OpenPLCハット作成

2020年8月22日 Raspberry Pi

転職して産業系の知識が必要になってくるのでPLCの勉強をしようと思う。
ただ、PLCも安いものではないし、使い勝手はメーカに結構左右されるらしいので、Raspberry Pi上にOpnePLC入れることを検討。

何事も形から入ることをモットーとしてるので、
まずはOpenPLCに使えるハードウェアを用意しようと思う。

色々とネットでOpenPLCに対応しているラズパイハットを探してみたが、
どうもUnipi位しか無さそうだが、数万円と高い。
これなら三菱とかオムロンとかのPLC買うのと変わらないし、
どうせ金を払うなら自作しようと思う。

Contents

仕様

という訳で、まずは仕様を固める。

IOピン仕様

OpenPLC公式に記載されているOpenPLC on Raspberry PiのIO仕様：

入力も出力もすべて使うことは全く考えていないので、リレー用に4ピン、デジタル出力用に4ピン、デジタル入力用に4ピン程度かな。
まぁ、足りなくなったらスタックするなり、作り直す。

電源仕様

ラズパイの入力はUSB 5Vだけど、産業用途としてはこれはきつい。
やはり、DC24V対応させるために、24V->5V電源は必須。

5Vの消費電流は以下のように約2.8[A]。

#	分類	容量	備考
1	ラズパイ	2.4 [A]	USB給電なければ1.2Aほど
2	LED	0.1 [A]	input x4, output x4, Power On x1, etc x1 10[mA] x 10 = 0.1[A]
3	リレー	0.3 [A]	SRD-05VDC-SL-C 71.4[mA] 71.4[mA] x4 = 0.3 [A]

~20Wほどの降圧DCDCが必要。
色々探してみたけど、最近のDCDCはQFNだったり、SOPでも部品裏パッドなど、手付け半田ができないタイプが多い。
まぁ、一枚しか作成する気はないので、高価だけどDIPのモジュールタイプにする。

￥2,300と高価だけど許容範囲であるので、TI製 PTN78020Wを使うことにする。

ただ、実設計を行った結果、PTN78020Wではどうしても基板サイズが110 x 56mmになってしまい、基板コストが$77以上となってしまう。
基板サイズを100 x 56mmにすると、$44程度になるため、若干容量に不安はあるけど、3A品のTI製PTN78060Wを使用することにする。

出力仕様

リレー出力

リレー切り替え入力は5Vを使う。
中華製で怪しいけど、このようなハット系でよく使われているSRD-05VDC-SL-Cを採用することにする。

当初はリレー x4個を用意する予定だったけど、基板サイズを100mm以下に抑えるためx3個に変更。

デジタルIO出力

ラズパイの3.3V IOから、フォトカプラを挟んでNPNトランジスタのエミッタフォロア出力で24Vを出力するようにする。

[2020/9/18 追記]
よく考えたら、論理反転させるのを忘れていた。
このままでは、OpenPLC側からLow出力の時に+24Vが出力されてしまう。

単純に、1pin, 3pin共にカットして、1pinにQX0_0出力を繋いで、3pinをGNDに繋ぐようにする。

入力仕様

相手側の24V出力をフォトカプラで受けて、ラズパイの3.3V IOに接続する。

プリント基板

基板サイズを100 x 56mmとした。
ラズパイよりも若干大きくなってしまうが、許容範囲。

ラズパイのLAN, USBコネクタがある面にデジタルInputとOutput用のターミナルブロックを、HDMIコネクタがある面にリレー用と２４Ｖ電源用のターミナルブロックを配置。

3Dモデルがない部品が多いけど、3D表示すると以下の感じ。

プリント基板発注

今回もelecrowでプリント基板を作成する。

ガーバー出力

ファイル -> プロットから、以下の設定で”製造ファイル出力”を実行。
\GERBER配下にがーばファイルが出力される。

ドリルファイル出力

上図の右下にある”ドリルファイルを生成”をクリックして、
以下の設定でドリルファイルを出力する。

ファイル名変更

elecrowの注記にあるようにファイル名を変更する。

ファイル種類	Kicad出力ファイル名	elecrow用ファイル名
部品面パターン	PLC_HAT_R03-F_Cu.gtl	PLC_HAT.GTL
内層１パターン	PLC_HAT_R03-In1_Cu.g2	PLC_HAT.G1
内層２パターン	PLC_HAT_R03-In2_Cu.g3	PLC_HAT.G2
半田面パターン	PLC_HAT_R03-B_Cu.gbl	PLC_HAT.GBL
部品面レジストマスク	PLC_HAT_R03-F_Mask.gts	PLC_HAT.GTS
半田面レジストマスク	PLC_HAT_R03-B_Mask.gbs	PLC_HAT.GBS
部品面シルク	PLC_HAT_R03-F_SilkS.gto	PLC_HAT.GTO
ドリルファイル	PLC_HAT_R03.drl	PLC_HAT.TXT
基板外形図	PLC_HAT_R03-Edge_Cuts.gm1	PLC_HAT.GML

基板到着

9/11に発注して、9/17に到着。1週間も経ってない。相変わらず早い。
今回は、レジストを青色にした。

下がラズパイで、上が今回作成したPLCハット。

電源実装

まずは電源のみ実装して、正常に5V出力してラズパイに電源供給できるか確認。

TI製PN78060Wとその周辺回路、スイッチ、ターミナルブロック、スタックコネクタのみを搭載。

ラズパイにスタックして、ターミナルブロックに24V入力してラズパイが正常に起動することが確認できた。

完成

リレー -> 入力部 -> 出力部（布線改造対応込み）と
1ブロックだけ作って動作確認 -> 残りの全ブロック実装と
都度確認しながらくみ上げていく。

最終的な完成体：

左上の黄色の線が改造部。
かなり細かい作業になってしまった。

DINレール実装

ラズパイDINレールに取り付けたRaspberry PI 3Bにスタックして、
DINレールに搭載した例が以下：

右端から順に以下。
　・ACDCコンバータ (100V -> 24V 1.5A)
　・Raspberry Pi 3 model B rev. 1.2
　・PLC HAT (今回作成した基板)
　・リレー＋リレーソケット

失敗

・QX0.0~QX0.3の極性が反転
・D1~D3, D21-D23のカソードシルクの向きが逆
・CN5のDC24V入力は2.54mmピッチではなく5mmピッチのターミナルブロックが良い
・Q1~Q3のフットプリントがSOT-23なので、SOT-23-HandSoldingが良い
　　=> 配置密集してる＆実装さほど難しくないため、そのまま
・CN1のシルク位置が悪い（回路図修正後の更新で置き換わってしまった模様）
・ラズパイの基板に面合わせしたけど、USBコネクタに面合わせの方が良い
・D11, D12のカソードシルクが移動されてない

出力ピン(QX)に注意

OpenPLC for Raspberry Piは、ラズパイ起動時に立ち上がるようになっているが、GPIO設定がされていない。

ラズパイ起動時のgpioの状態：

$ gpio -g readall
 +-----+-----+---------+------+---+---Pi 3B--+---+------+---------+-----+-----+
 | BCM | wPi |   Name  | Mode | V | Physical | V | Mode | Name    | wPi | BCM |
 +-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+
 |     |     |    3.3v |      |   |  1 || 2  |   |      | 5v      |     |     |
 |   2 |   8 |   SDA.1 |   IN | 1 |  3 || 4  |   |      | 5v      |     |     |
 |   3 |   9 |   SCL.1 |   IN | 1 |  5 || 6  |   |      | 0v      |     |     |
 |   4 |   7 | GPIO. 7 |   IN | 1 |  7 || 8  | 0 | IN   | TxD     | 15  | 14  |
 |     |     |      0v |      |   |  9 || 10 | 1 | IN   | RxD     | 16  | 15  |
 |  17 |   0 | GPIO. 0 |   IN | 0 | 11 || 12 | 0 | IN   | GPIO. 1 | 1   | 18  |
 |  27 |   2 | GPIO. 2 |   IN | 0 | 13 || 14 |   |      | 0v      |     |     |
 |  22 |   3 | GPIO. 3 |   IN | 0 | 15 || 16 | 0 | IN   | GPIO. 4 | 4   | 23  |
 |     |     |    3.3v |      |   | 17 || 18 | 0 | IN   | GPIO. 5 | 5   | 24  |
 |  10 |  12 |    MOSI |   IN | 0 | 19 || 20 |   |      | 0v      |     |     |
 |   9 |  13 |    MISO |   IN | 0 | 21 || 22 | 0 | IN   | GPIO. 6 | 6   | 25  |
 |  11 |  14 |    SCLK |   IN | 0 | 23 || 24 | 0 | IN   | CE0     | 10  | 8   |
 |     |     |      0v |      |   | 25 || 26 | 0 | IN   | CE1     | 11  | 7   |
 |   0 |  30 |   SDA.0 |   IN | 1 | 27 || 28 | 1 | IN   | SCL.0   | 31  | 1   |
 |   5 |  21 | GPIO.21 |   IN | 1 | 29 || 30 |   |      | 0v      |     |     |
 |   6 |  22 | GPIO.22 |   IN | 1 | 31 || 32 | 0 | IN   | GPIO.26 | 26  | 12  |
 |  13 |  23 | GPIO.23 |   IN | 0 | 33 || 34 |   |      | 0v      |     |     |
 |  19 |  24 | GPIO.24 |   IN | 0 | 35 || 36 | 0 | IN   | GPIO.27 | 27  | 16  |
 |  26 |  25 | GPIO.25 |   IN | 0 | 37 || 38 | 0 | IN   | GPIO.28 | 28  | 20  |
 |     |     |      0v |      |   | 39 || 40 | 0 | IN   | GPIO.29 | 29  | 21  |
 +-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+
 | BCM | wPi |   Name  | Mode | V | Physical | V | Mode | Name    | wPi | BCM |
 +-----+-----+---------+------+---+---Pi 3B--+---+------+---------+-----+-----+

$ gpio -g readall

+-----+-----+---------+------+---+---Pi 3B--+---+------+---------+-----+-----+

| BCM | wPi | Name | Mode | V | Physical | V | Mode | Name | wPi | BCM |

+-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+

| | | 3.3v | | | 1 || 2 | | | 5v | | |

| 2 | 8 | SDA.1 | IN | 1 | 3 || 4 | | | 5v | | |

| 3 | 9 | SCL.1 | IN | 1 | 5 || 6 | | | 0v | | |

| 4 | 7 | GPIO. 7 | IN | 1 | 7 || 8 | 0 | IN | TxD | 15 | 14 |

| | | 0v | | | 9 || 10 | 1 | IN | RxD | 16 | 15 |

| 17 | 0 | GPIO. 0 | IN | 0 | 11 || 12 | 0 | IN | GPIO. 1 | 1 | 18 |

| 27 | 2 | GPIO. 2 | IN | 0 | 13 || 14 | | | 0v | | |

| 22 | 3 | GPIO. 3 | IN | 0 | 15 || 16 | 0 | IN | GPIO. 4 | 4 | 23 |

| | | 3.3v | | | 17 || 18 | 0 | IN | GPIO. 5 | 5 | 24 |

| 10 | 12 | MOSI | IN | 0 | 19 || 20 | | | 0v | | |

| 9 | 13 | MISO | IN | 0 | 21 || 22 | 0 | IN | GPIO. 6 | 6 | 25 |

| 11 | 14 | SCLK | IN | 0 | 23 || 24 | 0 | IN | CE0 | 10 | 8 |

| | | 0v | | | 25 || 26 | 0 | IN | CE1 | 11 | 7 |

| 0 | 30 | SDA.0 | IN | 1 | 27 || 28 | 1 | IN | SCL.0 | 31 | 1 |

| 5 | 21 | GPIO.21 | IN | 1 | 29 || 30 | | | 0v | | |

| 6 | 22 | GPIO.22 | IN | 1 | 31 || 32 | 0 | IN | GPIO.26 | 26 | 12 |

| 13 | 23 | GPIO.23 | IN | 0 | 33 || 34 | | | 0v | | |

| 19 | 24 | GPIO.24 | IN | 0 | 35 || 36 | 0 | IN | GPIO.27 | 27 | 16 |

| 26 | 25 | GPIO.25 | IN | 0 | 37 || 38 | 0 | IN | GPIO.28 | 28 | 20 |

| | | 0v | | | 39 || 40 | 0 | IN | GPIO.29 | 29 | 21 |

+-----+-----+---------+------+---+----++----+---+------+---------+-----+-----+

| BCM | wPi | Name | Mode | V | Physical | V | Mode | Name | wPi | BCM |

+-----+-----+---------+------+---+---Pi 3B--+---+------+---------+-----+-----+

全てIN設定になっている。

QX0.4~6には10kΩプルダウンを付けているが、内部プルアップのせいで0.5V程の電位が出てしまい、Transistorが微妙にONしてしまう。

プルアップ抵抗値の値はフォーラムの中に記載されていた。

When a Pi is first powered up, the first eight GPIOs have pull-ups enabled, and the rest have pull-downs enabled. After it has finished booting, you can change that if you wish, in your software.

The pull-ups don’t “supply voltage” – they merely connect a high-value resistor (about 50k) between the 3v3 rail and the GPIO
If nothing else is connected to it, that resistor supplies enough electrons – current for a certain time – to the GPIO, such that its voltage rises to 3v3.
A pull-down works similarly – electrons are removed so that its voltage reaches 0v

In your Arduino drawing, the 10k resistor does the job of the pull-down – it removes electrons to reduce the voltage to ground.

GPIO0~8までは内蔵プルアップが、その他は内蔵プルダウンが有効で、値は~50kΩ程度だと。

QX側の内蔵プルアップ／プルダウン情報をまとめると以下。

OpenPLC	PLC HAT	BCM	プルアップ／プルダウン
%QX0.0	Digital Output#0	GPIO14	プルダウン
%QX0.1	Digital Output#1	GPIO15	プルダウン
%QX0.2	Digital Output#2	GPIO23	プルダウン
%QX0.3	Digital Output#3	GPIO24	プルダウン
%QX0.4	Relay#1 ON	GPIO25	プルダウン
%QX0.5	Relay#2 ON	GPIO8	プルアップ
%QX0.6	Relay#3 ON	GPIO7	プルアップ

問題になるのは、%QX0.5と%QX0.6のみ。
プルダウン抵抗が10kΩだと、3.3 x (10k/(10k+50k)) = 0.55VでIceに0.1mA程度の電流を流してしまう。
周囲温度が高くなるともっと増えてしまう。
Base抵抗と同じ3.3kΩに変更しておく。

Power on Reset時に注意

QX0.0は内蔵プルダウンが有効になるはずなのに、電源投入時にHighになる。

色々調べた結果、UART TXDのデュアルピンであり、Raspberry Pi OSでは初期値（デバイスツリー）はUART TXDになっており、Highドライブされる。
その後、raspi-configの設定に従ってGPIOに切り替えられるらしい。

ドライブされてしまうので、基板上にプルダウン抵抗を置いても無駄。
QX0.0は使用不可になってしまう・・・

QX0.1もUART RXDとして内蔵プルアップが有効になるとのこと。
ただ、こちらは10kΩのプルダウン抵抗を基板に置くことで対応可能。

QX0.0の使用はあきらめていたが、ブート中のピン設定が変更できた。
詳細についてはブート中のGPIO設定変更を参照。

これを適用することでブート中もHighドライブすることはない。