「树莓派已入侵工控领域」树莓派工控机助力雷诺汽车连接智能电网

小型树莓派工控机可以帮助充电站实现充放电控制，通过传感器采集电网及电动车电池数据，分析当前电网负荷，智能实现电动车与电网的双向充电。

树莓派是世界上最小的微型计算机之一，外形小巧但功能强大，基于linux的系统，具有开源的特性，自问世以来，受到工程师和开发爱好者的追捧。目前树莓派已应用于工业领域，诸如德国KUNBUS 已经开发了基于树莓派的工控机，用做工业控制和数据采集。

项目背景

在位于大西洋马德拉群岛对面的圣港岛上，雷诺正在进行双向充电实验，目的是将电动汽车电池用作固定存储系统以减轻电网负担。葡萄牙的小岛圣托港拥有能源自主权：它不与马德拉群岛相连，其电力生产主要来自柴油发电机。对化石燃料的依赖促使当地生产商投资于风力发电和太阳能（见图1）。

图1. 圣托岛上的太阳能电池板

不幸的是，通过在圣港岛上的简单观察，电力生产约占15％至20％的可再生能源，但生产高峰与5500 名居民的消费高峰不相符。的确，岛上可再生能源的产生主要依赖于风和太阳，它远非稳定的，这需要存储生产高峰时的能量，以便在消耗高峰时进行使用。为此，将建立一个固定的存储站点，目前存在了另一种解决方案。

电动汽车服务网络

汽车大部分时间都处于停顿状态，现在电动汽车携带的电池容量很大。在此基础上，雷诺正在以“车辆到电网（V2G）”的名义开发一项技术。这种双向充电系统使您可以根据电网需求对车辆进行充电和放电。显然，在生产过剩的阶段，电力存储在电动汽车中，在高峰用电期间将其返回以满足需求（见图2）。

图2 雷诺汽车V2G 下充电

雷诺与当地生产商EEM 合作对Zoe 进行了测试，从而在圣托港建立了这项技术。选择使用交流电为其车辆充电。这需要特定的整流器，以使汽车兼容，每辆车仅需花费几百欧元。由于这项技术将为投身这项计划的车主带来每年最多300 欧元的收益，因此购买的额外费用将很快摊销，为此，他们只需要将汽车连接到特定的终端即可。其原理仅仅是以比购买时更高的价格出售电力。作为对用户唯一的直接利益，V2G 的部署将在很大程度上取决于电价，而在欧洲国家中平均电价从一到三倍不等。

充电/ 放电系统是自动的，但要求用户明确自己的需求提前安排行程，以免最终在不方便的时间使汽车放电。的确，Zoe ZE40 具有自主权，在WLTP 下续航300 公里时，车主将不会充分利用其41 kWh 的电池，因此不应该对使用部分放电的电池而产生恐惧。用户仍然可以设置系统，以使其汽车永远不会放电到低于特定阈值的水平。

理论上，车辆的放电可以与负载相同的速度进行，并且V2G系统独立于所使用的电池技术。例如，The Mobility House 的工程师（智能充电专家）和项目合作伙伴能够确认固体电解质电池将与这些双向充电系统兼容。

但是，这些汽车将经历大量的充电/ 放电循环。即使雷诺打算通过在这些阶段进一步降低电池的可用容量来限制这种磨损，这也会影响其电池的寿命。不过，提供电池租赁虽然有限制，但可以减轻这种担忧，因为如果电池组的初始容量损失超过25％，便可以更换电池组。据雷诺公司称，大约有70％的买家已经选择了这一报价，这在法国一直是唯一的选项。

另外还有一项补充技术，不需要对车辆进行任何技术改造，即是智能充电。它是一种单向充电系统，使您可以更智能地进行电力消耗，并在高峰生产期间为车辆充电。因此，降低了电动车辆对电网消耗的影响，并且用户以较低的费率支付电费。

对于这两种技术，必须要调整充电站。也必须因此而添加控制器，但是可以在现有终端上进行此修改。这里KUNBUS 的开源工控机Revpi Core 3 帮助完成了此项工作（见图3）。RevpiCore 3 为充电站提供控制功能，在工控机中编写合适的控制程序，这既可以用C/C++， 也可以用Python 来编写，可以在超量生产阶段存储能量，并在必要时将其重新注入电网。

图3 小型树莓派工控机

由于容量下降或汽车电池寿命到期而需要更换，第一个Zoe的装机容量为22 kWh，车主希望升级使用新的41 kWh 电池的车辆，也可以加入此固定存储空间。雷诺通过“改装”计划（用新零件更换旧零件）已回收了约1,000块电池。

树莓派工控机与充放电装置连接，通过传感器采集电网及电动车电池数据，分析当前电网负荷，智能实现电动车与电网的双向充电（见图4）。

图4. 双向充电装置

在圣港（Porto Santo），双向充电有望显着增加可再生能源在当地发电中的份额。仅使用这些能量来供应该岛， 在V2G 中大约需要500 辆Zoe，即当地车辆保有量的一半。然而，考虑到该岛强劲的季节性，不可能实现100％的可再生能源生产。的确，在夏季时岛上人口将增加3 倍，这可能使柴油发电机在他们面前还会有很长的使用寿命，至少在这个季节，以便在这些不可避免的消耗期间可以增加足够的能源供应。

未来的技术

雷诺进行的实验可以在其他岛屿上进行复制。但是，这些系统也可以在希望实现能源自主的岛屿之外使用。小型树莓派工控机帮助充电站实现充放电控制，程序将应对电网的负荷，自动选择充放电和调整能量分配策略。实际上，这些技术的发展才刚刚起步，双向充电的应用领域更加广泛。例如，在发生自然灾害时，V2H（“车辆到家”）可以使电动汽车电池在住宅用电电网上运行。

狼真的来了吗？igus用树莓派工控机打造了一条智能拖链

何为“树莓派”？

Raspberry Pi（中文名为“树莓派”,简写为RPi），是为学习计算机编程教育而设计，只有信用卡大小基于ARM处理器的微型电脑，操作系统通常为开放式的Linux系统，可以用C/C++、Python、Javascript等高级语言编程来做开发。

近年来，随着计算模块的更新迭代，树莓派这一计算平台被越来越多地应用到工业领域之中。

今天，我们就来介绍一个树莓派工控机的工业应用：igus如何用树莓派打造自己的智能塑料拖链。igus使用KUNBUS开发的树莓派工控机，灵活集成数据从而实现了预测性维护。

使用树莓派物联网工控机分析机器数据

实现预测和计划维护是igus推出智能塑料解决方案的初衷和目标。例如，通过智能传感器测量拖链、回转盘和直线导向装置的磨损程度。通过KUNBUS树莓派物联网工控机，用户可以决定以何种形式集成传感器采集来的数据。从适用于限制性环境的离线模式，到将阈值连接到igus服务器以用于自动订购备件的在线模式，用户可以自由地集成和读取其数据。

图1 树莓派物联网工控机

igus智能塑料拖链系统包括通过系统监视器显示出实际使用寿命，并及时报告必要的维护。由igus提供的具有精确使用寿命数据的安全帽导轨模块已经可以离线用于维护计划。连接到系统监视器后，它会指示使用寿命，并在出现偏差时触发警报并建议进行维护。为了使该系统完全数字化，该模块可以在线模式运行，从而创造最佳的预测性维护方式。

通过树莓派物联网工控机 ，用户可以自行决定如何集成传感器中的数据。比如，SD卡离线集成，采用限时在线学习的半离线集成，以及通过与igus的IoT服务器连接实现的完全在线集成。

和普通的工业网络通信模块相比 ，树莓派工控机的最大优势是开源，可以做很多开发，有计算处理能力，可以扩展IO和其他网关，也是工业物联网的可靠方案。

德国igus公司推出了isense系列传感器，用于检测igus拖链、电缆和轴承等部件的使用状况。这一系列传感器可以在运行过程中检测部件的磨损情况，并发出预警以提醒用户对设备进行维修或更换。与树莓派模块联网后，传感器检测到的数据将被传输到智能系统。这款树莓派模块可以和所有的igus传感器连接。例如，它可以连接用于测量磨损的传感器，或者用于测量拖链销孔连接磨损的传感器，又或者是在电缆监测中用于检测断裂和推拉力的传感器。当传感器的测量值被传输到树莓派模块后，这些数据就会被“解读”，同时分析并生成指令。目前，只需连接到igus云即可实现这一功能。

图2 树莓派物联网工控机应用在igus拖链简图

树莓派导轨模块连接igus配备的各类传感器，在智能塑料拖链系统运行过程中，不断采集拖链及轴承等部件信息，连接上层SCADA系统，为值班人员及决策者提供了使用寿命及维护信息，如果没有永久性的Internet连接，数据将保留在公司系统中，同时可以使用igus服务器进行手动控制的更新，以比较使用寿命，显示生产环境中所有即将发生的故障，这非常适合对日常顺利工作感兴趣的生产经理和值班主管使用，并可以有效地部署其维护技术人员 ，快速轻松地安装精益软件解决方案，所有消息均可以显示在其他工业PC上。

灵活的模式选择

工业4.0早已不再是一个纯粹的流行语—许多公司都在应用这些流程和计划，甚至有些已经开始实施；有些事情进展很快，有些则需要更多时间。进行数字化转型的方式与存在的公司一样多。他们都知道，数字化不仅仅是通过互联网进行物联网，收集大数据，在云中工作或建立智能工厂。当然我们也更关注于安全。借助树莓派模块，其中可通过导轨模块可靠地显示系统的使用寿命和维护建议。为此，我们响应了公司运营商的各种需求及其数字化战略，因为该概念包含三种不同的数据使用方式：在线，半离线和离线。这些不是不同的系统和模块，而仅仅是模块处理传感器数据的方式不同。

图3 使用树莓派模块的智能塑料拖链系统

01 离线模式

除了维护建议，还可以捕获，收集和评估传感器数据，例如磨损信息。借助新模块，提供了一种技术解决方案，可将传感器数据传送到控制系统面板，例如，将所有配备传感器的e-chains，iglidur滑动轴承或chainflex电缆的运行条件或维护说明可视化。这具有很好的效果，尤其是在大型生产设备中，在没有互联网连接的情况下显示大量传感器数据结果。

02 半离线模式

即使模块离线运行，当系统参数更改时，用户也可以不时地将其实际测量数据与igus服务器的数据进行比较。为此，可以将模块切换到半离线模式。通过与igus服务器的安全数据进行的短期在线连接同时可以传输加密数据。重新计算使用寿命后，更新的使用寿命数据将被加密，并由igus服务器返回给模块。传输完成后，模块将返回离线模式。

03 在线模式

客户可以选择从一开始就在生产中以在线模式使用该模块。然后，通过igus服务器对使用寿命进行连续比较。数据使用AES 25加密并永久同步。对于客户而言，这意味着可以以最佳的方式利用系统的使用寿命并将故障风险降到最低。无论在生产工厂中如何使用该模块的操作模式，它都是最大化运行时间并符合所有IT安全标准的。同时，数据丰富的模块和在线操作的结合为预测性维护奠定了基础。从长远来看，这可以降低服务成本。值班主管和维修人员放心了，仓储变得更加高效。如果您想更进一步，则可以连接到igus自己的ERP系统，并以报价和日期建议的形式自动接收建议，以进行必要的维护。踏上数字化之路的公司通过工业树莓派模块获得新的可能，这对他们提供了帮助。

通过连接到igus服务器来进行预测性维护

将用户的树莓派物联网工控机和igus的数据库联网后，可以实现使用寿命计算与igus云的持续匹配，从而实现最大的系统运行时间，并将故障风险降至最低。云中的数据来源于igus在其占地3,800平方米的测试实验室中所进行的100亿次拖链和电缆测试循环。通过机器学习和人工智能，igus可以提供关于解决方案的耐久性情况的精确信息，并向用户发出必要的维护预警。

怎么样？看了这个应用案例，是不是觉得树莓派真的算是狼来了啊？完全可以替代原来的工业控制器来使用哦！

如果你也想要使用树莓派开发类似工业应用，据小编了解，在中国，虹科公司与KUNBUS有深度合作，着力于将工业树莓派产品引入更多的工业应用场景。可以和他们联系。

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