Raspberry Pi goes Industry: Professionelle Automatisierung mit PiXtend

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Der programmierbare Raspberry Pi stellt Rechenleistung und Netzanbindung. Mittels Interfaceerweiterung PiXtend entsteht eine vollwertige Kleinsteuerung mit allen notwendigen I/Os.

Für Industrieanwendungen mit geringer Komplexität oder für die Lehre auf den Gebieten der Industrie-Digitalisierung wie IoT und Industrie 4.0 steht mit der Mini-PC-Platine Raspberry Pi in Verbindung mit der Interfaceelektronik PiXtend eine preiswerte Hardware zur Verfügung. Die Hardwarekosten belaufen sich für die Kleinsteuerung, bestehend aus Raspberry Pi 3 B+ und PiXtend V2 -S-, auf lediglich rund 240 €. Durch das breitgefächerte Angebot an Freeware und die zum Teil kostenlosen Softwareentwicklungsplattformen halten sich die Anfangsinvestitionen in überschaubaren Grenzen.

Wie schon so oft in der Technikgeschichte leben wir auch heute in einer Zeit des Umbruchs. Beschrieben wird diese Entwicklung durch eher schwammige Schlagworte wie „Industrie 4.0“ , „Internet der Dinge“ (IoT), „Virtueller Zwilling“, „Digitale Transformation“ oder „Cyberphysische Systeme“. Dringt man aber zum Kern dieser Phrasen vor, wird klar, was zu tun ist: Gerade in Deutschland muss die Automatisierungstechnik weitergetrieben werden, um wirtschaftlich überleben zu können. Beispielsweise, in dem in der Produktion die Losgröße 1 oder die vollautomatisierte Herstellung kundenindividueller Produkte ermöglicht wird.

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Nahtlose Kommunikation vom Sensor bis ins Internet

Die automatische Kommunikation zwischen den einzelnen Produktionsschritten verringert den Organisationsaufwand und beschleunigt den Gesamtprozess. Die bestehenden Automatisierungssysteme müssen dazu um eine nahtlose Kommunikation vom Sensor bis ins Internet (bis zum Smartphone oder Tablet) erweitert werden. Der umfassende und durchgängige Datenaustausch ermöglicht eine weitere Steigerung des Automatisierungsgrades bis hin zur vollautomatischen Fertigung.

Ein weiterer wichtiger Aspekt dieser Weiterentwicklung ist die Datengewinnung, Datenhaltung und Datenanalyse. Denn Daten sind der Rohstoff der Zukunft. Mithilfe von Kundendaten und Informationen aus der Produktion oder dem Produktlebenszyklus können verbesserte oder völlig neuartige Produkte entwickelt und im Markt platziert werden. Zu guter Letzt benötigen zukünftige Automatisierungssysteme ein hohes Maß an Rechenleistung, um automatisch wissensbasierte Entscheidungen treffen zu können oder einen komplexen, flexiblen Fertigungsprozess vollautomatisiert zu steuern. Um die Akzeptanz in der Bevölkerung und bei den Mitarbeitern zu steigern, sind angepasste Aus- und Weiterbildungsmaßnahmen zu ergreifen. Soll eine Umwälzung erfolgreich sein, darf der Mensch nicht vergessen werden.

Raspberry Pi als Basissystem für IoT-Projekte

Mit dem Raspberry Pi steht ein freiprogrammierbarer, kompakter und kostengünstiger Einplatinencomputer zur Verfügung. Der Preis beläuft sich auf etwa 40 €. Die Rechenleistung und die Ausstattung haben sich über die Jahre ständig verbessert. So steht heute mit dem Raspberry Pi 3 B+ ein gut ausgestatteter Minicomputer zur Verfügung, der alles besitzt, was für Industrie 4.0 und IoT notwendig ist. Dabei ist der Raspberry Pi kein Exot unter den Kleincomputern. Von den unterschiedlichen Modellen wurden seit der Erstpräsentation 2012 weit über 20 Millionen Stück verkauft.

„Der Raspberry Pi ist der beliebteste Minicomputer weltweit und auch in Deutschland. Nahezu jeder Zweite, der privat oder beruflich Elektronikprojekte realisiert, hat ihn bereits verwendet“, so das Resultat einer Umfrage von Reichelt Elektronik. Dem Gerätehersteller und Maschinenbauer, der sich mit dem Gedanken trägt, einen Raspberry Pi in seine Steuerung zu integrieren, geben diese Umstände die Sicherheit, dass er ein erprobtes und ständig verbessertes System vor sich hat. Die Herstellerfirma des Raspberry Pi zielt mit dem Modell 3 B+ ausdrücklich auf den Einsatz in Serienprodukten und gibt eine Fertigungsgarantie bis 2023.

Soll in einer Steuerung eine WLAN-Schnittstelle verwendet werden, kommt es regelmäßig zu Problemen und nicht unerheblichen Kosten bei der Zulassung. Auch hier bietet der Raspberry Pi Modell 3 B+ einen bemerkenswerten Nutzen, denn die Wireless-Schaltung ist unter einem Metallschirm eingekapselt. So konnte die Raspberry Pi Foundation das gesamte Board als ein Funkmodul gemäß den FCC-Regeln (Federal Communications Commission) zertifizieren. Entwickler können so die Kosten der Konformitätsprüfung von Raspberry-Pi-basierenden Produkten erheblich reduzieren. Ein weiterer positiver Gesichtspunkt ist die verkürzte Markteinführungszeit (Time To Market).

Der Prozessor des Raspberry Pi 3 B+ taktet nun mit 1,4 GHz statt wie der Vorgänger mit maximal 1,2 GHz. Dazu kommen WLAN mit 2,4 GHz und 5 GHz, sowie eine Gigabit-LAN-Schnittstelle, die eine dreimal so hohe Datenübertragungsrate wie bei den bisherigen Modellen bewältigt. Das macht das Modell 3 B+ noch geeigneter für alle Aufgaben im Netzwerk.

Die technischen Highlights des Raspberry Pi

• Optimierter 64-Bit-Quadcore-SoC Broadcom BCM2837B0 mit 1,4 GHz Takt (ARM Cortex A53)

• 1 GB RAM, bis 64 GB Flash-Speicher

• Dualband WLAN 802.11ac; 2,4 und 5 GHz, schneller Cypress-CYW43455-Combo-Chip mit bis zu 100 MBit/s Übertragungsrate

• Bluetooth 4.2 BLE

• Neuer LAN-Chip LAN7515 für 10/100/1000 MBit/s, bis zu 300 MBit/s

• PoE-Vorbereitung (Power over Ethernet)

• PXE-Ethernet-Boot und USB-Massenspeicher-Boot

• Energiemanagement verbessert die Performance in der Spannungs- und Taktversorgung

• Verbessertes thermisches Management

Der freiprogrammierbare Raspberry Pi eröffnet alle Möglichkeiten eines Minicomputers. Durch die Linux-basierten Betriebssysteme wie Raspbian eröffnet sich eine weite Welt von kostenlosen Open-Source-Programmen. Es stehen zahlreiche Programmiersprachen wie C, Phyton, Node-RED oder OpenPLC, sowie leistungsstarke Programmpakete zur Verfügung. Auf der beschriebenen Softwarebasis können alle Aufgaben rund um Industrie 4.0 und IoT bearbeitet werden. Beispiele sind die Kommunikation über das Internet, Datenbanken, Datenanalyse, Bildverarbeitung oder Datenvisualisierung, sowie die Berechnung von komplexen Regelungs- und Steuerungsalgorithmen.

Die vielfältigen Schnittstellen des Raspberry Pi ermöglichen den Internetzugang und damit die Datenspeicherung in einer Cloud, die Datensammlung und die Datendarstellung z.B. auf einem Smartphone oder Tablet. Fernüberwachungs- und Fernsteuerungsaufgaben lassen sich leicht realisieren. Somit lässt sich die Rechnervernetzung für eine durchgängig automatisierte und individualisierte Fertigung genauso realisieren wie die Ferndiagnose und softwaremäßige Fernwartung der Steuerung und das, ohne sich auf proprietäre Software fixieren zu müssen.

Das ist ein sehr wichtiger Punkt. Denn in der rasanten Entwicklung der Industriedigitalisierung haben sich noch keine echten Standards für Sprachen, Frameworks, Server-Architekturen, usw. herausgebildet, obgleich die großen Player versuchen, ihre Produkte als Standards zu etablieren und dadurch eine starke Kundenbindung zu erzeugen. In dieser unsicheren Situation ist es für die Anwender wichtig, möglichst weit verbreitete, offene Systeme einzusetzen, um nicht Gefahr zu laufen, am Ende auf dem falschen Pferd zu sitzen.

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