Mit der fortschreitenden Digitalisierung der Industrie ändert sich auch der Aufgabenbereich des Menschen. Der Fabrikarbeiter von gestern wird in einer Industrie 4.0 vermutlich mit ganz neuen und anspruchsvolleren Aufgaben konfrontiert werden. Um dieser Rolle auch gerecht zu werden, ist es entscheidend, dass Mitarbeiter und Mitarbeiterinnen die richtigen Informationen erhalten, um ihren Aufgaben selbstständig und eigenverantwortlich nachzugehen. Damit relevante Informationen zur richtigen Zeit am richtigen Ort bei der richtigen Person landen, ist es hilfreich, die benötigten Daten in der Produktion zu erfassen und anschließend direkt vor Ort entsprechend aufzubereiten.
Damit deine Fabrik auf diese neuen Anforderungen eingestellt ist, bieten sich verschiedene Ansatzmöglichkeiten. Die teuerste, aber auch sauberste Lösung wäre es wahrscheinlich, alle alten Maschinen durch neue zu ersetzen, die bereits mit nativen Schnittstellen zur Datenerfassung ausgerüstet sind. Da dies aber in den meisten Fällen keine Option ist, werden oft Nachrüstmöglichkeiten für den bestehenden Maschinenpark gesucht. Für diesen Einsatzzweck bieten sich Mini-Computer, wie der Raspberry Pi an.
Der Raspberry Pi ist ein Einplatinencomputer, der ursprünglich zu Lern- und Bastel-Zwecken verwendet wurde. Aufgrund seiner Vielseitigkeit und Einfachheit kommt er inzwischen aber auch in vielen Industrieumgebungen zum Einsatz. Dank seiner großen Beliebtheit hat sich eine regelrechte Community mit einer sehr großen Wissensbasis gebildet. Bei Fragen zum Thema Raspberry Pi, ob zu generellen Schwierigkeiten oder detaillierten Bastelanleitungen, hilft diese Community weiter. Alternativ werden vorgefertigte Lösungen auch kommerziell angeboten. Dennoch wird für die Umsetzung eines Projektes mit dem Raspberry Pi ein gewisses technisches Grundverständnis, sowie Zeit und Wille, sich ausführlich mit der Materie zu beschäftigen, benötigt. Doch wie genau baue ich mir denn mit dem Raspi – wie der Raspberry Pi auch liebevoll genannt wird – ein eigenes Terminal zur Betriebsdatenerfassung?
Damit du dein Projekt mit dem Raspberry Pi auch strukturiert realisieren kannst, solltest du zunächst ein paar Fragen beantworten:
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Mach dir zunächst Gedanken darüber, was die Quelle der Daten ist und was das Ziel. Für ein BDE Terminal wäre eine Vielzahl an Datenquellen denkbar, so zum Beispiel auch Sensoren oder Mikrocontroller wie ein Arduino. Ganz allgemein gesagt ist all jenes eine Quelle, das interessante Daten liefert. Hier muss auch kein direkter industrieller oder Firmen-bezogener Zusammenhang bestehen. So kann zum Beispiel auch die Verarbeitung von allgemein gültigen Daten zum Wetter, Verkehr oder Weltgeschehen, wie sie für digital Signage Systeme verwendet werden, sinnvoll sein.
Ziele können außer Datenspeichern auch weiterführende Projekte sein, die auf dem BDE Terminal aufbauen. Ein Beispiel wäre ein IoT Dashboard, das mit einem weiteren Mini-Computer realisiert werden könnte und die Daten des BDE Terminals visualisiert. Ebenso könnten auch Warnungen über industrielle Ampeln oder Lautsprecher nützlich sein, um die erfassten Betriebsdaten bestmöglich zu nutzen. In unserem Fall liegt die Antwort auf diese Frage bei der Problemstellung. Als Beispiel wollen wir Daten aus Barcodes auslesen und in einer Datenbank persistieren. Als Quelle hätte ich somit den Barcode und das Ziel der Daten die Datenbank.
Unter www.raspberrypi.org findest du alle Varianten des Raspberry Pi. Welcher ist aber nun der passende für diesen Anwendungsfall? Wie gelangen wir zu einer möglichst preiswerten jedoch funktionierenden Lösung? Als Erstes sollte hier die Produktauswahl auf Basis ihrer Funktion eingeschränkt werden.
Für die gewünschten Daten unseres Beispiels benötigen wir eine Möglichkeit, einen Barcode auszulesen. Da es keinen Raspberry Pi gibt, der dies nativ unterstützt, ist hier ein zusätzliches Gerät notwendig. Die einfachste Möglichkeit für Barcodes wäre hier ein USB-fähiger Barcodescanner. Solche Geräte können im Internet durch eine einfache Suche sehr schnell gefunden werden. Für unseren Raspberry Pi bedeutet das wiederum, dass wir zwingend einen USB-Anschluss benötigen. Um auf unsere Datenbank, die im Netzwerk hängt, zuzugreifen, wird außerdem eine Netzwerkverbindung benötigt. Unter diesen Voraussetzungen kommen die Raspberry Pis 1-4 infrage. Welcher davon genau gekauft werden soll, hängt wiederum von verschiedenen Faktoren wie Rechenleistung, Größe, Stromverbrauch und Preis sowie deren Gewichtung ab.
Bevor das eigentliche Projekt auf dem Raspberry Pi realisiert werden kann, ist es notwendig, ein passendes Betriebssystem auszuwählen. Auf der Raspberry Computer-Hardware können grundsätzlich alle gängigen Betriebssysteme installiert werden. Allerdings sollte für eine dedizierte Anwendung auf einem nicht allzu leistungsfähigen Rechner – was hier zutrifft – eher eine „leichtgewichtige“ Variante gewählt werden.
Als Windows basiertes System steht hier beispielsweise „Windows IoT Core“ zur Verfügung. Bei Linux basierten Systemen ist die Auswahl deutlich größer. So kann zum Beispiel Raspberry Pi OS – das dedizierte Betriebssystem der Raspberry Pi Foundation – gewählt werden. Alternativen wären abgespeckte Versionen bekannter Distributionen wie „Ubuntu Core“ oder bereits standardmäßig leichte Varianten wie „Arch Linux“.
Lizenzgebühren fallen sowohl für „Windows IoT Core“, als auch für die meisten Linux Distributionen nicht an.
Weitere wichtige Faktoren für die Entscheidung für das richtige Betriebssystem sind zum einen die umgebende Infrastruktur sowie zum anderen Vorkenntnisse in den verschiedenen Programmiersprachen und der Verwendung von Betriebssystemen.
Soll die darauf laufende Anwendung später auf Python basieren, fällt die richtige Wahl auf eine Linux Distribution. Soll dagegen C# verwendet werden, fällt die richtige Wahl auf Windows IoT Core.
Für den Raspberry Pi gibt es bereits viele verschiedene Anwendungen. So können zum Beispiel Programme zur Verwaltung von Mails oder ein MQTT-Broker ohne viel Aufwand installiert und konfiguriert werden. Sollen jedoch spezifische Aufgaben erledigt werden, so werden auch spezifisch angepasste Programme benötigt, wodurch der Umgang mit einer Programmiersprache unumgänglich wird.
Im Beispiel mit dem Barcode und der Datenbank muss die Anwendung Daten vom angeschlossenen Barcode Reader entgegennehmen und diese in die Datenbank schreiben. Dazu müssen eingehende Texteingaben verarbeitet werden können. Ebenso wird eine Verbindung zur gewünschten Datenbank benötigt, um die eingehenden Informationen richtig ablegen zu können.
Wie genau die Entwicklung und das Programmieren einer solchen Anwendung aussieht, soll hier nicht näher betrachtet werden. Der Aufwand hängt stark davon ab, wie einfach die Anwendung anzupassen sein soll, falls sich die gewünschten Daten oder deren Format ändern.
Falls du bisher keinerlei Erfahrungen mit Programmiersprachen sammeln konntest, kann eine visuelle Programmierung hilfreich sein. Dazu kann sich ein Blick auf Node-Red oder Google Blockly lohnen.
Der Raspberry Pi ist ein vielseitiger Einplatinencomputer, mit dem auch ein BDE Terminal realisiert werden kann. Da in diesem Fall jedoch eine sehr spezifische Verarbeitung von Daten nötig ist, wird in den meisten Fällen keine vorgefertigte Softwarelösung zu finden sein. Somit ist es für eine effiziente Realisierung notwendig, dass die benötigte Software selbst implementiert wird. Dazu bedarf es jedoch Zeit und Vorwissen oder mehr Zeit und den Willen Neues zu lernen.
Alternative Ansätze bieten proprietäre Lösungen, die die Entwicklung eines BDE Terminals entweder komplett übernehmen oder zumindest stark vereinfachen. Ein Ansatz, bei dem das Verhältnis zwischen eigenem Aufwand und externen Kosten selbst festgelegt werden kann, wird von uns bei Peakboard bereitgestellt.
Wir haben es uns zum Ziel gesetzt, eine Plattform zu bieten, mit der Endanwender eigene Projekte ohne Vorwissen in einer akzeptablen Zeit realisieren und auch später anpassen können. Alternativ bieten wir aber auch gesamte Realisierungen, die auf unserer eigenen Plattform basieren. Am besten du lädst dir unsere Software, den Peakboard Designer, herunter und siehst selbst. Viel Spaß beim Umsetzen!
Tobi ist seit 2019 Mitglied des Dev Teams bei Peakboard und konzentriert sich hauptsächlich auf maschinennahe Daten und Protokolle wie SPS-Anbindungen, OPC UA und MQTT. Außerdem glänzt er mit der Fähigkeit, komplexe technische Themen verständlich zu erklären.
