Nie tylko biurkowy pecet

Liczba komputerów stosowanych w przemyśle, w ciągu ostatnich lat dynamicznie rośnie. znajdują one zastosowanie zarówno w małych jaki i bardzo rozbudowanych systemach produkcyjnych. W tym miejscu warto postawić pytanie, co odróżnia komputery przemysłowe IPC (Industrial PC) od typowych biurowych modeli?

autor: Wojciech Trojniar

Obie wersje pecetów, zarówno przemysłowe, jak i biurowe, mają podobną funkcjonalność i można na nich uruchomić identyczne oprogramowanie. Jaki jest więc sens stosowania droższych urządzeń przemysłowych, jeśli z powodzeniem można je zastąpić tańszymi, komercyjnymi odpowiednikami?

Jedną z największych różnic pomiędzy komputerem przemysłowym i standardowym pecetem są komponenty użyte do ich konstrukcji. Urządzania przeznaczone dla przemysłu są w większości wypadków, wykonane z lepszej jakości materiałów po to, aby zapewnić im wieloletnią trwałość i możliwie najrzadszą konieczność wymiany lub naprawy.

Komputer w fabryce

W fabrykach, komputery PC stosowane są jako panele operatorskie do nadzoru i zarządzania procesem produkcyjnym oraz akwizycji, przetwarzania i analizy danych. Każdorazowe wyłączenie IPC z użycia powoduje utrudnienia w prawidłowym przebiegu procesu produkcji lub w najgorszym wypadku wręcz wstrzymuje pracę zakładu. Aby zminimalizować ryzyko przestojów i generowanych przez nie strat finansowych, większość firm produkcyjnych decyduje się na zakup droższych urządzeń, które są lepiej dostosowane do warunków środowiskowych panujących na terenie fabryki. Najczęstszymi wymogami stawianymi komputerom przemysłowym jest odporność na następujące czynniki:

Zapylenie – gromadzenie się kurzu na elementach elektronicznych i mechanicznych urządzeń powoduje znaczne zwiększenie awaryjności m.in. z powodu przegrzewania. Aby zabezpieczyć się przed taką ewentualnością w komputerach IPC stosowane są dodatkowe uszczelki oraz chłodzenie pasywne eliminując konieczność stosowania wiatraków.

Technologie takie jak SpeedStep pozwalają dynamicznie dostosowywać zarówno częstotliwość jak i napięcie zasilania rdzenia w celu zmniejszenia zużycia energii, redukcję wydzielanego ciepła, a tym samym możliwość pracy bez wentylatora. Tego typu rozwiązania zapewniają izolację od środowiska zewnętrznego, a tym samym zapobiegają dostawaniu się pyłu do wnętrza obudowy.

Drgania i wstrząsy – komputery montowane są w różnych miejscach, niejednokrotnie są to obszary w samym centrum procesu produkcyjnego, jako wbudowany element maszyny. Wibracje i wstrząsy generowane przez środowisko pracy może powodować samoczynne odkręcanie śrub mocujących, problemy z zapisem/odczytem danych z dysku twardego, pękanie spoin lutowniczych lub całych płyt drukowanych. Komputery odporne na wibracje przechodzą próby wstrząsowe, oraz zbudowane są z elementów odpornych na drgania jak  np. dyski  IGSSD (ang. Industrial Grade SSD) czy karty pamięci CompactFlash.

Wysokie zakresy temperaturowe – procesy produkcyjne, w zależności od rodzaju i branży, mogą przebiegać w skaranie różnych przedziałach temperaturowych np. w hutnictwie w  okolicach pieców, temperatury będą znacznie wyższe niż, w branży spożywczej i chłodniach do mrożenia żywności. Szczególnie dużym wyzwaniem dla komputerów przemysłowych są ujemne temperatury i ich prawidłowe działanie w kilkudziesięciostopniowym mrozie.

Aby praca w tak niskich temperaturach była możliwa, wewnątrz obudowy montowane są grzałki zapobiegające zamarzaniu sprzętu. W przypadku wysokich temperatur, stosuje się rozbudowane systemy chłodzące oparte o wydajne radiatory, dodatkowe wentylatory czy chłodziwo w postaci wody.

Zalanie płynem – niejednokrotnie warunki panujące na halach produkcyjnych, stwarzają ryzyko zachlapania lub zalania komputerów różnego rodzaju płynami m.in. wodą, olejem czy płynem hydraulicznym. W przypadku tradycyjnego peceta takie zdarzenie miałoby opłakane skutki. Przemysłowe odpowiedniki mają zabezpieczenia umożliwiające nawet całkowite zanurzenie komputerów, a także zalanie ich strugą wody pod wysokim ciśnieniem. O poziomie szczelności informuje stopień IP. Do obsługi wodoszczelnego komputera można dokupić równie dobrze zabezpieczone urządzenia peryferyjne, jak np. klawiatury czy myszy pokryte w całości gumą chroniącą je przed zalaniem.

Zakłócenia elektromagnetyczne – promieniowanie elektromagnetyczne generowane przez maszyny i urządzenia produkcyjne może negatywnie wpływać na prawidłowe funkcjonowanie systemów elektronicznych, komunikację między nimi oraz zapis/odczyt informacji z dysków twardych. Odporność przed zakłóceniami elektromagnetycznymi uzyskuje się dzięki montowaniu wewnątrz obudów systemów IPC metalowego ekranowania.

Schować w maszynie

Oprócz odporności na niekorzystne warunki środowiskowe, bardzo istotnym parametrem wpływającym na dobór komputera są jego wymiary, rodzaj obudowy oraz sposób montażu. Modele dostępne na rynku dzielą się pod tym względem na trzy główne kategorie:

Komputery jednopłytowe – na pojedynczej płycie drukowanej, umieszczone są takie komponenty jak procesor, karta graficzna, pamięć RAM, karta dźwiękowa, porty Ethernet, RS-232/422/485, cyfrowe wejścia/wyjścia oraz gniazda rozszerzeń PCI/Mini PCI.  

Na rynku dostępny jest szeroki wachlarz modeli począwszy od ekonomicznych i energooszczędnych komputerów z procesorami Intel Atom, a skończywszy na wydajnych wielordzeniowych Intel Xeon czy Intel Core i7. Urządzenia dostępne są w standardach Mini ITX, 3.5”, 5.25”, PC/104, SOM (System On Module) oraz COM (Computer On Module).

Wszystkie wersje przeznaczone są do zabudowy np. wewnątrz maszyn produkcyjnych i pracy w środowisku Linux, Windows Embedded czy QNX (system operacyjny czasu rzeczywistego

zaliczany do klasy Unix).                                                                      

Komputery Box – są najbardziej zbliżone pod względem wizualnym i konstrukcyjnym do komercyjnych komputerów klasy PC. Urządzenia dostępne są w obudowach typu tower lub z mocowaniem RACK. Stosowany również w serwerach system 19” umożliwia zamknięcie urządzeń w dedykowanej szafie i fizyczne zabezpieczenie przed uszkodzeniami mechanicznymi oraz dostępem nieupoważnionych osób. Urządzenia typu box mają szerszą możliwość rozbudowy oraz wymiany komponentów. Duża obudowa pozwala m.in. na instalację wydajniejszych systemów chłodzenia oraz montaż kilu dysków twardych połączonych w macierz RAID.

Możliwość pracy w ciężkich warunkach oraz w szerokim zakresie temperatur pozwala wykorzystywać komputer przemysłowy w aplikacjach bezobsługowych pracujących w branży wodno-kanalizacyjnej, energetyki czy paliwowej.

Komputery Panelowe – zintegrowane urządzenia, w skład których wchodzi komputer oraz ekran dotykowy. W zależności od zastosowania obudowy mogą być wykonane z metalu pokrytego farbą, stali kwasoodpornej lub nierdzewnej, znajdując zastosowanie np. w przemyśle spożywczym. Dotykowy wyświetlacz pozwala na wyeliminowanie konieczności podpinania myszki i klawiatury co znacznie ułatwia obsługę urządzenia.

W przeciwieństwie do rynku konsumenckiego, gdzie w smarfonach i tabletach stosuje się ekrany pojemnościowe, tak w przemyśle znacznie częściej stosowanym rozwiązaniem są ekrany rezystancyjne. Powodem takiego stanu rzeczy są unikalne możliwości monitorów oporowych:

• Precyzja – używanie rysika do obsługi monitora pozwala na znacznie większą dokładność niż sam palec, nawet do 1 piksela. Jest to bardzo użyteczna funkcjonalność np. gdy w oknie wizualizacji jest duża ilość małych przycisków.
• Odporność na zabrudzenia – nagromadzony na ekranie monitora pył, krople oleju lub wody nie wpływają na możliwości użytkowe samego komputera tj. sterownie kursorem czy klikanie przycisków.
• Łatwa obsługa – Posługiwanie się monitorem zależy od siły nacisku dlatego też można się nim posługiwać mają mając ubrane rękawiczki lub za pomocą dostępnych pod ręką przedmiotów np. plastikowe karty, obudowa długopisu czy końcówka ołówka.

Komputery panelowe oprócz możliwości zabudowy w ścianie z reguły posiadają możliwość, podwieszenia na uchwycie VESA np. Astraada AS47C19. Pozwala to na montaż urządzenia pod sufitem, lub na wysięgniku przymocowanym do ściany lub obudowy maszyny produkcyjnej.

Dobrze dobrany do warunków produkcyjnych komputer, z powodzeniem może funkcjonować bezawaryjnie przez wiele lat. Wyższa początkowa  kwota zakupu, może się okazać śmiesznie niska w porównaniu do potencjalnych skutków awarii niedostosowanych modeli.