工業(yè)自動(dòng)化中的 Raspberry Pi：簡(jiǎn)化經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的邊緣計(jì)算

作者：e絡(luò)盟技術(shù)團(tuán)隊(duì)

工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)是由電子元件組成的復(fù)雜集成體系，旨在控制和監(jiān)測(cè)工業(yè)流程。

該系統(tǒng)能夠提升制造業(yè)及其他工業(yè)操作的效率、可靠性及安全性。在電子與信息技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，工業(yè)自動(dòng)化 (IA)領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。本文旨在探討當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，并重點(diǎn)分析其對(duì)電子行業(yè)的影響。

工業(yè)自動(dòng)化的要求

工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)（見下圖）的關(guān)鍵組成部分包括傳感器、控制器、執(zhí)行器、人機(jī)界面 (HMI)、通信網(wǎng)絡(luò)、電源、驅(qū)動(dòng)器和安全系統(tǒng)。傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)環(huán)境變化并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)?？?a target="_blank">編程邏輯控制器 (PLC) 和工業(yè)個(gè)人計(jì)算機(jī) (IPC) 等控制器負(fù)責(zé)處理來(lái)自傳感器的輸入信號(hào)，并通過執(zhí)行控制算法來(lái)管理執(zhí)行器的操作。執(zhí)行器（如電機(jī)、電磁閥和氣動(dòng)執(zhí)行器）負(fù)責(zé)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為實(shí)際的物理動(dòng)作。人機(jī)界面 (HMI) 則使操作員能夠與自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行交互，監(jiān)控流程并輸入指令。通信網(wǎng)絡(luò)讓自動(dòng)化系統(tǒng)的不同部分能夠使用以太網(wǎng)/IP、Modbus和 Profibus等協(xié)議實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。交流/直流 (AC/DC)轉(zhuǎn)換器和不間斷電源 (UPS)等電源設(shè)備，對(duì)于電子元件的運(yùn)行至關(guān)重要。驅(qū)動(dòng)器通過變頻器 (VFD) 來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的速度和扭矩，從而控制電機(jī)的性能。安全系統(tǒng)，如緊急停止按鈕、安全繼電器和光幕，能夠有效保障操作人員和設(shè)備的安全。

工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)圖（來(lái)源）

Raspberry Pi在工業(yè)自動(dòng)化中的應(yīng)用

Raspberry Pi是一款多功能數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用傳感器構(gòu)建聯(lián)網(wǎng)儀表板，實(shí)時(shí)且直觀地向操作員和工程師展示系統(tǒng)性能。Raspberry Pi的廣泛用途：

• 用作工業(yè)控制單元：Raspberry Pi有潛力取代昂貴的專用可編程邏輯控制器 (PLC)。它可以通過編程實(shí)現(xiàn)類似可編程邏輯控制器 (PLC)的功能，適合較小規(guī)模的應(yīng)用，并為工業(yè)控制邏輯開發(fā)提供相關(guān)工具。
• 預(yù)測(cè)性維護(hù)與成本降低：Raspberry Pi可通過編程與加速度計(jì)交互，監(jiān)控旋轉(zhuǎn)機(jī)械的振動(dòng)情況，從而使維護(hù)人員能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)潛在問題。此外，由于人工智能 (AI)和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML)模型在本地運(yùn)行，因此可以降低延遲和帶寬需求。
• 邊緣計(jì)算：Raspberry Pi可以處理本地?cái)?shù)據(jù)，無(wú)需中央服務(wù)器或云端即可做出實(shí)時(shí)決策。這對(duì)于機(jī)器控制或質(zhì)量保證系統(tǒng)非常有用。它還能夠運(yùn)行人工智能模型，執(zhí)行圖像識(shí)別、異常檢測(cè)和預(yù)測(cè)分析等任務(wù)，因此在自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)、自主機(jī)器人和實(shí)時(shí)監(jiān)控中具有重要價(jià)值。
• 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)：Raspberry Pi可以將各種工業(yè)設(shè)備、傳感器和機(jī)器連接到互聯(lián)網(wǎng)，從而增強(qiáng)系統(tǒng)可擴(kuò)展性。這使工程師可以監(jiān)控多個(gè)位置的操作。Raspberry Pi支持實(shí)施安全的遠(yuǎn)程訪問解決方案，如 VPN或 SSH隧道，可以有效降低在危險(xiǎn)或偏遠(yuǎn)環(huán)境中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)操作的需求。
• 用作 HMI系統(tǒng)：Raspberry Pi提供硬件和聯(lián)網(wǎng)選項(xiàng)，是一種經(jīng)濟(jì)高效的人機(jī)界面 (HMI)系統(tǒng)解決方案。操作員可以通過其觸摸屏界面控制流程、監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)，并從車間獲取報(bào)警信息。

Raspberry Pi可以顯著提高能源效率、運(yùn)營(yíng)效率并降低成本。通過將 Raspberry Pi連接到攝像頭，可以設(shè)置經(jīng)濟(jì)高效的閉路電視系統(tǒng)，同時(shí)還可以利用射頻識(shí)別 (RFID)、人臉識(shí)別或生物識(shí)別等技術(shù)實(shí)施訪問控制系統(tǒng)。

Raspberry Pi工業(yè)自動(dòng)化解決方案——計(jì)算模塊

Raspberry Pi計(jì)算模塊是一種緊湊型、多功能系統(tǒng)級(jí)模塊，基于廣受歡迎的 Raspberry Pi型號(hào)而設(shè)計(jì)，應(yīng)用于數(shù)字標(biāo)牌、瘦客戶端和流程自動(dòng)化等工業(yè)和商業(yè)領(lǐng)域。與 Raspberry Pi旗艦型號(hào)相比，它們的設(shè)計(jì)更加精簡(jiǎn)且節(jié)省空間，因而適用于廣泛的工業(yè)和商業(yè)場(chǎng)景。這些模塊提供了多種配置選項(xiàng)，支持不同的內(nèi)存和嵌入式多媒體卡 (eMMC)閃存容量。其中，Raspberry Pi計(jì)算模塊 4 (CM4)和 4SODIMM (CM4S)是兩種主要的系統(tǒng)級(jí)模塊，兩者都集成了高性能處理器、內(nèi)存、eMMC閃存和電源電路。設(shè)計(jì)師可以利用這些模塊，在各種定制系統(tǒng)和外形規(guī)格中應(yīng)用 Raspberry Pi的硬件和軟件堆棧。

Raspberry Pi計(jì)算模塊在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際用例解決方案

在實(shí)際應(yīng)用中，Raspberry Pi計(jì)算模塊已證明其廣泛的適用性。例如，Revolution Pi工業(yè)計(jì)算機(jī)是基于 Raspberry Pi的開放式、模塊化且經(jīng)濟(jì)高效的工業(yè) PC，符合所有關(guān)鍵工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。EDA Technology的 CM4 Industrial是一款基于 CM4的嵌入式工業(yè)計(jì)算機(jī)，可根據(jù)應(yīng)用情況配置不同的內(nèi)存和存儲(chǔ)容量，并提供多種工業(yè)通信接口和功能。EpiSensor利用 CM4創(chuàng)建了物聯(lián)網(wǎng)能源服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施層，旨在通過需求響應(yīng)計(jì)劃將多項(xiàng)資產(chǎn)整合到虛擬電廠 (VPP)中。此外，Sfera Labs的 Strato Pi Max是一款基于 CM4的多功能工業(yè)服務(wù)器，適用于對(duì)可靠性和服務(wù)持續(xù)性要求苛刻的專業(yè)和工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。

總之，Raspberry Pi在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用不僅簡(jiǎn)化了系統(tǒng)架構(gòu)、降低了成本，還提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。隨著技術(shù)的進(jìn)步和應(yīng)用范圍的擴(kuò)展，Raspberry Pi將在工業(yè)自動(dòng)化中發(fā)揮更加重要的作用。用戶和工程師可以利用 e絡(luò)盟的廣泛庫(kù)存選項(xiàng)，充分挖掘 Raspberry Pi的潛力，無(wú)縫推進(jìn)前沿的工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)。