Écrans Raspberry Pi pour IHM industrielles

Une alternative économique aux panneaux PLC traditionnels

Création d'interfaces opérateur pratiques avec des écrans Raspberry Pi, des moniteurs tactiles industriels et une architecture d'affichage IHM à faible coût

Par l'équipe technique de Kadi Display  |  www.kadidisplay.com

Pourquoi l'interface homme-machine Raspberry Pi s'invite dans le débat industriel

Pendant de nombreuses années, la solution la plus sûre pour la visualisation des machines était simple : acheter un panneau IHM PLC traditionnel auprès du même fournisseur que le contrôleur. Ce choix reste pertinent pour les lignes de production régulées, les machines critiques pour la sécurité et les installations où le support à long terme du fournisseur prime sur le coût du matériel. Cependant, une autre catégorie de projets a connu une croissance rapide : les machines pilotes, les équipements de laboratoire, les bornes interactives, les terminaux de données d’usine, les équipements de production en petites séries, les boîtiers de surveillance à distance et les passerelles IIoT. Ces projets nécessitent un écran opérateur clair, mais pas toutes les fonctionnalités d’un panneau IHM propriétaire complet.

C'est là que les écrans Raspberry Pi deviennent intéressants. Une interface homme-machine (IHM) Raspberry Pi peut combiner un ordinateur monocarte économique, un écran tactile, des tableaux de bord web, une logique Python ou Node-RED, la transmission de données MQTT, des passerelles Modbus et un boîtier personnalisé, le tout dans un moniteur tactile industriel flexible. Il ne s'agit pas d'un remplacement direct pour tous les panneaux d'automates programmables. C'est une architecture d'IHM plus économique, idéale pour les projets où l'ouverture, la rapidité d'itération et la flexibilité logicielle sont essentielles.

L'aspect économique est la première raison pour laquelle on s'intéresse au Raspberry Pi. Raspberry Pi propose le Compute Module 4 à partir de 41,25 $ et le décrit comme étant utilisé dans diverses solutions industrielles. La documentation Raspberry Pi présente également les Compute Modules pour des applications commerciales et industrielles telles que l'affichage dynamique, les clients légers et l'automatisation des processus. Le prix du matériel n'inclut pas l'écran, le boîtier, la conversion de puissance, la protection des E/S, le développement logiciel et les démarches de mise en conformité, mais il explique pourquoi les concepteurs de systèmes se demandent s'il est possible de concevoir un écran IHM économique autour d'un Raspberry Pi plutôt qu'avec un panneau propriétaire.

La question essentielle n'est pas de savoir si le Raspberry Pi est moins cher, mais plutôt quand il est adapté. Un écran Raspberry Pi doit être évalué dans le cadre d'un système IHM : interface d'affichage, technologie tactile, température de fonctionnement, fiabilité du démarrage, autonomie de stockage, étanchéité du boîtier, comportement en matière d'interférences électromagnétiques, protection contre les surtensions, compatibilité des protocoles et modèle de maintenance sont autant d'éléments à prendre en compte. Lorsque ces points sont correctement gérés, le Raspberry Pi peut devenir une alternative pratique aux automates programmables pour certaines applications industrielles.

Interface homme-machine (IHM) traditionnelle pour automate programmable vs IHM Raspberry Pi : des philosophies de conception différentes

Les panneaux IHM traditionnels pour automates programmables sont conçus pour une grande stabilité, une intégration optimale avec les différents fournisseurs, des accessoires certifiés et une durée de vie prévisible. Ils comprennent généralement une alimentation électrique industrielle, une structure de montage sur panneau, un logiciel intégré à l'écosystème d'automates programmables et un processus de configuration familier aux ingénieurs en automatisation. Pour les installations fonctionnant 24 h/24 et 7 j/7, ces qualités sont essentielles : elles réduisent les risques liés à la mise en service.

Une interface homme-machine (IHM) Raspberry Pi se conçoit différemment. Elle s'apparente davantage à un ordinateur embarqué doté d'un écran. Le logiciel peut prendre la forme d'un tableau de bord web, d'une application Qt, d'une interface Node-RED, d'un panneau Grafana, d'une interface graphique Python, d'une visualisation CODESYS ou d'une application Linux personnalisée. Au lieu de se demander si l'écran appartient à une famille d'automates programmables, le concepteur s'assure que l'IHM peut lire les données de manière fiable, afficher clairement les alarmes, résister aux conditions environnementales difficiles et être maintenue tout au long du cycle de vie du produit.

Cette différence engendre à la fois liberté et responsabilité. Un écran Raspberry Pi peut être peu coûteux et hautement personnalisable, mais l'intégrateur système doit concevoir les détails qu'un fournisseur d'IHM d'automate programmable dissimule généralement. Cela inclut le comportement en cas d'arrêt, l'usure du stockage, la récupération par chien de garde, l'isolation électrique, la mise à la terre, l'étalonnage tactile, la lisibilité en plein soleil, les mises à jour du micrologiciel et la cybersécurité.

La couche d'affichage : pourquoi l'écran est aussi important que le Raspberry Pi

De nombreux projets d'interface homme-machine (IHM) Raspberry Pi qui échouent le font au niveau de l'affichage, et non du processeur. Un écran de kit de développement peut fonctionner en laboratoire, mais se révéler décevant en production : luminosité insuffisante, dalle tactile fragile, angle de vision limité ou connexion câblée insuffisamment robuste aux vibrations. Pour une IHM industrielle, l'écran est l'élément que l'opérateur manipule quotidiennement.

Listes d'affichage Kadi modules d'affichage Raspberry Pi Utilisant des écrans TFT et tactiles, avec une seule connexion FPC prenant en charge la sortie vidéo, la commande tactile et l'alimentation, cette solution est idéale pour les applications Raspberry Pi embarquées et compactes. L'article consacré à Raspberry Pi DSI précise également que les systèmes embarqués industriels peuvent utiliser le Raspberry Pi comme contrôleur IHM et que le DSI requiert une connexion matérielle adéquate, des rails d'alimentation, des superpositions d'arbre de périphériques et des pilotes, contrairement à un simple fonctionnement plug-and-play.

Pour les installations plus importantes ou plus simples, une connexion HDMI et USB tactile est souvent plus pratique. Kadi Display Moniteur industriel plug-and-play de 12,3 pouces Utilisant une interface vidéo HDMI 1.4a ou Type-C, un écran tactile USB, une luminosité de 800 nits, une plage de température de fonctionnement de -20 à 70 °C et une alimentation de 6 à 27 V, cet écran est compatible dans la plupart des cas avec Raspberry Pi et Jetson via HDMI et écran tactile USB. Il offre également des possibilités de personnalisation pour le câblage, les câbles, le montage et le boîtier. Ce positionnement produit convient mieux à un projet d'interface homme-machine (IHM) pour Raspberry Pi qu'à un écran de tablette grand public.

La luminosité est également importante. Un écran de 400 nits peut convenir à une salle blanche ou à un poste de travail intérieur. Un moniteur tactile industriel de 800 à 1 000 nits est plus adapté aux environnements industriels lumineux, aux bornes interactives ou aux terminaux semi-extérieurs. Un écran LCD haute luminosité de 1 500 à 2 000 nits est recommandé en cas d'exposition directe au soleil. Le choix de l'écran doit se baser sur la luminosité ambiante, la conception du boîtier et l'angle de vision de l'opérateur, et non sur le prix de la carte Raspberry Pi.

Tableau 1. Comparaison pratique entre l'interface homme-machine (IHM) d'un automate programmable et celle d'une IHM Raspberry Pi

Options d'interface : HDMI, MIPI DSI, LVDS et USB tactile

Une interface homme-machine (IHM) Raspberry Pi est généralement connectée à l'écran via deux voies : HDMI et USB tactile, ou MIPI DSI. La voie HDMI est la plus tolérante. Facile à tester, elle est compatible avec de nombreux moniteurs et permet une utilisation immédiate avec des écrans compatibles avec Windows, Linux, les cartes Jetson ou les systèmes embarqués x86. Pour un écran tactile industriel monté dans une armoire, la connexion HDMI et USB tactile est souvent la solution la plus rapide pour obtenir un prototype fonctionnel.

L'interface MIPI DSI est plus compacte et élégante lorsque l'écran est proche de la carte. Elle réduit l'encombrement des connecteurs et prend en charge les formats embarqués fins. En contrepartie, l'intégration est plus complexe. (Kadi Display) Orientations DSI Il est à noter que le DSI n'est pas aussi simple à utiliser que le HDMI et nécessite une connexion, une alimentation, des superpositions et des pilotes adaptés. De ce fait, le DSI est intéressant pour les produits OEM, mais plus exigeant pour les projets ponctuels en usine.

LVDS reste fréquemment utilisé dans les écrans industriels de 7 à 21 pouces environ, car il est robuste pour les longs chemins de câbles internes et largement compatible avec les modules LCD industriels. Un Raspberry Pi peut nécessiter une carte d'adaptation ou un pont pour utiliser des panneaux LVDS. Cet ajout électronique se justifie lorsque la taille, la luminosité ou la robustesse souhaitées ne sont pas disponibles via DSI ou HDMI.

La règle de sélection pratique est simple : utilisez HDMI et USB tactile pour la vitesse, la facilité d’entretien et la compatibilité multiplateforme ; utilisez MIPI DSI pour les produits embarqués compacts ; utilisez LVDS ou eDP lorsque l’écosystème du panneau ou la conception mécanique l’exige.

Modèle de coûts : où les économies sont réelles et où elles ne le sont pas.

L'expression « écran IHM à bas coût » peut induire en erreur. La carte Raspberry Pi est certes peu coûteuse, mais une IHM industrielle ne se résume pas à un simple processeur. Une nomenclature réaliste inclut le Raspberry Pi ou le Compute Module, la carte porteuse, le module d'affichage, l'écran tactile capacitif, la vitre de protection, la protection de l'alimentation, le boîtier, les éléments de montage, les câbles, le stockage, la conception thermique et le temps de développement logiciel.

Les économies sont maximales lorsque le projet requiert un logiciel flexible, une interface utilisateur personnalisée, une connectivité web, du multimédia, l'enregistrement de données ou une itération rapide. Un Raspberry Pi peut exécuter un système Linux complet, afficher un tableau de bord dans un navigateur, stocker des journaux locaux, publier des données via MQTT et mettre à jour les visualisations sans la rigidité des éditeurs IHM pour automates programmables. Pour les petites séries ou les équipements OEM, cette liberté logicielle peut s'avérer plus avantageuse que les économies matérielles.

Les économies sont moindres lorsque le projet requiert des E/S industrielles certifiées, un contrôle déterministe rigoureux, des fonctions de sécurité et une responsabilité à long terme du fournisseur. Dans ces cas, l'automate programmable doit rester l'autorité de contrôle. L'IHM Raspberry Pi peut toujours servir d'interface opérateur, de tableau de bord périphérique ou de terminal de maintenance, mais elle ne doit pas remplacer la logique de sécurité ni le contrôle en temps réel, sauf si l'ensemble du système a été conçu et validé à cet effet.

Fiabilité : La liste de contrôle qui distingue les IHM industrielles des projets de makers

Une interface homme-machine (IHM) Raspberry Pi ne devient industrielle que si son environnement l'est également. Le premier problème réside dans le stockage. Les cartes microSD standard peuvent tomber en panne en cas d'écritures répétées, de coupures de courant soudaines ou de vibrations. Les modules de calcul avec stockage eMMC, systèmes d'exploitation en lecture seule, rotation des journaux ou SSD industriels externes sont généralement plus adaptés aux équipements à longue durée de vie.

Le second problème concerne l'alimentation. Les armoires électriques contiennent souvent des parasites de commutation, des chutes de tension, des charges de relais, des moteurs et de longs câbles. Un Raspberry Pi ne doit pas être alimenté comme un appareil de laboratoire. Utilisez une entrée CC industrielle stable, une protection contre les surtensions et l'inversion de polarité, des fusibles, une mise à la terre correcte et, le cas échéant, des interfaces de communication isolées.

Le troisième point concerne la reprise d'activité. Un automate programmable doit redémarrer correctement après une coupure de courant. Une interface homme-machine (IHM) Raspberry Pi doit répondre aux mêmes exigences : service de surveillance, redémarrage automatique des applications, stratégie d'arrêt sécurisé et procédure de mise à jour documentée. Lorsque l'interface opérateur est intégrée à la production, une panne d'interface graphique entraîne une interruption de service.

Le quatrième point concerne la conception mécanique. L'écran doit être doté d'une dalle tactile résistante, d'une vitre de protection, d'une luminosité adaptée, d'un système de fixation des câbles fiable et d'une structure frontale résistante à la poussière, aux corps gras, aux gants, aux produits de nettoyage et à l'humidité. (Kadi Display) catégorie d'écrans tactiles TFT Il met l'accent sur le contrôle industriel, les systèmes embarqués, les options tactiles, la flexibilité de l'interface et le support OEM/ODM, autant de points importants pour faire passer un écran Raspberry Pi du stade de prototype à celui d'équipement.

Tableau 2. Liste de contrôle pour l'industrialisation de l'IHM Raspberry Pi

Architecture logicielle : interface homme-machine Web, Node-RED, Qt et Codesys

Une interface homme-machine (IHM) Raspberry Pi offre au concepteur plusieurs options logicielles. Une IHM web est souvent la plus facile à maintenir. Le Pi exécute Chromium en mode kiosque et charge un tableau de bord local ou distant. Cette solution convient parfaitement aux écrans SCADA simplifiés, aux pages d'état des machines, aux stations de contrôle qualité, aux tableaux de bord énergétiques et aux terminaux de maintenance.

Node-RED est utile pour les projets de gestion de flux de données combinant Modbus, MQTT, API HTTP, bases de données et tableaux de bord simples. Il ne remplace pas un programme d'automate programmable validé, mais il est idéal pour connecter des sources de données et créer des interfaces opérateur légères.

Qt, Python et les applications Linux personnalisées sont plus performantes lorsque l'interface utilisateur doit être hautement contrôlée, hors ligne, personnalisée ou sensible aux performances. La visualisation CODESYS peut s'avérer intéressante lorsque l'équipe souhaite une ingénierie de type IEC 61131-3 et un comportement plus proche de celui d'un automate programmable sur des plateformes compatibles. L'essentiel est de séparer les responsabilités : le contrôle déterministe incombe à l'automate programmable ou au contrôleur temps réel ; la visualisation, la gestion des recettes, la journalisation, le flux de travail de maintenance et la connectivité périphérique peuvent être gérés par l'IHM Raspberry Pi.

Où les écrans Raspberry Pi s'intègrent le mieux

Les meilleures applications ne concernent généralement pas les systèmes de contrôle de production à haut risque. Il s'agit plutôt des nombreux cas où les opérateurs ont besoin d'informations, mais où le système ne justifie pas l'utilisation d'une interface homme-machine (IHM) propriétaire complète. On peut citer comme exemples les petites machines d'emballage, les bancs d'essai, les contrôleurs pour l'agriculture intelligente, les unités de traitement des eaux, les instruments de laboratoire, les panneaux de service pour bornes de recharge de véhicules électriques, les stations de surveillance de la consommation d'énergie, les tableaux de bord de modernisation de machines, les écrans de maintenance des cellules robotisées et les terminaux d'entrepôt.

Une interface homme-machine (IHM) Raspberry Pi est également utile comme panneau secondaire en complément d'une IHM d'automate programmable. Le panneau de l'automate reste l'interface de commande principale, tandis que l'écran du Raspberry Pi affiche les analyses, la prévisualisation des images de la caméra, l'historique de production, les guides de maintenance, les manuels PDF, l'état de l'assistance à distance et les données IIoT. Cette approche hybride évite le faux dilemme entre une IHM d'automate programmable et une IHM Raspberry Pi. Dans de nombreuses usines, la meilleure solution consiste à combiner les deux.

Pour les équipementiers, les écrans Raspberry Pi sont particulièrement intéressants lorsque l'interface du produit doit être fréquemment modifiée. Les logiciels IHM traditionnels sont certes efficaces pour les écrans d'automatisation, mais moins flexibles pour la conception d'interfaces utilisateur modernes, le contenu multilingue, la connexion au cloud, les API web, la vidéo ou l'intégration de la marque. Une IHM basée sur Raspberry Pi peut se comporter comme un système embarqué moderne, tout en communiquant avec les automates programmables et les capteurs.

Quand l'IHM Raspberry Pi est un mauvais choix

Un article SEO équilibré ne doit pas prétendre que Raspberry Pi résout tous les problèmes d'IHM. C'est un mauvais choix lorsque le projet exige un contrôle certifié en matière de sécurité, une prise en charge du cycle de vie par le fournisseur, un contrôle rigoureux et validé des modifications logicielles, une certification pour les zones dangereuses ou une intégration poussée au système d'alarmes et de recettes d'un seul fournisseur d'automate programmable. Ce choix peut également s'avérer inapproprié si l'équipe de maintenance de l'usine refuse les systèmes Linux ou ne peut pas prendre en charge les logiciels personnalisés.

Le choix d'écrans grand public par l'intégrateur comporte également des risques. Les écrans bas de gamme peuvent présenter des angles de vision médiocres, un rétroéclairage faible, des câbles courts, des connecteurs fragiles, une réactivité tactile instable et une plage de températures de fonctionnement non clairement définie. Pour les projets d'écrans tactiles industriels, le choix du fournisseur d'écrans est tout aussi important que celui du modèle de Raspberry Pi.

Un autre signe alarmant est la présence de mises à jour logicielles non contrôlées. Un projet amateur peut mettre à jour ses paquets librement ; une interface homme-machine (IHM) industrielle, en revanche, ne le peut pas. Toute IHM Raspberry Pi utilisée en production doit disposer d'une image système figée, d'un système d'exploitation versionné, d'une méthode de restauration, d'identifiants documentés et d'une procédure de récupération d'une image de secours.

Exemples de style d'étude de cas

Exemple 1 : Un petit fabricant d’équipement d’origine (OEM) conçoit un instrument de test de table. Une interface homme-machine (IHM) à automate programmable traditionnel est stable, mais son interface utilisateur paraît obsolète et elle augmente le coût d’un produit fabriqué en petite série. Un Raspberry Pi 5 avec un Écran tactile industriel HDMI de 10,1 pouces Il exécute une application web locale, enregistre les résultats des tests dans une base de données et se connecte à un microcontrôleur via USB ou RS485. Dans ce cas, l'écran du Raspberry Pi constitue un excellent écran IHM à faible coût, car le risque lié au contrôle est faible et l'interface utilisateur est primordiale.

Exemple 2 : Une ligne de production alimentaire nécessite un panneau opérateur principal pour la gestion des mouvements, des recettes, des alarmes, du nettoyage et des procédures d’urgence. Dans ce cas, une interface homme-machine (IHM) à base d’automate programmable (PLC) reste l’interface principale appropriée. Une IHM Raspberry Pi pourrait être ajoutée comme tableau de bord secondaire pour l’affichage du TRS, des manuels de maintenance, des données énergétiques ou de la prévisualisation des images de la caméra, mais elle ne doit pas remplacer le panneau PLC validé sans une analyse complète des risques.

Exemple 3 : Une station de pompage isolée nécessite un écran de service local. L’opérateur s’y rend ponctuellement pour consulter l’état de la station, modifier les paramètres non critiques et vérifier l’historique des alarmes. Un module de calcul Raspberry Pi avec mémoire eMMC, un écran tactile industriel, une communication Modbus TCP et un boîtier étanche peuvent permettre de réduire les coûts tout en offrant un tableau de bord de données plus performant qu’une petite interface homme-machine propriétaire.

Résumé : Une alternative pratique, pas un substitut universel

Les écrans Raspberry Pi s'imposent comme une option sérieuse pour les interfaces homme-machine industrielles grâce à leur faible coût matériel, leur grande flexibilité logicielle, leurs interfaces utilisateur modernes et leur large compatibilité. options d'interface d'affichageUne interface homme-machine (IHM) Raspberry Pi peut constituer une alternative pratique aux IHM d'automates programmables pour les machines pilotes, les équipements OEM, les terminaux de données, les panneaux de surveillance à distance et les interfaces opérateur à faible risque.

L'essentiel est une conception rigoureuse. Le Raspberry Pi ne doit pas être utilisé comme un automate programmable certifié, sauf si le système complet est conçu, testé et pris en charge en conséquence. Utilisez des écrans de qualité industrielle, protégez l'alimentation électrique, choisissez un stockage fiable, verrouillez l'image logicielle, prévoyez une procédure de reprise après sinistre et confiez les commandes critiques à un automate programmable ou un contrôleur approprié.

Pour de nombreux projets, la meilleure solution n'est pas d'opter pour un automate programmable ou un Raspberry Pi. Il est préférable d'utiliser chaque technologie là où elle excelle : le matériel de l'automate programmable pour un contrôle déterministe et une fiabilité conforme aux normes industrielles ; les écrans Raspberry Pi pour une visualisation flexible, des tableaux de bord embarqués, des flux de travail personnalisés et une interface homme-machine (IHM) embarquée économique. C'est ainsi que l'écran IHM à bas coût devient non seulement plus abordable, mais aussi plus utile.

Notes de source

Document de référence téléchargé pour le format et le style structurel : 10-brightness-spectrum-framework.docx.

Raspberry Pi Compute Module 4 product page: https://www.raspberrypi.com/products/compute-module-4/

Raspberry Pi Compute Module documentation: https://www.raspberrypi.com/documentation/computers/compute-module.html

Raspberry Pi 5 product page: https://www.raspberrypi.com/products/raspberry-pi-5/

Kadi Display Raspberry Pi display category: https://www.kadidisplay.com/product_category/displays-for-raspberry-pi/

Kadi Display MIPI DSI Port on Raspberry Pi article: https://www.kadidisplay.com/blog-news/what-is-the-mipi-dsi-port-on-raspberry-pi-and-how-is-it-used/

Kadi Display 10 inch Raspberry Pi touchscreen setup article: https://www.kadidisplay.com/blog-news/how-to-set-up-a-10-touchscreen-lcd-for-raspberry-pi-2/

Kadi Display 12.3 inch IPS HDMI industrial monitor product page: https://www.kadidisplay.com/products/12-3-inch-ips-monitor-with-capacitive-touch-hdmi-plug-play-industrial-display/

Kadi Display display interface selection guide: https://www.kadidisplay.com/blog-news/display-interface-selection-guide/

Kadi Display TFT LCD touch display category: https://www.kadidisplay.com/product_category/displays-tft-touch-2/

Clause de non-responsabilité: Cet article est destiné à la formation technique en marketing et en ingénierie. Les spécifications, coûts, compatibilités, luminosité du rétroéclairage, températures de fonctionnement et durées de vie des produits sont donnés à titre indicatif et peuvent varier selon le modèle, le fournisseur, la version du système d'exploitation, le boîtier et l'environnement de déploiement. Raspberry Pi est une marque déposée de Raspberry Pi Ltd. PLC, HMI, HDMI, Linux, Modbus, OPC UA, MQTT et autres noms appartiennent à leurs propriétaires respectifs. Avant d'utiliser une interface homme-machine (IHM) basée sur Raspberry Pi dans une machine de production, veuillez vérifier la conformité aux exigences de sécurité, de compatibilité électromagnétique (CEM), environnementales, de cybersécurité et réglementaires.