De opmars van open source controllers

Open source platformen als Raspberry pi en Arduino lijken steeds meer hun weg te vinden naar industriële toepassingen. Met de Revolution Pi van Kunbus is er nu zelfs een heuse open source PLC. De grote kracht van de nieuwe platformen zit in de uitgebreide communities waar gebruikers mekaar helpen bij het ontwikkelen van applicaties – een manier van werken die eigen is aan een nieuwe generatie die straks ook in de industrie de dienst zal uitmaken.

Voor de besturing van een machine – en in elke andere toepassing die logica en/of rekenkracht vergt – heeft men traditioneel de keuze tussen een PLC of een embedded controller. Een PLC is een standaard component die via een gestandaardiseerde taal geprogrammeerd kan worden om bepaalde taken uit te voeren.

De naam embedded controllers sloeg traditioneel op maatwerk – elektronica die ontwikkeld werd voor een specifieke toepassing. De laatste jaren wordt in embedded systemen echter ook steeds meer gebruikgemaakt van gestandaardiseerde componenten. Men spreekt dan van Commercial Off The Shelve (COTS) borden die een bepaalde configuratie bieden met CPU, geheugen en periferie. Het is dan aan de software om hiervan een applicatie te maken.

In die laatste categorie passen ook de open source platformen als Raspberry Pi en Arduino. Kenmerkend aan de open source platformen is dat alle designs en broncode publiek beschikbaar zijn. Liefhebbers van het open source principe stellen dat dit innovatie stimuleert, samenwerking bevordert en de prijs drukt. Rond deze platformen zijn inderdaad bloeiende eco-systemen ontstaan met tal van periferie componenten van diverse makelij en communities waar gebruikers elkaar helpen bij de realisatie van toepassingen.

Actieve communities op het internet

Raspberry pi is allicht het meest bekende van alle open source platformen. Het concept werd bedacht in 2006 door de Brit Eben Upton die een goedkoop en toegankelijk platform wilde ontwikkelen voor educatieve doeleinden. Hij kreeg snel steun van de academische wereld en in 2012 ging de eerste Raspberry Pi Model B in productie. Het platform won snel aan populariteit omdat naast de universiteiten en hogescholen ook hobbyisten van diverse pluimage ermee aan de slag gingen.

Arduino is een vergelijkbaar initiatief, ontwikkeld door een bedrijf dat zowel de hardware als software via de GNU General Public License (GPL) beschikbaar stelt van iedereen die ermee aan de slag wil.

De open source licentie houdt in dat het perfect legitiem is om de hardware na te maken en zelf te verkopen. Dat leidt ook tot de ontwikkeling van heel wat periferie componenten voor het platform. Het meest relevante kenmerk is echter dat beide platformen actieve communities hebben op het internet, waar gebruikers hun kennis en ervaring delen.

Een probleem bij het ontwikkelen van een applicatie? Gooi het in de groep en een paar uur later hebben tientallen gebruikers gereageerd. Die reacties worden dan weer aangevuld en beoordeeld door anderen zodat door middel van crowd sourcing al snel de best mogelijke oplossing gevonden wordt voor een probleem.

Open source PLC

Om bij Raspberry pi te blijven, het gaat om een reeks single-board computers waarbij men nu al aan de derde generatie zit. Die omvat een 1.2GHz 64-bit quad-core ARMv8 CPU, 1GB RAM en een hele reeks poorten (Ethernet, USB, HDMI…).

De Compute Module (CM) is een variant van de Raspberry pi, speciaal ontwikkeld voor industriële applicaties. De CPU zit er op een kaartje van 67.6 mm x 31 mm, aangevuld met een 4 GB Flash geheugen. (De klassieke Raspberry pi gebruikt een SD kaart als geheugen.)

De Compute Module is ontdaan van alle poorten, en doet qua vormfactor dus heel erg denken aan embedded systemen. Via een DDR2 SODIMM connector kan de CM in een Compute Module IO Board geplaatst worden, maar gebruikers kunnen ook hun eigen I/O ontwikkelen.

Dat is ook wat Kunbus gedaan heeft, een bedrijf dat met de Revolution Pi recent een open source PLC op de markt gebracht heeft. Het kloppend hart van die PLC is de Compute Module van Raspberry pi. Daarrond zit wat periferie waaronder een performante voeding die spanningsvariaties tussen 10.7 V en max. 28.8 V aankan.

Het operating system van de PLC is Raspbian, de officiële taal van de Raspberry pi. Voor de kenners: het is een afgeleide van Debian Wheezy, met een RT-patch voor real-time applicaties. Wie met de CM aan de slag wil kan overigens uit een hele reeks besturingssystemen kiezen, waaronder ook Ubuntu en Windows 10.

Real-time controle

Geef toe, met bovenstaande specificaties is de Raspberry pi best wel een performante computer. Maar is een dergelijk platform ook geschikt voor industriële toepassingen? Discussie hierover gaan al snel over real-time controle – het verkoopargument bij uitstek van PLC’s.

Toch is dat real-time aspect relatief. Om te beginnen zijn er heel wat toepassingen waar een paar milliseconden meer of minder geen enkele rol speelt. Maar ook in kritische toepassingen moet men het real-time aspect in zijn juiste context plaatsen.

Waar de discussie eerder over gaat, is determinisme. Iemand die een kritische applicatie ontwikkelt, wil precies kunnen voorspellen hoe zijn systeem op bepaalde inputs zal reageren en welke cyclustijd daarbij gehanteerd zal worden.

Wie dat zeer precies wil weten, moet zijn eigen embedded systeem ontwikkelen. Dan kan de gebruiker exact bepalen wat er bij elke klokslag in de processor en op de bus gebeurt.

Gelukkig zijn weinig applicaties – ook industriële – zo kritisch. De discussie gaat dus eerder over een soort Quality of Service niveau dat de controller moet halen. PLC’s en industriële PC’s leveren alle een zekere QoS. Net als de nieuwe open source embedded controllers. Het is zaak om voor elke toepassing na te gaan of een bepaalde platform de noodzakelijke QoS kan leveren.

Internet of Things

Dat open source platformen ook in de industrie in opmars zijn, heeft een aantal redenen.

Een niet onbelangrijke reden is dat de kids van nu spelenderwijs met dergelijke platformen leren omgaan. Zodra die kids het stadium van met treintjes spelen voorbij zijn, brengen ze een nieuwe manier van werken naar de industrie – een aspect waar bedrijven nu al mee geconfronteerd worden en niet altijd een passend antwoord op hebben.

Door hun toegankelijkheid en lage kostprijs zijn deze open source platformen ook bijzonder geschikt voor de ontwikkeling van prototypes. Men kan er relatief snel een eerste toepassing mee realiseren om testen te doen, klanten en investeerders te overtuigen, enz. Als dat platform dan ook nog eens voldoet voor de reële applicaties achteraf, waarom zou men dan de overstap naar een ander platform maken.

En uiteraard kunnen we ook in deze niet voorbijgaan aan het alomtegenwoordige Internet of Things. Er is een duidelijke tendens om alle mogelijke ‘dingen’ uit te rusten met sensoren en intelligentie. De open platformen met hun uitgebreide eco-systemen maken het mogelijk om snel en efficiënt dergelijke, kleine toepassingen te realiseren.

Veel van die toepassingen zijn per definitie ook minder kritisch. Het gaat in de industrie bijvoorbeeld over het verzamelen van data die gebruikt kan worden voor asset management of procesoptimalisatie.

In dat soort toepassingen lijkt een nieuwe mindset te groeien, die eerder aansluit bij de leefwereld van IT-jongens en -meisjes, dan bij de klassieke automatiseringswereld. Het is een mindset waarin spelenderwijs geëxperimenteerd wordt, gedomineerd door creatieve mensen die een paar jaar eerder als kids hun Lego-treintjes met een open source besturing bedienden.