Breve introducción a los PLC y Raspberry Pi

A Controlador lógico programable (PLC) Es una computadora industrial diseñada para automatizar procesos y controlar maquinaria en diversas industrias. Los PLC son dispositivos altamente confiables y robustos, capaces de gestionar tareas como la gestión de cintas transportadoras, la monitorización de sensores o la operación de sistemas robóticos. Son esenciales para garantizar la precisión, la eficiencia y la seguridad en la automatización.

La Raspberry Pi , por otro lado, es una computadora monoplaca versátil y asequible que ha ganado popularidad gracias a su diseño compacto y su amplia gama de aplicaciones. Si bien se desarrolló inicialmente como una herramienta educativa, su bajo costo, sus pines GPIO (Entrada/Salida de Propósito General) y su compatibilidad con software de código abierto la convierten en una alternativa prometedora a los PLC tradicionales para aficionados, educadores y pequeñas empresas que buscan explorar la automatización con un presupuesto limitado.

Tendencias actuales en automatización industrial

Industria 4.0 y fábricas inteligentes

Integración de tecnologías avanzadas como IoT, IA y aprendizaje automático para crear sistemas de producción interconectados e inteligentes.

Recopilación y análisis de datos en tiempo real para mantenimiento predictivo, optimización de procesos y mayor eficiencia.

IoT industrial (IIoT)

Uso de dispositivos y sensores conectados para monitorizar equipos y procesos.

Centrarse en la comunicación fluida entre máquinas y sistemas para mejorar la productividad y reducir el tiempo de inactividad.

https://www.mdpi.com/2079-9292/10/23/3047

Inteligencia artificial y aprendizaje automático

Soluciones basadas en IA para mantenimiento predictivo, control de calidad y toma de decisiones. Modelos de aprendizaje automático para optimizar las líneas de producción y adaptarse dinámicamente a las condiciones cambiantes.

Cobots y robótica avanzada

Implementación de robots colaborativos (cobots) que trabajan junto a trabajadores humanos. Creciente adopción de la robótica para tareas repetitivas, ensamblaje de precisión y operaciones peligrosas.

Computación de borde

Procesamiento de datos más cercano a la fuente (p. ej., sensores y controladores) para reducir la latencia y optimizar la toma de decisiones. Mayor seguridad y menor dependencia de sistemas centralizados en la nube.

Ciberseguridad en la automatización

Énfasis en la protección de las redes industriales contra amenazas cibernéticas.

Implementación de medidas de seguridad robustas como comunicación encriptada y detección de anomalías.

Definición de PLC

Principios básicos de funcionamiento de los PLC

Los PLC reciben señales de entrada de diversas fuentes, como sensores, interruptores u otros dispositivos. Estas señales representan condiciones reales como la temperatura, la presión, el movimiento o el estado de la maquinaria.

Procesamiento (Ejecución de lógica): La unidad central de procesamiento (CPU) del PLC procesa los datos de entrada según una lógica preprogramada. Esta lógica se define típicamente mediante diagramas de contactos, diagramas de bloques de funciones o programación de texto estructurado.

Con base en la lógica procesada, el PLC envía señales de salida a actuadores, motores, válvulas u otros dispositivos para realizar acciones específicas. Por ejemplo, encender un motor, abrir una válvula o detener una cinta transportadora.

Los PLC funcionan de manera cíclica (ciclo de escaneo), leyendo repetidamente las entradas, procesando la lógica y actualizando las salidas, lo que garantiza el control en tiempo real.

Comunicación

Los PLC modernos pueden conectarse a redes y comunicarse con otros controladores o sistemas de supervisión, lo que permite la integración en marcos de automatización más grandes.

Escenarios de aplicación típicos de los PLC

Automatización de la fabricación:
• Control de líneas de montaje, brazos robóticos y maquinaria en fábricas.
• Coordinar procesos como soldadura, embalaje o control de calidad.

Control de procesos:
• Regulación de variables como temperatura, presión o flujo en industrias como el petróleo y el gas, el procesamiento de alimentos y los productos farmacéuticos.

Manipulación de materiales:
• Gestión de cintas transportadoras, sistemas de clasificación y grúas en almacenes, aeropuertos o puertos.

Gestión de la energía:
• Automatización de sistemas en centrales eléctricas, como control de turbinas, gestión de red y distribución de carga.

Automatización de edificios:
• Operar sistemas HVAC, iluminación y ascensores en edificios comerciales y residenciales.

Tratamiento de agua y aguas residuales:
• Monitoreo y control de bombas, válvulas y sistemas de filtración en plantas de tratamiento.

Sistemas de transporte:
• Control de señales ferroviarias, semáforos y cabinas de peaje.
• Gestión de sistemas en metros o aeropuertos para un funcionamiento fluido.

Automatización agrícola:
• Control de sistemas de riego, invernaderos y sistemas de alimentación animal para prácticas agrícolas optimizadas.

Ventajas de usar Raspberry Pi como PLC

Costo-efectividad: Raspberry Pi es significativamente más barato que los PLC tradicionales, lo que lo convierte en una opción atractiva para pequeñas empresas, empresas emergentes, aficionados y proyectos educativos.

Personalización: La naturaleza de código abierto de Raspberry Pi permite a los usuarios crear y personalizar sistemas de automatización adaptados a requisitos específicos, ofreciendo una flexibilidad incomparable en comparación con los sistemas PLC propietarios.

Amplio ecosistema de software: Compatible con varios entornos de programación como Python, Node-RED y Codesys.

Acceso a numerosas bibliotecas y herramientas para funciones avanzadas como registro de datos, conectividad IoT y aprendizaje automático.

Integración de IoT: Raspberry Pi puede conectarse sin problemas a plataformas en la nube, lo que permite el monitoreo en tiempo real, el control remoto y el análisis predictivo.

Ideal para implementar soluciones de automatización basadas en Industria 4.0 e IoT.

Múltiples opciones de entrada/salida (IO): Equipado con pines GPIO para funciones IO básicas y ampliable con HAT (hardware conectado en la parte superior) o protectores para conectividad de grado industrial.

Licencias de código abierto: Elimina la dependencia de software o hardware propietario, reduciendo los costos a largo plazo y ofreciendo control total sobre el sistema.

Componentes necesarios

Hardware

Raspberry Pi y placas de expansión para E/S digitales/analógicas

✓ Tarjetas de E/S digitales
Proporciona pines de entrada y salida digitales adicionales. Útil para controlar relés, sensores y actuadores.
Ejemplos: PiFace Digital, Automatización HAT.

✓ Placas de E/S analógicas
Añade la función de entrada/salida analógica a la Raspberry Pi, que carece de compatibilidad nativa con señales analógicas. Esencial para leer datos de sensores analógicos (p. ej., temperatura y presión) y controlar dispositivos como actuadores analógicos.
Ejemplos: HAT ADC/DAC como las placas basadas en ADS1115 o MCP3008.

✓ Placas de relés
Permite el control de dispositivos de alto voltaje, como motores, luces o maquinaria industrial.
Ejemplos: PiRelay, módulo de relé de 4 canales Sainsmart.

✓ Placas de E/S industriales
Diseñado para entornos hostiles con características como optoaislamiento, protección contra sobretensión y compatibilidad con niveles de señal industriales.
Ejemplos: HAT industrial de Sequent Microsystems, UniPi Neuron.

✓ Placas de protocolo de comunicación
Admite protocolos de comunicación industrial como Modbus, CAN o RS-485.
Ejemplos: PiCAN2, RS485 HAT.

Módulos de E/S digitales y analógicos

✓ Módulos de E/S digitales

https://www.makerfabs.com/módulo-anuncio-de-4-canales-para-raspberry-pi-3.html

Los módulos de E/S digitales se utilizan para interactuar con dispositivos que operan mediante señales binarias (encendido/apagado, alto/bajo). Estos módulos amplían el número de entradas/salidas digitales y proporcionan compatibilidad con niveles de voltaje industriales.

Características principales:
• Soporte para señales TTL (3,3 V o 5 V), 12 V y 24 V.
• Dispositivos de control como relés, interruptores, LED y solenoides.
• Optoaislamiento para protección contra picos de tensión.

✓ Módulos de E/S analógicos
Los módulos de E/S analógicos son esenciales para procesar señales con valores variables, como las de los sensores que miden temperatura, humedad o presión.

Características principales:
• ADC (convertidor analógico a digital) para convertir entradas analógicas en señales digitales.
• DAC (convertidor digital a analógico) para generar salidas analógicas.
• Resoluciones comunes: 10 bits, 12 bits o superiores para lecturas precisas.

Raspberry Pi OS, Codesys y OpenPLC: Plataformas para la automatización

Sistema operativo Raspberry Pi

Descripción general
•  Sistema operativo Raspberry Pi Es el sistema operativo recomendado para dispositivos Raspberry Pi.

Codesys
Descripción general
• Codesys es un entorno de desarrollo de nivel profesional para programación de PLC, compatible con lenguajes estándar IEC 61131-3 como diagrama de escalera (LD), diagrama de bloques de funciones (FBD) y texto estructurado (ST).
• Se puede instalar en Raspberry Pi para transformarlo en un PLC de grado industrial.

OpenPLC
Descripción general
• OpenPLC es una plataforma de código abierto diseñada específicamente para la programación y automatización de PLC.
• Admite lenguajes de programación IEC 61131-3, lo que lo convierte en una alternativa rentable al software PLC tradicional.

Entorno de desarrollo:

El entorno de desarrollo para la automatización de Raspberry Pi utilizando Python, Node-RED y MQTT Ofrece un enfoque versátil y potente para construir sistemas de control de IoT y en tiempo real. Uno de los lenguajes más efectivos para la implementación de Raspberry Pi es Python debido al uso de comandos de alto nivel y la disponibilidad de numerosas bibliotecas. Permite el control directo de los pines GPIO para la interfaz con sensores, actuadores y otros dispositivos, además de ofrecer robustas capacidades de procesamiento de datos. Bibliotecas como RPi.GPIO y gpiozero permiten una gestión eficiente del hardware, mientras que otras como paho-mqtt se integran a la perfección con MQTT para la comunicación.

Node-RED , una herramienta de desarrollo basada en flujo, complementa a Python al proporcionar una interfaz de programación visual. Simplifica la creación de flujos de trabajo de automatización mediante nodos de arrastrar y soltar, lo que permite a los usuarios diseñar sistemas complejos sin necesidad de conocimientos avanzados de programación. Node-RED admite control GPIO, solicitudes HTTP e integración con servicios en la nube, lo que lo convierte en una herramienta práctica para orquestar flujos de datos y crear paneles de control en tiempo real para la monitorización y el control.

MQTT es la columna vertebral de la comunicación en este entorno. Es un protocolo ligero, ideal para dispositivos con recursos limitados, como Raspberry Pi. MQTT utiliza un modelo de editor-suscriptor, lo que permite una mensajería eficiente y en tiempo real entre dispositivos. Esto lo convierte en la opción ideal para aplicaciones de IoT donde la comunicación fiable es crucial.

Juntos, Python, Node-RED y MQTT crean un ecosistema integrado. Python puede gestionar interacciones de hardware y realizar cálculos avanzados, mientras que MQTT garantiza una comunicación eficiente de datos entre dispositivos o plataformas en la nube. Node-RED integra todo al permitir la gestión visual del flujo de trabajo y la visualización de datos en tiempo real. Por ejemplo, en un sistema de domótica, Python podría leer datos de temperatura de un sensor, publicarlos en un agente MQTT, y Node-RED podría suscribirse a los datos, mostrarlos en un panel y activar acciones como encender un ventilador.

Este entorno es escalable y flexible, ideal para tareas de automatización tanto simples como complejas. Python proporciona la profundidad necesaria para una funcionalidad avanzada, Node-RED facilita el uso y la visualización, y MQTT facilita una comunicación fluida. Ya sea para prototipado, aplicaciones IoT o sistemas de automatización a gran escala, esta combinación ofrece una solución robusta e integrada.

Configuración del software

Instalación y configuración de OpenPLC en una Raspberry Pi

OpenPLC es una plataforma gratuita y de código abierto que transforma Raspberry Pi en un potente controlador lógico programable (PLC) compatible con la norma IEC 61131-3. A continuación, se detallan los pasos para instalar y configurar OpenPLC en una Raspberry Pi.

Preparar la Raspberry Pi
1. Requisitos de hardware:
o Raspberry Pi (se recomienda modelo 3B, 4 o más nuevo).
o Tarjeta SD con sistema operativo Raspberry Pi de al menos 16 GB.
2. Actualizar el sistema
3. Instalar las dependencias necesarias: Instalar paquetes esenciales para compilar y ejecutar OpenPLC:
sudo apt install git build-essential python3-pip apache2 php libmodbus-dev libsnmp-dev -y

Instalar OpenPLC
1. Clonar el repositorio OpenPLC: Navegue a su directorio de inicio y clone el repositorio OpenPLC:
clon de git https://github.com/thiagoralves/OpenPLC_v3.git

cd OpenPLC_v3

2. Ejecute el script de instalación: OpenPLC proporciona un script de instalación que automatiza el proceso de configuración. Ejecute el script con:
sudo ./install.sh rpi

3. Establecer permisos: Después de la instalación, asegúrese de que el entorno de ejecución de OpenPLC tenga los permisos necesarios para interactuar con GPIO:

sudo chmod a+rw /dev/mem

Configurar OpenPLC
1. Inicie el entorno de ejecución de OpenPLC: Inicie el entorno de ejecución de OpenPLC ejecutando:
sudo ./start_openplc.sh
Esto iniciará la interfaz web de OpenPLC y el sistema de ejecución.

2. Acceda a la interfaz web: Abra un navegador web en su red local y navegue a:
http://<ip_de_frambuesa_pi>:8080

Acceso: Nombre de usuario predeterminado: openplc Contraseña predeterminada: openplc

Debe cambiar las credenciales predeterminadas de seguridad en la pestaña "Configuración" en la interfaz web.

3. Cargar un programa PLC:
o Vaya a la pestaña "Programas" en la interfaz web de OpenPLC.
o Cargue un programa de PLC en uno de los formatos admitidos (por ejemplo, lógica de escalera, diagrama de bloques de funciones, texto estructurado).
o Compilar e implementar el programa.

Opcional: Habilitar la comunicación Modbus

1. Activar el servidor Modbus: OpenPLC incluye un servidor Modbus TCP/RTU para comunicación industrial. Habilítelo en la pestaña "Configuración".

2. Prueba Modbus: Utilice herramientas como modpoll o un sistema SCADA compatible con Modbus para comunicarse con OpenPLC.

Solución de problemas
• Interfaz web no accesible: Asegúrese de que el servidor Apache esté ejecutándose:
• sudo systemctl restart apache2
• Problemas de GPIO: Verifique los permisos de acceso GPIO y asegúrese de la asignación correcta de pines en la configuración de OpenPLC.
• Errores del programa: Valide su programa PLC para detectar errores de sintaxis antes de cargarlo.

Limitaciones

× Idoneidad industrial: Raspberry Pi carece de durabilidad y certificaciones de nivel industrial, lo que lo hace menos confiable en entornos hostiles.
× GPIO limitado: la cantidad de pines GPIO puede restringir sistemas complejos, lo que requiere placas de expansión.
× Rendimiento en tiempo real: Las capacidades en tiempo real de Raspberry Pi no son tan sólidas como las de los PLC dedicados.
× Estabilidad del software: OpenPLC, al ser de código abierto, puede tener menos funciones y soporte en comparación con el software PLC comercial.

Conclusión

Raspberry Pi, con su bajo costo, flexibilidad y compatibilidad con plataformas de código abierto, ofrece una alternativa atractiva a los PLC tradicionales para proyectos de automatización. Si bien aún no puede reemplazar por completo a los PLC de grado industrial en entornos hostiles, proporciona una plataforma excelente para la creación de prototipos, fines educativos y aplicaciones de pequeña y mediana escala. Al aprovechar herramientas como Python, Node-RED y OpenPLC, los usuarios pueden crear soluciones de automatización personalizadas que se integran a la perfección con los ecosistemas del IoT. A medida que la automatización industrial de código abierto continúa evolucionando, el potencial de Raspberry Pi como controlador programable seguirá creciendo, convirtiéndola en una herramienta invaluable para aficionados, educadores y empresas innovadoras.