Raspberry Pi e Arduino nel settore industriale

Continua la serie di articoli sulle piattaforme hardware Arduino e Raspberry Pi. In questo nuovo appuntamento approfondiremo le possibilità applicative nel contesto industriale. Le famose piattaforme Raspberry Pi e Arduino possono infatti essere utilizzate anche in applicazioni di tipo industriale. Sono molteplici le possibili implementazioni delle due schede anche per scopi diversi da quelli hobbistici. Ad esempio, RPi può essere configurato come server IoT, o utilizzato semplicemente per visualizzare i dati di un processo automatizzato.

Introduzione

Sapevate che è possibile ad esempio configurare un Raspberry Pi come nodo server per raccogliere e registrare dati sulla rete dell'impianto da un PLC in esecuzione, creando una semplice stazione di prova? Bè, questo è solo uno dei tanti utilizzi di RPi in ambito industriale. In questo caso, i dati potrebbero essere visualizzati come un'immagine grafica vettoriale scalabile. Grazie a questi dati ben rappresentati, un tecnico potrebbe ad esempio monitorare i guasti del dispositivo in modo più dettagliato ed efficiente di quanto fosse possibile in precedenza. L'obiettivo dell'applicazione sarebbe quello di classificare questi guasti per determinare più rapidamente le cause principali del malfunzionamento. Arduino, d'altra parte, può essere impostato per raccogliere dati di temperatura e umidità, che vengono quindi inseriti in un database MySQL e possono essere visualizzati come pagina Web. Sebbene in genere Arduino non monitori direttamente i macchinari industriali, rende possibile vedere i dati per monitorare la temperatura o altre variabili ambientali. Questo potrebbe quindi essere correlato a problemi con i macchinari, qualora necessario.

LE SCHEDE DI PROTOTIPAZIONE: UNA RIVOLUZIONE ANCHE PER IL SETTORE INDUSTRIALE?

Le schede di prototipazione sono impiegate anche nei prodotti finali per uso industriale o commerciale. Vediamo le principali vulnerabilità e soluzioni alternative in questo scenario. Innanzitutto, cominciamo con il dire che i controllori logici programmabili (PLC) sono emersi intorno agli anni '60 e hanno cambiato il modo in cui veniva realizzata l'automazione industriale. I sistemi basati su relè sono stati gradualmente sostituiti dalla programmazione grafica nota come LADDER, che è solo una rappresentazione dei collegamenti dei cavi. Questa tecnologia ha rivoluzionato la produzione consentendo di sostituire le ore trascorse a maneggiare i cavi con la tastiera virtuale. I PLC sono minicomputer equipaggiati con CPU, memoria, moduli di ingresso e uscita, ecc. Sono molto robusti e possono durare anche per decenni in un ambiente industriale difficile. C'è però una parola chiave che definisce uno dei motivi principali per cui il PLC è ancora oggi utilizzato nei progetti industriali: affidabilità. Con l'evoluzione dei computer, è aumentato parallelamente anche il desiderio di maggiore automazione e reperimento real time di informazioni dal processo di produzione. Gli investimenti nell'automazione industriale mirano infatti a ridurre i costi di produzione e aumentare l'efficienza della linea produttiva. Per tale ragione, sono state introdotte nuove tecnologie in questo scenario attraverso dispositivi smart connessi. L'attrezzatura industriale oggi più utilizzata è il PLC stesso, in quanto predisposto a risolvere i vari problemi di automazione. Tuttavia, a causa del prezzo elevato dei PLC e della scarsità di professionisti che padroneggiano il linguaggio LADDER, molte aziende hanno utilizzato schede di prototipazione per realizzare piccole automazioni ed estrarre preziose informazioni dalle macchine, sia a scopo decisionale sia per ragioni connesse alla manutenzione e alla prevenzione dei guasti.

In tal senso le schede di prototipazione sono una vera e propria rivoluzione.

Le schede di prototipazione basate su Raspberry Pi, Arduino e modelli simili, sono al centro dei progetti degli appassionati di elettronica e hanno acquisito un ruolo centrale nella moderna tecnologia. Come sappiamo, la storia dietro la creazione di Arduino inizia in Italia nel lontano 2003, come strumento di programmazione per sviluppare applicazioni per schede elettroniche senza molte conoscenze tecniche. La storia di Raspberry Pi è un pò diversa. In Inghilterra, nel 2006, il fondatore di Raspberry Pi, Eben Upton, aveva notato che l'interesse degli studenti per l'informatica stava diminuendo e che gli stessi avevano bisogno di un modo per essere incoraggiati. In seguito è nata l'idea di costruire un computer a basso costo che permettesse ai giovani di intraprendere questo viaggio. Poi nel 2008 arriva la Raspberry Pi Foundation, un'organizzazione dedicata alla creazione di questi dispositivi. La prima versione rilasciata sul mercato è stata la Raspberry Pi 1 Model B nel 2012. L'azienda ha raggiunto il traguardo di ben 25 milioni di schede vendute nel mondo nel 2019. Come mostrato anche in articoli precedenti, Raspberry Pi e Arduino sono dispositivi con un'architettura molto diversa. Riepilogando brevemente, Arduino è una scheda elettronica con bassa potenza di elaborazione, poche periferiche integrate, codice sorgente facile da generare e mancanza di un sistema operativo come Windows o Linux. E' basata su microcontrollore e si usa soprattutto per progetti entry-level (anche se gli ultimi modelli della scheda si rivolgono ad applicazioni di livello industriale). Può anche essere utilizzato in combinazione con un Raspberry Pi per aumentare le possibilità applicative. Raspberry Pi è invece letteralmente un computer a tutti gli effetti con molteplici vantaggi:

  • Basso costo
  • Elevata potenza di elaborazione in base alle dimensioni della scheda
  • Interfacce multiple (USB, Ethernet, HDMI, Wi-Fi, Bluetooth, GPIO)
  • Supporta il sistema operativo Linux
  • Supporta vari linguaggi di programmazione come Python (rendendo facile la creazione di progetti)
  • Elevata disponibilità di codici di esempio

Figura 1

CI SONO LIMITAZIONI TECNICHE PER LE APPLICAZIONI INDUSTRIALI?

Se si vuole sviluppare un progetto personale, entrambe le schede vanno bene. Tuttavia, sia che tu voglia realizzare un prodotto industriale o commerciale, ci sono altre criticità che richiedono attenzione. In genere, le schede di prototipazione non hanno specifiche tecniche completamente convalidate per uno scenario industriale difficile, sono infatti dispositivi realizzati per i consumatori finali, gli individui. Analizziamo alcune possibili criticità. Queste piattaforme sono distribuite in modalità open source, il che significa che tutti hanno accesso al codice di sistema. In ambito industriale non è però auspicabile la possibilità di avere strutture che coinvolgano librerie e software open source. Esistono problemi importanti relativi alla proprietà intellettuale, alla distribuzione limitata, alla mancanza di supporto e, soprattutto, al rischio per la sicurezza del codice incorporato. Proprio come l'utilizzo di Windows senza licenza va bene, così l'utilizzo di licenze open source può comportare problemi legali. Un'altra criticità riguarda il sistema operativo in esecuzione su scheda SD. Questo caso è specifico per Raspberry Pi, in cui il sistema operativo funziona tramite la scheda SD. A causa delle caratteristiche di funzionamento hardware della scheda, il sistema potrebbe essere danneggiato in caso di interruzione di corrente che causa anche l'arresto dell'applicazione. Il problema può essere parzialmente superato utilizzando batterie di backup, tuttavia non sarà mai completamente sicuro. Anche l'alimentazione elettrica rappresenta un possibile problema. Il circuito di alimentazione di queste schede è semplice e dipende da una buona sorgente esterna dedicata. Nello scenario industriale in cui il rumore ambientale è elevato e la possibilità di picchi e avvallamenti di tensione è reale, dovrebbe essere preso in considerazione l'uso di sorgenti stabilizzate commutate a banco batterie. Un altro punto peculiare di Raspberry Pi è la mancanza di un proprio connettore di alimentazione al posto della micro USB esistente. Riguardo invece all'antenna Wi-Fi o BLE, possiamo sicuramente dire che la maggior parte delle schede di prototipazione ha l'antenna Wi-Fi o BLE stampata sul circuito. Ciò, tuttavia, implica un raggio di comunicazione più ristretto rispetto all'utilizzo di un'antenna esterna. Pensando a un'applicazione industriale in cui la scheda incapsulata potrebbe trovarsi all'interno di un pannello metallico o di una macchina, le interruzioni di connessione possono diventare frequenti e influire sulle prestazioni globali dell'applicazione. In termini di sicurezza e affidabilità, possiamo dire che i PLC sono robusti e possono essere utilizzati nella maggior parte delle applicazioni industriali. Sono dotati di protezione contro ESD, sporco, vibrazioni, rumore di rete e attenuano i problemi casuali rilevati in anni di test. Inoltre, soddisfano gli standard tecnici IEC.

Figura 2

QUALI SONO I PRINCIPALI CASI D'USO NELL'INDUSTRIA?

Vediamo ora alcune delle principali applicazioni della scheda di prototipazione. In primis la raccolta dei dati dei sensori. Con la crescente domanda di dispositivi IoT (Internet of Things), Intelligenza Artificiale e apprendimento automatico (Machine Learning), molti settori hanno cercato di estrarre informazioni dall'intero processo industriale per ottimizzare la produzione. Il rilevamento delle linee con dispositivi economici dotati di comunicazione wireless soddisfa questa esigenza senza causare rischi per la sicurezza. Il numero di macchine legacy nelle industrie è molto alto. Molte di loro non hanno accesso alla rete cablata perché non sono progettate per questo. Altre invece non forniscono informazioni dettagliate sul processo come tempo di ciclo, ecc. L'inserimento di dispositivi intelligenti è un modo interessante per generare ancora più valore aggiunto. Altro aspetto rilevante è l'ispezione della produzione. Se c'è produzione, c'è anche ispezione o verifica in almeno una fase del processo industriale. Esistono numerosi sensori e sistemi di visione sul mercato che possono essere accoppiati a schede di prototipazione che consentono di aggiungere valore alla linea di produzione anticipando i guasti. Il basso costo e la facilità di implementazione fanno sì che molti tecnici mettano questi dispositivi in ​​officina. Importante è anche l'automazione dei test. Se c'è produzione, ci sono ovviamente anche strumenti di test del prodotto. Oltre a migliorare la velocità e garantire tassi di errore inferiori, è possibile estrarre dati in tempo reale dall'esecuzione, consentendo alla direzione della produzione di analizzare il processo in qualsiasi momento. Ci sono aziende sul mercato che migliorano Raspberry Pi aggiungendo protezione, periferiche e packaging adatti all'uso professionale. Queste soluzioni rendono il dispositivo compatibile con applicazioni industriali dove affidabilità e sicurezza sono obbligatorie.

CONCLUSIONI

Questi tipi di schede di prototipazione sono strumenti che avrebbero difficoltà a competere su tutti i fronti con i robusti controller industriali che sono stati collaudati negli ultimi 50 anni. D'altra parte, come dimostrano questi esempi, ci sono certamente cose che l'industria può prendere da dispositivi che sono più considerati strumenti per hobbisti. Se da una parte è utile la standardizzazione e l'utilizzo dei componenti, è bene anche tenere gli occhi aperti sulle nuove tecnologie che potrebbero adattarsi alla nostra applicazione. Le schede di prototipazione non sono state prodotte o testate in un ambiente industriale difficile. Come dice il termine stesso, servono e sono pensate per la prototipazione rapida. Se visti dal punto di vista dell'investimento (basso costo) e della velocità di sviluppo (elevata), si dimostrano praticabili per risolvere problemi minori o miglioramenti in officina o laboratorio. Inoltre, l'ampia varietà di codici e i numerosi tipi di schede aiutano chiunque a sviluppare una soluzione embedded a basso costo e in poco tempo. Questi punti di forza implicano che le soluzioni più costose e altamente sicure come i PLC sono destinate ad applicazioni più grandi in cui è necessario seguire rigorosamente i criteri dell'affidabilità e della sicurezza. Tuttavia, occorre avere consapevolezza delle vulnerabilità evidenziate in precedenza. Probabilmente, preparare un Raspberry Pi con protezioni, isolamento e conformità normativa adeguati agli standard industriali, potrebbe essere addirittura più costoso quanto l'utilizzo di un PLC integrato.

Nel frattempo potete dare un'occhiata alle puntate precedenti della serie:

Arduino e Raspberry Pi: le piattaforme più utilizzate dai makers di tutto il mondo | Elettronica Open Source (emcelettronica.com)

Arduino o Raspberry Pi: quale scheda sceglierò per il mio prossimo progetto? | Elettronica Open Source (emcelettronica.com)

 

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