可编程逻辑控制器 (PLC) 是现代工业自动化的基石，为控制机器和流程提供一个强大而灵活的平台。简单来说，PLC是一种工业数字计算机，适用于控制装配线、机器人设备等制作的完整过程，或任何的需要高可靠性、容易编程且能进行故障诊断的活动。PLC发明于20世纪60年代末，旨在取代当时复杂的继电器和定时器系统。Richard Morley通常被认为是1968年发明第一台PLC（Modicon）的功臣。从那时起，随技术的持续不断的发展，PLC已成为众多应用领域的重要组件，包括机器控制、楼宇自动化、预测性维护、数据记录、远程监控和安防等。

  ●处理器 (CPU)：它控制PLC的所有活动，处理来自输入模块的数据，并向输出模块发送信号。

  ●输入/输出模块 (I/O)：PLC能借助这些模块与外界互动。输入模块接收来自传感器和人机界面 (HMI) 的数据，而输出模块则向执行器和别的设备发送信号。

  ●通信端口：用于实现PLC与别的设备（如计算机、其他PLC和网络系统）之间的通信。

  最近，Arduino携Opta平台（图1）进入了PLC市场，这是一款安全、易用的微型PLC，具有工业物联网 (IIoT) 功能。该平台是Arduino与领先的工业和楼宇自动化设备制造商Finder合作设计的。Opta让专业技术人员能利用ArduinoECO扩展自动化项目。它支持Arduino sketch和标准PLC语言，包括梯形逻辑图 (LD) 和功能块图 (FBD)。

  图1 Arduino已经携Opta系列PLC进入了可编程逻辑控制器市场（图源：Arduino）

  ●安全性：Opta具有安全引导程序，支持使用TLS 1.2进行安全通信。

  ●专业级IIoT功能：Opta具有多种连接选项，可以连接到互联网用于远程监控。

  在本项目中，我们将设计一个概念验证传送系统，按照尺寸对包装箱进行分类。我们将通过本项目探索有关Arduino Opta的多个概念，包括使用Arduino 2.0 IDE和Arduino PLC IDE进行开发。我们还将完成硬件与PLC的连接过程。最后，我们将了解如何通过Arduino云将Opta连接到互联网。

  本项目将使用两个红外 (IR) 断光束传感器来检测包装箱及其尺寸。这类传感器通常用于物体检测、计数和安防系统等应用中。它们成对使用，发射器有两根线，接收器有三根线。

  我们将把这对传感器上下堆叠在一起。如果一个小箱子通过，它只能激活一个传感器。而较大的箱子会中断两束光，同时激活两个传感器。最后，由于这两个是5V传感器，我们应该使用稳压器将电压从12V降到5V。图2显示了这两个传感器与Opta的连接方式。

  图2 显示硬件连接的接线图。请注意，上拉电阻是可选的，若需要，可将红外接收器OUT引脚连接至降压转换器的5V电压（图源：Green Shoe Garage）

  3.将发射器（红外LED）的VCC（电源）引脚连接至稳压器的正 (+) 输出端子。

  7.对于上方的断光束传感器，将OUT（信号）引脚连接至I3数字/模拟输入端子。

  8.对于下方的断光束传感器，将OUT（信号）引脚连接至I4数字/模拟输入端子。

  9.根据您的具体模块，在大多数情况下要增加一个上拉或下拉电阻。若使用下拉电阻，则在信号引脚和接地引脚之间连接一个10kΩ电阻。

  接下来，将Opta PLC连接到专为对接直流电机而设计的电路板上。两块电路板将通过RS485总线Modbus RTU命令进行通信（半双工，无终端电阻）。控制板包含控制直流电机的继电器，而直流电机将驱动传送带移动包装箱。

  Opta控制板包含一个专用的RS485硬件端口，以嵌入式螺丝端子的形式安装在外壳顶部。引脚分别标记为A(-)、GND和B(+)。除了用于供电的VIN引脚外，电机控制板还有别的相应的引脚。通过以下步骤将PLC与控制器连接起来：

  最后，我们一定要将12V直流电机连接到控制继电器。我们大家都希望两个电机的旋转方向相反。电机将由Opta 12V端口供电。

  2.将继电器控制板的COM1端口连接到直流电机的其中一条引线.将直流电机的另一条引线连接到Opta的GND引脚。

  5.将继电器控制板的COM2端口连接到第二个直流电机的其中一条引线。确保引线与第一台电机的引线相反，以保证它们的旋转方向相反。

  由于我们的要求之一是PLC能与云通信以进行远程监控，因此我们将从Arduino IoT Cloud仪表板开始配置我们的新设备（图3）。首先，下载并安装Arduino Create代理，允许设备与Arduino Cloud后台通信。下载代理程序并查看安装文档。安装好后，用USB Type-C电缆将Opta连接到运行Create代理的研发人员工作站计算机上。

  （图源：Green Shoe Garage）首先，我们仅需导航到Devices选项卡，单击Add按钮并完成安装向导，即可将Opta配置到Arduino IoT Cloud环境中。这一步将建立安全密钥，允许Opta通过IoT Cloud秘密通信。我们还需要为Opta创建一个“数字双胞胎”（在Arduino环境中称为“thing”）（图4）。为此，请单击Things选项卡，然后单击Create按钮。

  ●负责设置设备和运行主循环的大部分工作。大多数与项目相关的源代码都可以在这里找到。

  ● thingProperties.h包含一些函数调用，用于将物理PLC连接到其在云中的虚拟双胞胎。

  这些库大多数都用在Opta与直流电机控制器板的通信。该控制器板通过Modbus RTU串行通信协议进行通信，具体设置如下：

  ● int motor1 = 1是电机寄存器，用于在检测到高包装箱时控制传送带。

  ● int motor2 = 2是电机寄存器，用于在检测到矮包装箱时控制传送带。

  o int dev_address：电机控制板的地址可能因制造商而异，请查阅控制板文档。

  o uint8_t reg_address：写入电机控制板所执行命令的寄存器地址。寄存器编号与物理继电器板编号相对应。该值介于0x00和0x0F之间。

  o uint8_t holding_write：被写入寄存器以控制继电器的命令。这些命令包括：

  ●tError() 返回一个字符串，其中包含Modbus产生的最后一条错误消息。

  接下来，我们检查断光束传感器的代码。我们大家可以使用几种不同的办法来进行配置，包括将其作为中断的输入，以便立即处理新包装箱。回想一下，我们有两对发射器/接收器。发射器长期处在开启状态，因此它们没有代码。我们将在代码中处理接收器信号。请注意，这些传感器都是ACTIVE LOW（低电平有效）类型，因此当光束因包装箱的存在而中断时，PLC将看到0V电压。表2列出了一些关键函数和变量：

  最后一大段代码用于将遥测数据通过Wi-Fi®通信传回Arduino IoT Cloud。用于实现云通信的函数如下：

  o setDebugMessageLevel(2) 设置调试信息的粒度。根据文档说明，数字越大，获得的信息越详细；默认值为0（仅错误），最大值为4。

  o 主循环的每次迭代都需要调用ArduinoCloud.update()，以便将遥测数据发回云端。

  o bool lowerSensorTripped是一个变量，用于存储下方断光束传感器的状态。如果设置为TRUE，表示检测到包装箱。如果只有下方断光束传感器跳闸，说明包装箱比较小。

  o bool upperSensorTripped是一个变量，用于存储上方断光束传感器的状态。如果设置为TRUE，表示检测到包装箱。如果上方和下方传感器都跳闸，说明检测到了大包装箱。

  对Opta进行编码的另一种方法是使用Arduino PLC IDE，这是一种软件开发环境，允许使用IEC 61131-3标准语言对兼容PLC的Arduino设备做编程。这是一款免费的开源软件，仅适用于Windows系统。截至本文发布之日，PLC IDE的功能仍不如市场上其他一些PLC编程软件丰富。不过Arduino PLC IDE包含多种功能，也是一款功能强大的PLC编程工具：

  ● 支持五种IEC 61131-3编程语言：梯形图、功能块图、结构化文本、顺序功能图和指令表。

  Arduino PLC IDE是一款宝贵的工具，适用于想要对兼容PLC的Arduino设备做编程的任何人。它易于使用和配置，并且功能丰富，是一款强大的PLC编程工具。

  我们已经在GitHub存储库中提供了演示怎么样去使用PLC IDE（图5）对Opta进行编程的代码。

  硬件已组装完毕，固件也已经烧写到Opta PLC，我们接下来将为项目测试做最后的准备。在我们的设置中，断光束传感器将放置在传送带的两侧（图6）。我们将把发射器放在右侧，接收器放在左侧。要格外的注意将发射器和接收器水平和垂直对齐，以便一个大包装箱能同时触发两个传感器。请注意确保电线安全、整齐地穿过任何机械部件，如电机和传送带。

  ● 具体的连接问题可能随不同的红外断光束传感器型号而异，因此请务必查阅传感器附带的数据手册或任意文档。

  ● 确保红外LED（发射器）和光电二极管或光电晶体管（接收器）正确对准，以检测光束中断情况。

  ● 避免将传感器暴露在直射阳光或其他红外光源下，因为它们可能会干扰传感器的运行。

  ● 如果您的设备未列在Arduino PLC IDE中，在大多数情况下要安装相应的Arduino内核。

  ● 如果您的设备没有引导加载程序，则一定要使用Arduino IDE进行烧写。

  五十多年来，在日新月异的技术领域，PLC始终是工业自动化不可或缺的一部分。Arduino进入这类嵌入式系统领域，为工业系统模块设计人员提供了令人兴奋的新选择，尤其是对于资源较为有限的小企业而言。凭借其出色的适应性、灵活性和强大的功能，

  系列必将成为现代工业领域的风向标。用Arduino Opta Wi-Fi®代替传统PLC，是将设备连入IIoT系统的一种便捷方式。使用传统PLC编程技术的能力，能够在一定程度上帮助习惯于传统PLC软件开发的系统集成商更快适应。

  通过本项目，您应该对PLC的原理，以及使我们的工业化社会得以运转的关键系统有了基本的了解。无论您是工程师、技术人员，还是仅仅对技术感兴趣，

  都能为您提供强大的学习平台，并为许多实际的自动化和远程控制应用提供物美价廉的解决方案。

  专业工程师Michael Parks是Green Shoe Garage的联合发起人。Green Shoe Garage是一家提供定制电子设计的工作室和嵌入式安全研究公司，位于马里兰州西部。Michael Parks创办了《Gears of Resistance》播客来提升公众对科技的认知。他还拥有马里兰州专业工程师资质，并获得了约翰·霍普金斯大学系统工程硕士学位。