Charla: “Arduino, Raspberry Pi y Node-RED en la Industria 4.0”

Título: “Arduino, Raspberry Pi y Node-RED en la Industria 4.0”

Resumen Charla: “Recoger, automatizar, digitalizar y conectar datos industriales (OT) a sistemas IT, puede ser una tarea compleja dada la falta de estándares, múltiples formatos de datos y protocolos propietarios.

Gracias a las herramientas Open Source es posible democratizar el IoT y la Industria 4.0. Tenemos a nuestro alcance un conjunto de herramientas HW y SW, así como documentación y aporte de la comunidad Open Source, que permiten a cualquier empresa desde una pyme a una gran multinacional, pueda digitalizar sus procesos.”

Evento: Encuentro Maker Estella. 14 de mayo de 2022 a las 11:30

Web: https://encuentromaker.dictelweb.org/

Contenido

  • Introducción
  • Arduino en la Industria 4.0
  • Raspberry Pi en la Industria 4.0
  • Convergencia IT y OT en la Industria 4.0
  • Node-RED en la Industrial 4.0
  • Demo

Introducción

Objetivo: Mostrar es uso de tecnologías Open Hardware y Open Software en entornos Industriales como facilitadores de la Industria 4.0 y digitalización de procesos industriales. Alternativa y complemento a los PLCs, HMIs y Scadas y su aproximación al edge computing y cloud computing.

Definiciones:

  • Arduino es un dispositivo programable como un ordenador, un móvil, un tablet o un PLC, es decir, se puede cambiar el comportamiento o la funcionalidad del dispositivo mediante unas órdenes en un lenguaje concreto que es capaz de ser interpretado por el dispositivo y seguir esas órdenes con el fin de realizar una tarea automática o resolver un problema.
  • Raspberry Pi es un ordenador de placa única (SBC) de bajo costo desarrollado en el Reino Unido por la Raspberry Pi Foundation. Se ha convertido en un hardware muy popular debido a su bajo coste y gran potencia ampliamente utilizado en proyectos IoT e Industria conectada.
  • Node-RED es una herramienta de programación que se utiliza para conectar dispositivos de hardware, APIs y servicios de internet. Es un entorno de programación de bajo código (low code). Dado que la mayoría de dispositivos para industria 4.0 posibilitan realizar un programa de control con la herramienta de Node-Red, el dominio de dicha herramienta permite explorar y ampliar las soluciones que ofrece a la empresa que lo use.
  • Industrial 4.0 es la digitalización de los procesos productivos en las fábricas mediante sensores y sistemas de información (IT) para transformar los procesos productivos y hacerlos más eficientes.

Makers en la Industria 4.0

  • Automatización
  • Eficiencia energética
  • Robots & Drones
  • Vehículos autónomos
  • Impresión 3D y CNC
  • Electrónica conectada a Internet
  • Ingeniería y Ciencia (STEM)

Naitec https://www.naitec.es/conocimiento/areas-de-conocimiento/

Este tipo de plataformas son perfectas para el ciudadano desarrollador (Citizen developer), se trata de un usuario corporativo que quiere desarrollar internamente sus propias aplicaciones, pero, o bien no cuenta con conocimientos técnicos ni de codificación previos o bien necesita una aplicación con resultados y entrega rápida y bajo coste.

Los datos industriales de la fábrica o de cualquier proceso operativo son ahora un impulsor importante de las iniciativas de big data. Los beneficios de enviar datos de tecnología de operaciones (Operations Technology – OT) a big data (IT) y aplicaciones empresariales (ERP) incluyen una gestión de recursos mejorada para reducir los costos y lograr un rápido retorno de la inversión.

Hasta ahora, recopilar datos de OT y enviarlos a sistemas de IT no ha sido rentable, requiere un código personalizado, no es fácilmente escalable y puede crear una serie de enredos de tecnología patentada que dejan a las empresas con datos en silos a los que no pueden acceder fácilmente.

Convergencia IT y OT – Industore Global

Automatizar procesos y tareas proco creativas y mecánicas es otro de los objetivos de la Industria 4.0

Muchas empresas no dan el salto de digitalización porque la inversión inicial puede ser muy alta al necesitar contratar a una empresa externa o herramientas profesionales, pero quién mejor que el personal de la propia empresa que es quien mejor conoce los procesos internos, gracias a la tecnología abiertas, es posible con una pequeña inversión económica y una formación centrada en la digitalización de los procesos.

Arduino en la Industria 4.0

Arduino es una plataforma ampliamente usada por aficionados (makers), pero también es muy usada en en ámbito profesional como prototipado, robótica, fabricación, eficiencia energética, domótica, IoT, comunicaciones, DAQ, monitorización, etc…

Arduino - Wikipedia

Ventajas de uso de HW libre  en la industria:

  • Monitorización y captura de datos/parámetros a bajo coste, no solo de instalación sino de mantenimiento y programación
  • El coste por parámetro es mucho más bajo que el habitual
  • Permite hacer ensayo y error de captura de parámetros o monitorizar una zona y luego otra desmontando la anterior
  • Quitar dependencia de proveedores y fabricantes
  • Personalizar y mejora continua más ágil y hacer DIY
  • Mayor productividad, el tiempo desde la idea hasta su puesta en práctica es muy rápido frente a las soluciones tradicionales. 
  • Los HMI y el almacenamiento de datos lo podemos hacer con sistemas IT y hace que tengamos en plataforma web y hacerlo mobile.
  • La relación cliente-proveedor, si usamos una solución propietaria es tu proveedor, pero si usamos tecnologías libres, es una relación de equipo de desarrollo de una aplicación.

Arduino Pro

Web: https://www.arduino.cc/pro

Hardware:

Arduino Portenta Machine Control Enables AI-based IoT for your Industrial  Machinery - Open Cloudware

PLCs basados en Arduino

Autómatas basados en Arduino:

Controllino: Un PLC open source compatible con Arduino - Hacedores.com |  Maker Community

Carcasas para Arduino con carril DIN: https://store.arduino.cc/products/arduibox-open-standard-with-transparent-lid

Y otros que han aparecido y luego desaparecido como winkhel, PLCduino, etc…

Industrial Shields

Fabricante de equipamiento industrial basado en HW libre: https://www.industrialshields.com/

10 Ventajas del Open Source Industrial: https://www.industrialshields.com/es_ES/blog/blog-industrial-open-source-1/post/las-10-ventajas-del-open-source-industrial-229

Gama de productos:

M-DUINO PLC Arduino Ethernet 53ARR I/Os Analog/Digital PLUS
Módulo Arduino Industrial PLUS 21 I/Os Analógico/Digital PLC M-DUINO -  RobotShop

Programación:

Raspberry Pi en la Industria 4.0

Raspberry Pi para la industria: https://www.raspberrypi.com/for-industry/

PLCs y PAC basados en Raspberry Pi:

Programación:

  • Codesys
  • Node-RED

Proyecto OpenPLC:

Industrial Shields

Gama Raspberry Pi PLC basada en Raspberry Pi: https://www.industrialshields.com/es_ES/industrial-plc-pac-raspberry-pi-20211210-lp

Industrial PLC based on Raspberry Pi

Raspberry Pi HMI: https://www.industrialshields.com/es_ES/industrial-panel-pc-10-1-based-on-raspberry-pi

Revolution Pi

Open Source IPC basado en Raspberry Pi: https://revolutionpi.com/

Características:

  • PLC + IPC + HMI + retrofit unit 
  • Normativa industrial: EN61131-2
  • Usa el compute module B+ con hasta 32 GB
  • Crypto chip security chip
  • Lenguajes de programación: Node-RED, CODESYS, Logic.CAD3 y Python (Para CV y ML)
Revolution Pi auseinander gebaut

Productos: https://revolutionpi.com/revolution-pi-series/ 

Módulos Base:

Expansiones:

Software: https://revolutionpi.com/tutorials/software/ 

Ejecutar Docker el RevPi: https://revolutionpi.com/tutorials/docker-auf-revpi-geraeten-verwenden-2/

Tiene un interfaz gráfico de configuración, tanto del HW como del SW

Convergencia IT y OT en la Industria 4.0

Operational Technology o OT es una categoría de sistemas de información y de comunicación para administrar, monitorear y controlar operaciones industriales con un enfoque en los dispositivos físicos y procesos que utilizan.

OT también se ha definido como la tecnología que interactúa con el mundo físico e incluye sistemas de con

Algunos ejemplos de OT incluyen:

  • Controladores lógicos programables (PLC)
  • Sistemas de control industrial (ICS)
  • Sistemas de control de supervisión y adquisición de datos (SCADA)
  • Sistemas de control distribuido (DCS)
  • Sistemas MES (Manufacturing Execution System)
  • Sistemas de control numérico por computadora (CNC)
  • Equipo científico (por ejemplo, osciloscopios digitales)
  • Sistemas de gestión y automatización de edificios (BMS)
  • Monitorización de energía, seguridad y sistemas de protección
  • Sistemas de transporte

Conectar datos industriales a sistemas de IT parece simple, pero en realidad es complejo. Los datos de OT vienen en múltiples formatos de datos, protocolos propietarios y sin información contextual. Está diseñado para operaciones, directamente acoplado a aplicaciones y, a menudo, existe en redes aisladas. IT, por otro lado, IT necesita formatos de datos estándar, objetos de datos, información contextual, seguridad incorporada y metodología de publicación/suscripción para hacer uso de los datos.

Edge Computing se refiere al despliegue de actividades de manejo de datos y de red, hacia fuentes más individuales de captura y/o almacenamiento de datos. Esto significa que, en lugar de tener que acceder a un servidor centralizado o a la nube al capturar datos, la computación perimetral garantiza que los datos se puedan capturar inmediatamente en el perímetro de la planta, edificio o zona.

La capacidad de la computación perimetral industrial (Industrial Edge) para eludir la nube al tomar decisiones también tiene diversas connotaciones que podrían resultar beneficiosas para la fabricación y otros procesos industriales a largo plazo. Algunos de estos beneficios incluyen procesos de toma de decisiones en tiempo real, seguridad mejorada y mayor velocidad analítica. Por lo tanto, se acelera la adopción de modelos de negocio de Industria 4.0 en la industria manufacturera.

Beneficios del Industrial Edge:

  • Rápido y fácil de adaptar a los sistemas existentes
  • Los empleados de la planta sin experiencia específica en TI pueden mostrar datos
  • Fácil de expandir con Docker y altamente escalable gracias a Edge Management
  • Al analizar los datos de uso de la máquina, se pueden evitar tiempos de inactividad no programados
  • Mejor aprovechamiento de nuevos campos de aplicación, p.e. para reconocer anomalías u optimizar la calidad
  • Soporte integral para flujos de trabajo de IA, recopilación de datos, limpieza e integración en entornos de capacitación e implementación y operación de modelos
  • Flujos de trabajo de IA más simples, p.e. mediante el uso de reconocimiento de anomalías para identificar anomalías en el comportamiento de la máquina sin conocimientos de TI expertos
The Industrial Edge Computing Reference Model [25] | Download Scientific  Diagram

Pensar en Cloud y Mobile!!!

Usar los servidores IoT que ha montado Mario 😉

Node-RED en la Industrial 4.0

Node-RED se define como Low-code programming for event-driven applicationsUna plataforma de desarrollo Low-Code es aquella que utiliza asistentes gráficos para crear y construir software en vez del enfoque tradicional de escritura de instrucciones secuenciales utilizando un lenguaje de programación.

Node-RED Data Visualization

Node-RED es una herramienta de programación visual (low-code). Node-Red se ha consolidado como framework open-source para la gestión y transformación de datos en tiempo real en entornos de Industry 4.0, IoT, Marketing digital o sistemas de Inteligencia Artificial entre otros. La sencillez de aprendizaje y uso, que  no requiere de grandes conocimientos de programación, su robustez y la necesidad de bajos recursos de cómputo ha permitido que hoy en día se encuentre integrado en prácticamente la mayoría de dispositivos IOT e IIOT del mercado, así como equipos Raspberry, sistemas cloud o equipos locales.

How to Import a Node-RED Flow. – Sensetecnic Developer – Hosted Node-RED

Tanto Node-RED en la industria se podría incluir como herramienta de programación en cualquiera de estas categorías:

  • PLC – automatizar procesos
  • PAC – protocolos avanzados
  • IPC – Industrial PC
  • HMI – Dashboard Node-RED
  • Scada – Lógica programada + Dashboard
  • Edge Gateway
  • Edge Controller
Node-RED en la Industria | Aprendiendo Arduino

PLCs y PACs con Node-RED

Empresas que usan Node-RED:

Node-RED como pegamento IT y OT. Node-RED se está utilizando para permitir la integración OT-IT. Ahora los usuarios pueden conectarse a los datos de OT para obtener una única fuente al conectarse a dispositivos de OT de forma nativa.

Node-RED es adecuado para profesionales dedicados al Internet de las cosas Industrial( IIoT) y personal dedicado al diseño y prueba de soluciones para la comunicación de equipos de planta con aplicaciones de IT. Dado que la mayoría de dispositivos IoT para industria 4.0 posibilitan realizar un programa de control con la herramienta de Node-Red, el dominio de dicha herramienta permitiría al equipo IIoT explorar y ampliar las soluciones que ofrece a la empresa que lo use.

Librería de Node-RED: https://flows.nodered.org/

Dashboard Node-RED: https://flows.nodered.org/node/node-red-dashboard

HERE Navigation Routing Dashboard (flow) - Node-RED
PLC HMI using svg dashboard node - Share Your Projects - Node-RED Forum

Demo

Live demo con un ToF y sensor de temperatura, humedad y presión: https://enriquecrespo.com:1880/

Mostrar últimos terremotos en un mapa:

Webapp: https://nodereddeveloper.com:18803/ui/

Tracking con Owntracks:

Dashboard AEMET: https://enriquecrespo.com:18802/

Pulsador temporizado: https://enriquecrespo.com:18802/