Raspberry Pi nell’industria: applicazioni e gateway IIoT

Raspberry Pi nell’industria: a cosa serve?

Le applicazioni industriali di Raspberry Pi possono essere diverse, ma è utile distinguere il dispositivo dalle funzioni che gli vengono affidate attraverso l’hardware e il software sviluppati intorno ad esso.

In molti progetti non è necessario sostituire il sistema di controllo della macchina. L’esigenza è spesso raccogliere informazioni che altrimenti rimarrebbero disponibili soltanto sul macchinario, elaborarle e trasferirle a un sistema di supervisione o a un’applicazione aziendale.

Raccolta e monitoraggio dei dati di macchina

Raspberry Pi può essere utilizzato per acquisire dati da sensori e dispositivi collegati, registrarli e renderli consultabili attraverso un’applicazione dedicata.

Si possono raccogliere, per esempio, misure relative a temperature, consumi, stati operativi, cicli di lavorazione o risultati di test, a condizione che siano disponibili le interfacce e i segnali necessari. Il software può poi organizzare queste informazioni, registrare gli eventi e generare avvisi in presenza di condizioni prestabilite.

Il valore della soluzione dipende da ciò che l’azienda vuole monitorare. Raccogliere un dato, infatti, è soltanto il primo passaggio: occorre anche stabilire come utilizzarlo, dove archiviarlo e a chi renderlo disponibile.

Raspberry Pi come gateway IIoT

Un’altra applicazione è l’utilizzo di Raspberry Pi come base hardware per un gateway IIoT (Industrial Internet of Things).

Il gateway si interpone tra le apparecchiature industriali e i sistemi che devono utilizzare i dati raccolti. In funzione delle interfacce e dei protocolli supportati, può comunicare con dispositivi e controllori differenti, acquisire informazioni e trasferirle a un sistema superiore.

Questa funzione è particolarmente utile quando un impianto comprende macchine di generazioni diverse o quando occorre integrare dati provenienti da fonti che non comunicano direttamente tra loro.

La compatibilità non è una caratteristica automatica della scheda Raspberry Pi: dipende dall’hardware completo, dal software e dai protocolli implementati. Nelle soluzioni Edge-Box sviluppate da Eureka System, per esempio, l’integrazione può comprendere protocolli come OPC UA, Modbus, MQTT, TCP/IP ed EtherCAT, in base alla configurazione prevista.

Elaborazione locale e Edge Computing

Quando i dati vengono elaborati vicino alle macchine da cui provengono, si parla di Edge Computing.

Un dispositivo basato su Raspberry Pi può acquisire informazioni, eseguire elaborazioni locali e trasferire al livello superiore soltanto i dati necessari. In base all’architettura, può anche registrare eventi, gestire allarmi o mantenere alcune funzionalità locali quando la comunicazione con il sistema centrale viene temporaneamente interrotta.

Questo approccio è utile, per esempio, quando occorre monitorare più punti di un impianto senza centralizzare immediatamente tutte le elaborazioni.

Il sistema deve comunque essere progettato per gestire correttamente interruzioni di rete, conservazione dei dati e successiva sincronizzazione. Non è sufficiente installare una scheda Raspberry Pi perché queste funzioni siano disponibili: devono essere previste e sviluppate per l’applicazione specifica.

Dal Raspberry Pi al gateway industriale: cosa serve davvero?

Una scheda elettronica e un gateway industriale completo non sono la stessa cosa. Per utilizzare Raspberry Pi in un impianto è necessario considerare l’intero sistema, dal collegamento con le apparecchiature fino all’interfaccia utilizzata dagli operatori.

Hardware, interfacce e comunicazione

Il primo aspetto riguarda il collegamento con i dispositivi da monitorare. Occorre verificare quali segnali e protocolli siano disponibili sulle macchine e scegliere le interfacce necessarie per acquisire i dati.

A seconda del progetto, possono servire collegamenti Ethernet, ingressi e uscite digitali o analogici, interfacce dedicate e dispositivi aggiuntivi per comunicare con i controllori esistenti.

Anche l’installazione deve essere progettata per l’ambiente di destinazione. Alimentazione, dissipazione del calore, protezione dell’elettronica e condizioni operative devono essere valutate in relazione all’applicazione. Per questo, in ambito industriale, può essere necessario utilizzare hardware industrial grade e componenti selezionati per i requisiti del sistema.

Software personalizzato e interfaccia operatore

L’hardware acquisisce e rende disponibili le informazioni, ma è il software a determinare come utilizzarle.

L’applicazione può occuparsi della lettura dei dati, della loro pre-elaborazione, della registrazione di eventi e allarmi e dello scambio di informazioni con gli altri sistemi aziendali. Quando previsto dal progetto, può comprendere anche un’interfaccia web per consultare lo stato delle apparecchiature, visualizzare grafici e risultati o accedere a funzioni di comando autorizzate.

L’interfaccia deve essere costruita sulle reali esigenze degli operatori. In un sistema di testing, per esempio, può mostrare i risultati delle prove e segnalare le operazioni ancora da completare; in un’applicazione di monitoraggio, può mettere in evidenza stati anomali o informazioni utili alla manutenzione.

È questa integrazione tra hardware, software e interfaccia a trasformare Raspberry Pi in un componente di una soluzione industriale.

Un esempio concreto: raccolta dati e test di qualità lungo la linea

Un’applicazione utile per comprendere queste possibilità è il sistema modulare di testing industriale sviluppato da Eureka System per un produttore di elettrodomestici professionali.

Il progetto rispondeva alla necessità di eseguire test distribuiti lungo una linea di assemblaggio dedicata a frigoriferi e congelatori, raccogliendo i risultati e integrando le attività di verifica nel processo produttivo.

La soluzione realizzata comprende 18 gateway IIoT multiprotocollo, denominati Test-Box, progettati per essere installati su un carosello mobile lungo la linea. Durante le prove vengono raccolti e analizzati dati relativi, tra le altre grandezze, a temperatura, tensione e corrente elettrica. Ogni Test-Box dispone di un display da 7 pollici con interfaccia web, attraverso il quale gli operatori possono consultare i risultati dei test, verificare lo stato delle operazioni e individuare le eventuali attività manuali da eseguire.

I risultati e gli eventi vengono archiviati cronologicamente su un database e possono essere esportati in report PDF. Il sistema comprende inoltre un PC di linea per la consultazione dei dati e un sistema Andon, utilizzato per segnalare e gestire le anomalie di processo.

Tra le tecnologie integrate nel progetto figurano Raspberry Pi, CODESYS, Python, React, PostgreSQL, Grafana, EtherCAT e Docker. È un esempio concreto di come hardware e software diversi possano concorrere alla realizzazione di un sistema di testing distribuito, progettato sulle esigenze della linea.

Puoi approfondire quanto sviluppato nel progetto Sistema modulare di testing industriale per il controllo qualità in linea.

Quali aspetti valutare prima di scegliere Raspberry Pi?

Il costo e la flessibilità sono elementi interessanti, ma non bastano a determinare se Raspberry Pi sia adatto a un’applicazione industriale.

La scelta dipende soprattutto dal compito assegnato al dispositivo e dai requisiti che il sistema deve rispettare.

Raccolta dati o controllo della macchina?

Occorre innanzitutto distinguere tra acquisizione ed elaborazione dei dati e controllo diretto della macchina.

Nel primo caso, Raspberry Pi può costituire una soluzione adatta, se l’hardware e il software sono dimensionati correttamente. Se invece il dispositivo deve governare movimenti, sequenze operative o funzioni che richiedono tempi di risposta deterministici, è necessario valutare con attenzione l’architettura di controllo.

Una scheda Raspberry Pi standard non deve essere considerata automaticamente un sostituto di un PLC o di un controllore industriale. La scelta dipende dalle prestazioni richieste, dalle interfacce disponibili e dai requisiti di sicurezza della specifica applicazione.

Affidabilità, sicurezza e manutenzione

In un impianto produttivo anche un dispositivo di elaborazione secondario può diventare importante per la continuità delle attività. È quindi necessario valutare le condizioni ambientali, l’affidabilità dell’alimentazione, la protezione dell’hardware, la gestione degli accessi e gli aggiornamenti software.

Se il gateway conserva dati localmente, occorre definire anche le politiche di archiviazione, backup e recupero in caso di guasto. Se comunica con la rete aziendale, devono essere stabilite le modalità di accesso e protezione delle comunicazioni.

Queste attività fanno parte della progettazione della soluzione e della sua manutenzione nel tempo. Il fatto che una piattaforma sia economica o facilmente programmabile non elimina la necessità di gestirla come componente di un sistema industriale.

Dimensionamento e sviluppo futuro

Infine, è importante valutare il carico di lavoro previsto, il numero di dispositivi da collegare e la quantità di dati da gestire. Una soluzione adeguata per monitorare una singola apparecchiatura potrebbe non essere sufficiente per un sistema distribuito con numerosi punti di acquisizione.

Per questo la scelta dell’hardware deve seguire l’analisi del progetto, non precederla. In alcuni casi Raspberry Pi è una base appropriata; in altri può essere preferibile una piattaforma hardware differente, progettata per requisiti più esigenti.

Gateway IIoT su misura: la proposta di Eureka System

Eureka System sviluppa gateway IIoT e soluzioni Edge Computing su misura, utilizzando diverse piattaforme hardware in funzione delle esigenze del progetto, tra cui Raspberry Pi industrial grade.

Le soluzioni Edge-Box sono progettate per acquisire dati dal campo, elaborare informazioni localmente e integrarsi con apparecchiature, reti aziendali e sistemi gestionali. La configurazione può comprendere interfacce web personalizzate, funzioni di diagnostica, gestione degli allarmi e collegamenti con sistemi MES/MOM o servizi cloud.

La scelta della piattaforma hardware viene quindi affrontata insieme alle esigenze software e operative: quali dati acquisire, quali elaborazioni eseguire vicino alla macchina, come consultare le informazioni e quali sistemi devono riceverle.

Per approfondire le caratteristiche delle soluzioni disponibili, consulta la pagina dedicata ai gateway IIoT su base Raspberry Pi.

Conclusioni

Raspberry Pi può essere una base hardware interessante per applicazioni di raccolta dati, monitoraggio e integrazione industriale, soprattutto quando occorre sviluppare una soluzione personalizzata senza introdurre un’architettura più complessa del necessario.

Il risultato, però, non dipende dalla sola scheda. Sono l’hardware selezionato, il software, le interfacce e l’integrazione con l’impianto a determinare se il sistema risponde davvero alle esigenze del processo.

Prima di scegliere, è quindi utile partire dal problema da risolvere: quali informazioni mancano, da quali apparecchiature provengono, come devono essere elaborate e quali sistemi devono utilizzarle.