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技术培训
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为什么使用“树莓派”？
树莓派（中文名“树莓派”）是一款信用卡大小的卡片式计算机，专为学生计算机编程教育而设计。 Raspberry Pi基于开放的Linux系统，可以自由地使用C/C++、Python、Javascript等编程语言进行开发，为众多编程爱好者提供了优秀的学习和测试平台。 借助开放的软硬件资源，我们可以快速实现IEC61131-3标准的边缘计算PLC产品。
什么是边缘计算PLC？
在正式介绍Raspberry Pi边缘计算PLC的实现之前，我们首先需要了解一下边缘计算PLC概念的背景。 工业4.0时代，传统控制技术OT（Operation Technology）与信息技术IT（Information Technology）之间的界限越来越模糊。 目前，在工业自动化领域，如果需要将传统的PLC控制器与IT系统结合起来，大量使用网关产品，这可能是现阶段的无奈之举。
然而系统架构的复杂性大大增加了工业数据的延迟，降低了大数据采集的效率，从而制约了未来工业大数据分析的准确性。 同时，所有工业原始数据都将由云平台服务器进行采集和分析。 随着工厂应用变得越来越复杂，云平台的计算能力限制和臃肿的数据库将使未来的工业智能面临巨大的挑战。
因此，我们需要尽可能简化工业4.0时代的系统设计。 我们需要一种能够融合OT和IT技术的新型PLC产品。 它不仅可以高速处理工业现场OT数据，还能够与IT系统进行开放交互。 并且具有一定的计算能力，可以对大量工业现场OT数据进行预处理，并且只交付云平台所需的数据，而不是所有数据处理功能都在云平台上完成。 这是我们理想的边缘计算 PLC。
为了实现这一目标，除了强大的数据处理能力、大容量内存等硬件支持外，软件还需要同时支持开放的OT和IT平台，如：IEC61131-3编程、PLCopen MC运动控制、EtherCAT ，CANopen、Modbus等传统OT技术，开放式物联网编程平台Node-RED、本地嵌入式数据库、OPC-UA、MQTT等IT技术。
树莓派作为今天的主角，是一个非常优秀的硬件平台。 同时，基于x86架构的PC Based解决方案将为我们打开另一个窗口。 在本文中，我们将重点分析Raspberry Pi来实现边缘计算。 PLC的关键技术点。
使用Raspberry Pi硬件进行工控时可能会出现哪些问题？
稳定可靠的硬件是工业控制器的基础。 即使有强大的开源社区软硬件资源支持，标准的Raspberry Pi（包括最新的Raspberry Pi 3B/3B+/4B）产品硬件也不是工业级的。 针对特定应用而设计，仅适合实验、学习和测试，不适合在环境复杂、可靠性要求高的工业现场使用。 针对工业级产品应用，Raspberry Pi官方社区发布了最新的Raspberry Pi 3B+ Compute Module核心板（以下简称Raspberry Pi CM核心板），通过连接扩展板信号即可用于工业级应用通过 DDR2 SODIMM 接口。 控制器产品设计：
这里我们也为您简单整理了Raspberry Pi 3B+计算模块核心板的相关技术参数：
处理器：Broadcom BCM2837B0、Cortex-A53 (ARMv8) 64 位 SoC @ 1.2GHz
内存：1GB LPDDR2 SDRAM
闪存：8GB/16GB/32GB eMMC闪存
工作温度范围：-25℃ – 80℃
硬件认证：
电磁兼容性指令 (EMC) 2014/30/EU
有害物质限制 (RoHS) 指令 2011/65/EU
维护截止时间：2026年1月
从整体硬件规格来看，Raspberry Pi CM核心板在硬件设计上保持了较高的规格，处理器性能高，内存空间非常大，成本低廉，并且满足工业级温度和硬件认证要求，其硬件设计原理图完全对外开放，因此基于Raspberry Pi CM核心板的PLC产品可以具有极高的计算性能和大的存储空间。
但综合分析后，我们认为Raspberry Pi CM核心板处理器用于工控应用时，其外围接口还是比较少。 例如，实现工业控制器的RS232/RS485/RS422接口的UART外设只有2个。 由于没有CAN总线接口，以太网必须通过USB接口芯片来扩展，这极大地限制了网络交互的实时性。 这对于一些需要更快速度的现场总线来说将是一个很大的挑战：例如EtherCAT，这主要受到模块内部限制的限制。 USB转以太网接口芯片的带宽以及USB芯片处理以太网数据包的实时性能。
当然，我们需要给基于Raspberry Pi CM核心板开发的工业控制器产品一个合适的定位，以充分发挥其硬件特性。 通常，传统工业控制器使用的处理器频率较低，内存空间非常有限。 因此，对于Raspberry Pi CM工业控制器来说，应充分发挥其高性能计算和大存储容量的特点。 事实证明，传统工业控制器需要在云端进行的计算和数据存储都可以根据需要在Raspberry Pi CM工业控制器上实现。 这就是我们之前介绍的边缘计算PLC的概念。 同时也可以通过工业现场总线和通信协议来实现。 与其他工业控制器或传感器通信，如Modbus、CANopen、EtherCAT、OPC-UA等。
关于硬件部分，最后需要特别说明的一点是，Raspberry Pi CM核心板处理器发热严重，设计上需要做好散热工作。 而且功耗较高，不适合一些低功耗或发热的控制器。 所需的应用场景。
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Raspberry Pi 提供了对标准开源 Linux 系统 Raspbian（基于 Debian 的发行版）的支持，但当标准 Linux 应用于工业控制系统时，我们永远无法回避一个话题：实时。
工业控制器需要实时性能吗？
工业控制器需要实时性能吗？ 这是开发工业控制器产品时非常常见的问题。 实时的定义是系统在规定时间内的响应能力。 这里的“指定时间”并没有明确的定义，因此实时性要求与实际现场应用紧密结合。
例如，当我们使用手机时，点击某个界面后，手机的响应速度会变快或变慢，我们的用户感觉也会有所不同。 这是实时的反映。
Android手机使用时间越长，响应速度就越慢，实时性也就越低。 苹果手机的实时性能比安卓手机高很多，所以感觉更流畅。 因此，我们对手机的实时性能有要求。 。 但日常生活中应用的实时性要求不高，即使偶尔出现超时，也不会造成严重后果。 顶多体验会差一点。 这就是软实时的概念。
我们工业自动化领域的控制器有一些小目标。 有些行业应用场景要求非常高。 它们需要在接收到外部信号后立即处理并输出信号。 PLC通常采用中断子程序进行处理。 要求不是很高的场景通常采用指定的周期来循环：读取I/O信号->进行逻辑处理->输出I/O信号，根据应用场景通常达到1-500ms的精确PLC程序。 执行周期，PLC工作原理如下图所示：
无论是触发外部信号中断立即执行PLC程序逻辑，还是精确定时实现精确的1-200ms周期执行PLC程序逻辑，涉及到Raspberry Pi的Linux操作系统的实时性这篇文章是一个非常关键的因素，实时性与操作系统的时序精度、中断响应时间、任务切换时间等因素的确定性密切相关，相关因素的时序需要严格控制必须先确定才能称为硬实时。
PLC循环时间的不同场景和要求
这里我们通过以下例子来说明不同应用场景的实时性和PLC循环要求：
控制器通过EtherCAT总线控制驱动器。 PLC系统通常需要在接收到数据后50us内处理总线数据，从而达到稳定的1ms周期并向驱动器发送位置指令。
智能制造工厂的实时数据需要稳定的4-32ms的周期性数据通信。
过程控制应用场景（如水处理、油气、化工、电力等行业）的控制周期在100-500ms范围内。
但无论如何，工业控制器作为工业自动化的核心大脑，不允许出现任何超出实时要求的偶然情况。 否则，将会对整个复杂的工业现场造成很大的风险。 这就是硬实时的概念。 也是一些国产品牌工业控制器不稳定的根源之一（在开发工业控制器产品之前，可以参考国外同类控制器产品的选择进行操作系统的选择，尽量选择稳定可靠的实时运行）系统，如：FreeRTOS、embOS、Keil RTX、RT-Thread、uCOSIII、VxWorks、QNX、RTX64、INtime等。如果必须使用Linux系统，请注意，在开发运动控制产品时，尽量使用RTAI和Xenomai代替PREEMPT-RT实时内核补丁，关于实时操作系统分析和Linux实时内核扩展，我们可以在以后的文章中详细分享）。
因此，开发工业控制器的工程师和产品经理一定不要心存侥幸，选择稳定可靠的实时操作系统（RTOS）来搭建工业控制器的基础平台，除非现场的实际应用需求只需要软件。 实时性要求，系统实时性问题不会造成现场重大问题，例如：在智能楼宇商业应用中，灯、风扇、空调开关可能偶尔会变慢。 虽然最好能及时响应，但意外超出设计规范不会造成什么问题，那么这种情况下的软实时要求就足够了。
回到树莓派的话题，树莓派支持的传统Linux系统Raspbian没有任何硬实时支持。 因此，在使用Raspberry Pi CM核心板实现工业控制器时，必须熟悉其他标准Linux系统。 升级改造可以提高其实时性能。因此，这里我们对标准Raspberry Pi Linux系统进行了升级，并集成了Linux的PREEMPT-RT实时内核补丁，以改变Raspberry Pi上标准控制最差响应延迟从不确定> 200us（一般为200us -500us，但随着处理器负载的增加，偶尔响应延迟会达到ms级别以上）控制在一定
这里所说的确定性是实现硬实时的一个条件。 只要能够保证这个响应的完全确定性，那么就可以认为已经实现了硬实时。 虽然不同场景对硬实时的要求不同，但具体还是要根据应用场景来分析。
因此，这里我们对上一篇文章中的Raspberry Pi硬件和基础平台Linux操作系统进行总结：
1、树莓派经过PREEMPT-RT实时优化后可以实现
2、由于处理器功耗和发热量较大，低容量电池供电时也适用（AGV小车的电池容量较大，相比x86方案功耗仍然较小） ，控制器产生的热量是防爆的。 需要的场景需谨慎使用（如煤矿、油气田控制器等）。
3、由于Raspberry Pi CM核心板需要通过USB接口扩展以太网接口，因此需要进一步考虑要求较高的工业以太网现场总线（如EtherCAT）的稳定性和确定性，防止现场出现意外情况。 失败的风险。
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前两部分我们重点分析了Raspberry Pi CM核心板应用于工业场景的软硬件优缺点。 在这一部分中，我们将正式介绍实现边缘计算PLC的软件平台IEC61131-3标准LogicLab和开放式物联网开发平台Node-RED。
为什么选择IEC61131-3标准？
1968年，美国GM（通用汽车）公司提出了取代继电器控制装置的要求，并于次年美国数字公司开发出了第一代可编程控制器PLC。 经过20多年的发展，PLC产品已经诞生了一大批编程式技术和产品。 不同的PLC厂家对PLC的理解不同，有自己的技术实现方式。 编程语法风格也越来越多，导致用户在不同厂家的PLC产品之间切换时遇到很大的挑战。
1993年，在那个PLC大战的时代，IEC61131-3标准（初名为IEC1131-3，后更名为IEC61131-3，以下统称为IEC61131-3标准）终于诞生了。 国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，简称IEC）收集了市场上主流的PLC编程标准，于1993年制定了IEC61131-3标准，统一了PLC编程语法（五种主流PLC编程语言，包括功能块图FBD、梯形图LD、结构化文本ST、顺序流程图SFC和指令表IL）、通用PLC架构模型（配置、资源、多任务、变量、地址、程序、功能、功能块、功能/功能块封装和代码重用）。
IEC61131-3标准诞生至今已有近三十年的历史。 PLC产品经历了长期的发展和变化。 近十年来，西门子、三菱、欧姆龙、施耐德、罗克韦尔等业界知名公司已逐步支持IEC61131-3的编程系统和系统模型。 在欧洲，IEC61131-3 标准是开始 PLC 编程的唯一途径。 几乎每个PLC工程师都会学习IEC61131-3标准中的FBD、LD、ST语言。 但在我国，却远远落后。 这里我们就不深究了，会在以后的文章中和大家分享。 但无论怎样，面对未来PLC产品的发展和应用，IEC61131-3标准无疑是未来工业自动化控制系统长期发展的大方向。
我们讲了IEC61131-3标准近年来的历史和发展。 对应具体的Raspberry Pi边缘计算PLC产品，我们需要支持针对OT应用的IEC61131-3控制技术，以及针对IT应用的开放事物。 物联网平台，我们在项目规划之初再次面临选择：完全自主开发IEC61131-3编程软件和控制器产品，还是基于成熟的软件技术，借助专业团队进行二次开发？
为什么选择成熟的IEC61131-3技术合作伙伴？
中小企业为什么要选择成熟的IEC61131-3技术合作伙伴而不是自主研发基础平台？
首先我们还是重点关注IEC61131-3标准的控制器平台技术。 IEC61131-3诞生至今已有近三十年的历史。 欧洲、美国和日本领先的PLC控制器公司很早就开始投入大量资金进行IEC61131-3标准的研发。 控制器平台软硬件产品方面，国内企业起步相对较晚。 由于工业自动化细分市场众多，且单个细分市场规模较小，这些工业自动化细分领域的优秀企业很难投入大量资金进行基础IEC61131-3平台研发。 根据我们过去十年的经验，如果我们希望自主开发具有一定国际竞争力的中小型PLC系统，投入的研发资金可能在数千至数亿元人民币。 从产品规划来看，可能需要5-20年的时间来开发、研制、营销和应用，并具有一定的影响力。 这对于国内一大批工业自动化细分行业的龙头企业来说是一个非常大的挑战。
大量企业需要自主开发符合IEC61131-3标准的控制器产品，自主研发的投入是一项巨大的资金需求。 因此，近二十年来，欧美专门针对这些中小企业开发了IEC61131-3标准控制器。 PLC软件解决方案公司，这里我想介绍一下我所在的易控科技的战略合作伙伴意大利AXEL Srl公司。 意大利AXEL Srl公司二十年前成立，开始向伺服驱动器和逆变器制造商提供非常有限的处理器。 该平台上实现了高性能PLC编程软件和运行时。 这些设备的可用内存资源非常有限，通常以KB级别计算。 同时，由于运行高速算法，可用的处理器资源也相当有限，因此AXEL的PLC代码编译器和运行时都是针对低资源、高性能、可扩展性强而设计的。
我们在工业自动化IEC61131-3软件平台上耕耘了十年。 虽然与整个PLC发展史相比只是一眨眼的功夫，但借助这十年来IEC61131-3标准、现场总线、运动控制、各种处理服务器平台、实时监控等技术的积累，时间操作系统，以及与AXEL的深度绑定与合作，我们将持续为国内企业提供稳定、高效、开放、最贴近客户需求的PLC系统级解决方案。
相信到现在为止，大家应该已经明白如何布局自主研发IEC61131-3标准PLC产品的未来研发路线了。 从目前的工业自动化市场格局来看，大部分PLC控制系统都是由欧洲、日本、美国三大派系的龙头企业控制。 因此，对于我们每个工业自动化细分领域的龙头企业来说，首先保证控制系统硬件产品完全自主研发，通过与国内外优秀的软件技术合作伙伴合作实现IEC61131-3平台和系统，然后逐渐独立发展。 这可能是一条更安全的路线。
如何快速实现Raspberry Pi边缘计算PLC？
笔者认为，与我们共同开发是最快、稳定、风险最小的路线。 目前，我们已经提供了符合IEC61131-3标准的LogicLab编程工具，包括支持五种标准编程语言（FBD、LD、ST、SFC和IL）和实时多任务架构。 还支持丰富的调试方式和功能（在线变量实时监控，包括强制、软件示波器、断点和单步调试等），LogicLab编程工具可用于OEM贴牌和二次扩展开发，进行开放定制。 此外，还支持Modbus、CANopen、EtherCAT等现场总线。 HMI和运动控制等解决方案：
LogicLab系统基于Raspberry Pi标准硬件平台，可扩展I/O，通过Raspberry Pi控制工业信号，如下图所示：
还可以配置Modbus总线实现PLC之间的站间访问。 将来，我们还将为 I/O 模块添加 CANopen 协议和驱动程序支持，以访问 Raspberry Pi CAN 总线扩展板的自定义协议。
通过开放的LogicLab Runtime CSDK，开发者可以将任何基于Linux C语言开发的函数或算法通过插件集成到IEC61131-3应用系统中，包括Raspberry Pi标准I/O扩展、UART、SPI、I2C接口的外设访问、Linux上运行的各种C语言应用程序等：
此外，针对工业物联网应用，Node-RED平台将进一步增强控制器的开放性，提高数据处理和通信能力。 Node-RED是由IBM主导、基于Node.JS开发的开源物联网开发平台。 使用网页浏览器就可以进行拖拽式配置、参数设置、程序加密、数据流调试和下载等。有了这么优秀的平台，我们为什么要重新发明轮子呢？
LogicLab 已经支持在 Raspberry Pi Linux 平台上与 Node-RED 进行无缝数据交换。 LogicLab和Node-RED通过LLSymbol远程访问组件相互交换数据，使得进程间通信数据访问更加高效、及时。 高，所以这样的架构能够更好地支持未来边缘计算PLC的数据时效性要求。
写在最后
通过这一部分，我们详细阐述了使用Raspberry Pi从概念到硬件到系统和控制软件的边缘计算PLC的快速开发。 作为近年来最好的开源社区产品，树莓派拥有强大的社区资源，可以大大减少产品研发投入。 借助我们在Raspberry Pi和实时Linux系统上的应用经验，我们可以快速开发出适合工业应用场景的产品。 IEC61131-3标准的工业控制器产品。 我们还为大家准备了资料包，包括预集成的基于Raspberry Pi 3B/3B+的实时Linux镜像、集成的Linux PREEMPT-RT实时内核补丁、LogicLab SoftPLC操作系统、Node-RED物联网开发平台以及集成图像 更方便系统安装和测试。 您可以快速安装实时Linux内核+PLC系统+Node-RED环境并练习IEC61131-3和Node-RED编程。
