Designing and comparing system solutions for a Programmable Logic Controller alternative for educational use

Abstract

Dette er en masteroppgave som er skrevet av Lars Bonvik i høst-semesteret i 2023, og er den del av det siste semesteret på studieprogrammet Produktutvikling og Produksjon på Norges Teknisk- naturvitenskaplige Universitet, NTNU. Denne oppgaven handler om hvordan man kan bruke mik- rokontrollere og annen maskinvare til å emulere funksjonalitet av en Programmerbar Logisk Styr- ingsenhet (PLS) for Indexed Line fabrikk som er laget av Fischertechnik. Oppgaven handler både om programvare og maskinvare- løsninger som gjør dette mulig. Arbeidet er basert på Andreas Knudsen Sunds oppdagelser i sin egen masteroppgave, om at det er nødvendig å oppdatere øving- sopplegget i TPK4128 Industriell Mekatronikk. Denne oppgaven fortsetter arbeidet som ble gjort under prosjektoppgaven til Lars Bonvik og Eskild Godli. Det forgående prosjektet startet med å undersøke hvordan en PLS fungerer, i tillegg til gjøre seg kjent med Fischertechniks mini-fabrikk som skulle bli brukt til prosjektet. Det ble funnet open-source programvare som ville med litt skreddersydd maskinvare kunne fungere til å emulere en PLS. Maskinvareløsningen ble utviklet of testet i løpet av oppgaven, og prototyper ble lagd på breadboards for å lage og teste løsninger. Med en tilfredstillende løsning ble også dette videreutviklet og satt sammen til et fungerende kretskort. Kretskortet fungerer som et mellomledd for å omforme strømmen fra mikrokontrolleren og ”Fischertechnik Indexed Line with two Machining Stations 24V” som ble utdelt sammen med oppgaven fra veileder. Hovedfokuset for denne oppgaven var å videreutvikle løsningene fra prosjektoppgaven og sammen- ligne disse for bruk i en potensiell øving i faget. Dette førte til programvare utvikling for OpenPLC til bruk med Arduino Portenta Machine Control og Arduino MEGA, i tillegg til den allerede fung- erende løsningen for Raspberry Pi. To forskjellige programvarer ble også prøvd i prosjektet. Disse to programvarene var OpenPLC og Arduino PLC IDE, hvor OpenPLC ser ut til å være det be- ste valget for et potensielt øvingsopplegg. Den beste mikrokontrolleren varierer basert på hvilke kvaliteter man vektlegger, men Arduino Portenta Machine Control H7 ser ut til å være det beste valget for en øving i Industriell Mekatronik

This is a Master’s thesis written by Lars Bonvik in the autumn semester of 2023, and is a part of the final semester of the master program for Mechanical Engineering at the Norwegian University of Science and Technology, NTNU. This thesis studies how to use micro controllers to emulate the functionalities of a Programmable Logic Controller for the Indexed Line factory, manufactured by Fischertechnik. The thesis contains both software and hardware solutions, making this possible. The work is based on Andreas Knudsen Sunds discoveries in his master’s thesis, for the need to improve the assignments in the course TPK4128 Industrial Mechatronics. As well as a project assignment written a year before, by Lars Bonvik and Eskild Godli. The preceding project started with the research of how a Programmable Logic Controller work as well as the workings of Fischertechniks mini-factory provided for the project. It was researched and found open-source software that could make sure that with an added hard- ware solution, could emulate a Programmable Logic Controller. The hardware solution was de- veloped and researched through the thesis, and rapid prototypes on breadboards created to test the researched solutions. With a satisfactory solution developed, a prototype Printed Circuit Board (PCB) was designed and produced. The PCB acts as the communication layer between the Rasp- berry Pi and the ”Fischertechnik Indexed Line with two Machining Stations 24V” provided by the supervisor for use in exercises in Industrial Mechatronics. The main focus of the Master’s thesis was to further develop solutions that were found in the project thesis and directly compare these for use in a potential assignment. This lead to development of a software for the Arduino Portenta Machine Control with OpenPLC, and Arduino MEGA in addition to the working solution made for the Raspberry Pi. Two different software solutions were tested for the project, OpenPLC and Arduino PLC IDE, where OpenPLC seems like the best choice for a potential assignment. The best micro controller depends on what qualities that are desired, but the Arduino Portenta Machine Control seems to be the best choice for use in an assignment in Industrial Mechatronics.