Przemysł 4.0 z zastosowaniem Raspberry Pi. W jaki sposób należący do Sony zakład UK TEC wdraża idee Przemysłu 4.0

Przemysł 4.0 z zastosowaniem Raspberry Pi. W jaki sposób należący do Sony zakład UK TEC wdraża idee Przemysłu 4.0

UK TEC - Brytyjskie Centrum Technologiczne firmy Sony jest pionierem w zastosowaniu komputera jednopłytkowego Raspberry Pi i jego akcesoriów w celu wprowadzania w życie idei Przemysłu 4.0. W artykule przyjrzymy się, w jaki sposób UK TEC stosuje Raspberry Pi i różnorodne akcesoria, aby zapewnić wysoką wydajność procesów produkcyjnych i podnieść jakość wytwarzanych produktów. Całość komentuje Kevin Edwards z zespołu technicznego centrum.

Brytyjskie Centrum Technologiczne firmy Sony Europe B.V. (UK TEC) to należąca do Sony Corporation gałąź produkcyjna z siedzibą w brytyjskiej Walii, która jest pionierem w użyciu komputera jednopłytkowego Raspberry Pi i jego akcesoriów we wprowadzaniu idei Przemysłu 4.0. Dział UK TEC, odpowiadający za produkcję rozwiązań profesjonalnych PSM (Professional Solutions Manufacturing) przyjął Raspberry Pi jako część szerszej inicjatywy, której celem jest stosowanie Sztucznej Inteligencji, poprawa jakości produktów i tworzenie bardziej wydajnych zespołów, co razem powinno prowadzić do podniesienia produktywności o ok. 20...30 procent.

Będąc jedynym zakładem produkcyjnym Sony w Europie, UK TEC stosuje najnowocześniejsze, japońskie techniki wytwórcze, aby budować jedne z najbardziej zaawansowanych na świecie urządzeń nadawczych oraz profesjonalne rozwiązania audio i wideo. Kamery i systemy produkowane na terenie UK TEC są stosowane na całym świecie podczas transmisji najważniejszych wydarzeń sportowych na żywo, wiadomości i programów informacyjnych, a także w trakcie produkcji filmów telewizyjnych i kinowych. Dziś w zakładach UK TEC znajduje się około 150 zainstalowanych komputerów Raspberry Pi, które monitorują systemy automatyki przemysłowej i sterowania. UK TEC koncentruje się na zapewnianiu wysokiej wydajności wszystkich procesów produkcyjnych oraz jakości uzyskiwanych wyrobów. Odbywa się to z użyciem inteligentnych robotów i automatyki, która zbiera wielkie ilości danych i pozwala na analizę procesów.

Dlaczego Raspberry Pi?

Opracowany przez Fundację Raspberry Pi w 2012 roku, komputer Raspberry Pi został przyjęty nie tylko w sektorze edukacyjnym, w którym odnosił pierwsze sukcesy. Obecnie jest powszechnie stosowany, także w komercyjnych zakładach produkcyjnych i w sektorze przemysłowym. Wynika to z faktu, że Raspberry Pi jest wspierany przez silny łańcuch zaopatrzenia oraz jest wysoce zgodny z różnymi wymogami technicznymi, spełniając tym samym potrzeby wymienionych rynków.

Raspberry Pi to niewielki komputer jednopłytkowy, który może pracować pobierając bardzo niewielką moc, a to za sprawą procesora z rdzeniem ARM, opartym na architekturze RISC. W efekcie generuje znacznie mniej ciepła niż komputery stacjonarne i eliminuje konieczność stosowania radiatorów lub wentylatorów, zamocowanych bezpośrednio na obudowie mikroprocesora. Prostota, elastyczność i niezawodność są natomiast zapewnione poprzez linuksowy system operacyjny Raspberry Pi.

Kevin Edwards, General Manager w UK TEC mówi: „Wierzę, że Raspberry Pi to wyjątkowe osiągnięcie technologiczne. Stanowi elastyczne, bardzo niedrogie, niewielkie i pobierające mało mocy, przenośne rozwiązanie komputerowe, które zarazem jest proste w instalacji. Istnieje bardzo wiele powodów, aby po nie sięgać. My wybieramy Raspberry Pi ze względu na niezrównane cechy, takie jak niezawodność, jakość, cena, łatwość użytkowania i oferowane wsparcie. Naszym celem jest uchwycenie prawdziwego świata w zakładzie przemysłowym poprzez stosowanie niedrogich systemów obliczeniowych i wierzymy, że Raspberry Pi stanowi kluczowe ogniwo, niezbędne do realizacji tej wizji.”

Jak rozpocząć zbieranie i analizę danych środowiskowych?

W początkowych fazach wdrożenia, zespół UK TEC zaczął zbieranie krytycznych danych na temat warunków środowiskowych, takich jak wilgotność, temperatura i oświetlenie, korzystając w tym celu z płytki Pi Sense HAT (fotografia 1).

Fotografia 1. Nakładka do Raspberry Pi - Sense Hat, stosowana w zakładach UK TEC

Płytka ta ma matrycę diod RGB LED o wymiarach 8×8, 5-przyciskowy joystick i zawiera takie czujniki jak żyroskop, akcelerometr oraz magnetometr, które pozwalają Raspberry Pi na „odczuwanie” otaczającego świata. Zebrane dane zostały użyte do analizy placówki UK TEC i jej standaryzacji, celem usprawnienia produkcji. Kevin Edwards mówi: „Najcenniejsze co uzyskaliśmy to możliwość bezpośredniego monitorowania naszych procesów i pozyskiwania danych z użyciem czujników bezpośrednio podłączonych do systemów sterujących sprzętem. Możemy używać Raspberry Pi do rejestrowania wideo i sterowania wyświetlaczami, na których prezentowane są odpowiednie informacje”.

Przetwarzanie obrazów z użyciem Sztucznej Inteligencji

Spośród celów UK TEC kluczowe było zwiększenie wydajności procesów produkcyjnych poprzez zastosowanie technologii przetwarzania obrazów. Firma korzysta z Raspberry Pi by przeprowadzać analizy i zbierać dane bez ingerencji w procesy. Użyto algorytmów Sztucznej Inteligencji, aby monitorować rozrzuty produkcyjne i jakość wyrobów, jeszcze na liniach produkcyjnych. Aby mieć pewność, że UK TEC realizuje idee koncepcji lean manufacturing w swoich procesach i redukuje straty tak skutecznie, jak to tylko możliwe, komputery Raspberry Pi zostały doposażone o moduły Raspberry Pi High Quality Camera (fotografia 2), które pozwalają na ocenianie procesów, m.in. pod kątem poprawności montażu podzespołów na poszczególnych płytkach drukowanych i powtarzalności tych czynności. Istotną korzyścią płynącą z użycia kamery jest fakt, że w ramach jednego ujęcia jest ona w stanie uchwycić całe środowisko produkcyjne, zamiast polegać na tradycyjnych czujnikach do monitorowania robotyki i zbierania danych na temat pozycji, temperatury czy ruchu.

Fotografia 2. Komputer Raspberry Pi wyposażony w moduł High Quality Camera

Kevin Edwards wyjaśnia: „Raspberry Pi stanowi dla nas bardzo niedrogi sposób rejestracji naszych działań. W trakcie, gdy przechodzimy coraz bardziej w stronę Sztucznej Inteligencji i świata analityki, system wizyjny może być użyty o tego, aby uzyskać pomiary, jakie wcześniej nie były w ogóle możliwe. To bardzo ekscytujący obszar naszych badań i pierwszym etapem jest możliwość rejestracji informacji o świecie fizycznym. Raspberry Pi świetnie się sprawdza w tym zakresie.”

Usprawnianie komunikacji z użyciem ekranu dotykowego

UK TEC stosuje także ekrany dotykowe dla Raspberry Pi, aby komunikować się z użytkownikami pracującymi w zakładzie i w magazynach. Urządzenia te zostały wybrane ze względu na ich niezawodność, niewygórowaną cenę, interfejsy komunikacyjne i niewielkie wymiary. Znaczenie miała też mała ilość emitowanego ciepła i niewielki pobór mocy. Dzięki powyższym cechom niewielkie komputery udało się zmieścić wewnątrz maszyn produkcyjnych, a więc bezpośrednio w pobliżu wytwarzanych produktów. Pozwala to wyeliminować wszelkiego rodzaju infrastrukturę, potrzebną do przesyłania sygnałów na większe odległości.

„Nie wyobrażam sobie rozmieszczenia 150 komputerów PC na terenie naszej fabryki. Kosztowałoby to nas krocie. Co więcej, byłoby to zupełnie niepraktyczne - mieć tak wiele komputerów w szafach, zaraz obok reszty sprzętu. Raspberry Pi było znacznie bardziej sensownym wyborem i pozwoliło nam wprowadzić idee przeprowadzania obliczeń na krawędzi sieci, a więc umieścić te niewielkie urządzenia bezpośrednio w naszym sprzęcie i maszynach. W efekcie, zastosowana technologia stała się niemal niezauważalna” - mówi Kevin Edwards.

Spoglądając w przyszłość

Zespół UK TEC wierzy, że niedawno wprowadzony na rynek moduł CM4 (Compute Module 4) to kolejne, doskonałe rozwiązanie z rodziny Raspberry Pi, które ułatwia realizowanie idei procesów typu lean i zwiększa produktywność, przy jednoczesnej redukcji kosztów. Rodzina modułów CM4 pozwala na wybór różnorodnych kombinacji wydajności i ilości pamięci, a w tym wariantów z 2 GB, 4 GB i 8 GB SDRAM, z wbudowaną pamięcią Flash i z możliwością starowania systemu z chmury, oferując tym samym niezawodność połączoną z bezpieczeństwem.

„Dodając nowe komputery do zakładu przemysłowego, kwestie bezpieczeństwa mogą stanowić istotny problem. Jednakże można go łatwo rozwiązać z użyciem Raspberry Pi. Moduł CM4 świetnie się wpasowuje jako niedroga i niewielka alternatywa względem klasycznego Raspberry Pi 4, a przecież przygotowane aplikacje działają tak samo dobrze na obu wersjach komputera, więc z punktu widzenia pracy w sieci, nie da się nawet ich od siebie odróżnić” - mówi Kevin Edwards.

W przyszłości zespół UK TEC będzie zwiększał liczbę miejsc, w których wykorzystywane są komputery Raspberry Pi, zarówno w sprzęcie przemysłowym, jak i w realizowanych projektach. Przykładowo, obecnie trwają badania nad możliwością użycia omawianych technologii w ramach urządzeń przenośnych, które byłyby stosowane do skanowania kodów kreskowych w magazynach oraz celem rozbudowy łączności pomiędzy automatycznymi pojazdami AGV (Automated Guided Vehicles), pracującymi w zakładzie.

Kevin Edwards podsumowuje: „Myślę, że Raspberry Pi ma bardzo duży potencjał rynkowy, gdyż stanowi łatwodostępną technologię, która jest jednocześnie prosta w użytku i rozwoju. Ma to ogromne znaczenie. Tak samo, jak już od dawna, twórcy z różnych społeczności mogą sięgnąć po Raspberry Pi i użyć je w dowolnych rodzajach projektów, tak teraz eksperci z branży przemysłowej mogą podobnie skorzystać z tego minikomputera by opracowywać nowe aplikacje, które zwiększą wydajność zakładów. Pięknem Raspberry Pi jest fakt, że stanowi wysoce skalowalną podstawę, na której można budować różne produkty”.

Do czego się to wszystko sprowadza?

Dziś szacuje się, że ok. 40...50 procent płytek Raspberry Pi jest używanych w branży przemysłowej. Szeroka popularyzacja tego rozwiązania wynika m.in. z reputacji Raspberry Pi jako innowacyjnego i wydajnego rozwiązania. Znaczenie ma też gwarantowana żywotność oraz dostępność - każda z kolejnych generacji jest produkowana przez przynajmniej pięć lat. Wysoka kompatybilność Raspberry Pi ze środowiskami rozwojowymi, zarówno stacjonarnymi, jak i serwerowymi sprawia, że omawiana płytka ma duży potencjał, aby znaleźć się w przyszłości w sercu wielu nowych rozwiązań, realizowanych w zakładach produkcyjnych.

Farnell osiągnął mistrzostwo w zastosowaniu Raspberry Pi w branży przemysłowej i działa w tym zakresie od wielu lat. Prowadzi specjalny zespół, który koncentruje się na optymalizacji produkcji, skracając czasy oczekiwania na dostawy oraz zwiększając elastyczność łańcuchów dostaw komponentów. By jeszcze bardziej usprawnić dostępność dużych ilości produktów, Farnell poniósł znaczące inwestycje w zatowarowanie magazynów najnowszymi modułami - Compute Module CM4. Dzięki temu inżynierowie - projektanci mogą mieć pewność dostaw, gdy wybierają Raspberry Pi. Nie ważne, czy wykorzystują moc tego wyjątkowego komputera, gdy budują pojedynczy produkt, czy też chcą zastosować Raspberry Pi jako element większej instalacji w automatyce.

Fotografia 3. Ankur Tomar, Technical Marketing Manager, Farnell

Ankur Tomar
Technical Marketing Manager
Farnell

Elektronika Praktyczna Plus lipiec - grudzień 2012

Elektronika Praktyczna Plus

Monograficzne wydania specjalne

Elektronik listopad 2021

Elektronik

Magazyn elektroniki profesjonalnej

Raspberry Pi 2015

Raspberry Pi

Wykorzystaj wszystkie możliwości wyjątkowego minikomputera

Świat Radio listopad - grudzień 2021

Świat Radio

Magazyn krótkofalowców i amatorów CB

Automatyka Podzespoły Aplikacje listopad 2021

Automatyka Podzespoły Aplikacje

Technika i rynek systemów automatyki

Elektronika Praktyczna listopad 2021

Elektronika Praktyczna

Międzynarodowy magazyn elektroników konstruktorów

Elektronika dla Wszystkich listopad 2021

Elektronika dla Wszystkich

Interesująca elektronika dla pasjonatów