Индустриални компютри

АвтоматизацияСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 1/2022 • 01.03.2022

  • Индустриалните компютри позволяват надеждна работа при агресивни условия, екстремни температури, запрашени, влажни, корозионни или взривоопасни среди

  • Съществени разлики с потребителските модели са безкабелният дизайн, липсата на активни охлаждащи компоненти, монолитната конструкция на шасито и корпуса и степента на IP защита

  • Сред двигателите на устойчивия глобален ръст в приложенията на индустриални компютри е навлизането на Internet of Things във все повече промишлени отрасли

Индустриалните компютърни системи (IPC) притежават редица сходства с познатите ни персонални компютри (PC) от потребителския клас по отношение на своите комуникационни възможности, изчислителна мощност и капацитет за съхранение. Проектирани специално за промишлени приложения обаче, те често ги превъзхождат по надеждност, гъвкавост и дълговечност.

Експлоатацията им обикновено включва работа в отдалечени съоръжения при агресивни условия, екстремни температури, запрашени, влажни, корозионни или пък взривоопасни среди, които изискват отлична ефективност в комбинация с безкомпромисна издръжливост на различни механични и химични влияния. Най-разпознаваемият отличителен белег на един индустриален компютър е усиленият му устойчив корпус, създаден да защитава високопроизводителната конфигурация от специализирани софтуерни и хардуерни компоненти, които обезпечават потребностите и на най-комплексните промишлени задачи. Такива са например поддръжката на мощен софтуер за автоматизация (например за роботизирани системи), събирането на данни за превантивна диагностика, управлението на прецизни платформи за машинно зрение, комуникации от типа "машина – машина" (M2M), самонасочващи се превозни средства (AGV) и много други.

 

Разлики с персоналните компютри

Промишлените компютри са предназначени предимно за целите на производствените отрасли, а габаритите им варират между преносими версии под формата на таблет и компактни настолни конфигурации до гигантски сървърни шкафове. Стандартите за точност, устойчивост и издръжливост при тези системи са далеч по-високи в сравнение с потребителската електроника, което предполага и по-високата им в повечето случаи себестойност.

В допълнение към индустриалната автоматизация, която е водещ клиентски отрасъл за продуктите от този сегмент, сред приложните области на IPC системите се нареждат още авиационната и космическата индустрия, транспортът, енергетиката, автомобилостроенето, електронното производство. хранително-вкусовата, химическата и фармацевтичната промишленост, нефтено-газовият сектор и т. н. Водещо съображение по отношение на дизайна им е да позволява последователна, безпроблемна и ефективна работа в тежки условия, например при температури от -40 до +80°C.

Традиционно тези платформи консумират ниска мощност, тъй като най-често се захранват посредством батерии (никел-кадмиеви, никел-металхидридни и др.) или ВЕИ източник (например слънчева или вятърна енергия.

Индустриалните PC конфигурации поддържат т. нар. embedded (вградени) приложения, при които компютърът е вграден в самото устройство, което управлява. Средната продължителност на сервизния им живот е около 5 – 7 години, което се дължи на фокуса върху здравината и издръжливостта при дизайна, както и на липсата на обективна необходимост от по-честата им смяна с нови модели (какъвто редовно е случаят при потребителските устройства). Най-често промишлените компютри се проектират за специфични цели и производства, което означава и специални параметри, функции и конструктивни особености. Сред общите им характеристики все пак можем да отличим възможностите за непрекъсната работа при неблагоприятни условия (с наличие на влага, прах, замърсявания, химически агенти, твърде високи или ниски температури, удари, вибрации и т. н.), които биха причинили необратими и дори пагубни повреди на PC конфигурациите от потребителския клас.

Съществени разлики с конвенционалните компютри са също безкабелният им дизайн и липсата на охлаждащи вентилатори, предвид специфичните рискове, които тези компоненти крият за надеждната работа на системата в агресивна среда. Кабелите биха могли лесно да бъдат изскубнати, прекъснати или дори прогорени (което крие риск от късо съединение и сериозни щети върху устрйството) в реален производствен сценарий. Това важи не само за захранващите кабели, но и за тези между отделните компоненти в конфигурацията. Промишлените версии използват предимно разширителни карти с възможност за т. нар. "гореща" замяна (hot swap).
Алтернатива на активните (въртящи се) охладителни компоненти като вентилаторите пък са специални радиатори и топлотвеждащи тръби, които чрез пасивна технология разсейват топлинната енергия от най-горещата зона на компютъра (процесора) към останалите му части. Този иначе извънредно прост метод се доказва като изключително ефективен за премахването на отработената топлина от критичните компоненти на системата, за да се гарантира непрекъснатата й и безпроблемна работа.

Що се отнася до производствените материли в IPC сегмента, шаситата или твърдите рамки, върху които се монтират паметта, дънната платка, дисковите устройства и други компоненти, са монолитни и изработени от екструдиран тежък метал, за да издържат на сурови промишлени условия, включително на удари и вибрации. За сравнение, при потребилските модели рамката най-често е направена от тънък пласт алуминий и акрилна пластмаса с цел понижаване на себестойнстта.
Корпусите на индустриалните компютри също са с монолитен дизайн, който елиминира нуждата от снадки, присъединителни средства, отвори и монтажни елементи (винтове). Такива зони по външната обвивка на системата биха били предпоставка за натрупване или навлизане на прах, замърсявания, влага или пък корозивни агенти във вътрешността й. Усилените корпуси, състоящи се от единичен масивен метален детайл, при редица модели осигуряват здрава и високоустойчива конструкция, която покрива дори високите изисквания на стандарти като MIL-STD-810G, приложими в специализирани военни приложения.

 

Ключови характеристики и съображения за избор

Промишлените задачи често изискват предвидените за целта компютри да издържат продължителна работа във влажни и запрашени среди, без това да е причина за повреди. Такъв е случаят например в хранително-вкусовата промишленост, където оборудването е подложено на ежедневно почистване с водни струи под налягане и силни химични агенти.

Ето защо IPC конфигурациите, подобно на други типове битова и промишлена техника, са обозначени със специален рейтинг за защита. Toй съдържа буквената комбинация IP (ingress protection – защита от проникване), следвана от дву- или трицифрен код, който показва гарантирания клас на защитеност срещу навлизане на прах, чужди тела и влага в корпуса съгласно международния стандарт IEC 60529. При индустриалните компютърни системи обикновено IP степента на защита е от IP65 (защитени от навлизане на прах и водни струи с ниско налягане) до IP69K (защитени напълно от навлизане на прах и от водни струи с високо налягане при почистване с пара). В допълнение към праховата защита, клас IP67 позволява временно, а IP68 – дълготрайно потапяне под вода до определено налягане. Изборът на модел следва да е съобразен с конкретните условия, при които е предназначена да работи системата.

Използваните конектори, когато са необходими, обикновено са по стандарта M12. Те също са с прахо- и влагозащитен дизайн и са снабдени със специални заключващи механизми за кабелите, за да се предотврати тяхното нежелано изскубване.
Липсата на активни охлаждащи елементи е с цел предотвратяване навлизането на прах и чужди частици през вентилаторните отвори. Друг важен критерий за избор на IPC решение е неговата електромагнитна съвместимост (EMC), която му позволява високопроизводителна и надеждна работа в условия на непреднамерени електромагнитни смущения, като същевремнно го предпазва от създаването на неприемливи електромагнитни смущения към други технически средства наоколо.
Характерен за промишлените компютри е широкият диапазон от захранващи мощности (обикновено от 9 до 48 V), в комбинация със специална защита от пренапрежение и свръхток. При тях са налице и богати възможности за функционално разширяване посредством входно-изходни (I/O) модули – USB, PoE LAN, DIO/GPIO, M12, серийни и видео портове и др., поради необходимостта от обработка на различни входящи потоци от данни с цел вземане на автоматизирани решения на ниво система в реално време.

При избора на готова или изграждането на персонализирана компютърна конфигурация за специфични промишлени цели е добре определен набор от ключови параметри на системата да бъде стриктно съобразен с конкретното приложение. Такива са: процесорната мощност, RAM паметта и дисковата памет за съхранение, I/O модулите, мрежовата връзка (кабелна, безжична, 4G/5G и т.н.), температурният диапазон на работа, електрическата мощност, габаритите и монтажните възможности. В допълнение специалистите препоръчват да се вземат предвид действащите регулаторни изисквания в сегмента, очакваният жизнен цикъл на системата, а не на последно място и съотношението между цена и рентабилност, тъй като бюджетът често е водещ фактор при избора на промишлено оборудване.

Когато се проектира компютърна система за дългосрочни приложения с потенциал за бъдещо разширяване, е важно дизайнът и размерите на корпуса да позволяват добавянето на допълнителни компоненти след време. По-мощните процесори пък предполагат по-голямо количество отпадна топлина и съответно – по-голям радиатор, което често означава и по-голямо шаси.

 

Приложения

Както вече споменахме, индустриалната автоматизация и производствените отрасли са сред водещите приложения на промишлените компютри. В тях те изпълняват комплексни задачи като мениджмънт на системи за управление на движение, продуктова инспекция, регистриране и анализ на данни с цел повишаване на производителността и др. Благодарение на въвеждането на IPC платформите в електронната индустрия например значително са се увеличили прецизността и ефективността при автоматизирането на различни процеси във връзка с производството на дънни платки.

Миниатюрни компютри от промишлен клас намират приложение и в интерактивните киоск терминали, даващи достъп до информация и комуникационни приложения в различни сфери на бита и индустрията, например на летища, транспортни хъбове и т. н. Поради необходимостта да работят бързо в режим на потребителско самообслужване и често при наличието на дълги опашки от чакащи, тези компютри са снабдени с портове за високоскоростен трансфер на данни, както и с множество IoT сензори с различни функции.
Сред ключовите приложения на IPC платформите са автоматизираните системи за тестване и инспекция при качествения контрол на редица производствени изделия.

Най-често те включват системи за прецизно машинно зрение и/или дигитални измервателни инструменти с цел бърза и точна обработка на входящите данни. Компютърните системи с графични процесори (GPUs) позволяват на осъществяването на периферна интерфейсна връзка от типа "машина – машина", без комуникацията да е зависима от облачна платформа. GPU-базираните конфигурации са базов компонент на интелгиентните платформи за машинно зрение, които все по-масово се внедряват в съвременните производства с цел по-стриктен контрол на качеството чрез прецизни измервания. Индустриалните компютри спомагат и за ускоряването на технологичните процеси в комбинация с необходимата точност, гъвкавост и интелигентност благодарение на напредъка при софтуерните решения за автоматизация.

В индустрията системите за сигурност и видеонаблюдение, наред с останалото оборудване, също често се налага да работят в агресивна среда. IPC системите са ключът към обезпечаването на такива приложения, тъй като гарантират надеждна и непрекъсната работа дори при тежки условия. Някои конфигурации разполагат с множество PoE (Power-over-Ethernet) портове, които гарантират стабилна връзка с широко използваните в промишлени приложения IP камери. Power-over-Ethernet технологията прави възможно едновременното захранване и предаване на данни от видеозаписи по един единствен кабел. Така значително се намалява необходимостта от тромаво окабеляване на системата за сигурност и видеонаблюдение, улеснявайки промишлените й приложения.

Други популярни приложения на индустриалните компютри са в минно-добивната промишленост и строителната индустрия. Строителните и подземните минни операции налагат необходимостта компютърните конфигурации, използвани в телеметрични системи за строежи и изкопни обекти, да издържат на интензивно запрашаване, широки температурни диапазони, удари и вибрации, същевременно поддържайки безкомпромисна надеждност, прецизност и висока производителност при събирането и обработката на данни.

 

Технологични тенденции

Възможностите за интегриране на стандартни IPC компоненти в специализирана платформа за автоматизация са сред ключовите причини за широката популярност на промишлените компютърни системи в този сегмент. В допълнение към вече изброените по-горе предимства на индустриалните пред потребителските решения за такива сценарии са и: опциите за персонализация, все по-компактните размери (които допринасят за нарастващото им използване като OEM компоненти в платформи за автоматизация), многоядрените процесори, разширените функции за съхранение и капацитети на вградената памет, големите по-площ и при необходимост сензорни екрани, способни да възпроизвеждат видео и изображения с отлична производителност, както и високоскоростните комуникации. Освен вградените конфигурации, съществуват и различни монтажни варианти за компютрите със самостоятелни корпуси, включително на DIN шина, на панел или в свободностоящ шкаф.

Сред двигателите на устойчивия глобален ръст в приложенията на индустриални компютри в производствените отрасли, петролната промишленост, ХВП, автомобилостроенето и др. е навлизането на Internet of Things технологиите в тези сектори, сочи актуално проучване на Allied Market Research. IoT интеграцията гарантира удобство и висока степен на автоматизация, свеждане до минимум на рисковете от грешки, оптимизация при събирането и анализа на данни и управлението на технологични процеси. Паралелно изследване на агенция Research and Markets пък прогнозира, че глобалният пазар на индустриални компюри ще нараства с комбиниран годишен темп на растеж от 6% в периода 2021 – 2026 г., надхвърляйки 6 млрд. щатски долара в края му.

Друга ключова технология за продължаващото популяризиране на промишлените компютри в модерната индустрия е изкуственият интелект. Той прави тези устройства и системите, които управляват, все по-автономни, разширявайки функционалния им обхват с възможности за самодиагностика, автокоригиране и работа в т. нар. lights-out режим (без задължителен операторски надзор).

Сред водещите технологични тенденции в сегмента е и навлизането на периферните изчисления в индустриалната автоматизация наред с облачните услуги. Сега IPC системите могат да изпълняват функциите на периферни устройства, които осъществяват интерфейсна връзка с cloud платформата.
Все по-масовото влагане на полупроводникови дискови устройства (Solid state drives, SSD) в промишените компютри, които опосредстват още по-високоскоростен пренос на данни с генериране на минимално количество отпадна топлина, също е съществен фактор за нарастващите приложения на IPC конфигурациите в дигитализираното производство.

Не на последно място, анализаторите от Research and Markets изтъкват и увеличеното търсене на интелигентни енергийни решения (ЦПУ блокове и панелни компютри) за съвременната високоиздръжлива и надеждна IT инфраструктура на производствените отрасли като значим двигател на ръста в продажбите на индустриални компютърни системи.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top