Экраны Raspberry Pi для промышленного интерфейса человек-машина.

Недорогая альтернатива традиционным панелям ПЛК.

Разработка практичных пользовательских интерфейсов с использованием экранов Raspberry Pi, промышленных сенсорных мониторов и недорогой архитектуры HMI-дисплеев.

Разработано технической командой Kadi Display |  www.kadidisplay.com

Почему интерфейс человек-машина Raspberry Pi выходит на промышленный рынок?

Долгое время безопасным решением для визуализации оборудования был простой вопрос: приобрести традиционную панель HMI на базе ПЛК от того же поставщика, что и контроллер. Это решение по-прежнему актуально для регулируемых производственных линий, критически важного с точки зрения безопасности оборудования и установок, где долгосрочная поддержка поставщика важнее стоимости оборудования. Однако быстро выросла и другая категория проектов: опытные образцы, лабораторное оборудование, интеллектуальные киоски, заводские терминалы данных, оборудование для мелкосерийного производства, удаленные блоки мониторинга и шлюзы IIoT, которым необходим понятный экран оператора, но не требуются все функции полноценной фирменной панели HMI.

Именно здесь экраны Raspberry Pi стали интересными. Интерфейс человек-машина на базе Raspberry Pi может объединять недорогой одноплатный компьютер, сенсорный дисплей, веб-панели управления, логику на Python или Node-RED, данные MQTT, шлюзы Modbus и специальный корпус в гибкий промышленный сенсорный монитор. В результате получается не прямая замена любой панели ПЛК, а более дешевая архитектура интерфейса человек-машина для проектов, где важны открытость, быстрая итерация и гибкость программного обеспечения.

Экономическая целесообразность — первая причина, по которой люди обращают внимание на Raspberry Pi. Raspberry Pi предлагает Compute Module 4 по цене от 41,25 долларов и описывает его как решение для промышленного применения. В документации Raspberry Pi также говорится о возможности использования Compute Module в коммерческих и промышленных приложениях, таких как цифровые вывески, тонкие клиенты и автоматизация процессов. Цена оборудования не включает дисплей, корпус, преобразователь питания, защиту ввода-вывода, разработку программного обеспечения и работы по обеспечению соответствия стандартам, но это объясняет, почему системные разработчики задаются вопросом, можно ли создать недорогой HMI-дисплей на базе Raspberry Pi вместо проприетарной панели.

Более важный вопрос не в том, дешевле ли Raspberry Pi, а в том, где он уместен. Экран Raspberry Pi следует оценивать как часть системы человеко-машинного интерфейса (HMI): интерфейс дисплея, сенсорная технология, рабочая температура, надежность загрузки, ресурс хранения, герметичность корпуса, электромагнитная совместимость, защита от перенапряжения, поддержка протоколов и модель обслуживания — все это имеет значение. При правильном подходе к этим аспектам Raspberry Pi может стать практичной альтернативой HMI для ПЛК в соответствующих промышленных проектах.

Традиционный интерфейс человек-машина для ПЛК против интерфейса человек-машина для Raspberry Pi: разные подходы к проектированию.

Традиционные панели HMI для ПЛК создаются с учетом стабильности, интеграции с поставщиками, сертифицированных аксессуаров и предсказуемого срока службы. Обычно они включают в себя промышленный источник питания, механизм панельного монтажа, программное обеспечение, привязанное к экосистеме ПЛК, и рабочий процесс настройки, знакомый инженерам по автоматизации. Для предприятий, работающих круглосуточно, эти качества не являются роскошью. Они снижают риски при вводе в эксплуатацию.

Человеко-машинный интерфейс на базе Raspberry Pi начинается с другой идеи. Он ближе к встроенному компьютеру с дисплеем. Программное обеспечение может представлять собой панель управления на основе браузера, приложение Qt, интерфейс Node-RED, панель Grafana, графический интерфейс пользователя на Python, визуализацию CODESYS или пользовательское приложение Linux. Вместо того чтобы спрашивать, относится ли экран к семейству ПЛК, разработчик задается вопросом, может ли человеко-машинный интерфейс надежно считывать данные, четко отображать сигналы тревоги, выдерживать воздействие окружающей среды и обслуживаться в течение всего срока службы изделия.

Это различие создает как свободу, так и ответственность. Экран Raspberry Pi может быть недорогим и легко настраиваемым, но системный интегратор должен продумать детали, которые обычно скрывают поставщики HMI для ПЛК. Это включает в себя поведение при выключении, износ памяти, восстановление сторожевого таймера, электрическую изоляцию, заземление, калибровку сенсорного экрана, читаемость при солнечном свете, обновления прошивки и кибербезопасность.

Слой отображения: почему экран так же важен, как и Raspberry Pi.

Многие неудачные проекты HMI на базе Raspberry Pi терпят неудачу на уровне дисплея, а не на процессоре. Дисплей из комплекта для разработки может работать на стенде, но разочаровать на заводе из-за слишком низкой яркости, хрупкости сенсорной панели, плохого угла обзора или недостаточной прочности кабельного соединения к вибрации. Для промышленного HMI экран — это та часть, к которой оператор прикасается каждый день.

Kadi Отображение списков модули дисплея Raspberry Pi В статье о Raspberry Pi DSI отмечается, что промышленные встраиваемые системы могут использовать Raspberry Pi в качестве контроллеров HMI, и что для работы DSI требуется правильное подключение оборудования, питание, наложение дерева устройств и драйверы, а не простое подключение по принципу «подключи и работай».

Для более крупных или простых инсталляций часто проще использовать сенсорный экран HDMI плюс USB. Kadi Display 12,3-дюймовый промышленный монитор с возможностью подключения и использования без дополнительных настроек. Используется видеовыход HDMI 1.4a или Type-C, сенсорный экран USB, яркость 800 нит, работа в диапазоне температур от -20 до 70°C и входное напряжение 6-27 В. На той же странице отмечается совместимость в большинстве случаев с Raspberry Pi и Jetson через HDMI плюс сенсорный экран USB, а также возможность индивидуальной настройки пайки, кабелей, крепления и корпуса. Такое позиционирование продукта лучше подходит для проектов HMI на базе Raspberry Pi, чем для экранов потребительских планшетов.

Яркость также имеет значение. Панель с яркостью 400 нит может быть комфортна в помещении с шкафами или на рабочем месте внутри здания. Промышленный сенсорный монитор с яркостью 800-1000 нит больше подходит для ярко освещенных заводских помещений, киосков или полуоткрытых терминалов. ЖК-дисплей с высокой яркостью 1500-2000 нит следует рассматривать, если в помещении присутствует прямой солнечный свет. Выбор дисплея должен зависеть от окружающего освещения, конструкции корпуса и угла обзора оператора, а не от цены платы Raspberry Pi.

Таблица 1. Панель HMI для ПЛК против HMI на базе Raspberry Pi — Практическое сравнение

Варианты интерфейса: HDMI, MIPI DSI, LVDS и USB Touch

Интерфейс пользователя Raspberry Pi обычно подключается к дисплею двумя способами: HDMI плюс сенсорный USB-порт или MIPI DSI. HDMI — наиболее простой в использовании вариант. Он легко тестируется, работает со многими мониторами и позволяет создавать дисплеи по принципу «подключи и работай», которые также можно использовать с ПК под управлением Windows и Linux, платами Jetson или встроенными системами x86. Для промышленного сенсорного монитора, установленного в шкафу, HDMI плюс сенсорный USB-порт часто является самым быстрым способом создания рабочего прототипа.

MIPI DSI обеспечивает более компактные и элегантные характеристики, когда дисплей расположен близко к плате. Он уменьшает габариты разъемов и может поддерживать тонкие встраиваемые форм-факторы. Компромисс заключается в сложности интеграции. Kadi Display Руководство DSI Отмечается, что DSI не так прост в использовании, как HDMI, и требует правильного подключения, питания, наложений и драйверов. Это делает DSI привлекательным для OEM-продуктов, но более требовательным для разовых заводских проектов.

Технология LVDS по-прежнему часто встречается в промышленных дисплеях размером от 7 до 21 дюйма, поскольку она надежна для длинных внутренних кабельных трасс и широко поддерживается промышленными ЖК-модулями. Для использования панелей LVDS на Raspberry Pi может потребоваться плата-адаптер или мост. Дополнительные электронные компоненты оправданы, если требуемый размер дисплея, яркость или прочность недоступны при прямом подключении через DSI или HDMI.

Практическое правило выбора простое: используйте HDMI плюс сенсорный USB для скорости, удобства обслуживания и кроссплатформенной совместимости; используйте MIPI DSI для компактных встраиваемых устройств; используйте LVDS или eDP, когда этого требует экосистема панели или механическая конструкция.

Модель затрат: где экономия реальна, а где нет.

Фраза «недорогой HMI-дисплей» может вводить в заблуждение. Плата Raspberry Pi недорога, но промышленный HMI — это не только процессор. Реалистичный перечень необходимых компонентов включает в себя Raspberry Pi или вычислительный модуль, плату-носитель, дисплейный модуль, емкостную сенсорную панель, защитное стекло, защиту от перегрузки по току, корпус, крепежные элементы, кабели, память, проектирование системы охлаждения и время на разработку программного обеспечения.

Наибольшая экономия достигается, когда проекту требуется гибкое программное обеспечение, настраиваемый пользовательский интерфейс, подключение к сети, мультимедиа, регистрация данных или быстрая итерация. Raspberry Pi может запускать полноценную Linux, отображать панель управления в браузере, хранить локальные журналы, публиковать данные через MQTT и обновлять визуализации без жесткого рабочего процесса, характерного для многих редакторов HMI для ПЛК. В мелкосерийном производстве или при работе с OEM-оборудованием эта свобода в программном обеспечении может быть ценнее, чем экономия на оборудовании.

Экономия становится менее значительной, когда проект требует сертифицированных промышленных входов/выходов, строгого детерминированного управления, функций безопасности и долгосрочной ответственности поставщика. В таких случаях ПЛК должен оставаться управляющим устройством. Интерфейс HMI на базе Raspberry Pi может по-прежнему служить в качестве интерфейса оператора, периферийной панели управления или терминала технического обслуживания, но он не должен заменять логику безопасности или управление в реальном времени, если вся система не была спроектирована и проверена для этой цели.

Надежность: контрольный список, отличающий промышленный человеко-машинный интерфейс от проекта для мейкеров.

Интерфейс HMI на базе Raspberry Pi становится промышленным только тогда, когда окружающая его конструкция также соответствует промышленному стандарту. Первая проблема — хранение данных. Стандартные карты microSD могут выйти из строя при многократной записи, внезапном отключении питания или вибрации. Для оборудования с длительным сроком службы обычно больше подходят конструкции вычислительных модулей с памятью eMMC, операционными системами только для чтения, ротацией журналов или внешними промышленными SSD-накопителями.

Вторая проблема — питание. В заводских шкафах часто присутствуют помехи при переключении, провалы напряжения, релейные нагрузки, двигатели и длинные кабели. Raspberry Pi не следует питать как экспериментальный прибор. Используйте стабильный промышленный источник постоянного тока, защиту от перенапряжения, защиту от обратной полярности, предохранители, надлежащее заземление и, при необходимости, изолированные интерфейсы связи.

Третья проблема — восстановление. Ожидается, что панель ПЛК будет корректно перезагружаться после отключения питания. К HMI на Raspberry Pi предъявляются те же требования: служба сторожевого таймера, автоматический перезапуск приложений, стратегия безопасного завершения работы и документированный процесс обновления. Когда экран оператора является частью производственного процесса, сбой графического интерфейса пользователя приводит к простою.

Четвертый аспект — механическая конструкция. Дисплей должен использовать прочную сенсорную панель, защитное стекло, обеспечивать достаточную яркость, надежную фиксацию кабелей и переднюю панель, устойчивую к пыли, маслу, перчаткам, чистящим средствам и влаге. Kadi Display Категория сенсорных TFT-дисплеев Особое внимание уделяется промышленному управлению, встроенным системам, сенсорным опциям, гибкости интерфейса и поддержке OEM/ODM, что является важными моментами для перехода от прототипа экрана Raspberry Pi к серийному производству.

Таблица 2. Контрольный список для индустриализации HMI на базе Raspberry Pi.

Архитектура программного обеспечения: Web HMI, Node-RED, Qt и CODESYS.

Интерфейс человек-машина на базе Raspberry Pi предоставляет разработчику несколько вариантов программного обеспечения. Веб-интерфейс часто оказывается наиболее удобным в обслуживании. На Raspberry Pi работает Chromium в режиме киоска, и загружается локальная или удаленная панель управления. Это хорошо подходит для экранов SCADA-lite, страниц состояния оборудования, станций контроля качества, панелей мониторинга энергопотребления и терминалов технического обслуживания.

Node-RED полезен для проектов, основанных на потоковой передаче данных и объединяющих Modbus, MQTT, HTTP API, базы данных и простые панели мониторинга. Он не заменяет проверенную программу для ПЛК, но отлично подходит для подключения источников данных и создания простых экранов для оператора.

Qt, Python и пользовательские приложения для Linux лучше подходят, когда пользовательский интерфейс должен быть строго контролируемым, работать в автономном режиме, иметь фирменную символику или быть чувствительным к производительности. Визуализация CODESYS может быть привлекательной, если команда хочет работать в соответствии со стандартом IEC 61131-3 и обеспечить поведение, более близкое к ПЛК, на совместимых платформах. Ключевым моментом является разделение ответственности: детерминированное управление относится к ПЛК или контроллеру реального времени; визуализация, управление рецептами, ведение журналов, рабочий процесс обслуживания и подключение к периферии могут осуществляться через HMI Raspberry Pi.

Где лучше всего разместить экраны Raspberry Pi?

Наилучшие варианты применения обычно не связаны с системами управления производством, сопряженными с самым высоким риском. Это те многочисленные ситуации, когда операторам необходима информация, но система не оправдывает использование полноценной фирменной панели HMI. Примеры включают в себя небольшие упаковочные машины, испытательные стенды, интеллектуальные контроллеры для сельского хозяйства, установки для очистки воды, лабораторные приборы, сервисные панели для зарядных устройств электромобилей, станции мониторинга энергопотребления, панели управления для модернизации оборудования, экраны для обслуживания роботизированных ячеек и складские терминалы.

Интерфейс «человек-машина» на базе Raspberry Pi также полезен в качестве дополнительной панели помимо интерфейса «человек-машина» на базе ПЛК. Панель ПЛК остается официальным элементом управления оператора, в то время как экран Pi отображает аналитику, предварительный просмотр изображения с камеры, историю производства, руководства по техническому обслуживанию, руководства в формате PDF, статус удаленной поддержки и данные IIoT. Такой гибридный подход позволяет избежать ложного выбора между интерфейсом «человек-машина» на базе ПЛК и Raspberry Pi. Во многих производственных цехах оптимальным решением является использование обоих вариантов.

Для производителей оригинального оборудования (OEM) экраны на базе Raspberry Pi привлекательны, когда интерфейс продукта должен часто меняться. Традиционное программное обеспечение HMI может быть эффективным для экранов автоматизации, но менее гибким для современного дизайна пользовательского интерфейса, многоязычного контента, облачного доступа, веб-API, видео или брендинга заказчика. HMI на базе Raspberry Pi может выглядеть и вести себя больше как современное встраиваемое устройство, при этом продолжая взаимодействовать с ПЛК и датчиками.

В каких случаях HMI на базе Raspberry Pi — неправильный выбор?

Сбалансированная SEO-статья не должна утверждать, что Raspberry Pi решает все проблемы человеко-машинного интерфейса. Это неправильный выбор, когда проект требует сертифицированного по безопасности управления, ответственности за жизненный цикл со стороны поставщика, строгого контроля изменений программного обеспечения, сертификации для работы в опасных зонах или глубокой интеграции с системой сигнализации и рецептур одного поставщика ПЛК. Это также может быть неправильным выбором, когда команда технического обслуживания завода отказывается от систем на базе Linux или не может поддерживать пользовательское программное обеспечение.

Выбор потребительских экранов также сопряжен с риском. Дешевые дисплеи могут иметь плохие углы обзора, слабую подсветку, короткие кабели, хрупкие разъемы, нестабильную работу сенсорного экрана и отсутствие четкого рейтинга рабочей температуры. Для проектов промышленных сенсорных мониторов поставщик дисплеев имеет такое же значение, как и модель Raspberry Pi.

Ещё один тревожный сигнал — неконтролируемые обновления программного обеспечения. В любительском проекте можно свободно обновлять пакеты; на заводском HMI это невозможно. Любой HMI на базе Raspberry Pi, используемый в производстве, должен иметь замороженный образ ОС, версионированный пакет приложений, метод отката, документированные учетные данные и процедуру восстановления резервного образа.

Примеры оформления тематических исследований

Пример 1: Небольшой OEM-производитель выпускает настольный измерительный прибор. Традиционный интерфейс HMI на базе ПЛК стабилен, но делает пользовательский интерфейс устаревшим и увеличивает стоимость продукта, выпускаемого в небольших объемах. Raspberry Pi 5 с 10,1-дюймовый промышленный сенсорный HDMI-экран Запускает локальное веб-приложение, записывает результаты тестирования в базу данных и подключается к микроконтроллеру через USB или RS485. В данном случае экран Raspberry Pi является отличным недорогим дисплеем HMI, поскольку риск управления низок, а пользовательский интерфейс важен.

Пример 2: На линии пищевой промышленности необходима основная панель оператора для управления движением, рецептами, сигналами тревоги, промывкой и аварийными процедурами. В этом случае интерфейс HMI на базе ПЛК остается подходящим основным интерфейсом. Интерфейс HMI на базе Raspberry Pi можно добавить в качестве дополнительной панели для отображения OEE, руководств по техническому обслуживанию, данных об энергопотреблении или предварительного просмотра изображения с камеры, но он не должен заменять проверенную панель ПЛК без полной оценки рисков.

Пример 3: Удалённой насосной станции требуется локальный сервисный экран. Оператор периодически посещает её, проверяет состояние, изменяет некритические параметры и просматривает историю аварийных сигналов. Модуль Raspberry Pi Compute Module с eMMC, промышленный сенсорный монитор, связь Modbus TCP и герметичный корпус могут снизить затраты, предлагая при этом более качественную панель мониторинга данных, чем небольшой проприетарный HMI.

Краткое содержание: Практическая альтернатива, а не универсальная замена.

Экраны Raspberry Pi становятся серьезным вариантом для промышленных человеко-машинных интерфейсов, поскольку они сочетают в себе низкую стоимость оборудования, высокую гибкость программного обеспечения, современные возможности пользовательского интерфейса и широкий спектр возможностей. параметры интерфейса дисплеяИнтерфейс человек-машина на базе Raspberry Pi может стать практичной альтернативой интерфейсу человек-машина на базе ПЛК для пилотных машин, OEM-оборудования, терминалов данных, панелей удаленного мониторинга и операторских интерфейсов с низким уровнем риска.

Ключевым моментом является честная разработка. Raspberry Pi не следует рассматривать как сертифицированную панель ПЛК, если вся система не спроектирована, не протестирована и не поддерживается соответствующим образом. Используйте дисплеи промышленного класса, защитите цепь питания, выберите надежные хранилища, заблокируйте образ программного обеспечения, спланируйте восстановление в полевых условиях и разместите критически важные элементы управления внутри соответствующего ПЛК или контроллера.

Для многих проектов оптимальным решением является не выбор между ПЛК и Raspberry Pi. Лучше использовать каждый из них там, где он наиболее эффективен: аппаратное обеспечение ПЛК для детерминированного управления и надежности, соответствующей производственным стандартам; экраны Raspberry Pi для гибкой визуализации, периферийных панелей мониторинга, настраиваемых рабочих процессов и экономичных встроенных HMI-интерфейсов. Именно здесь недорогой HMI-дисплей становится не только дешевле, но и полезнее.

Примечания к источнику

Загружен эталонный документ для форматирования и структурного стиля: 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/

Предупреждение: Данная статья предназначена для целей технического маркетинга и инженерного образования. Технические характеристики, стоимость, совместимость, яркость подсветки, рабочая температура и срок службы являются ориентировочными и могут изменяться в зависимости от модели, поставщика, версии ОС, корпуса и среды развертывания. Raspberry Pi является товарным знаком компании Raspberry Pi Ltd. Названия PLC, HMI, HDMI, Linux, Modbus, OPC UA, MQTT и другие принадлежат их соответствующим владельцам. Перед использованием любого HMI на базе Raspberry Pi в производственном оборудовании необходимо убедиться в соблюдении требований безопасности, электромагнитной совместимости, охраны окружающей среды, кибербезопасности и нормативных требований.