工业自动化中的 Raspberry Pi：简化经济实惠的边缘计算

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作者：e络盟技术团队


工业自动化系统是由电子元件组成的复杂集成体系，旨在控制和监测工业流程。

该系统能够提升制造业及其他工业操作的效率、可靠性及安全性。在电子与信息技术发展的推动下，工业自动化 (IA)领域取得了显著进展。本文旨在探讨当前工业自动化领域的发展趋势，并重点分析其对电子行业的影响。
工业自动化的要求
工业自动化系统（见下图）的关键组成部分包括传感器、控制器、执行器、人机界面 (HMI)、通信网络、电源、驱动器和安全系统。传感器负责检测环境变化并将其转换为电信号。可编程逻辑控制器 (PLC) 和工业个人计算机 (IPC) 等控制器负责处理来自传感器的输入信号，并通过执行控制算法来管理执行器的操作。执行器（如电机、电磁阀和气动执行器）负责将电信号转化为实际的物理动作。人机界面 (HMI) 则使操作员能够与自动化系统进行交互，监控流程并输入指令。通信网络让自动化系统的不同部分能够使用以太网/IP、Modbus和 Profibus等协议实现互联互通。交流/直流 (AC/DC)转换器和不间断电源 (UPS)等电源设备，对于电子元件的运行至关重要。驱动器通过变频器 (VFD) 来调节电机的速度和扭矩，从而控制电机的性能。安全系统，如紧急停止按钮、安全继电器和光幕，能够有效保障操作人员和设备的安全。
工业自动化系统图（来源）

Raspberry Pi在工业自动化中的应用
Raspberry Pi是一款多功能数据采集系统。该系统运用传感器构建联网仪表板，实时且直观地向操作员和工程师展示系统性能。Raspberry Pi的广泛用途：

• 用作工业控制单元：Raspberry Pi有潜力取代昂贵的专用可编程逻辑控制器 (PLC)。它可以通过编程实现类似可编程逻辑控制器 (PLC)的功能，适合较小规模的应用，并为工业控制逻辑开发提供相关工具。
  
• 预测性维护与成本降低：Raspberry Pi可通过编程与加速度计交互，监控旋转机械的振动情况，从而使维护人员能够实时检测潜在问题。此外，由于人工智能 (AI)和机器学习 (ML)模型在本地运行，因此可以降低延迟和带宽需求。
  
• 边缘计算：Raspberry Pi可以处理本地数据，无需中央服务器或云端即可做出实时决策。这对于机器控制或质量保证系统非常有用。它还能够运行人工智能模型，执行图像识别、异常检测和预测分析等任务，因此在自动化检测系统、自主机器人和实时监控中具有重要价值。
  
• 物联网网关：Raspberry Pi可以将各种工业设备、传感器和机器连接到互联网，从而增强系统可扩展性。这使工程师可以监控多个位置的操作。Raspberry Pi支持实施安全的远程访问解决方案，如 VPN或 SSH隧道，可以有效降低在危险或偏远环境中进行现场操作的需求。
  
• 用作 HMI系统：Raspberry Pi提供硬件和联网选项，是一种经济高效的人机界面 (HMI)系统解决方案。操作员可以通过其触摸屏界面控制流程、监视系统状态，并从车间获取报警信息。
  

Raspberry Pi可以显著提高能源效率、运营效率并降低成本。通过将 Raspberry Pi连接到摄像头，可以设置经济高效的闭路电视系统，同时还可以利用射频识别 (RFID)、人脸识别或生物识别等技术实施访问控制系统。

Raspberry Pi工业自动化解决方案——计算模块
Raspberry Pi计算模块是一种紧凑型、多功能系统级模块，基于广受欢迎的 Raspberry Pi型号而设计，应用于数字标牌、瘦客户端和流程自动化等工业和商业领域。与 Raspberry Pi旗舰型号相比，它们的设计更加精简且节省空间，因而适用于广泛的工业和商业场景。这些模块提供了多种配置选项，支持不同的内存和嵌入式多媒体卡 (eMMC)闪存容量。其中，Raspberry Pi计算模块 4 (CM4)和 4SODIMM (CM4S)是两种主要的系统级模块，两者都集成了高性能处理器、内存、eMMC闪存和电源电路。设计师可以利用这些模块，在各种定制系统和外形规格中应用 Raspberry Pi的硬件和软件堆栈。

Raspberry Pi计算模块在工业领域的实际用例解决方案
在实际应用中，Raspberry Pi计算模块已证明其广泛的适用性。例如，Revolution Pi工业计算机是基于 Raspberry Pi的开放式、模块化且经济高效的工业 PC，符合所有关键工业标准。EDA Technology的 CM4 Industrial是一款基于 CM4的嵌入式工业计算机，可根据应用情况配置不同的内存和存储容量，并提供多种工业通信接口和功能。EpiSensor利用 CM4创建了物联网能源服务基础设施层，旨在通过需求响应计划将多项资产整合到虚拟电厂 (VPP)中。此外，Sfera Labs的 Strato Pi Max是一款基于 CM4的多功能工业服务器，适用于对可靠性和服务持续性要求苛刻的专业和工业应用领域。

总之，Raspberry Pi在工业自动化领域的应用不仅简化了系统架构、降低了成本，还提高了系统的灵活性和可扩展性。随着技术的进步和应用范围的扩展，Raspberry Pi将在工业自动化中发挥更加重要的作用。用户和工程师可以利用 e络盟的广泛库存选项，充分挖掘 Raspberry Pi的潜力，无缝推进前沿的工业自动化产品设计。