Os sistemas de automação industrial são conjuntos complexos de componentes eletrônicos projetados para controlar e monitorar processos industriais.
Eles aumentam a eficiência, a confiabilidade e a segurança na fabricação e em outras operações industriais. A automação industrial tem apresentado um crescimento notável, impulsionado pelos avanços na eletrônica e na tecnologia da informação. Este artigo explora as tendências atuais da automação industrial e destaca seu impacto na indústria eletrônica.
Requisitos da Automação Industrial
Os principais componentes de um sistema de automação industrial (figura 1) incluem sensores, controladores, atuadores, interfaces homem-máquina (IHMs), redes de comunicação, fontes de alimentação, drives e sistemas de segurança. Os sensores detectam mudanças no ambiente e as convertem em sinais elétricos. Controladores, como CLPs (Controladores Lógicos Programáveis) e PCs Industriais (IPCs), processam os sinais dos sensores e executam algoritmos de controle para gerenciar os atuadores. Os atuadores, como motores, solenóides e atuadores pneumáticos, transformam sinais elétricos em ações físicas. A Interface Homem-Máquina (IHM) permite que os operadores interajam com o sistema de automação, monitorem processos e insiram comandos. As redes de comunicação possibilitam a troca de informações entre diferentes partes do sistema de automação, utilizando protocolos como Ethernet/IP, Modbus e Profibus. As fontes de alimentação, como conversores AC/DC e fontes ininterruptas (UPS), são essenciais para o funcionamento dos componentes eletrônicos. Os drives controlam a velocidade e o torque dos motores, utilizando Inversores de Frequência (VFDs) para otimizar o desempenho do motor. Por fim, os sistemas de segurança, como botões de parada de emergência, relés de segurança e cortinas de luz, garantem a proteção dos operadores e dos equipamentos.
Como o Raspberry Pi é usado na automação industrial
O Raspberry Pi é um sistema versátil de aquisição de dados que, com sensores, oferece visualizações intuitivas e em tempo real do desempenho do sistema por meio de dashboards acessados via navegador. Suas aplicações incluem:
- Unidade de controle industrial: O Raspberry Pi pode substituir CLPs proprietários e caros, sendo programado para operar como um CLP em aplicações de menor escala, com ferramentas para desenvolvimento de lógica de controle industrial.
- Manutenção preditiva e redução de custos: Programado para interagir com acelerômetros, o Raspberry Pi monitora vibrações em máquinas rotativas, possibilitando a detecção de falhas em tempo real. Como os modelos de IA e aprendizado de máquina (ML) podem ser executados localmente, também há redução de latência e demanda de largura de banda.
- Computação de borda: O Raspberry Pi processa dados localmente, tomando decisões em tempo real sem depender de servidores centrais ou da nuvem. Isso é útil para controle de máquinas, garantia de qualidade e sistemas de inspeção automatizada, além de executar modelos de IA para reconhecimento de imagens, detecção de anomalias e análises preditivas.
- Gateway IoT: O Raspberry Pi conecta dispositivos, sensores e máquinas à internet, ampliando a escalabilidade do sistema. Isso permite monitorar operações remotamente, com soluções seguras de acesso, como VPNs ou tunelamento SSH, reduzindo a necessidade de presença física em ambientes perigosos ou remotos.
- Sistema IHM: Com opções de hardware e interfaces web, o Raspberry Pi é uma solução econômica para sistemas de Interface Homem-Máquina (IHM). Sua tela sensível ao toque permite que operadores controlem processos, monitorem o status do sistema e acessem alarmes diretamente no chão de fábrica.
O Raspberry Pi pode melhorar significativamente a eficiência energética, otimizar operações e reduzir custos. Ao conectá-lo a câmeras, é possível configurar um sistema de CFTV econômico, além de implementar sistemas de controle de acesso usando tecnologias como RFID, reconhecimento facial ou métodos biométricos.
Solução Raspberry Pi para automação industrial – Compute Module
Os Raspberry Pi Compute Modules são versões compactas e versáteis dos populares modelos Raspberry Pi, projetadas para aplicações industriais e comerciais, como sinalização digital, terminais leves e automação de processos. Eles oferecem um design mais otimizado e eficiente em termos de espaço, em comparação com os modelos principais do Raspberry Pi, tornando-os adequados para uma ampla gama de usos industriais e comerciais. Os módulos estão disponíveis em várias configurações com diferentes capacidades de memória e armazenamento flash Multi-Media Card (eMMC) incorporado. O armazenamento eMMC é soldado na placa e inclui recursos adicionais para maior confiabilidade. Alguns modelos “Lite” não incluem armazenamento integrado. O Raspberry Pi Compute Module é um dispositivo robusto, de grau industrial, conhecido pelo seu pequeno formato, flexibilidade e desempenho custo-efetivo.
Projetado especificamente para ambientes industriais e comerciais, o Compute Module requer uma placa intermediária (carrier board) para funcionamento. A placa intermediária atua como um elo entre o Compute Module e outros componentes ou dispositivos, permitindo sua integração em uma ampla gama de aplicações e sistemas.
a. Raspberry Pi Compute Module 5
O Raspberry Pi Compute Module 5 (Figura 2) é um sistema em módulo (SoM) que oferece os recursos do Raspberry Pi 5 em um formato projetado para aplicações embarcadas. Ele possui um processador quad-core Arm Cortex-A76, saídas HDMI duplas 4Kp60, Ethernet Gigabit e ele possui um módulo sem fio opcional totalmente certificado, oferecendo conectividade Wi-Fi® e Bluetooth. O Compute Module 5 é uma ferramenta poderosa para aplicações modernas de computação na borda industrial, oferecendo recursos aprimorados de processamento para controle de processos em tempo real, aquisição de dados e aprendizado de máquina na borda. Seu desempenho é confiável 24/7 e econômico, tornando-o uma escolha popular para automação industrial e soluções IIoT. Com várias opções de RAM e armazenamento flash eMMC, o Compute Module 5 permite que os usuários aproveitem o hardware robusto e a pilha de software otimizada do Raspberry Pi 5 em sistemas e formatos personalizados. Ele inclui interfaces adicionais de E/S e está disponível em versões sem armazenamento eMMC para maior flexibilidade.
b. Raspberry Pi Compute Module 4
O Raspberry Pi Compute Module 4 (CM4) (Figura 3) é um módulo de sistema (SoM) que consiste em um processador quad-core de alto desempenho de 64 bits (Broadcom BCM2711, quad-core Cortex-A72 (ARM v8) de 64 bits @ 1,5 GHz), memória, armazenamento eMMC e circuitos de alimentação. Ele permite que os projetistas utilizem o hardware e a pilha de software do Raspberry Pi em seus sistemas e formatos personalizados. A interface elétrica é fornecida por meio de dois conectores de alta densidade de 100 pinos, e o novo formato físico tem um tamanho reduzido devido à adição de novas interfaces, como HDMI, PCIe e Ethernet.
As principais características incluem: um processador quad-core de 64 bits, suporte para dois displays, decodificação de vídeo por hardware, até 8 GB de RAM, Ethernet Gigabit, USB 2.0, interfaces de câmera dupla e uma interface PCIe Gen 2 x1. O LAN sem fio de banda dupla 2.4/5.0 GHz e Bluetooth 5.0 têm certificação modular de conformidade, permitindo que a placa seja projetada em produtos finais com testes de conformidade reduzidos. O CM4 também oferece armazenamento eMMC opcional de 8 GB, 16 GB ou 32 GB.
Raspberry Pi IO Board
As placas Raspberry Pi IO oferecem uma forma de conectar um único Compute Module a uma variedade de interfaces de entrada/saída (I/O). Essas placas são projetadas como placas de expansão para desenvolvimento ou uso pessoal, oferecendo várias funções, como alimentar o módulo, conectar os pinos GPIO a cabeçalhos de pinos, conectar interfaces de câmera e display a conectores FFC, HDMI a portas HDMI, USB a portas USB, monitoramento de atividade por meio de LEDs, programação de eMMC via USB e conexão PCIe a conectores para armazenamento ou periféricos. Como os Compute Modules são compactos e não possuem portas e conectores, as IO Boards oferecem uma maneira de conectar os Compute Modules a diferentes periféricos.
A Figura 4 mostra a placa IO do Raspberry Pi Compute Module 5. Ela possui um formato de HAT com um conector GPIO de 40 pinos, header PoE, 2 portas HDMI, 2 portas USB 3.0, Ethernet Gigabit RJ45 com suporte a PoE, soquete PCIe M.2 M key, slot para cartão microSD, conectores FPC combinados MIPI DSI/CSI-2 para display/câmera, relógio em tempo real com soquete de bateria, conector PWM de ventilador JST-SH de quatro pinos, alimentação via USB-C (utilizando o mesmo padrão do Raspberry Pi 5) e jumpers para desabilitar recursos como boot via eMMC, gravação de EEPROM e conexão USB OTG.
Uma solução prática de uso do Raspberry Pi Compute Module em uma aplicação industrial
a. Computadores industriais Revolution Pi
O Revolution Pi é um PC industrial aberto, modular e acessível, baseado no popular Raspberry Pi. É o primeiro IPC verdadeiramente compatível com a indústria baseado no Raspberry Pi. Alojado em um invólucro fino para trilho DIN, há três módulos base disponíveis que podem ser expandidos de forma contínua com uma variedade de módulos de I/O e gateways de fieldbus adequados. Ao utilizar o Raspberry Pi Compute Module, a empresa conseguiu desenvolver um sistema robusto e compatível com a indústria, que atende a todos os padrões industriais importantes, incluindo a norma IEC 61131-2. Dependendo dos requisitos da aplicação, os módulos base do RevPi podem ser facilmente estendidos com módulos de expansão, como módulos de I/O digitais e analógicos e gateways de fieldbus.
O Revolution Pi é um sistema aberto onde qualquer pessoa pode instalar seu próprio software. Ele vem com uma versão personalizada do sistema operacional do Raspberry Pi, que inclui modificações como um patch de kernel em tempo real e uma imagem de processo. Os aplicativos individuais podem ser programados via Node-RED, Python ou diretamente em C. Também é possível criar uma imagem personalizada para o sistema. Além de escrever seu próprio código, soluções de software prontas, como o CODESYS, podem ser usadas para implementar o projeto. Os dispositivos já possuem recursos de cliente e servidor para os populares protocolos de rede Modbus RTU e Modbus TCP. Coletar dados de sensores, processá-los e enviar os dados processados para uma plataforma em nuvem é uma das principais vantagens do Revolution Pi, com certificação de grandes provedores de nuvem.
RevPi Connect 5
Os computadores industriais RevPi Connect 5 são dispositivos poderosos construídos com o Raspberry Pi Compute Module 5, oferecendo maior velocidade e versatilidade, sendo a base ideal para a computação industrial de borda moderna. Eles desempenham várias funções, incluindo PCs industriais montados em trilho DIN, CLPs compactos, dispositivos de computação de borda e gateways IIoT. O RevPi Connect 5 (Figura 5) não só incorpora o novo Compute Module 5, mas também apresenta recursos avançados, como até duas interfaces CAN FD — um protocolo de comunicação industrial de alta velocidade para transmissão de dados em tempo real — e duas portas Gigabit Ethernet, com a opção de adicionar mais duas por meio de um módulo de expansão. O Revolution Pi oferece uma variedade de módulos de expansão de I/O digital e analógico, além de gateways de barramento de campo que suportam protocolos populares como PROFINET ou EtherCAT. Os dispositivos baseados no CM5 estabelecem novos padrões com desempenho aprimorado de CPU e GPU, controlador USB 3.2 integrado e controlador PCIe aprimorado.
A KUNBUS está expandindo seu portfólio com dispositivos baseados no CM5, oferecendo uma gama de soluções que vão desde versões de nível básico, baseadas no Compute Module 4S, até dispositivos de alto desempenho com o Compute Module 5. O RevPi Connect 5 é uma alternativa vantajosa para automação industrial e soluções IIoT que exigem poder computacional e alta confiabilidade.
O gateway IIoT de código aberto RevPi Connect oferece aos usuários máxima liberdade na implementação de projetos IIoT, graças ao conceito de plataforma aberta (incluindo acesso root completo). Uma versão especialmente modificada do Raspberry Pi OS, com um patch de tempo real, está disponível como sistema operacional. Protocolos IIoT comuns, como MQTT e OPC UA, são suportados para transferir dados de máquinas diretamente para a nuvem.
b. One-Box.tv/pro25 da TBS-Technology
O One-Box.tv/pro25 é um mini servidor compacto projetado para operação contínua 24/7, baseado no Raspberry Pi Compute Module 5. Ele é integrado com o processador Broadcom BCM2712 quad-core Cortex-A76 (ARM v8) de 64 bits, com frequência de 2,4 GHz, oferecendo opções de RAM de 2GB, 4GB ou 8GB de LPDDR4-4267 SDRAM com ECC. Para armazenamento, há opções de 16GB ou 32GB de eMMC, além de suporte para cartão microSD externo. O dispositivo conta com quatro slots PCI Express, permitindo a conexão de diversos cartões PCIe padrão half-size. O design slim de 1U é ideal para instalação em racks de servidor ou gabinetes de rede de 19 polegadas, proporcionando uma solução eficiente para ambientes com espaço limitado.
O painel frontal possui um display OLED de 128×64, com LEDs de status e botões para monitoramento e configuração rápidos. As opções de conectividade incluem 2 portas HDMI 2.0, Ethernet Gigabit e 2 portas USB 3.0 para transferência de dados em alta velocidade. Os recursos opcionais incluem Wi-Fi e Bluetooth 5.0, com suporte para antena externa montada no painel traseiro. Os requisitos de alimentação incluem entrada AC de 110V–230V, com consumo de energia variando de 10 a 150 watts, e até 25 watts por slot PCIe. O One-Box.tv/pro25 é projetado para operação robusta, funcionando em uma faixa de temperatura de 50 °C a 80 °C.
c. EDA TECHNOLOGY – Computador industrial embarcado CM4 baseado no Raspberry Pi CM4
A EDA Technology oferece soluções de computação industriais baseados no Raspberry Pi, além de serviços personalizados de design e fabricação para clientes em aplicações de IoT, controle industrial, automação, energia renovável e inteligência artificial.
O CM4 Industrial é um computador industrial embarcado baseado no Raspberry Pi Compute Module 4. O sistema pode ser configurado com 1 GB, 2 GB, 4 GB ou 8 GB de RAM e 0 GB, 8 GB, 16 GB ou 32 GB de armazenamento eMMC, dependendo da aplicação, e suporta inicialização a partir de um cartão SD. Ele oferece uma variedade de interfaces e funções de comunicação industrial, incluindo multicanal RS232, RS485, ADC de alta precisão multicanal, entrada de I/O isolada, controle de relé, relógio de tempo real com bateria e buzina de alarme. O dispositivo também proporciona comunicação robusta, com uma interface Gigabit Ethernet com funcionalidade PoE, uma porta de rede 10/100M, suporte para módulo 4G/LTE, Wi-Fi de banda dupla 2,4/5,8 GHz certificado e Bluetooth, com suporte para antenas externas. O CM4 Industrial possui duas interfaces CSI, uma interface de display DSI e uma interface HDMI. Recursos adicionais incluem uma memória Flash serial de 32 Mb para armazenamento de dados do sistema, ampla faixa de alimentação — a versão V1.4 aceita de 9 a 36 V, enquanto as versões V1.1 a V1.3 aceitam de 9 a 18 V — e proteção ESD para interfaces críticas. Aplicações-alvo: gateway IoT, controle industrial, display publicitário e manufatura inteligente.
A fonte de alimentação convencional para o CM4 Industrial é de 12V, com a faixa de entrada para a versão de hardware V1.4 sendo de 9–36V, e para as versões de hardware V1.1–V1.3, de 9–18V. Recomenda-se o uso de um cabo de rede Cat6 (Categoria 6) em conjunto com a interface adaptativa de Ethernet 10/100/1000Mbps no CM4 Industrial. O dispositivo inclui um botão de reset e um botão de usuário. O CM4 Industrial também apresenta uma interface adaptativa de Ethernet 10/100Mbps, localizada ao lado da porta USB Tipo-A de camada dupla e estendida por USB 2.0. Existem duas interfaces USB 2.0 Tipo-A no CM4 Industrial, capazes de transmitir dados a até 480 Mbit/s. Ele está equipado com uma interface HDMI Tipo-A padrão para conexão direta com um display HDMI e inclui um slot para cartão micro SD para uso com o CM4 Lite, com suporte a 4G LTE através de um cartão SIM padrão.
A carcaça do CM4 Industrial apresenta duas interfaces padrão SMA para antenas, correspondendo, respectivamente, à antena 4G e à antena WiFi/BT. Também inclui um relé de dupla posição onboard, com a interface rotulada como J47. O CM4 Industrial possui uma interface MIPI DSI correspondente à saída de display DSI1 do CM4, além de duas interfaces MIPI CSI para câmeras, suportando os módulos de câmera oficial de 5MP–8MP da Raspberry Pi. Ele também oferece o GPIO plate_number_5, que é compatível com HATs da Raspberry Pi e suporta diversos acessórios de expansão padrão da Raspberry Pi.
A interface de expansão Mini PCIe do CM4 Industrial pode acomodar módulos periféricos, como 4G, 5G, NPU, etc., oferecendo uma PCIe Gen2 de 1 faixa com velocidade de 5Gbps e uma interface Host USB 2.0. A porta de rede gigabit do CM4 Industrial suporta alimentação PoE. O dispositivo também suporta Bluetooth 5.0 e inclui um slot Mini PCIe para conexão de módulo 4G LTE, com suporte a uma ampla gama de bandas de frequência por meio de diferentes versões de módulo 4G.
d. EpiSensor gerenciamento de energia – Gateway Industrial IoT baseado no Raspberry Pi CM4
A EpiSensor, em seu esforço para criar uma camada de infraestrutura de serviços de IoT para energia, utilizou o Raspberry Pi Compute Module 4 (CM4). A EpiSensor está trabalhando para oferecer flexibilidade à rede, agregando múltiplos ativos em Plantas de Energia Virtual (VPPs) por meio de programas de resposta à demanda. As VPPs agregam recursos de energia distribuída (DERs) para estratégias de energia sustentável. Os DERs, como baterias, carregadores de veículos elétricos, sistemas UPS e recursos de pequena escala, como eletrodomésticos inteligentes, permitem que a funcionalidade do Gateway EpiSensor—incluindo aprendizado de máquina, gerenciamento de dispositivos e aplicações de rede avançadas—seja personalizada.
O Gateway da EpiSensor (Figura 9) é um dispositivo compacto, mas poderoso e robusto, que envia dados diretamente para as plataformas IoT de clientes e parceiros a partir de redes de sensores sem fio. Trata-se de um computador embarcado seguro com uma loja de aplicativos IoT e diversas interfaces de comunicação com fio e sem fio: ZigBee, Wi-Fi®, Bluetooth, celular 4G, LoRa, GPS, barramento CAN e RS-485″, diz Brendan. A EpiSensor trabalhou arduamente para automatizar muitas das etapas de configuração que normalmente seriam feitas por especialistas nos locais dos clientes, de modo que o Gateway basicamente se configura e se testa sozinho. “O Gateway da EpiSensor está no núcleo de nossas soluções avançadas de IoT.”
À medida que o Gateway coleta dados dos nós sem fio em tempo real, as informações ficam disponíveis por meio da interface web do Gateway e dos aplicativos móveis. Ele permite que todos os nós e sensores sejam monitorados e gerenciados remotamente via a API do Gateway ou usando o Core, a plataforma de gerenciamento de dispositivos da EpiSensor, facilitando para os clientes a execução de múltiplos programas de serviços de energia.
O Gateway da EpiSensor encaminha dados de redes de sensores sem fio (Figura 10) para as plataformas de software de clientes e parceiros — nenhum dado do sensor passa pelos servidores da EpiSensor durante o processo.
O Gateway pode ser implantado dentro de uma rede corporativa ou rede de automação isolada, atrás de NAT e firewalls. Os dados produzidos pelo sistema são seus, e apenas seus.
O grande benefício da tecnologia IoT da EpiSensor é que ela pode ser facilmente implantada e integrada com sistemas no local do cliente, como sistemas de gerenciamento de edifícios (BMS) ou SCADA, bem como sistemas que rodam na nuvem, oferecendo soluções completas de gerenciamento de energia ou programas de resposta à demanda.
O Gateway Industrial IoT da EpiSensor gerencia redes de nós sem fio EpiSensor e fornece aos usuários uma interface web intuitiva para criar rapidamente soluções completas de IoT industrial. O Gateway pode ser configurado para enviar dados dos sensores para aplicações de software na borda ou na nuvem para arquivamento, análise e visualização. Monitore e gerencie grandes redes de nós sem fio EpiSensor a partir da interface web do Gateway. Execute ações como reiniciar ou restaurar o nó sem fio para as configurações de fábrica, atualizar o firmware, sincronizar e habilitar e configurar cada “sensor” (que é uma alimentação individual de dados) para relatar os dados da maneira que você deseja.
e. Sfera Labs (Strato Pi, Exo Sense Pi) – Strato: Servidores Industriais Raspberry Pi
O Strato Pi Max é um servidor industrial altamente versátil baseado no Raspberry Pi Compute Module 4, ideal para aplicações profissionais e industriais onde a confiabilidade e a continuidade dos serviços são essenciais. Ele é alojado em um compacto gabinete para montagem em trilho DIN e pode ser utilizado em uma ampla variedade de aplicações, incluindo aquisição de dados e controle, automação residencial e predial, controle de acesso, soluções para controle de quartos de hotel, monitoramento ambiental, entre outras.
Ele está disponível em duas versões:
- Strato Pi Max XL, com quatro slots de expansão e alojado em um invólucro de trilho DIN de 9 módulos
- Strato Pi Max XS, com um slot de expansão e alojado em um invólucro de trilho DIN de 6 módulos
O Strato Pi Max XL (figura 12) é um servidor industrial extremamente versátil baseado no Raspberry Pi Compute Module 4, projetado para uso em aplicações profissionais e industriais, onde a confiabilidade e a continuidade do serviço são fundamentais. Ele é alojado em um invólucro compacto para montagem em trilho DIN e pode ser utilizado em uma ampla gama de aplicações, incluindo aquisição de dados e controle, automação residencial e predial, controle de acesso, soluções de controle de quartos de hotel e monitoramento ambiental, entre outras. Ambas as versões vêm pré-instaladas com o Raspberry Pi Compute Module 4 ou o Zymbit Secure Compute Module (SCM). Um Kit de Antena opcional para o Compute Module 4 pode ser instalado na parte superior do invólucro e conectado internamente ao Compute Module.
As unidades Strato Pi possuem diversos recursos de hardware que as tornam ideais para uso em aplicações profissionais e industriais, onde a continuidade do serviço e a confiabilidade são requisitos importantes. O Strato Pi está em conformidade com os padrões industriais de compatibilidade eletromagnética, segurança elétrica e emissões. Além disso, ele pode ser facilmente integrado a barramentos e protocolos de comunicação padrão da indústria.
Contato da Newark no Brasil
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* Texto originalmente publicado em: link
