Schermi Raspberry Pi per HMI industriali

Un'alternativa economica ai tradizionali pannelli PLC

Realizzazione di interfacce operatore pratiche con schermi Raspberry Pi, monitor touchscreen industriali e architetture di visualizzazione HMI a basso costo.

A cura del team tecnico di Kadi Display |  www.kadidisplay.com

Perché Raspberry Pi HMI sta entrando nel dibattito industriale

Per molti anni, la soluzione più sicura per la visualizzazione delle macchine è stata semplice: acquistare un pannello HMI PLC tradizionale dallo stesso ecosistema di automazione del controllore. Questa scelta è ancora valida per linee di produzione regolamentate, macchinari critici per la sicurezza e installazioni in cui il supporto a lungo termine del fornitore è più importante del costo dell'hardware. Tuttavia, una diversa categoria di progetti si è rapidamente sviluppata: macchine pilota, apparecchiature di laboratorio, chioschi intelligenti, terminali dati di fabbrica, apparecchiature per piccoli lotti, centraline di monitoraggio remoto e gateway IIoT che necessitano di uno schermo operatore chiaro ma non di tutte le funzionalità di un pannello HMI proprietario completo.

È qui che entrano in gioco gli schermi Raspberry Pi. Un'interfaccia HMI basata su Raspberry Pi può combinare un computer a scheda singola a basso costo, un display touchscreen, dashboard basate sul web, logica Python o Node-RED, dati MQTT, gateway Modbus e un involucro personalizzato in un monitor touchscreen industriale flessibile. Il risultato non è una sostituzione diretta per ogni pannello PLC, ma un'architettura di visualizzazione HMI a basso costo per progetti in cui apertura, iterazione rapida e flessibilità software sono valori fondamentali.

Il fattore economico è la prima ragione per cui le persone prendono in considerazione Raspberry Pi. Raspberry Pi elenca il Compute Module 4 a partire da 41,25 dollari e lo descrive come una soluzione adatta a diversi ambiti industriali. La documentazione di Raspberry Pi presenta inoltre i Compute Module come ideali per applicazioni commerciali e industriali, come la segnaletica digitale, i thin client e l'automazione di processo. Il prezzo dell'hardware non include display, case, conversione di potenza, protezione I/O, sviluppo software e conformità normativa, ma spiega perché i progettisti di sistemi si chiedono se sia possibile realizzare un display HMI a basso costo basato su Raspberry Pi anziché su un pannello proprietario.

La questione più importante non è se Raspberry Pi sia più economico, ma dove sia più appropriato utilizzarlo. Uno schermo Raspberry Pi dovrebbe essere valutato come parte di un sistema HMI: interfaccia di visualizzazione, tecnologia touch, temperatura di esercizio, affidabilità dell'avvio, durata della memoria, tenuta dell'involucro, comportamento EMI, protezione dell'alimentazione, supporto dei protocolli e modello di manutenzione sono tutti aspetti importanti. Se gestiti correttamente, Raspberry Pi può diventare una valida alternativa HMI per PLC per la giusta tipologia di progetti industriali.

Interfaccia HMI PLC tradizionale vs interfaccia HMI Raspberry Pi: filosofie di progettazione differenti

I tradizionali pannelli HMI per PLC sono progettati all'insegna della stabilità, dell'integrazione con i fornitori, degli accessori certificati e di un ciclo di assistenza prevedibile. Solitamente includono alimentazione di tipo industriale, meccanismi di montaggio a pannello, software integrato con l'ecosistema PLC e un flusso di lavoro di configurazione familiare agli ingegneri dell'automazione. Per gli impianti che operano 24 ore su 24, 7 giorni su 7, queste caratteristiche non sono un lusso, ma riducono il rischio di messa in servizio.

Un'interfaccia HMI basata su Raspberry Pi parte da un presupposto diverso. È più simile a un computer embedded con display. Il software può essere una dashboard basata su browser, un'applicazione Qt, un'interfaccia Node-RED, un pannello Grafana, un'interfaccia grafica Python, una visualizzazione CODESYS o un'applicazione Linux personalizzata. Invece di chiedersi se lo schermo appartiene a una famiglia di PLC, il progettista si chiede se l'HMI sia in grado di leggere i dati in modo affidabile, visualizzare gli allarmi in modo chiaro, resistere all'ambiente e poter essere manutenuta per tutta la durata del prodotto.

Questa differenza crea sia libertà che responsabilità. Lo schermo di un Raspberry Pi può essere economico e altamente personalizzabile, ma l'integratore di sistema deve progettare i dettagli che un fornitore di HMI per PLC solitamente nasconde. Ciò include il comportamento di spegnimento, l'usura della memoria, il ripristino watchdog, l'isolamento elettrico, la messa a terra, la calibrazione del touch, la leggibilità alla luce del sole, gli aggiornamenti del firmware e la sicurezza informatica.

Il livello di visualizzazione: perché lo schermo è importante quanto il Raspberry Pi

Molti progetti HMI basati su Raspberry Pi falliscono a livello di display, non di processore. Il display di un kit di sviluppo può funzionare in un laboratorio, ma deludere in un ambiente di produzione perché la luminosità è troppo bassa, il pannello touch è fragile, l'angolo di visuale è scarso o la connessione del cavo non è sufficientemente robusta per resistere alle vibrazioni. Nel caso di un'interfaccia HMI industriale, lo schermo è la parte che l'operatore tocca effettivamente ogni giorno.

Elenchi di visualizzazione Kadi moduli display Raspberry Pi Utilizzando opzioni TFT e touchscreen, con una singola connessione FPC che supporta l'uscita video, il controllo touch e l'alimentazione per applicazioni Raspberry Pi embedded e compatte. L'articolo su Raspberry Pi DSI rileva inoltre che i sistemi embedded industriali possono utilizzare Raspberry Pi come controller HMI e che DSI richiede una corretta connessione hardware, linee di alimentazione, overlay del device tree e driver, anziché un semplice comportamento plug-and-play.

Per installazioni più grandi o più semplici, HDMI più USB touch è spesso più facile. Kadi Display Monitor industriale plug-and-play da 12,3 pollici Utilizza video HDMI 1.4a o Type-C, touch USB, luminosità di 800 nit, funzionamento da -20 a 70 °C e un ingresso di alimentazione da 6 a 27 V. La stessa pagina indica la compatibilità nella maggior parte dei casi con Raspberry Pi e Jetson tramite HDMI e touch USB, consentendo al contempo la personalizzazione per il collegamento, i cavi, il montaggio e l'alloggiamento. Questo tipo di posizionamento del prodotto si adatta meglio a un progetto HMI con Raspberry Pi che allo schermo di un tablet di consumo.

Anche la luminosità è importante. Un pannello da 400 nit può essere confortevole in un locale tecnico o in una postazione interna. Un monitor touchscreen industriale da 800-1000 nit è più adatto ad ambienti di fabbrica luminosi, chioschi o terminali semi-esterni. Un LCD ad alta luminosità da 1500-2000 nit dovrebbe essere preso in considerazione quando l'installazione prevede la luce solare diretta. La scelta del display dovrebbe basarsi sulla luce ambientale, sul design del contenitore e sull'angolo di visione dell'operatore, non sul prezzo della scheda Raspberry Pi.

Tabella 1. Confronto pratico tra pannello HMI PLC e HMI Raspberry Pi.

Opzioni di interfaccia: HDMI, MIPI DSI, LVDS e USB Touch

Un'interfaccia HMI basata su Raspberry Pi si connette solitamente al display tramite due canali: HDMI e USB touch, oppure MIPI DSI. L'HDMI è la soluzione più versatile. È facile da testare, funziona con molti monitor e consente l'utilizzo di display plug-and-play compatibili anche con PC Windows e Linux, schede Jetson o sistemi embedded x86. Per un monitor touchscreen industriale montato in un armadio, l'HDMI e l'USB touch rappresentano spesso la soluzione più rapida per realizzare un prototipo funzionante.

MIPI DSI è più compatto ed elegante quando il display è vicino alla scheda. Riduce l'ingombro dei connettori e può supportare fattori di forma embedded sottili. Il compromesso è il lavoro di integrazione. Kadi Display's Linee guida DSI Sottolinea che DSI non è così "plug-and-play" come HDMI e richiede la giusta connessione, alimentazione, overlay e driver. Questo rende DSI interessante per i prodotti OEM, ma più impegnativo per i progetti di fabbrica unici.

La tecnologia LVDS è ancora frequentemente utilizzata nei display industriali di dimensioni comprese tra circa 7 e 21 pollici, grazie alla sua robustezza che consente percorsi di cablaggio interni più lunghi ed è ampiamente supportata dai moduli LCD industriali. Un Raspberry Pi potrebbe necessitare di una scheda adattatrice o di un bridge per utilizzare pannelli LVDS. Questa componentistica aggiuntiva è giustificata quando le dimensioni, la luminosità o la robustezza desiderate non sono ottenibili tramite DSI o HDMI diretti.

La regola pratica di selezione è semplice: utilizzare HDMI e USB touch per velocità, facilità di manutenzione e compatibilità multipiattaforma; utilizzare MIPI DSI per prodotti embedded compatti; utilizzare LVDS o eDP quando l'ecosistema del pannello o la progettazione meccanica lo richiedono.

Modello dei costi: dove si realizzano risparmi reali e dove non si realizzano.

L'espressione "display HMI a basso costo" può essere fuorviante. La scheda Raspberry Pi è economica, ma un HMI industriale non è solo un processore. Una distinta base realistica include il Raspberry Pi o il Compute Module, la scheda di interfaccia, il modulo display, il pannello touch capacitivo, il vetro di copertura, la protezione dell'alimentazione, l'involucro, la ferramenta di montaggio, i cavi, la memoria, la progettazione termica e il tempo di sviluppo del software.

Il risparmio è massimo quando il progetto richiede software flessibile, interfaccia utente personalizzata, connettività web, funzionalità multimediali, registrazione dati o iterazioni rapide. Un Raspberry Pi può eseguire Linux completo, visualizzare una dashboard tramite browser, memorizzare log locali, pubblicare dati tramite MQTT e aggiornare le visualizzazioni senza il flusso di lavoro rigido di molti editor HMI per PLC. Nelle piccole serie o nelle apparecchiature OEM, questa libertà a livello software può valere più del risparmio sull'hardware.

Il risparmio è minore quando il progetto richiede I/O industriali certificati, un controllo deterministico rigoroso, funzioni di sicurezza e una responsabilità a lungo termine del fornitore. In questi casi, il PLC dovrebbe rimanere l'elemento di controllo principale. L'HMI Raspberry Pi può comunque fungere da interfaccia operatore, dashboard edge o terminale di manutenzione, ma non dovrebbe sostituire la logica di sicurezza o il controllo in tempo reale a meno che l'intero sistema non sia stato progettato e validato specificamente per tale scopo.

Affidabilità: la lista di controllo che distingue le interfacce HMI industriali dai progetti per maker.

Un'interfaccia HMI basata su Raspberry Pi diventa industriale solo quando il design circostante lo è altrettanto. Il primo problema riguarda la memoria di archiviazione. Le schede microSD standard possono guastarsi a causa di scritture ripetute, improvvise interruzioni di corrente o vibrazioni. I moduli di calcolo con memoria eMMC, sistemi operativi di sola lettura, rotazione dei log o SSD industriali esterni sono generalmente più adatti per apparecchiature con una lunga durata.

Il secondo problema riguarda l'alimentazione. Gli armadi elettrici industriali spesso contengono rumore di commutazione, cali di tensione, carichi a relè, motori e cavi lunghi. Un Raspberry Pi non dovrebbe essere alimentato come un esperimento da tavolo. Utilizzare un ingresso CC industriale stabile, protezione contro le sovratensioni, protezione contro l'inversione di polarità, fusibili, una messa a terra adeguata e, ove necessario, interfacce di comunicazione isolate.

Il terzo problema riguarda il ripristino. Un pannello PLC deve riavviarsi correttamente dopo un'interruzione di corrente. Un'interfaccia HMI basata su Raspberry Pi richiede la stessa aspettativa: servizio watchdog, riavvio automatico dell'applicazione, strategia di arresto sicuro e processo di aggiornamento documentato. Quando la schermata operatore è parte integrante del sistema di produzione, un malfunzionamento dell'interfaccia grafica si traduce in un tempo di inattività.

Il quarto aspetto riguarda la progettazione meccanica. Il display dovrebbe utilizzare un pannello touch resistente, un vetro di copertura, una luminosità adeguata, un sistema di fissaggio dei cavi affidabile e una struttura frontale idonea a polvere, olio, guanti, liquidi detergenti o umidità. Kadi Display categoria di display touch TFT L'attenzione si concentra sul controllo industriale, sui sistemi embedded, sulle opzioni touch, sulla flessibilità dell'interfaccia e sul supporto OEM/ODM, aspetti rilevanti per la transizione di uno schermo per Raspberry Pi dal prototipo alla produzione di un dispositivo.

Tabella 2. Lista di controllo per l'industrializzazione dell'interfaccia uomo-macchina (HMI) con Raspberry Pi.

Architettura software: Web HMI, Node-RED, Qt e CODESYS

Un'interfaccia HMI basata su Raspberry Pi offre al progettista diverse opzioni software. Un'interfaccia HMI web è spesso la più facile da gestire. Il Raspberry Pi esegue Chromium in modalità kiosk e carica una dashboard locale o remota. Questa soluzione è ideale per schermate SCADA semplificate, pagine di stato delle macchine, stazioni di controllo qualità, dashboard energetiche e terminali di manutenzione.

Node-RED è utile per progetti basati su flussi di dati che combinano Modbus, MQTT, API HTTP, database e semplici dashboard. Non sostituisce un programma PLC validato, ma è eccellente per connettere sorgenti dati e creare schermate operatore leggere.

Qt, Python e le applicazioni Linux personalizzate risultano più efficaci quando l'interfaccia utente deve essere altamente controllata, funzionare offline, essere brandizzata o sensibile alle prestazioni. La visualizzazione CODESYS può essere interessante quando il team desidera un'ingegneria in stile IEC 61131-3 e un comportamento più simile a quello di un PLC su piattaforme compatibili. La chiave è separare le responsabilità: il controllo deterministico spetta al PLC o al controllore in tempo reale; la visualizzazione, la gestione delle ricette, la registrazione dei log, il flusso di lavoro di manutenzione e la connettività edge possono risiedere sull'HMI Raspberry Pi.

Dove si adattano meglio gli schermi Raspberry Pi

Le applicazioni migliori non sono solitamente i controlli di produzione ad alto rischio. Si tratta piuttosto di quei numerosi punti in cui gli operatori necessitano di informazioni, ma il sistema non giustifica l'installazione di un pannello HMI proprietario completo. Esempi includono piccole macchine per l'imballaggio, banchi di prova, centraline per l'agricoltura intelligente, skid per il trattamento delle acque, strumenti di laboratorio, pannelli di servizio per la ricarica di veicoli elettrici, stazioni di monitoraggio energetico, dashboard per l'ammodernamento delle macchine, schermi per la manutenzione delle celle robotizzate e terminali di magazzino.

Un pannello HMI basato su Raspberry Pi è utile anche come pannello secondario accanto a un pannello HMI per PLC. Il pannello PLC rimane il controllo operatore ufficiale, mentre lo schermo del Raspberry Pi visualizza analisi, anteprime delle telecamere, cronologia di produzione, guide alla manutenzione, manuali in formato PDF, stato dell'assistenza remota e dati IIoT. Questo approccio ibrido evita la falsa alternativa tra HMI per PLC e Raspberry Pi. In molti stabilimenti, la soluzione migliore è quella di utilizzare entrambi.

Per i produttori di apparecchiature originali (OEM), gli schermi basati su Raspberry Pi sono una soluzione interessante quando l'interfaccia del prodotto deve cambiare frequentemente. Il software HMI tradizionale può essere efficiente per gli schermi di automazione, ma risulta meno flessibile per la progettazione di interfacce utente moderne, contenuti multilingue, accesso al cloud, API web, video o personalizzazione con il marchio del cliente. Un HMI basato su Raspberry Pi può avere un aspetto e un comportamento più simili a quelli di un moderno dispositivo embedded, pur continuando a comunicare con PLC e sensori.

Quando Raspberry Pi HMI non è la scelta giusta

Un articolo SEO equilibrato non dovrebbe fingere che Raspberry Pi risolva ogni problema relativo alle interfacce uomo-macchina (HMI). È la scelta sbagliata quando il progetto richiede un controllo certificato per la sicurezza, la responsabilità del ciclo di vita garantita dal fornitore, un rigoroso controllo delle modifiche software validato, la certificazione per aree a rischio di esplosione o una profonda integrazione con il sistema di allarmi e ricette di un singolo fornitore di PLC. Potrebbe essere sbagliata anche quando il team di manutenzione dello stabilimento rifiuta i sistemi basati su Linux o non è in grado di supportare software personalizzato.

È inoltre rischioso quando l'integratore sceglie schermi di tipo consumer. I display a basso costo possono presentare angoli di visualizzazione limitati, retroilluminazione debole, cavi corti, connettori fragili, prestazioni touch instabili e nessuna chiara indicazione della temperatura di esercizio. Per i progetti di monitor touchscreen industriali, il fornitore del display è importante tanto quanto il modello di Raspberry Pi.

Un altro segnale d'allarme è rappresentato dagli aggiornamenti software incontrollati. Un progetto amatoriale può aggiornare i pacchetti liberamente; un'interfaccia HMI prodotta in fabbrica no. Qualsiasi interfaccia HMI basata su Raspberry Pi utilizzata in produzione dovrebbe disporre di un'immagine del sistema operativo stabile, un pacchetto applicativo versionato, un metodo di rollback, credenziali documentate e una procedura di ripristino tramite immagine di backup.

Esempi in stile caso di studio

Esempio 1: Un piccolo OEM costruisce uno strumento di test da banco. Un HMI PLC tradizionale è stabile ma fa sembrare l'interfaccia utente obsoleta e aumenta il costo di un prodotto spedito in basso volume. Un Raspberry Pi 5 con un Touchscreen industriale HDMI da 10,1 pollici Esegue un'applicazione web locale, registra i risultati dei test in un database e si connette a un microcontrollore tramite USB o RS485. In questo caso, lo schermo del Raspberry Pi rappresenta un'eccellente soluzione HMI a basso costo, poiché il rischio di controllo è ridotto e l'interfaccia utente è fondamentale.

Esempio 2: Una linea di lavorazione alimentare necessita di un pannello operatore principale per il controllo del movimento, delle ricette, degli allarmi, del lavaggio e delle procedure di emergenza. In questo caso, un'interfaccia HMI PLC rimane la soluzione primaria ideale. Un'interfaccia HMI basata su Raspberry Pi potrebbe essere aggiunta come dashboard secondaria per visualizzare l'OEE, i manuali di manutenzione, i dati energetici o l'anteprima delle immagini delle telecamere, ma non dovrebbe sostituire il pannello PLC validato senza un'accurata valutazione dei rischi.

Esempio 3: Una stazione di pompaggio remota necessita di una schermata di servizio locale. L'operatore la visita occasionalmente, legge lo stato, modifica i parametri non critici e controlla la cronologia degli allarmi. Un Raspberry Pi Compute Module con eMMC, un monitor touchscreen industriale, comunicazione Modbus TCP e un contenitore sigillato possono ridurre i costi offrendo al contempo una dashboard dati migliore rispetto a una piccola HMI proprietaria.

In sintesi: un'alternativa pratica, non una soluzione universale.

Gli schermi Raspberry Pi stanno diventando una seria opzione per le interfacce uomo-macchina industriali perché combinano bassi costi hardware, elevata flessibilità software, moderne capacità di interfaccia utente e ampia gamma di applicazioni. opzioni dell'interfaccia di visualizzazioneUn'interfaccia HMI basata su Raspberry Pi può rappresentare una valida alternativa alle interfacce HMI dei PLC per macchine pilota, apparecchiature OEM, terminali dati, pannelli di monitoraggio remoto e interfacce operatore a basso rischio.

La chiave è una progettazione onesta. Il Raspberry Pi non dovrebbe essere trattato come un pannello PLC certificato a meno che l'intero sistema non sia progettato, testato e supportato di conseguenza. Utilizzate display di livello industriale, proteggete il percorso di alimentazione, scegliete un sistema di archiviazione affidabile, bloccate l'immagine del software, pianificate il ripristino sul campo e mantenete il controllo critico per la sicurezza all'interno di un PLC o di un controllore appropriato.

Per molti progetti, la risposta migliore non è scegliere tra HMI PLC e Raspberry Pi. La soluzione migliore è utilizzare ciascuno dove eccelle: l'hardware PLC per il controllo deterministico e l'affidabilità standard di impianto; gli schermi Raspberry Pi per una visualizzazione flessibile, dashboard edge, flussi di lavoro personalizzati e HMI embedded a costi contenuti. È in questo modo che il display HMI a basso costo diventa non solo più economico, ma anche più utile.

Note sulla fonte

Documento di riferimento caricato per il formato e lo stile strutturale: 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/

Disclaimer: Questo articolo è destinato al marketing tecnico e alla formazione ingegneristica. Le specifiche del prodotto, i costi, la compatibilità, la luminosità della retroilluminazione, la temperatura di esercizio e la durata utile sono indicativi e possono variare a seconda del modello, del fornitore, della versione del sistema operativo, del contenitore e dell'ambiente di implementazione. Raspberry Pi è un marchio di Raspberry Pi Ltd. PLC, HMI, HDMI, Linux, Modbus, OPC UA, MQTT e altri nomi appartengono ai rispettivi proprietari. Verificare i requisiti di sicurezza, compatibilità elettromagnetica (EMC), ambientali, di sicurezza informatica e normativi prima di utilizzare qualsiasi HMI basato su Raspberry Pi in macchinari di produzione.