Poradnik Automatyka cz.4. - Jak dobrać komputer przemysłowy?

W kolejnej części „Poradnika Automatyka" zastanowimy się nad wyborem komputera dopasowanego do potrzeb systemu produkcyjnego oraz dowiemy się, dlaczego standardowe, biurowe modele nie nadają się do pracy w warunkach przemysłowych.

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

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 przypadków wykonane z lepszej jakości materiałów – po to, aby zapewnić im wieloletnią trwałośći możliwie najrzadszą konieczność wymiany lub naprawy.

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.

Najczęstszym wymogiem stawianym 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 eliminujące 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 mogą 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 skrajnie 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 bardzo niskie temperatury. 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 wpostaci 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.

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).

Przemysłowe komputery IPC 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 kilku dysków twardych połączonych w macierz RAID.

Jednym z dostawców komputerów IPC Box na rynku polskim jest GE Intelligent Platforms. Oferowane przez producenta modele rodziny RXi IPC-EP oraz RXi IPC-XP dostępne są w wersjach z procesorami Core 2 Duo, Core i5 oraz Core i7 oraz 8 GB pamięci RAM. Dostarczona moc obliczeniowa pozwala realizować zadania związane ze sterowaniem, historyzacją oraz wizualizacją parametrów produkcji (łącznie z obsługą receptur), a także jako węzeł systemów MES (Manufacturing Execution System).
Aluminiowa konstrukcja, przemysłowe wykonanie RXi IPC oraz eliminacja wszystkich ruchomych elementów pozwala montować komputer w miejscach narażonych na duże różnice temperatur (od -25°C do +55°C) oraz wstrząsy i wibracje.
Możliwość pracy w ciężkich warunkach oraz w szerokim zakresie temperatur pozwala wykorzystywać komputer przemysłowy w aplikacjach bezobsługowych pracujących np. w branży wodno-kanalizacyjnej, paliwowej czy energetyce.

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.

Astraada HMI Panel PC to seria komputerów panelowych o przekątnych ekranów od 8" do 19".
Dedykowane są do zastosowań przemysłowych, w takich dziedzinach jak sterowanie i wizualizacja, wymagających procesów technologicznych, ale również jako punkty informacyjne lub terminale sprzedaży. Konstrukcja umożliwia im pracę w trudnych warunkach środowiskowych tj. wysokiej temperaturze, zapyleniu i wilgotności, zapewniając zainstalowanym aplikacjom stabilną i niezawodną pracę.

Astraada HMI Panel PC może zostać doposażony w oprogramowanie Acronis True Image, umożliwiające tworzenie obrazów dysków twardych wraz z systemami operacyjnymi, aplikacjami (np. Wonderware InTouch, Historian) oraz ustawieniami użytkowników. W przypadku utraty całości lub części danych, możliwe jest przywrócenie pierwotnego stanu komputera bez konieczności instalacji systemu operacyjnego i oprogramowania.
Jeśli instalacja wymaga wyeliminowania elementów mechanicznych z komputera przemysłowego Astraada Panel PC, istnieje możliwość montażu dysków SSD przystosowanych do pracy ciągłej w trybie 24/7. Oprócz braku ruchomych elementów, dyski SSD zapewniają szybki dostęp do aplikacji oraz znacznie krótszy czas uruchamiania systemu w porównaniu do tradycyjnych modeli z talerzami.

Komputery panelowe oprócz możliwości zabudowy w ścianie z reguły posiadają możliwość podwieszenia na uchwycie VESA. Pozwala to na montaż urządzenia pod sufitem lub na wysięgniku przymocowanym do ściany lub obudowy maszyny produkcyjnej.
Astraada HMI Panel PC łączy w sobie 2 podstawowe cechy niezbędne we współczesnych systemach produkcyjnych: wydajność i funkcjonalność. Zwycięstwo w tegorocznej edycji konkursu „Produkt Roku 2014" Control Engineering jest tego potwierdzeniem.

Do pracy w bardzo niekorzystnych warunkach przemysłowych przeznaczony jest m.in. produkt GE Intelligent Platforms o nazwie Wolverine3. Komputer panelowy wyposażony jest w 15-calowy ekran operatorski i zaprojektowany został do pracy w temperaturach od -40 do +70 °C. Urządzenie posiada zabezpieczenie IP66 oraz certyfikat ATEX 94/9/EG uprawniający do montażu w strefie zagrożonej wybuchem Ex Zone 2.

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