Revolution Pi: un PC industriale completamente Open Source

Un PC industriale non si discosta molto da un tradizionale computer desktop. Molte delle sue caratteristiche tecniche sono fondamentalmente quelle classiche: microprocessore, RAM, supporti di memorizzazione, porte di interfaccia, etc. Tuttavia, un PC industriale è un sistema robusto e allo stesso tempo flessibile, adatto all'uso in officina. In questo articolo vedremo un particolare PC industriale sviluppato da KUNBUS, la cui peculiarità risiede nella sua natura completamente open source, sia nell'hardware che nel software.

Introduzione

I PC industriali sono computer destinati ad operare in officina. Essi presentano una maggiore affidabilità e precisione e sono generalmente più costosi rispetto all'elettronica di consumo. I PC industriali sono principalmente utilizzati per il controllo di processo e/o l'acquisizione dei dati. Il software può essere personalizzato per un'applicazione specifica o pacchetti standard possono essere utilizzati per fornire un livello base di programmazione.

I computer industriali (IPC) sono progettati appositamente per resistere al duro lavoro in ambienti manifatturieri (valori estremi di temperatura, eccesso di polvere, umidità, vibrazioni, sbalzi di tensione). Un PC per applicazioni industriali dovrebbe, inoltre, soddisfare determinati requisiti in termini di:

  • EMI - messa a terra, schermatura e disegno elettrico adeguati devono assicurare un corretto isolamento e conformità a standard elettrici riconosciuti a livello internazionale.
  • Espandibilità e longevità - un IPC è, spesso, più espandibile (in termini di slot) rispetto ai normali PC, incluso il supporto per le applicazioni legacy che dovrebbero funzionare (ed essere mantenute) senza soluzione di continuità per 10 e più anni, ovvero molto tempo dopo l'indisponibilità di componenti e schede COTS. In termini di aggiornamento della tecnologia, tutto ciò rappresenta un costo di proprietà di molto inferiore rispetto ad un PC da ufficio, tale da compensare l'investimento iniziale più elevato per un IPC. A seconda del modello, un IPC può essere montato su pannello o su rack (19") o montato su un supporto a braccio girevole, fornendo una distribuzione flessibile per qualsiasi ambiente fisico.

Revolution Pi

Nel lanciare Revolution Pi, KUNBUS ha portato sul mercato un PC industriale aperto, modulare e non costoso basato sul noto Raspberry Pi. Equipaggiato con il Raspberry Pi Compute Module, i moduli base possono, a seconda delle esigenze, essere espansi usando appropriati moduli di I/O e gateway fieldbus (Figura 1).

Figura 1: il modulo base RevPi Core 3 e alcuni moduli di espansione

Basato sul Raspberry Pi Compute Module, KUNBUS ha sviluppato un PC industriale composto da hardware e software aperti e che soddisfa i requisiti dello standard EN 61131-2. Grazie alla struttura modulare, Revolution Pi può, a seconda delle richieste del cliente, essere completato da moduli I/O digitali o analogici, così come da appropriati fieldbus gateway per collegarlo a una rete industriale. Installato in un alloggiamento con guide DIN, il modulo base di Revolution Pi presenta già connettori USB, Ethernet e HDMI. I moduli base e di espansione sono alimentati con 24 volt che è la tensione standard del settore.

Oltre a rivelare gli schemi circuitali, KUNBUS ha deciso di perseguire in maniera rigorosa il concetto di Open Source anche per il software. L'affermato sistema operativo Raspbian per Raspberry Pi, inclusi i driver per i moduli di espansione, sono preinstallati. Utilizzando
Raspbian, qualsiasi software o applicazione in esecuzione su Raspberry Pi girerà sicuramente anche su Revolution Pi. Il pieno accesso alla root consente una programmazione libera da ostacoli e l'implementazione di programmi personalizzati. Collaborando con vari produttori di software, KUNBUS offre un controllo potente e poco costoso, e software SCADA per gli utenti che preferiscono soluzioni software confezionate. Di conseguenza, Revolution Pi può essere sviluppato in un piccolo sistema di controllo industriale autosufficiente.

Perchè Raspberry Pi?

Raspberry Pi è disponibile in molte versioni. Quelli di KUNBUS hanno scelto la variante meno nota che prende il nome di Compute Module (Figura 2). Il motivo di tale scelta è da ricercare nella essenzialità di tale versione, che ha permesso un margine sufficiente per progettare le sue connessioni e tutto il resto, ed adattarlo all'uso industriale. Sono disponibili due versioni di Compute Module, una con processore single-core, l'altra con processore quad-core.

Figura 2: Raspberry Pi Compute Module 1 (destra) & Compute Module 3 (sinistra)

I moduli base

RevPi Connect, RevPi Core 3 (Figura 3) e RevPi Core sono le unità di elaborazione centrale del sistema modulare Revolution Pi. Utilizzando il Raspberry Pi Compute Module, i dispositivi sono ampiamente compatibili con un Raspberry Pi modello 3 o Raspberry Pi B +.

Un elemento importante dei moduli base Revolution Pi è dato dalla qualità delle unità di alimentazione. Per ridurre al minimo le perdite di calore, sono stati utilizzati i più avanzati ed efficienti convertitori DC-DC (efficienza complessiva > 80%), che generano la tensione di funzionamento necessaria dai 24 V standard degli armadietti di commutazione industriale. Tuttavia, i moduli di base non solo operano nell'intervallo di tensione standardizzato da 20.4 V a 28.8 V, ma anche ad una tensione di alimentazione di 10.7 V. Quindi, batterie per auto o sistemi di energia solare possono essere usati come fonti di alimentazione. Con tensione di alimentazione di 24 V, i dispositivi possono sopportare una caduta di tensione per 10 ms senza interruzioni (a pieno carico alle prese USB) e anche 25 ms senza carico alle prese USB. La tensione di alimentazione e una messa a terra funzionale sono collegate dal basso utilizzando un connettore molto robusto. Un complesso circuito di soppressione garantisce la perfetta funzionalità anche nel caso di massicce interruzioni sulla linea di alimentazione, sempre che la messa a terra funzionale sia collegata. Scariche elettriche o unità di saldatura adiacenti sono state simulate in un laboratorio di prova certificato, con il risultato di non influire sul funzionamento dei dispositivi.

Figura 3: il modulo base RevPi Core 3 completamente smontato

Nella parte anteriore ci sono due prese USB-A per il collegamento di dispositivi client USB 2.0. Entrambe le prese erogano in pieno 500 mA di corrente sulle connessioni da 5 V. Di conseguenza, dischi rigidi o chiavette USB possono essere facilmente collegati senza un hub esterno attivo. La presa micro-USB posizionata nel mezzo è usata per connettere un sistema host USB (normalmente un PC) e commuta il sistema nella modalità scheda di memoria passiva. In questo modo, un PC può accedere ad una memoria flash eMMC installata e memorizzare il software lì, ad esempio. Una LAN può essere connessa alla presa Ethernet RJ45. In alternativa, la connessione ad una LAN può essere stabilita tramite un dongle WLAN-USB. USB e connessioni Ethernet presentano un circuito soppressore. Irradiazioni o fenomeni ESD non possono danneggiare il sistema Revolution Pi.

Il processore Broadcom del Compute Module fornisce funzioni grafiche ad alta risoluzione. Per questa ragione, i moduli base di Revolution Pi sono dotati di una presa micro-HDMI nella parte superiore che può essere usata per connettere un monitor con uscita audio. In tal modo, un PC completamente attrezzato è disponibile insieme a mouse e tastiera. Il PiBridge rappresenta l'autostrada dei dati ed interconnette i singoli moduli di Revolution Pi. Due moduli adiacenti sulla parte superiore dell'alloggiamento sono interconnessi tra loro tramite un connettore di sistema.

RevPi Connect: per chi vuole più interfacce

Il RevPi Connect (Figura 4) rende omaggio a quegli utenti che vogliono usare il sistema Revolution Pi come gateway IIoT. Pertanto, il modulo base è stato fornito con ancora più interfacce. Come il RevPi Core 3, il RevPi Connect è dotato del Raspberry Pi Compute Module 3. Due interfacce Ethernet abilitano il dispositivo ad essere contemporaneamente integrato all'interno della rete di automazione e alla rete IT per trasmettere i dati del macchinario, per esempio, dall'officina al Cloud o ad un sistema informatico superiore.

Figura 4: con 45 mm il RevPi Connect è largo il doppio rispetto al RevPi Core 3

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