Komputery w przemyśle

IPC (Industrial PC), czyli komputer przemysłowy to bardzo uniwersalny produkt stosowany w wielu branżach. W praktyce przemysłowej spotkamy się z całą gamą tego typu urządzeń – począwszy od wersji Box PC, poprzez komputery typu embedded, komputery panelowe, terminale POS, urządzenia jednopłytkowe, systemy HMI, a na dużych systemach serwerów kasetowych sterujących produkcją i działaniem całej fabryki skończywszy.

Konstrukcja komputera IPC

Podstawową różnicą między komputerem przemysłowym a zwykłym pecetem jest odporność na trudne, przemysłowe warunki pracy. Wydawałoby się, że jeśli komputer został zbudowany ze sprawdzonych komponentów (np. zgodnych z wojskową, amerykańską normą MIL-STD-810) renomowanych marek i nie popełniono przy jego budowie żadnych istotnych błędów konstrukcyjnych, to powinien być wyjątkowo niezawodny i z powodzeniem może być stosowany w przemyśle.

Niestety nie jest to prawda, co wynika z zupełnie innych warunków pracy, na jakie narażone są komputery przemysłowe. Komputer IPC, w zależności od konkretnego zastosowania, musi często wytrzymywać wysoką lub niską temperaturę pracy, szoki termiczne, wstrząsy mechaniczne, zakłócenia elektromagnetyczne, skoki napięć powodowane włączaniem i wyłączaniem obrabiarek, a nawet pracę w zapylonych i bardzo wilgotnych pomieszczeniach. Cześć maszyn, np. pracujących w kopalniach węgla kamiennego, musi dodatkowo spełniać normy bezpieczeństwa i wymagania europejskiej dyrektywy ATEX dotyczące konstruowania urządzeń pracujących w strefach zagrożonych wybuchem.

To dlatego komputery przemysłowe są projektowane w specjalny sposób. Przede wszystkim wykorzystuje się do ich budowy znacznie bardziej wytrzymałe wersje komponentów elektronicznych, które przystosowane są do znacznie szerszego zakresu temperatury pracy. Takie części mogą prawidłowo pracować w temperaturze poniżej –20 °C lub w temperaturze przekraczającej 100–120 °C. Ten drugi przypadek jest o tyle istotny, że nawet bez ekstremalnych warunków na zewnątrz, we wnętrzu obudowy komputera zamontowanego w mało przewiewnym środowisku, na przykład wewnątrz obrabiarki, może na skutek nagrzewania się podzespołów, panować znacznie wyższa temperatura niż w domowym pececie czy serwerze. Co ważne, w konstrukcji komputerów przemysłowych, unika się stosowania mechanicznych dysków twardych, które niemal w całości zastąpiono odpornymi na wstrząsy, całkowicie elektronicznymi napędami SSD. Obecnie najczęściej stosuje się łatwe w montażu, niewielkie napędy w postaci modułów M.2, które przypominają moduły DIMM pamięci RAM.

Chłodzenie pasywne

Co więcej, aby zwiększyć niezawodność komputerów IPC i maksymalnie wyeliminować ruchome części, wszędzie, gdzie to tylko możliwe, stosuje się chłodzenie pasywne – wyłącznie za pomocą radiatorów. Z kolei obudowy muszą zapewnić odpowiednią wytrzymałość mechaniczną i odporność na warunki środowiskowe w jakich pracują komputery IPC. Często obudowy te dostosowane są do montażu na szynie DIN, dzięki czemu można je bez problemu zamontować w szafach sterowniczych, maszynach czy systemach automatyki przemysłowej. W warunkach przemysłowych istotnym problemem jest też wilgoć, która dostając się do wnętrza obudowy komputera IPC może powodować zwarcia lub korozję jego podzespołów. Dlatego na rynku bardzo często spotykane są komputery IPC ze stopniem ochrony IP67, a nawet IP68.

W celu uniknięcia problemów związanych z wibracjami, do budowy komputerów przemysłowych wykorzystuje się specjalne, beznaprężeniowe luty. Dzięki temu zabezpieczyć można elektroniczne podzespoły zamontowane na płytce drukowanej przed zagrożeniem związanym z możliwością przerwania elektrycznych ścieżek, styków i kontaktów pomiędzy komponentami a płytką na skutek drgań. Większe części mocowane są dodatkowo z użyciem elastycznych wypełnień (pianek) tłumiących drgania. Wykorzystuje się też różnego rodzaju podkładki, które pozwalają w trwały i jednocześnie elastyczny sposób przymocować płytkę drukowaną do komputera IPC.

Obudowa musi też zapewniać odpowiednią „szczelność” przed zewnętrznymi zakłóceniami elektromagnetycznymi, które pochodzić mogą od pracujących silników indukcyjnych stanowiących napęd obrabiarek, maszyn i urządzeń na linii produkcyjnej. Istotne jest też to, że standardowo stosowane w komputerach przemysłowych przewody i gniazda są ekranowane.

Warto też wspomnieć, że mocniejsze komputery przemysłowe swoją budową przypominają typowe rozwiązania serwerowe. Przystosowane są też do montażu w 19-calowych szafach serwerowych i umieszczane w dostosowanych do montażu w tych szafach obudowach typu RACK. Co ciekawe, do niedawna „na produkcji” szafy serwerowej można było szukać z przysłowiową świecą, dziś takie rozwiązania zadomowiły się w przemyśle i standardowo montowane są w budynkach fabrycznych, a nawet bezpośrednio w pobliżu linii produkcyjnej. Oczywiście szafa taka jest wówczas zrealizowana w tak zwanym wykonaniu przemysłowym.

Żywotność i dostęp do części

Komputer IPC musi charakteryzować się też znacznie wyższą żywotnością i niezawodnością działania – oznacza to, że muszą wytrzymywać co najmniej kilka lat nieprzerwanej pracy. Wynika to z faktu, że wszelkie zmiany w instalacji przemysłowej, które nie prowadzą do zwiększenia wydajności produkcji, a jedynie są związane z utrzymaniem ruchu i, co więcej, wymagają wstrzymania funkcjonowania linii technologicznej, są kosztowne i wykonywane tak rzadko, jak to tylko możliwe. Co gorsza, wymiana komputera IPC na nowocześniejszy model, o ile nie jest związana z unowocześnieniem całej linii produkcyjnej, ze względu na kompatybilność sprzętowo-programową stanowi nie lada wyzwanie i jest zwykle nieopłacalna.

Co gorsza, zmiana komputera, który steruje produkcją wymaga modernizacji całej instalacji przemysłowej, gdyż nowy sprzęt często nie jest w pełni kompatybilny pod względem softwarowym i często hardwarowym ze wszystkimi zainstalowanymi na linii urządzeniami. Nawet aktualizacja sterowników w środowisku przemysłowym może za sobą pociągnąć konieczność dopasowania pozostałych elementów systemu automatyki przemysłowej, do zmienionej charakterystyki urządzenia pracy komputera sterującego produkcją. Dlatego producenci komputerów przemysłowych projektują je tak, aby zapewnić im sprawny serwis przez co najmniej 10 do 15 lat od wprowadzenia ich na rynek. Dlatego też bez problemu, można w środowisku przemysłowym znaleźć podzespoły, które zniknęły z rynku konsumenckiego, nawet kilkanaście lat temu – i co więcej, cały czas są produkowane.

Rodzaje komputerów przemysłowych

Zależnie od przyjętych kryteriów klasyfikacji, komputery przemysłowe podzielić można na kilka podstawowych grup. Wyróżnia się tutaj komputery kompaktowe, panelowe, jednopłytkowe oraz maszyny IPC Box, które określane są też mianem Box PC. Warto w tym miejscu zwrócić uwagę na fakt, że coraz większą popularnością cieszą się platformy Open Source, takie jak Arduino czy Raspberry Pi. Komputery te spotkać już można w wielu prostych systemach automatyki domowej czy systemach nadzoru. Pojawiają się też w sterowaniu procesami przemysłowymi.

Obecnie w systemach automatyki przemysłowej najczęściej wykorzystuje się jednopłytkowe komputery typu SBC (Single Board Computer). Są one stosowane w różnego rodzaju systemach typu embedded, np. w panelach HMI, które wykorzystywane są do sterowania obrabiarkami CNC oraz urządzeniach automatyki przemysłowej projektowanych bezpośrednio przez nabywcę lub przez integratora systemów automatyki przemysłowej.

Komputery SBC mają postać niewielkiej płytki drukowanej, na której zainstalowane są wszystkie niezbędne do pracy komputera elementy, w tym procesor, pamięć, interfejsy sieciowe i, jeśli jest potrzebna, karta graficzna. Co ważne, wszystkie niezbędne złącza mogą być tu albo wlutowane przy krawędziach płytki, albo sygnały wyprowadzane są poprzez piny, do których podłącza się odpowiednie wtyczki. Z założenia konstrukcja jednopłytkowego komputera przystosowana jest do stosowania go w końcowym urządzeniu.

Do budowy jednopłytkowych komputerów wykorzystuje się obecnie różnego rodzaju procesory zgodne z architekturą ARM lub energooszczędne, mobilne wersje procesorów z rodziny x86, począwszy od niskonapięciowych modeli procesorów Celeron i Pentium, a na mobilnych, wysokowydajnych kościach z rodziny Core i7/i9, na najnowszej, 12. generacji skończywszy. Na rynku dostępne są też modele komputerów jednopłytkowych bazujących na procesorach firmy AMD, choć należą one do rzadkości.

Standardowym wyposażeniem nowoczesnych komputerów jednopłytkowych jest gigabitowa karta sieciowa Ethernet lub moduł Wi-Fi, w tym coraz częściej zgodny ze standardem Wi-Fi 5/6, a nawet najnowszym 6E. W wielu przypadkach, dzięki odpowiedniemu złączu krawędziowemu, istnieje możliwość samodzielnego zamontowania brakującego, bezprzewodowego modułu komunikacyjnego w chwili, gdy będzie on potrzebny.

Jak można się domyślić, w komputerach SBC wykorzystuje się typowe porty USB (2.0, 3.1 Gen 1, Gen 2) oraz montuje dwustronne złącza w formacie USB-C – takie jak w telefonach komórkowych. Standardem są też „nieśmiertelne” przemysłowe porty szeregowe RS-232 i RS-485, które ze zwykłych komputerów zniknęły kilkanaście lat temu. Wynika to stąd, że w przemyśle z portów tych do dziś korzysta wiele urządzeń, w tym obrabiarki numeryczne i sterowniki PLC, z którymi komunikuje się przemysłowy komputer IPC. Na tych interfejsach implementowane są też przemysłowe protokoły komunikacyjne, np. Modbus.

Box PC

W odróżnieniu od komputerów jednopłytkowych, komputery Box PC są to w pełni funkcjonalne maszyny o niewielkich wymiarach, które zamknięto w obudowach dostosowanych do pracy w warunkach przemysłowych. Bardzo często w tej grupie urządzeń obudowa jest jednocześnie radiatorem odprowadzający ciepło z jej wnętrza, co eliminuje konieczność stosowania wentylatorów. Urządzenia te dostępne są też w obudowach, umożliwiających ich montaż w skrzynkach sterowniczych systemów automatyki (szyna DIN) lub zgodnych z 19-calowym systemem RACK, który pozwala na łatwe wykorzystanie standardowych rozwiązań infrastruktury IT.

W miarę duża obudowa pozwala na instalację wydajniejszych, pasywnych systemów chłodzenia oraz na montaż kilku standardowych napędów SSD M.2, kart rozszerzeń w formacie mini PCI Express lub w wypadku większych konstrukcji, nawet na montaż pełnowymiarowych kart PCI Express. Z założenia montowane są tu również niskonapięciowe, dobrze znane ze świata pecetów procesory Intela lub AMD.

Komputery kompaktowe to z kolei miniaturowe komputery Box PC, które przeznaczone są do aplikacji, gdzie ilość wolnego miejsca jest bardzo mocno ograniczona, na przykład przy sterowaniu robotami. Najważniejszą ich cechą jest to, że są one w całości chłodzone pasywnie i, w odróżnieniu od pełnowymiarowych komputerów Box PC, ich metalowe, zazwyczaj aluminiowe obudowy wyposażone są z zewnątrz w specjalne użebrowanie rozpraszające ciepło. Warto podkreślić, że brak wentylatorów sprawia, że maszyny te pracują nie tylko bezszelestnie, ale są przede wszystkim odporne na zapylenie i wibracje.

Komputery panelowe i systemy HMI

Grupą urządzeń przemysłowych, wywodzących się z komputerów kompaktowych są komputery panelowe (panel PC) i systemy HMI (Human-Machine Interface), które charakteryzują się tym, że są wyposażone w zintegrowany, najczęściej dotykowy wyświetlacz. Dzięki temu, że łączą funkcjonalność komputera i monitora, wykorzystywane są przede wszystkim jako terminale operatorskie lub stanowiskowe stacje robocze. Takie komputery mogą być zawieszone na ścianie, przymocowane do maszyny, wbudowane w pulpit sterowniczy lub szafę. Występują także wersje umożliwiające montaż podtynkowy. 

Głównym zadaniem panelu HMI jest pośredniczenie pomiędzy człowiekiem, a maszyną. Panel operatorski odbiera oraz przekazuje sygnały z maszyn i innych obiektów, zbiera dane dotyczące ich działania i realizacji procesu oraz wizualizuje monitorowany obiekt lub proces. Dodatkowo w przypadku przekroczenia wartości progowych lub wystąpienia sytuacji niebezpiecznej, może wyświetlać alarmy. Z kolei komputer panelowy jest urządzeniem znacznie bardziej uniwersalnym, bliższym standardowym pecetom z wbudowanym monitorem, czyli komputerom klasy All-in-One (AIO). Komputery panelowe bardzo często stosowane są jako środowisko uruchomieniowe dla systemów SCADA i mogą służyć do wizualizacji procesu, gromadzenia danych z linii produkcyjnej, ich archiwizowania, analizy, w tym analizy z wykorzystaniem algorytmów sztucznej inteligencji, oczywiście jeśli dysponują odpowiednią mocą obliczeniową, oraz alarmowania i wysyłania komunikatów o stanie procesu. 

Podstawowym interfejsem, jeśli chodzi o komputery panelowe, jak i panele operatorskie HMI jest ekran/panel dotykowy. Zarówno w jednym, jak i drugim przypadku spotkać się można aż z czterema rozwiązaniami, spośród których użytkownik może wybrać taki typ panelu dotykowego, który najlepiej dopasowany jest do jego potrzeb bądź specyfiki obsługi maszyny bądź urządzenia. Dostępne są tu nie tylko komputery panelowe i panele HMI z dotykowym ekranem rezystancyjnym i pojemnościowym, a więc ekranami dotykowymi, które stosowane są w tabletach czy smartfonach, ale również z ekranami dotykowymi na podczerwień i ultradźwiękowymi. Te dwa ostatnie pozwalają na swobodne sterowanie urządzeniem, nawet w sytuacji kiedy pracownik ma ubrane grube rękawice ochronne.

Jak już wspomniano, komputery panelowe, pod względem swojej budowy, przypominają zwykłe komputery typu All-in-One, czyli takie, które spotkać można na przykład bardzo często w sklepach czy aptekach. Asortyment przekątnej stosowanych paneli jest bardzo szeroki. Znaleźć tu można na przykład niewielkie dotykowe ekrany LCD o przekątnej 5,5″, jak również wbudowane monitory panelowe, których przekątna osiąga nawet 52″ i więcej. Jednak typowy ekran ma tu wielkość od 5,5″ do 13″, a rozdzielczość to zwykle 720 px lub 1080 px, choć coraz częściej, w przypadku dużych przekątnych, zdarzają się ekrany o rozdzielczości 2K czy 4K. Co ciekawe pojawiają się też panele z dużo bardziej wyraźnymi wyświetlaczami AMOLED czy OLED, które oferują realistyczne odwzorowanie barw i duży kontrast.

Komputery dla Przemysłu 4.0 i Internetu Rzeczy

Przejdźmy teraz do Przemysłu 4.0, Przemysłowego Internecie Rzeczy i systemów Cyfrowej Fabryki (Smart Factory). Te technologiczne trendy, co oczywiste, bardzo mocno wpływają na rozwój rynku komputerów IPC. Produkcja jest tu bowiem całkowicie, lub w ogromnym stopniu zautomatyzowana i opiera się na komunikowaniu maszyn ze sobą bez udziału człowieka. Niezbędne są tu komputery przemysłowe, które będą w stanie samodzielnie, przy wykorzystaniu sztucznej inteligencji, sieci neuronowych czy głębokim uczeniu maszynowym, zarządzać produkcją. Takie komputery są już dostępne na rynku.

Przykładem są maszyny wykorzystujące układ Intel Movidius Myriad X. Jednostka ta to układ przetwarzania obrazu wyposażony w specjalny akcelerator Neural Compute Engine. Wykorzystuje on algorytmy wnioskowania głębokiej sieci neuronowej, a w połączeniu z dysponującymi dużą mocą obliczeniową rdzeniami SHAVE i pamięcią o wysokiej przepustowości, Movidius Myriad X idealnie sprawdza się w systemach rozpoznawania obrazu w czasie rzeczywistym, a więc we wszystkich zastosowaniach widzenia maszynowego, w tym rozpoznawania twarzy.

W tym miejscu warto wspomnieć modułach Nvidia Jetson TX2. Moduł ten wyposażony jest w dwurdzeniowy procesor Nvidia Denver 2 o taktowaniu 2 GHz oraz koprocesor ARM Cortex-A57 2 GHz, a także układ graficzny Nvidia Pascal z 256 rdzeniami CUDA. Płytka została wyposażona w 4 GB pamięci RAM oraz 16 GB pamięci eMMC. Jetson TX2 jest jednopłytkowym komputerem przeznaczonym do rozwiązań wykorzystujących algorytmy sztucznej inteligencji i głębokie uczenie maszynowe. Dzięki niewielkim wymiarom, 87 mm × 50 mm, może być stosowany w niewielkich produktach, takich jak małe roboty czy koboty, systemy transportu wewnętrznego czy drony.

Konkurencyjnym rozwiązaniem jest Google Coral. Jest to pierwsze urządzenie typu Edge TPU (Tensor Processing Unit), będące wektorowym koprocesorem wspierającym funkcje uczenia maszynowego. Bazuje na opracowanym przez Google’a dedykowanym układzie scalonym. W sprzedaży dostępny jest m.in. model Coral USB Accelerator, który dzięki gniazdu USB można podłączyć do dowolnego komputera korzystającego z systemu Linux w celu przyspieszenia wnioskowania uczenia maszynowego. Google Coral, podobnie jak Jetson TX2 koncentruje się na scenariuszach związanych z przetwarzaniem obrazu. Umożliwia budowanie rozwiązań związanych z wykrywaniem i klasyfikacją obiektów na zdjęciach oraz na obrazach rejestrowanych przez kamery.

Zarówno Movidius Myriad X, Google Coral, jak i Jetson TX2 to tak zwane systemy Edge AI. Edge AI to rozwiązania, w których algorytmy sztucznej inteligencji implementuje się bezpośrednio na urządzeniu zbierającym dane. Tak jak wspomniano, może być to robot, system logistyki wewnętrznej, dron, inteligentny system monitoringu itp. Co ważne, w przeciwieństwie do klasycznych sposobów przetwarzania danych związanych ze sztuczną inteligencją, w systemach Edge AI nie ma potrzeby przesyłania danych na serwer lub do chmury.

Zmiana miejsca przetwarzania danych na urządzenie końcowe okazuje się szczególnie ważna kiedy szybkość przetwarzania danych ma kluczowe znaczenie i nie można pozwolić sobie nawet na najmniejsze opóźnienia związane z przesyłaniem danych, a więc w autonomicznych systemach automatyki przemysłowej. Edge AI pomaga w wykrywaniu przyszłych usterek maszyn na podstawie odczytów z sensorów. Wspiera też automatyzację procesu kontroli jakości, gdzie stosuje się algorytmy przetwarzania obrazu do rozpoznawania, klasyfikacji produktów czy, jak wspomniano, śledzenia obiektów znajdujących się w pobliżu urządzeń.

Mobilne komputery przemysłowe

Oddzielną grupę przemysłowych komputerów IPC stanowią komputery mobilne. Obok tradycyjnych komputerów przenośnych, które obejmują przenośne urządzenia ręczne, naramienne i montowane w pojazdach, w firmach pojawiają się też trwałe tablety przemysłowe. Warto zwrócić uwagę na fakt, że większość modeli przenośnych komputerów IPC dostosowana jest do potrzeb konkretnych branż, takich jak magazynowanie, logistyka, produkcja, opieka medyczna czy handel. Podobnie jak bezprzewodowe skanery, komputery przenośne czytają kody kreskowe zarówno 1D jak i 2D, standardowo obsługują również technologię RFID.

W przemyśle, podstawowym zadaniem komputerów mobilnych jest przechwytywanie danych, a więc służą do wprowadzania danych z produkcji, odczytów z urządzeń, w tym kodów kreskowych itp. Mogą być wyposażone zarówno w ekran dotykowy, jak i fizyczną, nierzadko podświetlaną klawiaturę. Bardzo często swoim wyglądem przypominają smartfony, ale mogą dysponować większą mocą, na przykład dotycząca przetwarzania obrazu. Standardem jest tu bezprzewodowa łączność Wi-Fi, a często wyposażone są w moduł LTE, pozwalający na komunikacje przez sieć operatora telefonii komórkowej.

Jeśli chodzi o procesor, to dominuje tu architektura ARM i system operacyjny Android. Standardem jest tu gniazdo kart pamięci micro SD i pojemny akumulator o pojemności minimum 3000–3500 mAh, co spełnia wymagania ciągłej pracy przez całą zmianę. Bardzo często konstrukcja akumulatora pozwala na jego podmianę, tak aby urządzenie było gotowe natychmiast do pracy na drugiej zmianie.

Na zakończenie warto wspomnieć o tabletach i komputerach przemysłowych wykonanych w formacie Rugged. Jest to sprzęt przeznaczony do pracy w ciężkich warunkach przemysłowych, na przykład w kopalniach odkrywkowych, w cementowniach czy po prostu na budowie. Komputery takie odporne są na kurz, pył, deszcz, często może być też zanurzony w wodzie do głębokości dwóch metrów, wysoką (do 150 °C) i niską (do –50 °C) temperaturę, a także na uderzenia czy wręcz na przejechanie po nim samochodem lub lżejszą maszyną budowlaną. 

*Tabele produktów dostępne są wydaniu PDF oraz drukowanym miesięcznika Automatyka

źródło: Automatyka 4/2022