Raspberry Pi – az ipari adatközpont kulcsa
Az Ipar 4.0 széles körű elterjedése fontos következményekkel jár az ipari számítástechnikai rendszerek architektúrájára nézve. Az Ipar 4.0 egyik fő iránya az információs technológia (IT) és a szerszámgépeket, valamint a folyamatirányító rendszereket az üzemi szinten koordináló operatív technológia (OT) egyesítése.
A gyártásban e két fél közötti folyamatos kommunikáció lehetővé teszi a beszállítók számára, hogy sokkal gyorsabban reagáljanak a piaci változásokra. A második hajtóerő az IT-OT integráció használata, a gyártásban zajló folyamatok sokkal inkább adatvezérelt módon történő szabályozása.
Ahelyett, hogy rögzített gyártósorokat építenének, ahol az alkatrészek előre meghatározott lépések sorozatán haladnak keresztül a termék összeszerelése folyamán, az útvonalat valós időben határozzák meg a termék követelményei és az adott pillanatban rendelkezésre álló gyártógépek alapján. A két változatot különböző gépekkel vagy gyártóegységekkel lehet feldolgozni attól függően, hogy mely alkatrészeket kell beépíteni, és milyen kivitelben kell az egyes alkatrészeket elkészíteni. Elvileg minden egyes késztermék, amely a gyárból kikerül, a vevő egyedi igényeihez igazodik. A tömeges testreszabást a nyereségesség és a piaci részesedés növekedési motorjának tekintik az azt alkalmazó vállalatok.
A rugalmasság az Ipar 4.0 kulcsa
A rugalmasság kritikus tényező, amely éppúgy vonatkozik az üzemcsarnokot felügyelő számítástechnikai infrastruktúrára, mint a szerszámgépekre és azokra a rendszerekre, amelyek a folyamatban lévő munkát a különböző gyártóegységekbe szállítják. A múltban a hangsúly az önálló automatizálási szigeteken volt, amelyek a gépek és robotok körül helyezkedtek el, amelyek meghatározott feladatok elvégzésére rögzített programokat futtattak. Az Ipar 4.0 rendszereknek sokkal nagyobb fokú koordinációra van szükségük nemcsak a gyárban, hanem a megrendeléseket ütemező és elküldő háttérrendszerekkel is. Ugyanakkor az IT-OT integráció támogatásához szükséges gyorsabb hálózatok felhasználhatók az üzemben már meglévő gépek és robotok funkcionalitásának növelésére.
Ebben a környezetben lehetővé válik a nagyobb feldolgozási teljesítményt igénylő feladatok elvégzése anélkül, hogy a szerszámgépekhez csatlakoztatott ipari számítógépek és vezérlőrendszerek jelentős fejlesztést igényelnének. Ilyen például a mesterséges intelligenciával támogatott vizuális ellenőrzés az összeszerelés vagy a bevonatok minőségének ellenőrzésére. Ehelyett a feladatokat át lehet adni a rugalmas számítógépeknek az üzemcsarnokban olyan esetekben, ahol a késleltetés fontos. Alternatív megoldásként, ha a helyi feldolgozás nem elegendő, a feladatokat át lehet adni a felhőben lévő rendszereknek – a helyi feldolgozási teljesítményt a képek és videók tömörítésére használva az átviteli idő és a költségek minimalizálása érdekében.
A rendszerek valós időben határozhatják meg, hogy melyik a legjobb megközelítés a helyi számítási erőforrások használatának és a válaszidőnek az egyensúlya szempontjából. Ha egy helyi rendszeren futó, viszonylag egyszerű mesterségesintelligencia-modell problémát talál egy bevonatkészítési folyamatban, az adatokat át lehet küldeni a felhőbe elemzésre, hogy ellenőrizzék, nem a gépekkel vagy a nyersanyagokkal van-e hiba.
A felületszerelési technológia területén használt Pi Sense Hat
Hálózati feldolgozás a termékminőség javítása érdekében
A hálózatba kapcsolt feldolgozás segítségével könnyebbé válik a gyártóegységek további érzékelőkkel és az általános minőség javítására használható algoritmusokkal való bővítése. Például a hőmérséklet és a páratartalom változásai befolyásolhatják a kémiai folyamatokat, amelyek a festék minőségének vagy a felületek közötti tapadásnak a változását eredményezik. Ahelyett, hogy a gépeket korszerűsítenék ezen érzékelők beépítése érdekében, az Ipar 4.0 gyakorlatok alkalmazói az érzékelő interfészeket olyan számítógépes modulokhoz csatlakoztathatják, amelyek az adatokat a meglévő szerszámgépek által használható formában dolgozzák fel. Ezt a megközelítést alkalmazza a gyárában a brit kerékpárgyártó Brompton. A vállalat Raspberry Pi modulokat használt a termékkövetés bővítésére az üzemben anélkül, hogy az alapvető gyártógépeket ki kellett volna cserélni. A vállalat mostanra több mint 100 olcsó Pi modult helyezett el az üzemben mindenütt, ahol további érzékelő és adatgyűjtő eszközökre van szükség.
Szingapúrban az elektronikai gyártási szolgáltatásokra specializálódott Jabil a Raspberry Pi-t fogadta el alapvető hardverplatformként. A Jabil gyári digitalizációs programja lehetővé teszi, hogy az alkalmazásokat könnyen fejlesszék, teszteljék és biztonságosan telepítsék az üzemi rendszerekre, bárhol is legyenek azok. A Raspberry Pi ezen felhasználási eseteinek közös vonása a hardver különböző verziói közötti nagyfokú szoftverkompatibilitásban és magának a hardvernek az alapvető képességeiben rejlik. Ezáltal sokkal könnyebbé válik az alkalmazások áthelyezése oda, ahol szükség van rájuk, vagy ahol a számítási erőforrás rendelkezésre áll.
Szoftver és hardver integráció
A Raspberry Pi kulcsfontosságú előnyökkel rendelkezik az Ipar 4.0 következő szakaszában. Az alacsony költségű, de nagy kapacitású számítógépek hálózatának integrálódnia kell egy olyan gyári adatközpont kialakításához, ahol az alkalmazások oda helyezhetők, ahol szükség van rájuk, és akár egyik rendszerről a másikra is áttérhetnek, ha az igények változnak. Ebben a környezetben az eredetileg felhőalapú adatközpontok számára kifejlesztett szoftvereszközöket és komponenseket a peremrendszerekben való felhasználásra adaptálják, függetlenül attól, hogy ezek a peremrendszerek közvetlenül a termelőgépekhez csatlakoznak, a gyárban lévő szekrényekben vagy a közeli mikroadatközpontokban találhatók.
Az Arm által kifejlesztett Cortex-A mikroprocesszormagok sorozatán alapuló minden Raspberry Pi egy többmagos számítógép, teljes memóriakezelő egységgel, amely támogatja az olyan operációs rendszereket, mint a Linux. Ezek az operációs rendszerek a virtuális memória támogatására, valamint a nagy sebességű I/O portok gazdag kínálatára támaszkodnak, amelyek mindegyike egy kényelmes USB porton keresztül táplálható. A Raspberry Pi 4 például egy Broadcom négymagos SoC köré épül, 1 MB shard másodszintű gyorsítótárral, amelyhez két HDMI videokimenet társul a kezelői interfészek és a Gigabit Ethernet támogatásához.
A Raspberry Pi Linux-támogatása létfontosságú ahhoz, hogy az ipari ügyfelek hozzáférjenek a felhőalapú számítástechnikai technológiák fejlesztési és telepítési előnyeihez. A mai felhőrendszerek kulcsfontosságú eleme a virtualizáció és a konténerizáció. A virtualizáció lehetőséget biztosít az alkalmazások egymástól való hatékonyabb elkülönítésére, mintha azok ugyanazon operációs rendszerben lennének hosztolva.
A virtualizáció során az egyik operációs rendszerben futó alkalmazások nem férhetnek hozzá a másik operációs rendszerben futó alkalmazások memóriájához. A saját virtuális címtartományon kívüli minden I/O vagy memória-hozzáférést a hiperfelügyelő akadályoz meg. Ez nagy előny az ipari rendszerekben, ahol egyes szoftverek kritikusak a gép működése szempontjából, de előfordulhat, hogy más funkciók ellátásához harmadik féltől származó szoftverekkel együtt kell futniuk. Ha az egyikhez frissítésekre van szükség, azok a többi komponens érintése nélkül elvégezhetők. Továbbá az Arm Cortex-A architektúrában rejlő Trustzone támogatás mechanizmusokat biztosít a szoftverképek hitelességének ellenőrzésére még a telepítés előtt, valamint az I/O-hoz való hozzáférésük ellenőrzésére futás közben.
Raspberry Pi és Pi kamera, amelyet a Raspberry Pi gyártási folyamatával együtt használnak
A konténerizáció és az orchestrálás ereje
A virtualizáció a memória- és az I/O-hozzáférések elfogásának szükségessége miatt a processzorra többletköltséget ró. Erre válaszul a felhőalapú számítástechnikai ipar kifejlesztette a konténerizáció erőforrás-hatékonyabb technológiáját. Számos olyan, közvetlenül a Linuxba épített biztonsági funkció létezik, amelyekkel megakadályozható, hogy az alkalmazások a saját címtartományukon kívüli memóriát rongálják, és amelyek nem járnak a hiperfelügyelők műveleteinek többletköltségével. A konténertechnológiák, például a Kata vagy a Docker másik fontos jellemzője, hogy az összes könyvtárat és rendszerszintű funkciót – amelyre egy alkalmazásnak szüksége van – egyetlen képbe lehet csomagolni, amely a hálózat bármely kompatibilis gépére átvihető. Ezek a könyvtárak teljesen különbözhetnek azoktól, amelyekre egy ugyanazon a gépen futó konténernek szüksége van. Mivel a konténer elszigeteli az alkalmazást a hardver és a rendszerszoftver különbségeitől, az eredmény egy olyan mechanizmus, amely biztosítja, hogy az alkalmazások bárhol futtathatók legyenek, ahol vannak szabad számítási erőforrások.
A felhőben a Kubernetes, a Google által létrehozott nyílt forráskódú orchestrációs eszköz a rendszergazdák által meghatározott szabályok alapján a konténerek automatikus betöltésére, futtatására, mozgatására és eltávolítására szolgál. A hasonló eszközök mostanában az olyan projektek révén, mint az Arm’s Project Cassini és mások, a peremrendszerekbe is bekerülnek. A konténerizáció és az orchestrálás kombinációja lehetővé teszi az ipari felhasználók számára, hogy maximalizálják számítógépes rendszereik kihasználtságát, és jövőállóvá tegyék azokat. A processzormodulok hozzáadásával vagy frissítésével könnyen bővíthető a kapacitás. A Raspberry Pi platform azt jelenti, hogy mindezt rendkívül költséghatékony módon tehetik meg, és kihasználhatják a beépített I/O és hálózati képességek előnyeit annak érdekében, hogy az elosztott ipari adatközpont összes rendszere kommunikálni tudjon egymással.
Az eredmény az, hogy a Raspberry Pi sokkal több, mint egy olcsó platform a nagy sebességű feldolgozáshoz. A felhőtechnológiák gyártási területre való áttelepülésének köszönhetően ez alapja lehet az ipari adatközpontnak, amelyre az Ipar 4.0 égisze alatt az IT és OT egyesítéséhez szükség van.
Szerző: Cliff Ortmeyer –
a Farnell műszaki marketing globális vezetője
Farnell element14
Ingyenesen hívható telefonszám: 06 80 016 413
Műszaki támogatás e-mailben: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://hu.farnell.com
www.element14.com
