Raspberry Pi pour l’industrie : une bonne idée ?

par Benjamin Vincent, Embedded Software Developer

 

Avec plus de 25 millions d’exemplaires vendus, Raspberry Pi est le plus célèbre des « nano-ordinateurs ». Cette plateforme de développement ouverte permettant de programmer des prototypes pour environ 35 € s’appuie sur une solide communauté de passionnés. Néanmoins, depuis sa commercialisation en 2012, Raspberry Pi était principalement plébiscité par le monde de l’éducation et un public « d’amateurs-bricoleurs ». Quelles sont les limites des cartes Raspberry Pi ? Existe-t-il des solutions adaptées à l’industrie ? Voici quelques éléments de réponse selon Rtone, vous proposant une alternative de Raspberry Pi pour industriels.

 

Les limites de Raspberry Pi pour l’industrie

Le Raspberry Pi a été initialement développé pour rendre la programmation informatique accessible à un large public.

 

Un manque de pérennité

Dans ce contexte « grand public », la disponibilité des cartes rentre donc assez peu en ligne de compte. À titre d’exemple, la fabrication des Raspberry Pi 3 Model A+ et B+, dont la production a démarré en 2018, est garantie jusqu’en janvier 2023.

Ces modèles sont ainsi incompatibles avec le lancement d’une production industrielle à grande échelle, car :

  • Un projet industriel nécessite au minimum 2 ans d’études avant le lancement d’un produit, ce qui laisse seulement 3 ans de production au maximum ;
  • Il n’y a aucune garantie du nombre de cartes disponibles.

 

Une gestion de la température perfectible

Les processeurs des Raspberry Pi sont robustes, mais ils ont l’inconvénient de chauffer et ne sont pas optimisés pour la dissipation de chaleur. Ceci est d’autant plus problématique que les températures sont souvent plus élevées dans les environnements industriels.

Ce phénomène est amplifié avec le modèle 4 du Raspberry Pi qui a vu ses performances fortement augmentées. Sa dissipation thermique est limitée, à tel point que des patchs logiciels ont dû être mis au point pour réduire sa consommation électrique et ainsi diminuer les pertes thermiques.
Cette optimisation logicielle n’élimine pas l’intérêt d’ajouter des ventilateurs pour limiter ces échauffements.

 

Un support corruptible : la carte SD

Sur un Raspberry Pi, le système d’exploitation (Linux) et les applications sont stockés sur carte SD. Or, les cartes SD sont assez peu adaptées au contexte industriel, car la mémoire flash est facilement corruptible. La moindre coupure de l’alimentation électrique pendant le cycle d’écriture peut provoquer des erreurs et rendre le système inopérant.

De plus, le support SD n’est pas un format qui convainc dans le secteur industriel par sa mécanique. D’une part, les contraintes vibratoires ajoutent un risque supplémentaire, car les connexions entre le lecteur et la carte peuvent être interrompues. D’autre part, le fait de pouvoir retirer facilement la carte SD ajoute un deuxième risque.

 

L’absence de RTC dans les Raspberry Pi

Les automates industriels doivent être capables de réaliser des tâches planifiées dans le temps ; ils ont donc besoin d’une horloge. Pour des raisons de sécurité, ces automates peuvent ne pas être reliés à Internet, ils sont équipés d’un bloc électronique appelé RTC (Real Time Clock).

Ce bloc permet à l’aide d’un oscillateur à basse fréquence et à faible dérive temporelle de déterminer l’heure de manière assez fine (en général, la dérive s’estime à quelques secondes par an) et d’en assurer sa rétention grâce à sa très faible consommation énergétique garantie par une pile offrant une autonomie de plusieurs années.

Les Raspberry Pi n’en disposant pas, doivent se contenter d’une heure avec une précision toute relative qui dérive de plusieurs dizaines de minutes par an. De plus, en cas d’extinction du Raspberry Pi, la véracité de l’heure n’est plus garantie. En effet, à son redémarrage, le micro-ordinateur repartira à l’heure à laquelle il s’est éteint.

Il existe la possibilité d’utiliser un service NTP (Network Time Protocol) qui permet d’interroger un serveur pour synchroniser l’heure locale, mais cela demande une infrastructure spécifique dans un environnement industriel (serveur NTP local ou distant via Internet).

 

Perturbations et failles de sécurité potentielles

Enfin, les Raspberry Pi sont initialement conçus pour favoriser le développement de projets personnels ou scolaires. Ils intègrent donc beaucoup de connecteurs et d’entrées/sorties afin de multiplier les possibilités.

Lorsqu’un projet est en phase « prototype », cette caractéristique est bien évidemment intéressante. Néanmoins, dans un contexte industriel, 2 problèmes se posent :

 

 

  • le nombre de failles de sécurité est proportionnel au nombre d’entrées/sorties ; celles-ci doivent donc être limitées ;
  • les connecteurs libres, des Raspberry Pi, sont autant d’antennes capables de capter des signaux électromagnétiques. Or, dans un contexte industriel, où le nombre de machines est élevé, les perturbations électromagnétiques sont nombreuses. Une conséquence de ce phénomène peut être un dysfonctionnement du système suite à un comportement chaotique de l’électronique.

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Le Raspberry Pi Compute Module 3 : une solution conçue pour l’industrie

Comme évoqué, le potentiel d’utilisation industrielle du Raspberry Pi était jusqu’ici assez limité. Néanmoins, la Fondation Raspberry Pi et son cofondateur Eben Upton étaient conscients de ses limites.

Ils ont ainsi lancé en 2017 une nouvelle version du Raspberry Pi spécialement destiné aux industriels : Raspberry Pi Compute Module 3

 

Caractéristiques du Compute Module 3

Cette nouvelle version destinée à l’industrie se trouve sous la forme d’un module Raspberry Pi que l’on branche sur une carte mère. Voici les principaux avantages du Raspberry Pi Compute Module 3 par rapport aux versions grand public :

  • Plus de flexibilité et de modularité ;
  • Un processeur au moins 10 fois plus puissant que sur la version précédente ;
  • 2 fois plus de mémoire vive ;
  • Mémoire eMMC intégrée. Carte SD en option ;
  • Le format SODIMM qui permet d’intégrer le module sur une carte mère ou un automate ;

 

Les circuits et cartes mères compatibles

Les modules sont compatibles avec les cartes équipées d’un port SODIMM prévu à cet effet. Ces cartes peuvent revêtir bien des formes et êtres :

  • Développées spécifiquement par un industriel pour une application particulière ;
  • Des cartes génériques. De nombreux acteurs conçoivent des architectures capables d’intégrer ces Raspberry Pi Compute Module 3 et de combler certaines lacunes qui peuvent subsister.

Ces options sont potentiellement nombreuses :

  • Bloc électronique RTC, pour la gestion du temps ;
  • Système de gestion de température ;
  • Alimentations plus robustes ;
  • Blindage électromagnétique ;
  • L’intégration de protocoles de communication comme le Modbus ;
  • L’ajout de ports industriels classiques tels que RS232/485 ;

Révolution Pi : un PC industriel modulaire

Les industriels désireux d’intégrer directement des modules Raspberry Pi peuvent se tourner vers les PC industriels modulaires de la gamme « Revolution Pi » certifiés EN 61131-2 et IEC 61131-2.

Ces machines au format slim DIN-rail, intègrent tout le nécessaire permettant d’implémenter vos projets IoT et sont disponibles jusqu’en 2026.

Avec de nouveaux produits qui semblent combler les lacunes de Raspberry Pi, son arrivée sur le marché industriel est à présent une réalité.

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