano prese le misure adeguate per proteggere Arduino da danni meccanici ed elettrici, quanto è affidabile la piattaforma? Ti fideresti di sostituire un PLC tradizionale che controlla, ad esempio, il sistema di interblocco di sicurezza di una macchina per impedire alle persone di avvicinarsi troppo a una macchina in funzione?

Modifica: che dire dei sistemi non critici per la sicurezza? Ad esempio, introdurre l'intelligenza in un apparecchio di cui un PLC non sarebbe in grado?

I produttori di PLC vorrebbero farvi credere che il loro software sia più affidabile e testato più accuratamente. La mia impressione è che i componenti principali del sistema operativo dei PLC siano di solito abbastanza ben progettati e testati, ma i driver per hardware esterno (sistemi di movimento e simili) sono spesso librerie hackerate insieme dagli ingegneri delle applicazioni e quindi passate in giro per l'azienda. L'hardware nei PLC è spesso antiquato: molti di essi utilizzano vecchi processori Geode caldi.

Quando acquisti un PLC da Allen-Bradley, B&R, Siemens o uno qualsiasi degli altri grandi player, paghi principalmente per il supporto quando le cose vanno male. Il loro hardware è realizzato con gli stessi processi di produzione degli Arduinos e non c'è nulla di magico nei sistemi operativi in ​​tempo reale in esecuzione su PLC che li rende privi di bug. Ma penso che valga la pena pagare per il supporto. Se è una macchina che costa all'azienda $ 1 milione ogni giorno che non funziona, sarei dannatamente sicuro che quando qualcosa è andato storto, c'era un team di professionisti che potrebbe aiutarlo a risolverlo, non solo io e Google. Per il caso specifico delle barriere fotoelettriche o di altri dispositivi di sicurezza, vorrei assicurarmi che il produttore disponesse di una polizza assicurativa piuttosto che di una dichiarazione che tenti di negare la commerciabilità per qualsiasi scopo particolare.

Anche così, se stavo progettando (per esempio) un po 'di semplice azionamento pneumatico per qualche apparecchio, ed ero disposto a sostenere l'onere di supporto di riparare la macchina quando si è rotta (o se non ero in grado di ottenere le risorse allocate per pagare per il PLC), e la sicurezza non era un problema, sarei felice di usare un Arduino.

Probabilmente avrei prototipato il sistema con un Arduino e poi riscritto il codice in C puro una volta che funzionava, in modo che il mio codice fosse l'unico codice sul microcontrollore.

Lo stesso Arduino non è buono per le applicazioni industriali a causa della mancanza di adeguata protezione e schermatura. Ma è possibile realizzare controller basati su AVR di livello industriale:

Dovresti avere schermature, filtraggio / regolazione / protezione dell'alimentazione, optopairs per guidare cose esterne, tappi di disaccoppiamento decenti su ogni chip digitale.

Dovresti testarlo con molta attenzione quando accendi / spegni carichi elevati, è meglio verificare se ci sono anomalie sulle linee di terra / potenza / dati durante questa commutazione con l'oscilloscopio (fino a 1 ns di intervallo).

Dovresti controllare la tua sorgente di clock con molta attenzione: l'AVR non fallback nell'oscillatore RC in caso di guasto dell'oscillatore a cristallo. Quindi ti conviene attenersi all'RC interno se non è necessaria la precisione dell'orologio o prestare particolare attenzione all'instradamento dei cristalli, ai condensatori di carico, alla qualità del PCB (= promemoria di flusso, protezione dall'umidità) e alla schermatura attorno al cristallo.

Ci sono migliori UC per applicazioni industriali, in particolare con questa funzione di fallback RC.

Prima del PLC , il controllo di processo industriale era eseguito da relè logix (per controllo digitale) e controller PID per controllo analogico. I relè erano notoriamente inaffidabili, il cui fallimento in alcuni casi aveva gravi conseguenze. Nonostante ciò, il suggerimento che questo potrebbe essere eseguito meglio da un computer che esegue softwarecon uscite a semiconduttore invece che relè inorridivano la maggior parte degli ingegneri elettrici dell'epoca. Gli argomenti contro l'adozione dei PLC in quei giorni erano simili ad alcuni degli argomenti nelle risposte in questo forum. Resisti a suggerimenti interessanti e sei certo di essere in buona compagnia. Considerazioni di economia, tempi di inattività e manutenzione hanno guidato (lentamente) il passaggio dal controllo cablato al controllo micro-controller / software. Ricordo di recente, l'orrore con cui Ethernet e i vari protocolli associati all'epoca erano stati accolti dall'istituto di controllo. La rete Ethernet sta rapidamente diventando lo standard di fatto per il controllo di processo.

Al giorno d'oggi, nei sistemi di controllo più sofisticati, i processi critici per la sicurezza hanno sempre un backup cablato / pneumatico / idraulico / meccanico, o almeno uno stato di sicurezza. L'interfaccia operatore al sistema di controllo è una parte essenziale del sistema di controllo, che al di fuori del controllo della macchina, nella maggior parte dei casi è un computer desktop dal negozio di PC locale, con un sistema operativo con bug / crash che esegue bug / crash- applicazioni soggette a controllo di processo. Questa non è un'esagerazione. Abbiamo progettato e costruito impianti negli ambienti più difficili delle industrie chimiche e minerarie in cui la polvere e i fumi fanno parte della vita, anche nella sala di controllo, e non presentano più guasti rispetto alle apparecchiature standard consumer / commerciali standard rispetto a quelle di equipaggiamento industriale. I dischi rigidi si guastano ma sono sigillati. Falliscono comunque. Soffiamo regolarmente nuvole di polvere industriale delle schede madri per PC che eseguono l'HMI. Il trucco è avere una ridondanza doppia / tripla in tutti i sistemi importanti / critici. Tutto può fallire. Questo è il motivo per cui le cose critiche per la sicurezza sono sempre supportate dall'hardware e questo è un requisito legislativo inla maggior parte dei paesi e il buonsenso negli altri.

Se si vuole portare l'aviazione nella discussione, ricordare l'orrore con cui i produttori di aeromobili non Airbus hanno accolto il suggerimento del fly-by-wire. Negli incidenti aerei, l'errore umano (principalmente il personale di pilotaggio ma anche quello di manutenzione), non i guasti di ingegneria / sistemi rappresentano ancora di gran lunga la maggior parte degli incidenti. Nello spazio industriale / commerciale di PLC / microcontroller, direi che l'essere umano al terminale di programmazione è ancora l'elemento più critico. Software DESIGN, STRUTTURA e MANUTENZIONE sono gli ingredienti essenziali anziché l'hardware.

Rockwell offre il prodotto SoftLogix che è un PLC software in esecuzione su un PC standard del negozio. Pensaci. L'argomentazione secondo cui il PC funziona in un ambiente elettrico / atmosferico più protetto rispetto ai PLC / controller può essere vera in alcuni casi, ma non nella maggior parte, e pochissimi negli impianti che serviamo. L'ironia è che la proliferazione di Ethernet richiede switch Ethernet sul campo. Di norma non utilizziamo switch industriali, ma roba commerciale standard e non abbiamo ancora avuto un guasto agli switch dopo 10 anni e centinaia di installazioni. Questi interruttori si trovano negli stessi pannelli dell'I / O PLC. Ciò che fallisce, ma raramente, è l'alimentatore economico che accompagna l'interruttore. Evitatelo e l'interruttore non sarà il componente più inaffidabile nell'installazione.

Per quanto riguarda i rigorosi test / controllo di qualità delle apparecchiature PLC industriali, di recente ho commissionato un impianto in cui OGNI UNA delle 8 o 10 schede di input analogico I / O remote era DOA. Il fornitore, uno dei più grandi marchi di nomi al mondo, non ha battuto ciglio e ha sostituito immediatamente tutto. Immagino che fosse un brutto batch e avrebbero potuto conoscere il problema prima del nostro rapporto. Le sostituzioni hanno funzionato perfettamente e lo fanno ancora 3 anni dopo.

La paura è usata ovunque in questi giorni per intimidirci. Usa la ragione e come dicevano alcuni vecchietti, "succhialo e vedi (per te stesso"). Non esiterei a testare ovunque microcontroller "non industriali". Basta seguire le buone pratiche ingegneristiche, quantificare il rischio e agire in modo appropriato. Per inciso, i veicoli a motore operano in condizioni non troppo dissimili da alcune condizioni industriali (bagnate, calde, vibranti) ma hanno molti sistemi elettronici critici per la sicurezza. Ora prova a suggerire a un ingegnere di sistemi di controllo industriale che stai per provare un componente automobilistico nel tuo impianto! CANbus o DNET qualcuno? Vai a capire (:)

Non sono un ingegnere di alcun tipo. Sono un tecnico elettronico presso una grande azienda aerospaziale e devo aggiornare e / o aggiornare macchinari a controllo numerico come questo per tutto il tempo a causa di apparecchiature antiche per le quali non possiamo più procurarci parti. Mentre il costo è un grosso problema, quello che ti metterà nei guai è la preoccupazione per la sicurezza.

Nell'edizione 2012 del capitolo 9.4.3.4.2 della NFPA 79 (lo standard elettrico per le macchine industriali) si afferma:

"I sistemi di controllo che incorporano controller basati su software e firmware che svolgono funzioni relative alla sicurezza devono essere auto-monitorati e conformi a tutti i seguenti elementi:

1. In caso di singolo guasto, il guasto deve:
   a. non comportare la perdita delle funzioni legate alla sicurezza
   b. Portare allo spegnimento del sistema in uno stato sicuro
   c. Impedire il funzionamento successivo fino a quando l'errore del componente è stato corretto
   d. Impedire l'avvio involontario dell'apparecchiatura dopo la correzione del guasto

2. Fornire una protezione equivalente a quella dei sistemi di controllo che incorporano componenti hardware / cablati

3. Essere progettato in conformità con uno standard approvato che prevede requisiti per tali sistemi "

Se sei in grado di assicurarti di soddisfare le disposizioni 1 e 2 So che non sarai in grado di soddisfare la disposizione 3 (a meno che tu non sia abituato a trattare con le autorità di regolamentazione)

TUTTAVIA,

Se usi arduino solo per monitorare e avvisare che si è verificata una condizione di sicurezza che non controlla il circuito di sicurezza stesso, non dovresti violare questo requisito legale.

vale a dire che è presente una catena di arresto di emergenza che interrompe l'alimentazione da tutti i contattori / azionamenti del motore da un contattore di arresto di emergenza principale quando viene interrotta da un interruttore di arresto di emergenza nel circuito. Non si desidera utilizzare Arduino per controllare il circuito di arresto di emergenza, ma si dovrebbe andare bene utilizzando un interruttore di contatto ausiliario sui pulsanti di arresto di emergenza per dire all'operatore quale arresto di emergenza è stato premuto su un display.

In questo modo, anche se Arduino sta cercando di guidare un motore con segnali di controllo, non ci sarà alcuna potenza effettiva disponibile perché un contattore di arresto di emergenza principale è uscito controllato da una catena di arresto di emergenza energizzata, non dal microcontrollore .

Assicurati di essere a conoscenza di tutte le normative di NFPA70E e NFPA79 e di soddisfarle tutte. Fidati di me, non vuoi trovarti in un contesto di contenzioso cercando di rispondere alle domande senza la piena conoscenza di questi regolamenti prima di progettare qualcosa.

cioè altre cose da considerare sono l'arresto troppo rapido del movimento - a volte le cose devono rimanere sotto tensione per un determinato periodo di tempo prima di fermarsi per prevenire un pericolo per la sicurezza - cioè una grande mola deve girare a una velocità fissa in modo che non esploda da fermarsi bruscamente - in questo caso si vorrebbe una grande resistenza che utilizzerebbe i motori Counter EMF per rallentare in sicurezza la velocità di rotazione. Vorresti che il contattore che ha lasciato cadere l'azionamento del motore mettesse questa resistenza in linea con gli avvolgimenti del motore - non l'arduino

Questi scenari sono anche trattati nell'NFPA79.

Assicurati che tu e il tuo datore di lavoro vi sentiate a vostro agio nel rispettare queste normative e nell'accettare qualsiasi potenziale responsabilità.

sicuramente usare un ruggeduino (vale la pena 45.oo per la protezione aggiunta) e l'isolamento ottico per tutto ciò che è attaccato al circuito oltre 24 volt. La maggior parte dei controlli di relè compatibili con Arduino nello stesso sito sono OMRON e utilizzati per molte applicazioni industriali. Chiedi a qualcuno con esperienza e qualifiche di rivedere il tuo progetto prima dell'implementazione - ricorda che nessuno di noi è intelligente come tutti noi

L'unico modo per testarlo per la tua applicazione per la durabilità sarebbe progettarlo e vedere per quanto tempo funziona. Sicuramente avere un ricambio identico pronto per la sostituzione sullo scaffale se il costo / tempo sono grandi considerazioni.

Fatemi sapere se avete domande.

C'è quello che si dice essere un clone di Arduino di qualità industriale chiamato Ruggeduino con protezione di input e output, il loro sito Web rende interessanti letture sul tema della rugging di un Arduino.

Stanno vendendo MSP430 con circuiti per l'utilizzo in auto.

Poiché non conosco nulla delle approvazioni industriali, non so che tipo di approvazione abbia per le applicazioni di sicurezza di questi "Micro-PLC".

Tuttavia, per un interblocco di sicurezza non mi fiderei di nulla con un software più complicato di un semplice interruttore.

Fondamentalmente ... Non ho supporto per Arduino. Arduino è esposto, non ha custodia e non fornisce garanzie su alcuni standard IEC che devi soddisfare. Ad esempio, come Arduino funziona con 2 o 3 anni di polvere in cima.

A lungo termine, come qualcuno ha già detto, se una macchina costa $ 1 milione al giorno, è più economico non usare Arduino. Soprattutto perché morirà, più tardi e tra 6 e 10 anni, l'Arduino che usi oggi non sarà più disponibile per riparare una macchina in un momento adatto (essendo opensource puoi produrla ... ma).

OTOH ... se usi Arduino come PLC devi sviluppare circuiti ausiliari, sviluppare tonnellate di software e alla fine, dopo tonnellate di tempo e attrezzature vedrai che avrai lo stesso di Allen Bradley, Siemens et al. ma con un costo superiore.

Non solo il costo di produzione è enorme, ma lo modificherà in pochi anni, soprattutto se si tenta di integrare la tecnologia bus di campo come profibus o ASi.

È divertente da giocare ... ma non è LA soluzione.

Gran parte della robustezza deriva dall'EE messo dietro il design elettrico dell'intero schema e PCB. Non c'è niente di speciale nelle aziende "certificate" che utilizzano i chip: sono solo più economiche in quantità e forse hanno le proprie certificazioni. Ma suppongo che Atmel e Microchip corrispondano già a quelli. La vera forza deriva da numerosi test, vari metodi di backup (rilevatori di sovratensione / sovratensione, cani da guardia) e un'attenta disposizione. La mia impressione è che PIC / Arduino non vengano utilizzati su larga scala perché sono più costosi e forniscono effettivamente più del necessario.

Sono ingegnere elettronico e utilizzo la mega board Arduino per alcune mie applicazioni didattiche e sono anche utente dei moduli LabQ DAQ come DAQ-6009/6008 ed ecc ... sono anche l'utente del PLC da Allen-Brady ed ecc. ma trovo che l'idoneità di Arduino debba essere testata in ambienti industriali difficili come le fluttuazioni di temperatura, le condizioni di polvere e umidità e anche le vibrazioni e le radiazioni EM e persino il collegamento affidabile ai sensori o attuatori e anche alle altre schede di elaborazione dati necessarie prima di dare il segnale i? p e prima di inviarlo agli effettori finali finali come valvole ed ecc ...

da questa pagina web e discussione ho intenzione di generare la struttura di test delle schede Arduino per applicazioni industriali .. per diversi tipi di ambienti ... e per diversi parametri ... ecc.

Il microcontrollore Atmel che gestisce Arduino è disponibile anche per sistemi di controllo automobilistici e industriali. Fin qui tutto bene!

[quote] Il loro hardware è realizzato con gli stessi processi di produzione di Arduinos [/ quote]

Sfortunatamente, il resto della scheda Arduino probabilmente non è così robusto.

Esistono numerosi compromessi di progettazione che possono ridurre la durata a costi inferiori. Ad esempio, i condensatori potrebbero non essere classificati per 10k ore a 105 ° C, ma invece per 2k-ore a 80 ° C, e lì c'è una vera differenza nella vita! Allo stesso modo, il regolatore su Arduino è una versione a basso dropout a basso costo, piuttosto che una versione a più basso dropout più capace. (Vi siete mai chiesti perché l'Arduino ha bisogno di almeno 7 V per generare 5 V? Ecco perché, con un regolatore ULDO, 5,3 V sarebbero stati sufficienti.) Il vostro alimentatore andrà mai in black-out? Come fai a sapere se l'intero sistema è in uno stato sicuro? Non c'è nemmeno una miccia sulla scheda!

Allo stesso modo, non c'è quasi nessuna protezione contro un ambiente difficile sulla scheda Arduino. I contatti sono economici, contatti femmina di livello consumer classificati per alcune dozzine di inserimenti, non contatti IP-65 (a costo). I pin I / O si basano sulla protezione ESD debole integrata dell'Atmega MCU, senza esterno protezione.

Se dovessi costruire un sistema critico per la sicurezza, potrei benissimo usare una MCU Atmega, ma non userei la scheda Arduino così com'è. Il costo di far girare una nuova scheda con nuovi componenti progettati per la situazione sarebbe piccolo in confronto. E su quella scheda, potrei mettere tutto l'hardware del driver di cui ho bisogno, proteggere l'interfaccia e usare connettori reali e rinforzati. Non che io sia effettivamente qualificato per costruire un sistema elettronico critico per la sicurezza - sono un ragazzo software!

Per un assaggio di Arduino con un po 'di protezione elettrica (ma ancora nessuna protezione sulle altre modalità di guasto), controlla Ruggeduino: http://ruggedcircuits.com/html/ruggeduino.html

Penso che i problemi con polvere, umidità, vibrazioni, ecc. Possano essere facilmente risolti. Ho lavorato nella riparazione di collisioni automobilistiche per 30 anni e assisto a tutti i tipi di controller. La semplice soluzione utilizzata nelle automobili per affrontare l'ambiente difficile è racchiudere il modulo di controllo in una resina non conduttiva che impedisce a umidità o polvere di entrare in contatto con il controller e allo stesso tempo rende il controller impermeabile alle vibrazioni.

Sono anche un kayaker e ho costruito un sistema di elettropompa per la mia barca per affrontare il problema potenzialmente letale di provare a pompare una barca allagata in condizioni di tempesta. Nel corso degli anni il problema delle elettropompe nei kayak è stato l'elettronica accessibile all'uso ma protetta dall'acqua salata. Nessuno sembrava avere altro che un successo temporaneo.

Si scopre che, utilizzando un interruttore magnetico e un interruttore e un controller incassati in uretano, ho un sistema che è sopravvissuto a 3 anni di sale e che sono in grado di immergere acqua fresca e sommersa, nonché tutti i colpi che le onde e il trasporto di auto barca.

Non sono un esperto di elettronica, intendiamoci. Quindi forse c'è una debolezza negli Arduinos che li rende inadatti ai sistemi di sicurezza ma non c'è nulla nell'ambiente da cui non possano essere protetti con un piccolo pensiero.

L'uso di Arduino in ambiente industriale può essere accettabile se:

1. Proteggi i tuoi ingressi e uscite come fanno i PLC
2. Implementate il rilevamento e il watchdog del brown out nella vostra applicazione o con l'aiuto di hardware esterno
3. L'applicazione si assicura che le uscite siano sempre in uno stato sicuro noto
4. Implementate tutti gli interblocchi e la sicurezza direttamente nel codice
5. Passi più tempo a testare e poi a scrivere codice
6. Non hai bisogno di certificazione per il tuo dispositivo personalizzato

Probabilmente dovrai fornire l' interfaccia di protocollo MODBUS o PROFIBUS e fare in modo che i driver si interfacciano 0..20mA, 4..20mA, 0..10V, TC, motori, encoder (o utilizzare le schede slave MODBUS / PROFIBUS con tali driver integrati ) ...

Se si desidera programmare il dispositivo in logica ladder anziché in C / ASM / PAS / BAS, è possibile. Questo software lo fornisce.