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ARMADAS工业数据采集平台
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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
- 模拟输入 - 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-AU IC 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 Arduino Web Editor 和 Arduino IDE 完成的。**附上代码。（特别感谢 Doc Walker https://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。
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