Komputery przemysłowe w dobie Internetu rzeczy

Czwarta rewolucja przemysłowa, jakiej jesteśmy aktualnie świadkami, tak jak i poprzednie trzy, bazuje na określonej grupie technologii. O ile pierwsza rewolucja opierała się o wykorzystanie maszyn parowych, druga na elektryczności, a trzecia na sterowaniu z użyciem automatycznych systemów elektronicznych, czwarta koncentruje się na wykorzystaniu wiedzy ukrytej w ogromnych ilościach danych, zbieranych za pomocą bardzo dużej liczby czujników. Gdy w trakcie trzeciej rewolucji przemysłowej, zwanej też rewolucją naukowo-techniczną, rozwinięto technologie sterowników PLC, obecnie – w dobie wdrażania Przemysłu 4.0, jedynymi urządzeniami zdolnymi do przetwarzania dużych ilości danych na terenie zakładów fabrycznych są komputery przemysłowe. Wśród nich wyróżnia się podgrupa komputerów panelowych, które dzięki wbudowanym ekranom, mogą służyć jako panele operatorskie lub inne interfejsy użytkownika. Poza tym IPC (Industrial PC) można nabyć w różnej postaci, czasem montując je z komponentów. To, która ścieżka będzie najlepsza dla danej aplikacji, zależy od wielu warunków, które staramy się opisać poniżej.

Podstawowe rodzaje komputerów

Na przestrzeni lat, rynek IPC został podzielony na wiele grup produktów, z których niektóre są rozbudowanymi wersjami, a niektóre zupełnie nowymi konstrukcjami. Niemal w każdej z tych grup wprowadzono też osobne standardy. Podstawowym rodzajem komputera przemysłowego są konstrukcje jednopłytkowe, określane angielskim mianem SBC (Single-Board Computer). Charakteryzują się one tym, że procesor i pamięć oraz wszystkie kontrolery są zintegrowane na jednej PCB. Dzięki temu mają niewielkie wymiary i łatwo je zintegrować w maszynach, ale z drugiej strony, ich zastosowanie w przemyśle wymaga odpowiedniego ich uszczelnienia.

Wielu producentów, rozumiejąc problemy związane z wykorzystaniem SBC, dostarcza ich obudowane wersje, wyposażone dodatkowo w nośniki pamięci. Są to komputery typu Box-PC, które najczęściej mają duże radiatory, a w nowoczesnym wydaniu są także chłodzone bezwentylatorowo. Dzięki temu cechują się dużą niezawodnością, nawet jeśli uruchomi się je w trudnych warunkach środowiskowych.

Alternatywnym sposobem zbudowania komputera typu Box-PC jest użycie przemysłowej płyty głównej oraz adekwatnych kart rozszerzeń. Płytę główną tego typu można też wykorzystać samodzielnie i wbudować ją we wnętrzu maszyny, bądź zamknąć w klasycznej obudowie komputerowej. Zachowa ona wysoką niezawodność, typową dla sprzętu przemysłowego, o ile tylko jest używana zgodnie z zaleceniami producenta. Przemysłowe płyty główne pozwalają na dosyć elastyczne tworzenie konfiguracji IPC, a w tym samodzielne dobieranie procesora, wielkości pamięci, dysków twardych i kart rozszerzeń. W nowoczesnych konstrukcjach często jednak przemysłowe płyty główne mają już zintegrowane procesory, co zazwyczaj jednak nie stanowi dużego problemu, gdyż wybór produktów na rynku jest dosyć duży i można swobodnie znaleźć model pasujący do projektowanej aplikacji.

Przemysłowe płyty główne są niestety najczęściej dosyć duże, a komputery jednopłytkowe – choć są małe, często uniemożliwiają tworzenie dowolnych aplikacji, ze względu na fakt, że zawierają gotowy zestaw podzespołów. Pośrednim rozwiązaniem są komputery modułowe, które składają się z modułów procesora i płyty bazowej. Moduł ten zawiera CPU, pamięć, a obecnie także wszystko to, co zintegrowane jest w CPU i jego kontrolerze, czyli np. układ graficzny i podstawowy interfejs sieciowy. Pozostałe obwody są umieszczane na płycie bazowej, którą można zaprojektować samodzielnie. Jest to znaczne ułatwienie dla producentów maszyn, gdyż płyta bazowa może mieć swobodnie ustalane wymiary oraz zawierać nietypowe interfejsy czy podzespoły, a dodatkowo nie wymaga prowadzenia szybkich połączeń pomiędzy jednostką centralną i pamięcią. Dzięki temu zazwyczaj wystarcza wykorzystanie jedynie dwuwarstwowych PCB, w efekcie czego zaprojektowanie płyty bazowej do komputera modułowego jest nie tylko łatwiejsze, ale i znacznie tańsze niż zaprojektowanie całego komputera przemysłowego od zera.

Niektóre komputery przemysłowe, a szczególnie te z bardzo wydajnymi podzespołami lub licznymi interfejsami sieciowymi, są przystosowane do instalacji w szafach rackowych. Dzięki nim można uzyskać wysoki stopień upakowania mocy obliczeniowej w niewielkiej przestrzeni szaf sterowniczych. Komputery tego typu są wykorzystywane do budowy centr danych i szybkich serwerów, które w świecie Przemysłu 4.0 i Przemysłowego Internetu Rzeczy mają bardzo duże znaczenie.

Inna technologia, wykorzystywana do realizacji bardzo szybkich systemów komputerowych to komputery w postaci kart, które można umieszczać w specjalnie zaprojektowanych obudowach. Te również bardzo często (ale nie zawsze) są przystosowane do montażu w szafach 19-calowych. W praktyce komputery tego typu wykorzystywane były dawniej głównie w telekomunikacji, a obecnie znajdują zastosowanie w przetwarzaniu dużych ilości danych w czasie rzeczywistym. W automatyce chętnie używane są do akwizycji danych oraz do budowy bardzo szybkich systemów wizyjnych. Karty tego typu dostępne są w bardzo wielu standardach, które można podzielić na dwie grupy: uniwersalne systemy kart komputerowych oraz systemy kart akwizycji danych i pomiarów.

Ostatnią z kategorii stanowią komputery panelowe, które dla zmniejszenia sumarycznych kosztów i zajmowanej przestrzeni, w jednej obudowie integrują funkcje IPC i monitora. Wyświetlacze komputerów panelowych mogą mieć różne wymiary i są najczęściej wykorzystywane jako dotykowe panele operatorskie lub systemy wizualizacji danych procesowych w zakładach przemysłowych. Za ich użyciem przemawia wiele czynników, takich jak łatwość przygotowania aplikacji oraz zintegrowane środowiska programistyczne dla warstw odpowiadających za sterowanie i wizualizację. Wadą natomiast jest m.in. fakt, że uszkodzenie wyświetlacza w komputerze tego typu powoduje konieczność wymiany całości, a więc wstrzymania prowadzonych procesów, podczas gdy w przypadku oddzielnych komponentów, wymiana monitora będzie odbywać się bez zakłócania ciągłości produkcji.

SBC

Jednym z najstarszych rodzajów komputerów jednopłytkowych jest format PC/104, wprowadzony w 1992 roku i oparty na magistrali ISA. Pięć lat później wprowadzono usprawnioną wersję standardu, w postaci formatu PC/104-plus, który zawierał już nie tylko złącze z sygnałami ISA, ale też PCI.

W 2003 roku zaprezentowano standard PCI-104, który pozbawiono złącz ISA i pozostawiono w nim jedynie PCI. Wraz z rozwojem technologii komputerowej, a więc pojawieniem się interfejsu PCI Express, który coraz częściej zastępował PCI, w 2008 roku wprowadzono standard PCI/104-Express, nazywany też czasem PCIe/104. Nowsze konstrukcje coraz częściej były pozbawione wentylatorów, a więc chłodzone pasywnie.

Wraz z rozwojem technik komputerowych i pojawianiem się coraz to nowszych interfejsów: USB, Wi-Fi, Bluetooth, EIDE, SATA, FireWire itd. oraz rozrostem rdzeni procesorów i układów graficznych, rozmiar płytki drukowanej standardu PC/104 okazywał się coraz częściej niewystarczający. Dlatego przygotowano dwa nowe standardy, w dwóch odmianach każdy (bazujące na PC/104 i jego modyfikacjach). Pierwszy z nich to EBX (dla standardów PC/104, PC/104-plus i PCI-104)
oraz EBX Express (dla PCIe/104). Wymiary obu PCB to 146 × 203 mm. Nazwa standardu to skrót od Embedded Board eXpandable.

Istotnie inne proporcje mają płytki drukowane standardów EPIC i EPIC Express (165 × 114 mm), z czego ten drugi wspiera magistralę PCI Express. Nazwa pochodzi od hasła Embedded Platform for Industrial Computing. Zarówno EPIC, jak i EBX pozwalają na wykorzystanie modułów komputerowych standardu PCI/104. O ile komputery PC/104 i nowsze są już rzadkością, to modele EBX i EPIC oferowane są obecnie przez wielu producentów. Na rynku pojawiło się także bardzo wiele płyt w formacie 5,25”, czyli o wymiarach 146 ×203 mm. Komputery 5,25” cieszyły się dużą popularnością w czasach, gdy na rynku procesorów najmocniejsze jednostki pobierały bardzo dużo prądu i wymagały silnego chłodzenia. Trend ten utrzymywał się tylko przez kilka lat, gdyż znaczenia zaczęły nabierać komputery przenośne, a te nie mogły być zbyt ciężkie, ani energochłonne. Intel, AMD i VIA – ówcześni liderzy rynku – skoncentrowali się na procesorach o obniżonym poborze mocy, czego dobrym przykładem były układy serii Atom. Co więcej, postęp w technologii litografii pozwolił na scalenie ze sobą tzw. mostka północnego z procesorem, prowadząc do zmniejszenia liczby komponentów montowanych na PCB. W efekcie, gdy radiatory procesorów przestały wystawać poza obudowę CPU i nie trzeba było lutować dodatkowego układu z kontrolerami pamięci, powierzchnia PCB formatu 5,25” okazała się zbyt duża.

Pojawiły się więc mniejsze formaty i chyba najbardziej popularnym z nich oraz dominującym jest obecnie format 3,5”, stanowiący niemalże połowę formatu 5,25”. Płytki te mają standardowo (zgodnie z definicją formatu ECX) wymiary 146 ×105 mm, choć niektórzy producenci tworzą nieco mniejsze modele, np. o wymiarach 146 ×102 mm. Ponieważ są to zazwyczaj całkowicie samodzielne urządzenia, producenci poszczególnych modeli sami decydują, czy chcą je wyposażać w dodatkowe interfejsy rozszerzeń – korzystając z uniwersalnych standardów. Dodatkowa pamięć, jeśli nie jest umieszczona na płycie, zazwyczaj rozszerzana jest za pomocą gniazd 
SO-DIMM, ewentualne bezprzewodowe karty sieciowe i modemy korzystają z gniazd miniPCI Express, a moduły z nośnikami danych można instalować w gniazdach mSATA. Oczywiście instalowane są też wyprowadzenia do podłączania urządzeń zewnętrznych: USB, SATA, Ethernet, złącza wideo, COM, audio i inne. W przypadku gdy komputer 5,25” jest zbyt duży, a 3,5” wydaje się zbyt mały, można poszukać modelu w standardzie 4”, którego wymiary są zgodne z komputerami EPIC (165 ×114 mm), ale nie zachowano kompatybilności z PC/104. Z czasem zaczęły się pojawiać jeszcze mniejsze komputery jednopłytkowe. Tym razem jednak skorzystano z jednego z formatów płyt głównych, tj. pico-ITX, tworząc dosyć obszerną grupę produktów oferowanych jako komputery jednopłytkowe w formacie 2,5”. Wymiar ich PCB wynosi dokładnie 100 ×72 mm i w praktyce stanowią najmniejsze, pełnoprawne, powszechnie dostępne, przemysłowe komputery jednopłytkowe.

Płyty główne

W przypadku płyt głównych stosowanych w przemyśle, dostępne formaty odpowiadają analogicznym standardom na rynku konsumenckim. Różnica polega jedynie na klasie wykonania sprzętu, a więc na jego wytrzymałości i niezawodności. Czasem widać odmienne podejście do stosowanych interfejsów, które dobierane są do konkretnych rodzajów aplikacji przemysłowych.

W praktyce, przeglądając aktualny rynek dla większych maszyn, wymagających wielu kart rozszerzeń, optymalnym wyborem będzie zapewne wciąż bardzo popularny format ATX o wymiarach 305 ×244 mm. W przypadku gdyby i ten format był zbyt mały, można sięgnąć po znacznie rzadszy EATX (305 ×330 mm). Istotnie większy jest wybór płyt microATX (244 ×244 mm), które stanowią nierzadko dobry kompromis między liczbą gniazd rozszerzeń i ich typem. Wynika to z faktu, że w praktyce rzadko który komputer wymaga więcej niż jednej lub dwóch kart PCI czy PCI Express.

Aktualnie 244 ×244 mm to wciąż dosyć dużo, dlatego popularność na rynku przemysłowych płyt głównych zdobył format mini-ITX o wymiarach 170 ×170 mm. Można nawet zaryzykować stwierdzenie, że większość nowych przemysłowych płyt ma właśnie format mini-ITX, wciąż zawiera jedno gniazdo rozszerzeń, dwa gniazd pamięci RAM i wiele innych złączy.

Dwa lata po wprowadzeniu mini-ITX, w 2003 roku zaprezentowano standard nano-ITX o wymiarach 120×120 mm, czyli wielkości pudełka na płytę kompaktową. Format ten w rzeczywistości obejmuje częściej komputery jednopłytkowe niż płyty główne, gdyż najczęściej produkty nano-ITX oferowane są ze zintegrowanym procesorem, a czasem i pamięcią RAM. Dodatkowe gniazda rozszerzeń, takie jak np. SO-DIMM czy miniPCI Express montowane są od spodu płytki. Podobnie ma się sytuacja z płytami w formacie pico-ITX. Mają one wymiary 100 ×72 mm i zintegrowane procesory. Producenci ponadto nierzadko rezygnują z montażu pełnych gniazd wyprowadzeń i pozwalają integratorom na samodzielne dobieranie złącz, które będą wyprowadzone z wykorzystaniem uniwersalnych gniazd na PCB.

Popularności w przemyśle nie zdobył standard BTX ani jego pochodne, ale znaleźć można komputery przemysłowe w nietypowym formacie 
UTX (88 × 108 mm), a więc nieco większe niż pico-ITX.

Warto też zwrócić uwagę na wysokość płyty głównej, która zależy od zastosowanych złączy. Jeśli tworzona maszyna powinna być jak najmniejsza „wzwyż”, warto poszukać modeli opisanych hasłami „low profile” lub „thin” oraz niskoprofilowych kart rozszerzeń.

Komputery modułowe

Wdrażając komputer modułowy, integrator zazwyczaj korzysta z gotowego, standardowego modułu procesorowego i samodzielnie projektuje lub zamawia płytę bazową. Moduły tego typu znaleźć można w katalogach producentów w kategorii COM, czyli Computer-On-Module.

Pierwsze moduły procesorowe w formacie ETX (Embedded Technology Extended) pojawiły się w 2000 roku. Moduły ETX mają wymiary 95 × 125 mm i na przestrzeni lat mocno ewoluowały – standard ETX 3.0 przewidywał wymiar 95 × 114 mm. Obecnie jednak nie tworzy się w oparciu o nie nowych konstrukcji (zawierają magistralę ISA), ale niektórzy producenci wciąż oferują stare modele. Nieco łatwiej znaleźć nowsze modele wykonane w bliźniaczym formacie XTX o wymiarach 95 × 114 mm, które już nie wspierają magistrali ISA, ale za to obsługują PCI-Express i SATA.

Dużą popularnością cieszą się moduły COM Express. Format ten został opracowany w 2005 roku przez konsorcjum PICMG i obejmuje cały szereg odmian. Różnią się one zarówno wymiarami, jak i zestawem sygnałów wyprowadzonych na złączu krawędziowym modułu. Największe są moduły COM Express Extended – mają wymiary 110 ×155 mm. Standardem są moduły COM Express Basic o wymiarach 95 × 125 mm. Jeśli dostępna przestrzeń jest faktycznie ograniczona, można skorzystać z kwadratowych modułów COM Express Compact (95 × 95 mm), a nawet z COM Express Mini, którego wymiary to 55 × 84 mm. Zestaw wyprowadzeń nie zależy od wymiarów i określany jest za pomocą Typu modułu. Typ 1 i typ 10 mają złącza jednostronne, z czego typ 10 ma porty COM i USB 3.0 kosztem mniejszej liczby linii PCIExpress i SATA. Typy 2, 3, 4, 5 i 6 mają złącza dwustronne o różnych zestawach wyprowadzeń.

Wśród dobrze rozpowszechnionych standardów warto wymienić Qseven. Jego zaletami są przede wszystkim bardzo małe wymiary (70 × 70 mm) oraz fakt, że moduły te mogą zawierać nie tylko procesory x86, ale też procesory z rdzeniami ARM. Standard został opracowany tak, by pozbyć się zaszłości historycznych – nie obsługuje ani magistrali ISA, ani PCI ani nawet RS-232 czy EIDE. Nieco nowszy jest standard SMARC (Smart Mobility ARChitecture). Definiuje on dwa rozmiary płytek: SMARC full o wymiarach 82 × 80 mm i SMARC short (82 × 50 mm). Tak jak Qseven, pozbawiono go zaszłości historycznych. Bazuje przede wszystkim na układach ARM.

Producenci komputerów przemysłowych oferują też przykładowe płyty bazowe do poszczególnych rodzajów modułów. Można ich oczywiście używać w finalnych urządzeniach, ale raczej stosuje się je jako podzespoły do przyspieszenia prototypowania, które następnie zastępuje się samodzielnie przygotowanymi PCB.

Modele 19-calowe

Komputery do szaf rackowych produkowane są w obudowach o standardowych wymiarach. Szerokość całej 19-calowej szafy to 483 mm. Szerokość instalowanych w niej komputerów to 17,75” czyli 450 mm. Głębokość komputerów bywa różna, a ich wysokość jest standardowo i liczona w jednostkach „U”. Najmniejsze są komputery o wysokości 1U, czyli 1,75”. Jak łatwo się domyślić, komputery o wysokości 2U mają 3,5”, 3U mają 5,25”, a 4U odpowiada wysokości 7”.

W szafach rackowych nierzadko można zamontować kasety systemów kart komputerowych, które cieszą się popularnością przede wszystkim w telekomunikacji i wojsku. Większość aktualnie produkowanych systemów kart komputerowych ma wielkości standardowe określone przez organizację PICMG, czyli PCI Industrial Computer Manufacturers Group. Karty komputerowe montowane są w specjalnych obudowach, najczęściej przygotowanych do pracy w trudnych warunkach środowiskowych. Obudowy te zawierają płytę bazową z magistralą, umożliwiającą komunikację pomiędzy kartami. Sposób montażu kart zależy od standardu i zazwyczaj polega na wykorzystaniu złączy krawędziowych lub na wielopinowych gniazdach. To drugie rozwiązanie pozwala na gęstsze upakowanie sygnałów na karcie, ale też zwiększa ryzyko uszkodzenia (ugięcia) pinów na płycie bazowej. Wielkość kart jest dokładnie określona i najczęściej wywodzi się z bardzo już starego standardu Eurocard. Został on niegdyś opracowany, by tworzyć modułowe komputery dowolnej wielkości, bazujące na szafach 19-calowych. Z założenia karty montowane są pionowo, obok siebie, w odpowiednio skonstruowanych obudowach.

W aktualnych rozwiązaniach obudowy kart komputerowych mają wielkość 3U lub 6U. Ponieważ same karty muszą zmieścić się w takiej obudowie, ich wysokość jest zawsze nieco mniejsza niż 3U lub 6U. Bywają też rozwiązania umożliwiające montaż dwóch kart 3U nad sobą, w obudowach o wysokości 6U, co jest dopuszczalne dzięki temu, że suma wysokości dwóch kart 3U jest mniejsza niż wysokość jednej karty 6U. Karty są też często unieruchamiane mechanicznie, np. za pomocą zatrzasku lub śruby na panelu czołowym karty.

Różnice pomiędzy poszczególnymi standardami kart dotyczą wyprowadzonych sygnałów, co jednocześnie świadczy o ich nowoczesności, dostępnej szybkości pracy, o możliwościach zastosowań oraz o przeznaczeniu.

Wśród popularnych obecnie modeli kart komputerowych należy wymienić przede wszystkim Compact-PCI. Bazuje na kartach o rozmiarze 3U lub 6U. Aktualnie dostępne karty są oferowane z procesorami x86 lub RISCowymi. Wybór kart jest bardzo duży. Karty oprócz różnic pod względem wysokości mogą też być różnej szerokości – wielokrotności karty pojedynczego modułu. Wtedy zajmują najczęściej więcej niż jedno gniazdo na tylnej płycie bazowej.

Oprócz kart procesorowych, oferowane są też karty z nośnikami i interfejsami – zarówno szeregowymi, portami równoległymi, interfejsami sieciowymi, jak i bloki wejść i wyjść analogowych. W formie kart cPCI dostępne są również gotowe switche ethernetowe i moduły specjalizowane. Celem zwiększenia kompatybilności opracowywanych kart przygotowano też uniwersalny standard PMC, który pozwala korzystać z tych samych modułów np. w systemie opartym na VME, jak i Compact-PCI. Wystarczy tylko użyć karty-przejściówki, które również są powszechnie dostępne u producentów kart w poszczególnych standardach. Na bazie Compact-PCI
powstało kilka nieco innych standardów, takich jak Compact-PCI Serial (oznaczenie PICMG CPCI-S.0), w którym do komunikacji pomiędzy kartami wykorzystano interfejsy szeregowe oraz nowszy Compact-PCI Express (PICMG EXP.0), w którym użyto magistrali PCI Express. Bardzo dużą popularność zyskał standard instrumentów pomiarowych PXI (i jego rozszerzenie w postaci PXI Express). Nazwa pochodzi od PCI eXtensions for Instrumentation i jest to obecnie najbardziej popularne rozwiązanie, wykorzystywane w trakcie tworzenia modułowych systemów pomiarowych.

Dosyć nowoczesnym standardem kart, przeznaczonym do bardzo wymagających aplikacji jest AdvancedTCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture – ATCA). Został on opracowany przez organizację PICMG, a jego odmiany są oznaczane jako PICMG3.X. ATCA zaprojektowano z myślą o szybkich systemach telekomunikacyjnych, ale w praktyce sprawdza się także w nowoczesnych aplikacjach wojskowych. Karty AdvancedTCA mają długość 280 mm i wysokość aż 322 mm oraz muszą się mieścić w szczelinie o szerokości 30,48 mm. Na froncie i na dolnej krawędzi są pokryte metalem, co ma zmniejszyć zakłócenia elektromagnetyczne oraz zwiększyć ich odporność. Wsunięcie i wysunięcie karty jest automatycznie wykrywane przez elektronikę obudowy, co ułatwia wymianę modułów w trakcie pracy urządzenia. W standardowej 19-calowej szafie rackowej mieści się 14 kart tego typu, przy czym ze względu na dużą wysokość kart, zajmują ponad 7U. W praktyce jednak obudowy AdvancedTCA są wyższe, ze względu na dodatkowe komponenty, umieszczane pod i nad kartami. System chłodzenia oraz elementy diagnostyczne powodują, że typowa obudowa AdvancedTCA montowana do szaf rackowych ma 12U lub 13U wysokości. Tak wysokie karty są łatwiejsze w chłodzeniu niż karty niższe, montowane w oddzielnych obudowach. Przepływ powietrza od dołu do góry, wzdłuż całych kart, znacząco ułatwia odbieranie ciepła.

Standard AdvancedTCA pozwala na budowę maszyn o bardzo dużej mocy obliczeniowej, typowej dla superkomputerów. Jednakże przestrzeń zajmowana przez karty tego typu w szafach rackowych jest dosyć duża i na potrzeby nieco mniej wymagających aplikacji, PICMG przygotowało mniejszą wersję ATCA – MicroTCA (µTCA). MicroTCA jest tańsze we wdrożeniu niż AdvancedTCA i pierwotnie powstało z myślą o mniejszych systemach telekomunikacyjnych, ale z czasem zyskało popularność także w systemach mobilnych, wojskowych, telemetrii, awionice i aplikacjach akwizycji danych. Podstawowa specyfikacja MTCA.0 obejmuje płytę bazową, sposób montażu kart, chłodzenie, zasilanie i zarządzanie kartami. Kolejne odmiany – MTCA.1, MTCA.2, MTCA.3 i MTCA.4 definiują wymagania stawiane kartom stosowanym właśnie w wojsku, aeronautyce i wszystkich tych aplikacjach, w których panują trudne warunki środowiskowe. Karty stosowane w MTCA są natomiast kompatybilne z ATCA – wykorzystuje się bowiem moduły AMC.

Oprócz kart specjalnie przygotowanych pod kątem poszczególnych standardów, można też zaleźć moduły uniwersalne, które będą pasować do różnych systemów kart o ile zostanie wykorzystana odpowiednia przejściówka. Rozwiązanie to ułatwia producentom dostarczanie różnorodnych modułów do wielu odmiennych systemów kart.

Komputery przemysłowe a klasyczne PC

Przeglądając oferty producentów IPC nie da się nie zauważyć, że ceny tych urządzeń są znacznie większe niż w przypadku cen komputerów biurkowych o podobnych parametrach. Różnica jest jednak uzasadniona, gdyż modele przeznaczone na rynek przemysłowy muszą być odpowiednio wykonane i przystosowane do trudnych warunków pracy. W zależności od konkretnego zastosowania, muszą być odporne na wysokie lub niskie temperatury, albo nawet szoki termiczne, wstrząsy, wibracje, pył i wilgoć. W wielu przypadkach od IPC oczekuje się zwiększonej odporności na wyładowania elektrostatyczne, promieniowanie elektromagnetyczne i skoki napięć. Dlatego komputery przemysłowe, w zależności od tego, w jakich warunkach mają pracować są projektowane w specjalny sposób. Przede wszystkim stosuje się bardziej wytrzymałe komponenty elektroniczne – np. te przystosowane do motoryzacji, które pozwalają zwiększyć zakres dopuszczalnej temperatury pracy urządzenia. Jeśli sprzęt ma pracować przez dłuższy czas w wysokiej temperaturze, to nawet jeśli jego komponenty są odporne na wysoką temperaturę, emitowana z podzespołów energia cieplna może zwiększyć temperaturę wewnątrz obudowy do wartości znacznie przekraczających dozwolone. Należy więc zapewnić odpowiednie chłodzenie urządzeń – w praktyce powinno ono być lepsze niż w rozwiązaniach konsumenckich. W przemyśle sprzęt powinien być efektywnie chłodzony, gdyż przegrzewanie się komponentów może doprowadzić do przerywania pracy komputera lub nawet uszkodzenia go. Problem w tym, że chłodzenie najczęściej realizowane jest przez wymuszony przepływ powietrza, a ten jest bardzo poważny. Przede wszystkim, zastosowanie komponentów mechanicznych, takich jak wentylatory, ogranicza odporność maszyny na wibracje i zanieczyszczenia. Drobinki kurzu oraz wstrząsy mogą uszkodzić łożyska i spowodować zatarcie się silników wentylatorów, uniemożliwiając ich pracę – i w zależności od konfiguracji systemu – prowadząc do jego automatycznego wyłączenia lub przegrzewania się. A w warunkach przemysłowych kurz i wibracje są bardzo często spotykane. Problemem jest też wilgoć, która wraz z powietrzem dostaje się do wnętrza obudowy i powoduje zwarcia lub korozję. Dlatego wiele nowoczesnych komputerów przemysłowych jest produkowanych tak, by uniknąć stosowania wentylatorów i dzięki użyciu dużych radiatorów – ograniczyć się do chłodzenia pasywnego. Redukuje się też użycie mechanicznych dysków twardych, zastępując je nośnikami SSD, które w warunkach przemysłowych są nie tylko szybsze, ale i przede wszystkim wytrzymalsze, bo odporne na wibracje. Na wibracje musi być też odporna reszta komponentów. Trudność leży przede wszystkim w ich montażu, który trzeba przeprowadzić tak, by połączenia lutowane odpowiednio mocno trzymały podzespoły i by nie było naprężeń, które pod wpływem wstrząsów mogłyby spowodować brak kontaktu elektrycznego. W praktyce większe komponenty w urządzeniach przemysłowych mocowane są dodatkowo z elastycznym wypełnieniem, które tłumi drgania. Oczywiście, do wytłumienia używa się też różnego rodzaju podkładek, które utrzymują PCB w przemysłowych obudowach. Większą odpornością na wibracje cechują się komputery z podzespołami zamontowanymi na stałe (wlutowanymi), a nie mocowane za pomocą złączy i gniazd.

Bardzo istotna jest też żywotność sprzętu oraz jego długoterminowa dostępność i obsługa serwisowa. Dlatego producenci komputerów przemysłowych, projektując je starają się korzystać z komponentów które mają być dostępne przez wiele lat, by w razie potrzeby można było zapewnić sprawny serwis swoim produktom przez 10…15 lat po ich wprowadzeniu do sprzedaży.

*Tabele produktów dostępne w wersji drukowanej i PDF Miesięcznika Automatyka 10/2016

źródło: Automatyka 10/2016