Obr. „Zvýšili sme konkurencieschopnosť.“ K. Edwards nainštaloval okolo 60 zariadení Raspberry Pi v rámci výrobného závodu spoločnosti Sony vo Walese a tvrdí, že efektívnosť sa zvýšila o 30 %. (Zdroj: SONY)

Flexibilné programovanie Raspberry Pi a Arduino, prispôsobiteľné typy signálov a ľahké prispôsobenie existujúcim inštaláciám môžu priemyselným odvetviam priniesť mnoho výhod. Napríklad by mohli byť skvelými nízkonákladovými a flexibilnými alternatívami k tradičným priemyselným automatizačným a riadiacim zariadeniam s možnosťou pridania funkcií diaľkového ovládania a monitorovania do menších a starších priemyselných systémov.

Tri najbežnejšie obavy týkajúce sa použitia takýchto vývojových dosiek v priemyselnom prostredí sú:

  • odolnosť v priemyselnom prostredí,
  • bezpečnosť,
  • štandardné komunikačné protokoly na použitie v priemysle.

Odolnosť v priemyselnom prostredí

Na trhu už existuje niekoľko odolných verzií Arduina a Raspberry. Spoločnosť Industrial Shields napríklad ponúka PLC založené na Arduine a panelové PC založené na Raspberry, ktoré sú vo vyhotovení do priemyselného prostredia. Okrem toho existujú rôzne priemyselné štandardné kryty špeciálne vyvinuté na umiestnenie týchto dvoch dosiek.

Od príchodu programovateľných logických automatov (PLC) sa výrobní technici snažili nájsť spoľahlivejšie spôsoby, ako zlepšiť efektívnosť výroby prostredníctvom monitorovania a správy údajov. Raspberry Pi a ďalšie programovateľné logické radiče znížili náklady na tento kus hardvéru a vďaka svojej flexibilite poskytujú vynikajúci základ na vývoj zariadení na zhromažďovanie výrobných údajov.

Bezpečnosť

Toto je pravdepodobne najkontroverznejšia a najdiskutovanejšia téma na internete: sú dosky Raspberry a Arduino a súvisiace hardvérové riešenia bezpečné pre priemyselné aplikácie? Na to však neexistuje jednoduchá odpoveď, záleží na mnohých faktoroch a vyžaduje to istú zmenu zmýšľania technikov. Bezpečnosť priemyselnej aplikácie nezávisí iba od PLC. Pri navrhovaní projektu vždy záležalo na integrite celého projektu, na tom, ako sú systémy a softvér implementované a ako sa zohľadnila bezpečnosť.

Priemyselné komunikačné protokoly

V tejto oblasti sa flexibilita Arduina a Raspberry Pi prejavila naplno. Združenie Modbus vyvinulo špecifické knižnice, ktoré týmto vývojovým doskám umožnia komunikovať prostredníctvom ich protokolu. Modbus je sériový komunikačný protokol vyvinutý spoločnosťou Modicon (ktorá je súčasťou Schneider Electric) pre jeho programovateľné logické regulátory (PLC). Časom sa stal jedným z najbežnejších komunikačných protokolov pre priemyselné aplikácie, ktorý prijali mnohí výrobcovia automatizácie.

Modbus umožňuje rôznym zariadeniam pripojeným k rovnakej sieti komunikovať bez ohľadu na to, kto je ich výrobcom. Potreba zavedenia štandardizovanej komunikácie rôznych zariadení od rôznych výrobcov sa stala veľmi dôležitá s príchodom 4. priemyselnej revolúcie. Vďaka Priemyslu 4.0 a priemyselnému internetu vecí (IIoT) chytil Modbus druhý dych.

Zber prevádzkových údajov

Po príchode PLC sa technici vo výrobných prevádzkach snažili nájsť spoľahlivejšie spôsoby, ako zlepšiť efektívnosť výroby prostredníctvom monitorovania a správy údajov. Raspberry Pi či Arduino znížili cenu takýchto riešení a vďaka svojej flexibilite poskytujú vynikajúci základ na vývoj zariadení na zber prevádzkových údajov.

Jednoduchosť použitia

Raspberry Pi je obľúbený pre svoju použiteľnosť, a to hneď z niekoľkých dôvodov. Vďaka jedinej doske v systéme môže Pi efektívne vytvoriť vlastné jedinečné rozhranie. Ľahko použiteľné používateľské rozhranie umožní každému vo výrobnom podniku rýchly a ľahký prístup k zozbieraným údajom. Pi tiež umožňuje ukladanie zozbieraných údajov do externej databázy cez ethernet. Stačí jednoduché naprogramovanie a široká ponuka softvérových knižníc, ako sú napríklad dokumenty riadené údajmi a vytvorené prostredníctvom Java skriptov, a rýchlo a presne možno generovať veľmi štýlový výstup zrozumiteľný pre každého. Vývojári si musia byť pritom plne vedomí početných predpisov týkajúcich sa zberu údajov. Pochopenie týchto zásad umožňuje splniť zákonné a právne predpisy o zodpovednosti za výrobky.

Rôznorodé aplikácie

Dôvodom, prečo je Pi taký vzrušujúci vývojový nástroj, je, že je ľahké aplikovať PLC na takmer akýkoľvek výrobný proces. Heatworks Technologies Inc. vyvinuli systém Raspberry Pi, ktorý zabezpečuje zber údajov z testovacích staníc v rámci ohrievačov vody. V tomto systéme je integrovaných viac rôznych typov dosiek plošných spojov, z ktorých každý zhromažďuje špecifický vstup. S doskou MOSFET možno systém prispôsobiť aj tak, aby spracúval aj výstupy s cieľom riadenia testov. To dokazuje, že Pi možno použiť v najrôznejších aplikáciách, kde to doteraz bolo možné len prostredníctvom drahších a komplikovanejších riešení.

Ešte viac možností

Spoločnosť ThreeML nedávno predstavila rad modulárnych dosiek postavených na modifikovanom systéme Raspberry Pi zvanom Rhubarb. Tento systém môže byť konfigurovaný tak, aby dokázal spracovať vstupy 4 – 20 mA alebo 0 – 10 V DC, a môže sa použiť na odosielanie výstupov, čo je ideálne pre zjednodušenú verziu riadenia procesu. Prípadne sa môže použiť vstupný modul Arduino Mega, ktorý umožňuje ethernetové vstupno-výstupné možnosti, ako aj sériovú komunikáciu údajov do JSON.

Široká dostupnosť vývojových platforiem typu Arduino, Raspberry či BeagleBone, prinajmenšom v týchto niekoľkých prípadoch, vedie k presvedčivému argumentu o nahradení komplikovaných, technologicky vyspelých riadiacich systémov radom menších, ľahšie prístupných PLC. Avšak nesmieme zabúdať na niektoré činnosti bežiace na pozadí, ktoré väčšie priemyselné riadiace systémy vykonávajú. Zatiaľ čo Raspberry Pi je skutočne inovatívnym systémom, pravda je taká, že pre väčšie priemyselné prevádzky je stále novinkou s malým aplikačným prienikom. Na druhej strane poskytuje veľmi užitočnú vzdelávaciu platformu pre zamestnancov, ako aj platformu, na ktorej môže spoločnosť stavať, aby vytvorila vlastné systémy zberu a spracovania údajov.

Prvé lastovičky… a nie hocijaké!

V Európe je v prevádzke sieť čerpacích staníc na dopĺňanie paliva do vodíkových vozidiel monitorovaných pomocou Raspberry Pi. Toto riešenie pomáha manažérom predpovedať, kedy treba vykonať nejakú údržbu. V inom podniku sa Raspberry Pi používa na snímanie zvuku z výťahov a zisťujú sa akékoľvek anomálie, ktoré naznačujú potrebnú opravu.

Raspberry Pi je taký lacný a efektívny, že po trojročnej skúške vo výrobnom závode Sony pomohol zvýšiť jeho automatizáciu o 30 %, najmä pokiaľ ide o rýchlosť výroby. „Prispeli sme tak k zvýšeniu konkurencieschopnosti,“ hovorí Kevin Edwards, ktorý vedie technické oddelenie v hlavnom výrobnom závode spoločnosti Sony v Pencoed vo Walese. Vo väčšine prípadov sa Pi používajú na monitorovanie stavu zariadení.

V závode, kde sa vyrábajú špičkové vysielacie kamery Sony, nainštalovala spoločnosť 60 miniaplikácií zariadení Raspberry Pi, z ktorých každé má veľkosť hracej karty. K. Edwards namontoval tieto vecičky priamo na strojové zariadenie alebo na steny a zapojil ich do najbližšieho zdroja energie. Každý malý počítač je vybavený ďalšími snímačmi, ktoré monitorujú napríklad teplotu, vibrácie, vzdialenosť a spotrebu energie.

Raspberry Pi sleduje časť automatizovaného zariadenia alebo robota a následne odosiela informácie do databázy pomocou zabezpečeného protokolu, ktorý vyvinul tím pod vedením K. Edwardsa. Niektoré z minipočítačov majú kamery, ktoré zaznamenávajú video zo strojov, ktoré sa ďalej spracúva softvérom na rozpoznávanie obrazu s cieľom zistiť anomálie. „To nám umožňuje vyhnúť sa tomu, aby človek musel starostlivo strážiť stroj,“ hovorí K. Edwards. „Pochôdzkovú kontrolu už takmer nevyužívame.“ Spoločnosť Sony v súčasnosti replikuje svoj experiment v ďalších troch továrňach v Ázii – dvoch v Japonsku a jednej v Malajzii, kde bude tiež nainštalovaných okolo 50 a 60 Raspberry Pi, aby tam monitorovali zariadenia.

Nasadzovanie nových riadiacich platforiem na báze Raspbery Pi či Arduino na monitorovanie zariadení, ako to urobil K. Edwards, je jadrom technologického trendu, ktorý sa nazýva priemyselný internet vecí. V rámci neho sa využívajú rôzne snímače a bezdrôtové pripojenie na monitorovanie stavu strojov, zvyšovania ich dostupnosti a celkovej účinnosti výrobnej prevádzky, napríklad predpovedaním, kedy robot potrebuje údržbu, aby nedošlo k neočakávanej poruche a prestojom.

Literatúra

[1] Raspbery Pi and Arduino in industrial environments. DesignSpark. [online]. Publikované 29. 4. 2016. Citované 7. 2. 2020. Dostupné na: https://www.rs-online.com/designspark/raspberry-pi-and-arduino-in-industrial-environments.

[2] Eastwood, G.: Using Raspberry Pis to Collect Manufacturing Data. DZone. [online]. Publikované 3. 5. 2018. Citované 14. 2. 2020. Dostupné na: https://dzone.com/articles/how-to-use-raspberry-pi-to-collect-manufacturing-d.

[3] Olson, P.: How Sony Sped Up A Factory With These Tiny, $35 Computers. Forbes. [online]. Publikované 10. 3. 2019. Citované 28. 1. 2020. Dostupné na: https://www.forbes.com/sites/parmyolson/2019/03/10/how-sony-sped-up-a-factory-with-these-tiny-35-computers/#70a156f77d20.