Тенденции развития в области промышленных компьютеров

Обычно при выборе требуемой специфической платформы автоматизации используется один из двух подходов: применение стандартных промышленных компьютеров или полностью индивидуализированных заказных платформ управления. Но что если бы существовало решение, объединяющее эти два подхода?

Индивидуализированные заказные платформы управления обычно разрабатываются по персональному заказу и максимально адаптированы для конкретного приложения, однако они требуют значительных затрат средств и времени на разработку конструкции. Это может быть экономически выгодно при заказе оборудования в больших количествах, однако при небольших объемах является чрезмерно дорогим решением.

Для небольших систем разработчики, как правило, были вынуждены приобретать стандартные промышленные компьютеры, адаптировать их под специфические требования конкретной системы или даже интегрировать их в приложение в базовой конфигурации, что является далеко не оптимальным путем решения задачи.

Компания Advantech, производитель промышленных вычислительных платформ и другой продукции для систем автоматизации, недавно представила свою новую концепцию — технологию iDoor. Эта технология представляет собой программу, в рамках которой различные стандартные аппаратные платформы и технологии могут быть специально сконфигурированы под конкретные задачи клиента. iDoor позволяет клиентам выбирать необходимые коммуникационные интерфейсы и протоколы, стандарты памяти и накопителей, аналоговые или дискретные вводы/выводы в рамках стандартных модулей формата 81?19,4 мм (рис. 1).

Рис. 1. Этот промышленный компьютер может быть легко сконфигурирован для требуемого приложения благодаря добавлению стандартных сетевых и других функциональных возможностей без изменения внутренних компонентов

Кроме того, концепция iDoor предоставляет ряд дополнительных преимуществ, включая возможность разработки собственных плат формата MiniPCIe, встраивание собственных эксклюзивных функций на базе технологии iDoor и даже выбор цвета оболочки блока iDoor (в том числе и с логотипом компании).

К примеру, на рынке распространены новые версии встраиваемых операционных систем или более производительные методы хранения данных. При помощи технологии iDoor поставщик промышленных компьютеров может быстро и органично интегрировать все эти новые технологии в свои продуктовые линейки, делая их доступными для своих клиентов в кратчайший срок.

Эта тенденция обещает быть одной из ведущих в области развития промышленных компьютеров, поскольку обладает множеством преимуществ.

Преимущества индивидуализации на базе стандартных компонентов

Для большинства продуктов термин «индивидуальный» несет позитивные ассоциации, такие как «специальный», «эксклюзивный», «привилегированный» и «уникальный». В области декоративных предметов, недвижимости или тюнингованных автомобилей концепция «индивидуальности» особо приветствуется, и повышенная стоимость не является препятствием. Однако если вы спросите инженера, руководителя производства или бухгалтера о разработке «индивидуальной» платформы промышленной автоматизации, то они проведут параллели с совершенно отличными понятиями, такими как «дорогой», «непроверенный», «неотработанный» и «рискованный». Этим специалистам, как правило, более комфортно работать со стандартным оборудованием. Тем не менее они осведомлены, что индивидуальные продукты имеют ряд выгодных сторон в плане оптимизации под конкретное приложение.

Используя концепцию iDoor, можно получить ряд преимуществ:

• максимально быстрая адаптация технологий коммерческих ПК;
• оптимизация благодаря широкому спектру стандартных опций;
• проверенная производительность стандартных опций;
• простота расширения системы благодаря добавлению новых дополнительных возможностей;
• лучшее соотношение затрат, возможностей и надежности.

Одним из основных преимуществ применения стандартизированных серийных коммерческих (COTS) продуктов является освобождение разработчиков от необходимости заново «изобретать колесо». Промышленные компьютеры, как правило, имеют гораздо больше функциональных возможностей наряду с высокой вычислительной мощностью и набором интерфейсов ввода/вывода, что делает их подходящим решением даже для самых сложных комплексных приложений.

Если вместо данной концепции использовать полностью заказную разработку платформ, то ОЕМ-производителям и системным интеграторам придется затратить приличное количество ресурсов для разработки решения на базе большого количества компонентов. Для многих разработчиков этот подход является затратным и дорогостоящим.

Промышленные компьютеры на базе коммерческих операционных систем представляют собой отработанную и проверенную платформу, которую пользователи могут использовать в своих приложениях в полной мере. Если основным требованием системы является большая вычислительная мощность, графический интерфейс, сетевые возможности и большое число интерфейсов ввода/вывода, то промышленный компьютер является наиболее подходящим решением.

Технологии коммерческих ПК постоянно совершенствуются, и делают это достаточно быстро. При этом многие технологические усовершенствования, например в области съемной памяти и сокращения энерго­потребления, пользуются высоким спросом в приложениях промышленной автоматизации. Если разработчики производят свой собственный нестандартный промышленный компьютер, то они сталкиваются с непростой задачей постоянного обновления оборудования в целях внедрения новых современных технологий. С другой стороны, производители коммерчески доступных промышленных компьютеров имеют отличные возможности по быстрому внедрению лучших технологий коммерческих ПК в целях улучшения своей продукции.

Простота внедрения опций

Промышленные компьютеры считаются стандартизированными серийными коммерческими (COTS) продуктами, однако это не обязательно означает, что они имеют ограниченные возможности. Напротив, производитель промышленных компьютеров, специализирующийся в данной отрасли, может предложить широкий ассортимент продукции с различными дополнительными опциями (рис. 2).

Рис. 2. Для данного промышленного компьютера могут быть выбраны самые разнообразные опции, обеспечивающие оптимальное решение для специфических приложений OEM-производителей или системных интеграторов

Хорошим примером могут послужить коммуникационные протоколы. Обычно промышленные компьютеры интегрируются в системы, имеющие в своем составе самые различные устройства. Доступность различных стандартизированных сетевых опций, возможностей хранения данных и пр. позволяет разработчикам создавать оптимальное решение для своих проектов. Конечный пользователь имеет возможность выбора конфигурации на базе комплекта лучших в своем классе компонентов, просто заполнив лист заказа и не привлекая инженера для разработки индивидуального промышленного компьютера.

Наряду с оптимизацией стандартизированные опции предлагают второе по значимости преимущество — это надежную и проверенную производительность. Каждая коммуникационная плата или устройство хранения данных разработаны для выполнения своей конкретной задачи и интеграции в качестве компонента общей сборки. Индивидуально сконфигурированные промышленные компьютеры от традиционных поставщиков обеспечивают по-настоящему всеобъемлющее и коммерчески доступное решение от компании с узнаваемым в соответствующей области брендом.

OEM-производители, системные интеграторы и конечные пользователи также предпочитают проверенные и надежные встраиваемые технологии в рамках своей продукции, даже если полностью индивидуально разработанное решение является доступным вариантом. Стандартизированные компоненты значительно повышают признание OEM-продукции, особенно теми клиентами, которые требуют детального изучения внутреннего содержания системы.

Расчет истинной стоимости интегрированной платформы управления как на начало, так и на конец жизненного цикла является непростой задачей. Команды разработчиков ОЕМ-производителей и системных интеграторов должны учитывать большое число технических и коммерческих ограничений для того, чтобы выпустить на рынок качественный продукт, способный надежно выполнять свои функции в долгосрочной перспективе.

Несмотря на то, что платформа автоматизации является всего лишь одной составляющей частью системы, она остается критически важным компонентом, имеющим значительное влияние на производительность и функциональные возможности конечного продукта.

Технологические тенденции в области промышленных компьютеров

Наиболее весомым аргументом в пользу выбора индивидуализированного решения на базе стандартных компонентов является возможность внедрения проверенных стандартных компонентов промышленных компьютеров в системы автоматизации. В то время как типичный коммерческий настольный ПК потребует дополнительного тестирования прежде, чем будет внедрен в эксплуатацию в качестве платформы автоматизации, промышленные компьютеры гораздо лучше справятся с данной ролью, поскольку они разработаны специально для промышленного применения и имеют ряд особенностей:

• встроенные операционные системы (ОС);
• индивидуализация при помощи стандартных компонентов;
• компактные форм-факторы;
• повышенная прочность для работы в неблагоприятных условиях окружающей среды;
• безвентиляторное исполнение;
• процессоры с низким энергопотреблением;
• многоядерные процессоры;
• увеличенная встроенная память и опции хранения данных;
• поддержка широкоформатных экранов, отображение видео высокого разрешения и технология Multi-Touch;
• высокая скорость передачи данных.

Стандартные ОС, широко распространенные в области коммерческих ПК, зачастую не подходят для платформ промышленной автоматизации. Наилучшим решением для подобных платформ являются встраиваемые ОС, поскольку они обладают коротким временем загрузки и требуют минимум усилий для обслуживания. Они являются достаточно гибкими для запуска многих типов приложений и достаточно мощными для сбора информации с каналов ввода и обработки полученных данных. Это требуется, например, для работы с камерами в системах машинного зрения. Это означает, что встраиваемые ОС по-прежнему являются предпочтительным решением для систем автоматизации.

Некоторые характеристики встраиваемых ОС предназначены исключительно для работы на специализированном оборудовании. Например, функции HORM (Hibernate Once/Resume Many — однократный переход/многократный выход из спящего режима) и EWF (Enhanced Write Filter — расширеный фильтр записи) позволяют системам сохранять заводские конфигурации в процессе работы и каждый раз быстро восстанавливать нужное состояние из нескольких сохраненных образов состояний. Очевидно, что такие возможности являются крайне необходимыми для производственного оборудования.

Лучше, чем просто ПК

Обычные коммерческие ПК во всех их форм-факторах, таких как настольные ПК, ноутбуки и планшеты, представляют собой широко распространенную систему, привычную и понятную большинству людей. Промышленные компьютеры используют те же базовые стандартные технологии и компоненты, как и их серийные коммерческие «собратья». Однако форм-факторы промышленных компьютеров отличаются от форм-факторов традиционных ПК. Промышленные компьютеры выполняются в более компактных корпусах и имеют надежные исполнения. Кроме того, такие компьютеры поддерживают гибкие возможности монтажа, например они могут быть установлены на DIN-рейку, в панель или работать автономно.

Компактные размеры промышленных компьютеров являются одной из основных причин их применения в качестве платформ автоматизации для ОЕМ-оборудования, поскольку занимаемое пространство является ключевым фактором в подобных системах. Не менее важно и то, что промышленные компьютеры могут быть разработаны для применения в агрессивных средах, в которых стандартные коммерческие ПК не гарантируют безотказность работы. Промышленные компьютеры подходят для тех приложений, где требуется устойчивость к перепадам температуры, к вибрациям и загрязнениям, а также эффективный отвод тепла, надежное исполнение и герметизированные компоненты.

Большинство коммерческих ПК используют вентиляторную систему охлаждения, в то время как промышленные компьютеры зачастую выполнены в безвентиляторном исполнении. Вентиляторы представляют собой механический компонент с относительно высокой степенью отказа, вот почему исключение их из системы охлаждения увеличивает среднее время наработки на отказ (MTBF). В промышленных ПК вентиляторы заменяются на радиаторы, а для отвода тепла используются пассивные воздушные потоки. В результате получается более надежное устройство, которое работает тише и потребляет меньше электроэнергии, при этом работая не менее эффективно даже при высоких температурах окружающей среды.

Модернизация процессора и памяти

Промышленные компьютеры зачастую выполняются на базе современных многоядерных процессоров, и это делается не только для получения абстрактной вычислительной мощности. Каждое новое поколение процессоров, как правило, имеет более низкое энергопотребление, иногда даже с большим отрывом от предыдущих поколений процессоров. Низкое энергопотребление не только позволяет снизить эксплуатационные расходы и потребляемую мощность системы в целом, но и приводит к снижению количества выделяемого тепла.

Другими коммерческими тенденциями, пришедшими в область промышленных компьютеров, стали технологии хранения данных. Примером подобных технологий, оптимально вписавшихся в работу промышленных компьютеров, являются память CompactFlash (CF) и твердотельные накопители (SSD). Потенциал данных технологий является даже избыточным для работы промышленных компьютеров, однако эти типы памяти не имеют механических компонентов и поэтому обладают очень высокими показателями надежности, минимальным энергопотреблением и более высокой скоростью передачи данных по сравнению с традиционными жесткими дисками.

В частности, твердотельные накопители представляют собой быстро развивающийся и быстро меняющийся коммерческий сегмент, в котором уже наметилось некоторое снижение цен. Стоит отметить, что существует широкий ассортимент различных типов памяти (SLC, MLC, eMLC и TLC).

Таким образом, как только технология, вышедшая на лидирующие позиции в массовом коммерческом рынке, окажется экономически выгодным решением, она приходит на нишевый рынок промышленных компьютеров.

Примером того, как на рынок промышленных компьютеров приходят технологии коммерческого рынка, служит память формата CFast, представляющая собой вариант технологии CompactFlash. CFast является развивающейся технологией хранения данных, подобной CompactFlash, однако базирующейся на последовательном интерфейсе serial ATA (SATA) и предлагающей более высокую скорость передачи данных. Если коммерческий рынок принимает данную технологию, то существует высокая вероятность того, что данный формат будет выгодным и в области промышленных компьютеров. Точно так же интерфейс mini-SATA (mSATA) представляет собой компактную адаптацию интерфейса SATA. Данный форм-фактор идеально подходит для промышленных компьютеров, хотя изначально был разработан для коммерческих ноутбуков.

Коммуникационные и сетевые задачи

Широкое распространение персональных электронных устройств, сложных веб-сайтов, смартфонов и планшетных компьютеров повышает требования потребителей в отношении внешнего вида, облика и интерактивности систем. К счастью, ключевые технологии, такие как поддержка широкоформатных дисплеев высокого разрешения, графических карт, интерфейса HDMI, жестов Multi-Touch, нашли свое место и в области промышленных компьютеров. Однако в то время как пользователи взаимодействуют с графической «лицевой стороной», платформа автоматизации на базе промышленного компьютера взаимодействует с внешним миром с «внутренней стороны», то есть посредством сетей и коммуникационных соединений.

Компьютерное сообщество EEE Computer Society недавно обозначило несколько главных технологических тенденций. Ведущее место среди них занимают коммуникационные технологии, такие как мобильные облачные вычисления, «Интернет вещей» (IoT), анализ больших массивов данных (Big Data) и мобильные сети. Промышленные компьютеры поддерживают ряд коммуникационных технологий, которые позволяют им не только обеспечивать сегодняшние потребности, но и иметь задел на будущее.

Конечно, многие базовые промышленные компьютеры оснащены только классическими дискретными и аналоговыми каналами ввода/вывода или различными типами последовательных коммуникационных интерфейсов, в то время как промышленные приложения также могут потребовать наличия полевых шин, например ProfiBus, APAXBus или CANOpen.

Более высокопроизводительные системы требуют поддержки Ethernet-протоколов, таких как Profinet, EtherNet/IP, EtherCAT или PowerLink. Кроме того, многим приложениям необходимо, чтобы промышленные компьютеры поддерживали технологию PoE, оптоволоконные соединения или беспроводные сети, такие как Wi-Fi, GPRS или ZigBee. Таким образом, самые мощные и гибкие промышленные компьютерные платформы должны предлагать стандартные опции для интеграции всех этих сетевых возможностей.

Практические преимущества

Для лучшего понимания преимуществ, которые предлагают промышленные компьютеры с индивидуализацией на базе стандартных компонентов, рассмотрим пример — автоматизированную установку для испытания полупроводниковых разъемов. Испытательная станция транспортирует разъемы и осуществляет контроль их размера, пропуская полупроводники, у которых размер соответствуют эталону, и отклоняя не соответствующие нужной спецификации компоненты.

ОЕМ-производитель или системный интегратор подобного типа оборудования должны разработать механическую систему, способную надежным образом обрабатывать компоненты. Количество разрабатываемых систем может исчисляться десятками, однако этого недостаточно, чтобы оправдать затраты на полностью заказную разработку управляющего оборудования. Вместо того чтобы тратить усилия и средства на заказное оборудование, команда разработчиков может выбрать из стандартных опций промышленных компьютеров требуемые и создать индивидуальное решение специально для нужд своего приложения.

Компактная безвентиляторная конструкция и возможность монтажа позволяют встраивать промышленные компьютеры в бортовые панели управления. Операционная система Windows Embedded и твердотельный накопитель для загрузки управляющих программ и хранения данных обеспечивают быстрый запуск платформы.

Оборудование также требует несколько классических каналов ввода/вывода для мониторинга состояния устройств позиционирования и триггеров цикла. Система машинного зрения на базе нескольких камер необходима для изучения полупроводника и выполнения подробных измерений расстояния между выводами, центрирования и выравнивания. Наиболее подходящим коммуникационным протоколом при этом является EtherNet/IP, поскольку модули удаленного ввода/вывода и система машинного зрения поддерживают данный протокол, а сеть Ethernet отличается высокой пропускной способностью. К промышленному компьютеру подключается сенсорный дисплей с поддержкой технологии Multi-Touch, который выполняет роль человеко-машинного интерфейса (HMI), а также позволяет отображать полученные данные.

Отмечая всего несколько пунктов в конфигурационной форме продукта, группа разработчиков получает платформу автоматизации мирового уровня на базе современных и надежных технологий и протоколов. Модульная конструкция оборудования подразумевает не только простоту обслуживания, но и возможность в случае необходимости обновления системы в будущем, например переход на протокол Profinet.

Самой сильной стороной этого решения на базе промышленного компьютера является то, что разработчики могут легко объединять любое количество сетевых коммуникационных протоколов, имея при этом вычислительную мощность промышленного компьютера. Для некоторых ОЕМ-производителей это сочетание позволит предложить заказчику стандартную платформу автоматизации с поддержкой коммуникационных возможностей для работы с потребностями специфического оборудования или индивидуальными требованиями заказчика.

Технология iDoor

Компания Advantech представляет новую технологию iDoor, которая поддерживается различными платформами (рис. 3), такими как:

• стандартные встраиваемые промышленные компьютеры;
• промышленные компьютеры для монтажа на DIN-рейку;
• встраиваемые промышленные компьютеры для монтажа на стену;
• панельные компьютеры с сенсорным экраном формата 16:9.
  

  Рис. 3. Различные платформы, поддерживающие технологию iDoor

Заключение

В процессе создания и внедрения продукции на рынок ОЕМ-разработчики, системные интеграторы и инженеры сталкиваются со многими техническими трудностями и коммерческими ограничениями. Когда дело доходит до выбора платформы автоматизации, они, как правило, имеют возможность выбирать из двух недостаточно оптимальных вариантов. Они могут пойти по пути дорогой и рискованной разработки заказной конфигурации, которая часто повышает затраты и время выхода на рынок до неприемлемого уровня. Другим вариантом является стандартная продукция, которая не в полной мере удовлетворяет требованиям системы, вынуждая разработчиков добавлять дополнительное оборудование, сетевые компоненты и модули памяти для достижения нужных функциональных возможностей.

Однако в настоящее время существует третий, максимально выгодный для ОЕМ-разработчиков путь: «индивидуализация на базе стандартных компонентов», являющаяся ведущей тенденцией на рынке промышленных компьютеров. Разработчикам доступен широкий спектр стандартизированных компонентов промышленных компьютеров, технологий и коммуникационных протоколов, которые позволяют получать предварительно настроенную и надежную коммерческую платформу, оптимально соответствующую специфическим требованиям, с возможностью расширения и включения новых технологий в будущем.

Новые тенденции в области операционных систем, твердотельных накопителей, физических форм-факторов, видеоинтерфейсов и особенно промышленных коммуникационных протоколов могут быть предложены клиентам практически сразу после того, как они станут доступны на широком коммерческом рынке. Эти технологические тенденции в области промышленных компьютеров позволят стратегически расширить возможности ОЕМ-производителей и системных интеграторов в области стандартизации, индивидуализации, оптимизации и интеграции своих промышленных решений в приложения конечных потребителей.