G. Wyższa wydajność nowych komponentów

Trendy w technologiach IPC

Komputer przemysłowy służy obecnie nie tylko do sterowania maszynami i urządzeniami produkcyjnymi oraz procesami, do gromadzenia danych i monitorowania, ale jest także kluczowym urządzeniem umożliwiającym integrację oprogramowania w produkcji z systemami analizy danych, umożliwiając dalszy przepływ informacji. Wraz z postępem technologii rola i zadania komputerów przemysłowych w epoce Industry 4.0 nabiera coraz większego znaczenia.

Naszych respondentów zapytaliśmy o najważniejsze nowości wprowadzone do IPC w ostatnich latach. Wśród wymienianych pozycji znalazły się najczęściej: miniaturyzacja, dostosowanie rozwiązań do potrzeb klientów (customizacja) oraz technologie poprawiające użyteczność, energooszczędność i wydajność komputerów przemysłowych, takie jak multi-touch, COM-HPC czy TSN.

Michał Urliński

Siemens

Jakie są nowości w branży IPC, a co wychodzi obecnie z użycia? Co z wersjami urządzeń, które łączą funkcjonalność komputera przemysłowego np. z panelem operatorskim?

Świat idzie, a wręcz biegnie do przodu z nowymi technologiami IT – podobnie sytuacja wygląda z komputerami przemysłowymi. Niektóre nowinki technologiczne wymagają jednak pewnego czasu na aklimatyzację w środowisku przemysłowym. Przykładem jest technologia multitouch w urządzeniach Panel PC. Dzisiaj każdy używa jej w telefonach i tabletach, jednak w bardzo wielu zakładach przemysłowych nadal spotykam się z odpowiedzią, że multitouch na maszynie to raczej nie, ponieważ operatorzy obsługują ekrany w rękawiczkach lub dosłownie… śrubokrętem. Często pokazanie jakich rękawiczek należy użyć i jakie rysiki do ekranów pojemnościowych zastosować nie zmienia zdania klienta.

Niemniej jednak coraz więcej innowacji z IT można spotkać w komputerach dla przemysłu. Przykładem są tu rozszerzenia dla aplikacji sztucznej inteligencji, które można zainstalować w komputerach za pomocą złączy M.2. Siemens poszedł o krok dalej i z początkiem 2022 roku wprowadził do oferty komputer dedykowany do aplikacji sztucznej inteligencji. Jest to IPC 520A Tensorbox, który jest wyposażony w specjalne układy od firmy nVidia. Pierwsze aplikacje z jego zastosowaniem pracują już w niektórych naszych fabrykach, gdzie za pomocą kontroli wizyjnej weryfikują poprawność pakowania produktów.

Z kolei technologie, które wychodzą z użycia w IPC, to na pewno Profibus, który zostaje zastąpiony przez sieć Profinet. Nowe aplikacje są już tworzone zazwyczaj za pomocą właśnie tej sieci i interfejsy wbudowane w komputery wspierają ten standard. Profibus, który kiedyś królował jako standardowy interfejs na płycie głównej, dziś klienci stosują już raczej tylko do rozbudowy czy modernizacji starszych obiektów, w których rezygnacja z Profibusa jest niemożliwa lub nieopłacalna.

Komputery typu Panel PC lub tzw. All-In-One są bardzo szeroko stosowane jako bardziej zaawansowany i otwarty system wizualizacji niż panel HMI. Wielu odbiorców wymaga przykładowo akwizycji danych lokalnie przy maszynie. Panel PC są idealnym rozwiązaniem dla takich aplikacji, gdyż można na nich zainstalować system wizualizacji dla operatora np. WinCC RT Advanced czy WinCC Unified PC RT oraz bazę danych taką jak np. SQL.

A. COM-HPC

Specyfikacja komputerów wysokiej wydajności (COM-HPC) stworzona została z myślą o wykorzystaniu komponentów najwyższej wydajności, obejmujących funkcje procesora i pamięci oraz wejścia i wyjścia, w tym USB 4. generacji, grafikę 5. generacji i Ethernet 25 Gb/s. Tworząca standard grupa robocza PICMG oficjalnie rozpoczęła działalność w październiku 2018 r. Specyfikacja sprzętowa przeszła przegląd w grudniu 2020 r., a oficjalne wydanie miało miejsce w 2021 r⁴. Wszystkie sygnały we/wy w tym standardzie mapowane są na dwa niskoprofilowe złącza o dużej gęstości i wydajności. COM-HPC wykorzystuje podejście oparte na modułach typu mezzanine. Moduł COM podłączany jest do nośnika lub płyty bazowej, która jest zwykle dostosowana do aplikacji. Moduły mezzanine COM-HPC można w późniejszym czasie aktualizować do nowszych, wstecznie kompatybilnych wersji. Rozwiązania COM-HPC dedykowane są do aplikacji przemysłowych, wojskowych, ale mogą być też wykorzystywane w lotnictwie oraz medycynie, transporcie, w zastosowaniach IoT i innych, wymagających dużych mocy obliczeniowych, w szczególności w komputerach brzegowych.

Rys. 7. Najpopularniejsze w kraju marki komputerów przemysłowych; wielkość napisu odpowiada liczbie wskazań przedsiębiorstwa, statystyka nie odzwierciedla udziałów firm w rynku

B. Nowoczesne ekrany multi-touch odporne na warunki zewnętrzne

Interfejsy urządzeń IPC coraz częściej wyposażane są w tzw. multi-touch (wielokrotny dotyk), umożliwiający kontrolowanie obiektów na ekranach więcej niż dwoma palcami jednocześnie. Wykorzystanie multi-touch pozwala przede wszystkim na wykonywanie gestów, na przykład powiększenia ekranu w danym miejscu. Technologia ta może być zrealizowana na kilka sposobów. Jednym z nich jest dotyk rezystancyjny oparty na pomiarze nacisku opuszków palców. Ekrany w tego rodzaju urządzaniach mają prostą budowę składającą się ze szklanej płaszczyzny z błoną wierzchniej warstwy rozdzielonej cienką przerwą, na której znajdują się przezroczyste elektrody. Dotyk powierzchni ekranu powoduje zwarcie elektrody wierzchniej warstwy z elektrodą szklanego ekranu, co umożliwia przepływ prądu między nimi. W rozwiązaniach tych coraz częściej wykorzystywana jest folia poliestrowa PET, wytrzymała na tarcie i rozciąganie. Cechuje ją także doskonała stabilność zachowania wymiarów, niska absorpcja wilgoci, możliwość pracy w szerokim zakresie temperatur oraz odporność na promieniowanie UV.

Innym typem stosowanych obecnie ekranów multi-touch są układy pojemnościowe, w których dotyk wykrywany jest dzięki przewodnictwu elektromagnetycznemu. Elektrody w tych ekranach umieszczane są w rogach podłoża, do którego przykładane jest napięcie generujące na całym panelu jednolite niskonapięciowe pole elektryczne. Identyfikacja punktów dotknięcia ekranu palcem realizowana jest na podstawie pomiaru zmian pojemności elektrostatycznej mierzonej w narożnikach ekranu. Zwiększa to szybkość reakcji, zwłaszcza w zastosowaniach z przedmiotami, które mają właściwości przewodzące, takimi jak opuszki palców lub rękawiczki przewodzące. Dzięki technologii pojemnościowej można rejestrować gesty potrzebne do wykonania zaawansowanych funkcji dotykowych.

Rys. 8. Najpopularniejsze typy komputerów z omawianej grupy sprzedawane przez firmy przedstawione w raporcie

Jedną z ważniejszych cech stosowanych w przemyśle ekranów jest odporność na czynniki zewnętrzne, w tym m.in. na uderzenia. Właściwość tę określa parametr IK wyznaczany na postawie norm opisujących odporność na uszkodzenia mechaniczne. Oznaczenie ekranów z tą funkcją składa się z liter IK oraz liczby określającej poziom trwałości urządzenia w skali jedenastostopniowej, począwszy od 00 – całkowitego braku ochrony do 10 oznaczającego odporność na uderzenie o energii 20 J. Wartość IK08 jest równoważna odporności na uderzenie obiektu o masie 1700 g spadającego z wysokości 29,5 cm.

Mateusz Fas

ASTOR

Jakie są trendy w branży komputerów przemysłowych? Czy urządzenia te stosowane są również poza typowym przemysłem – np. w aplikacjach semi-industrial?

Komputery przemysłowe w branżach semi-industrial zyskują na popularności m.in. ze względu na ich wzmocnione parametry odpornościowe. Wykorzystywane są bardzo często w aplikacjach POI/POS, bankomatach czy paczkomatach – powodem są warunki pracy.

Podobnie jak w rynku B2B, tak też tutaj słabsze podzespoły są zastępowane poprzez nowsze generacje. Coraz częściej w ofercie dostawców pojawiają się komputery, które można doposażyć w odpowiednie interfejsy dodatkowe z zależności od potrzeb aplikacji.

Czy odbiorcy IPC wymagają od dostawców komputerów integracji sprzętowej i dostarczania rozwiązań „pod klucz”? Jakich urządzeń sprzedaje się najwięcej?

Największą popularnością cieszą się komputery panelowe z ekranami dotykowymi. Kolejnym wyborem są komputery BOX PC. Wybór zależy jednak od zastosowania komputera oraz konkretnej branży. Dominują standardy pracujące na sprawdzonych podzespołach rynkowych.

Klienci przeważnie potrzebują jedynie gotowego komputera do samodzielnej instalacji i integracji z systemami. Rzadziej oczekują w pełni gotowego rozwiązania z wszystkimi podzespołami, szafą do zabudowy oraz urządzeniami peryferyjnymi (myszki, klawiatury) wraz z pełną integracją sprzętową.

Jakie były ostatnie dwa lata na omawianym rynku w Polsce? Jak zmieniła go pandemia COVID-19?

Sytuacja na rynku IPC jest dobra. COVID-19 miał negatywny wpływ na koniunkturę, co było odczuwane w wielu branżach. Rynek IPC jest nieco mniej dotknięty problemami z komponentami i dostawami niż rynek napędowy lub sterowania. Wojna miała wpływ na ceny komponentów, które uległy podwyższeniu.

C. Integracja ze światem zewnętrznym – Ethernet TSN

Time Sensitive Networking (TSN) umożliwia sterowanie przesyłaniem danych i ustalanie priorytetów przepływu danych w sieciach Ethernet. Uwzględniane są przy tym wymagania poszczególnych aplikacji, takie jak gwarantowana przepustowość i małe opóźnienia w działaniu aplikacji, co umożliwia komunikację typu real time. TSN wprowadza do Ethernetu determinizm i umożliwia wykorzystywaną w procesach przemysłowych pracę w czasie rzeczywistym, w którym sieć współdzielona jest między niezależnymi procesami. TSN oznacza połącznie sieci kablowej, światłowodowej i radiowej w jednym standardzie, od sterowania lokalną produkcją, po łączenie rozproszonych systemów M2M, a także całych fabryk pracujących zgodnie z koncepcją Industry 4.0.

D. Komputery małogabarytowe oraz miniaturyzacja

W dziedzinie komputerów przemysłowych miniaturyzacja jest stałym elementem, nad którym pracują inżynierowie. W efekcie, płyty komputerowe stają się coraz mniejsze, a użytkownicy mogą korzystać z modułów SoM/CoM o wymiarach nawet kilkunastu centymetrów kwadratowych.

System on Module (SoM) integruje funkcję systemową w jednym module. Typowe jego zastosowanie to systemy wbudowane. W przeciwieństwie do komputera jednopłytowego, SoM pełni specjalną funkcję określaną mianem System on Chip (SoC). Urządzenia zintegrowane w SoM zwykle wymagają wysokiego poziomu wzajemnych połączeń uwzględniających prędkość, taktowanie, szerokość magistrali itp. Jedną z korzyści zastosowania SoM jest obniżenie kosztów płyty podstawowej lub głównej płytki drukowanej. Dwie inne ważne zalety SoM to ponowne wykorzystanie już raz wykonanego projektu i możliwość integracji z wieloma wbudowanymi aplikacjami komputerowymi.

Ankietowani przez nas dostawcy rozwiązań IPC zwracają także uwagę na wzrastającą popularność komputerów przemysłowych zbudowanych w koncepcji cienkiego klienta, czyli realizującego wszystkie funkcje użytkowe poprzez komunikację z serwerem np. z użyciem przeglądarki internetowej.

Rys. 9. Najpopularniejsze systemy operacyjne, które polscy odbiorcy wykorzystują w aplikacjach z komputerami przemysłowymi

E. Kastomizacja i modułowość konstrukcji

Coraz więcej producentów komputerów przemysłowych zwraca większą uwagę na wymagania klientów związane z ich indywidualnymi potrzebami. Dlatego na rynek trafiają niestandardowe usługi i produkty, które spełniają specyficzne wymogi klientów, dostosowane do wykorzystywanych aplikacji. Istotną rolę w tym podejściu odgrywa modułowość dostarczanego sprzętu, który można konfigurować i aktualizować zgodnie z potrzebami klienta. Do najczęściej wymienianych przez naszych respondentów konfigurowalnych komponentów należą moduły rozbudowy I/O, pamięci, wbudowany czytnik RFID, a także specyficzne dla zastosowań i najbardziej zaawansowane technologicznie – moduły AI.

Krzysztof Kuźniarz

INEE

Jak zmieniają się technologie IPC? Jakie są aplikacje tych urządzeń?

Od kilku lat można zauważyć, że firmy produkcyjne chcą „widzieć” coraz więcej, co dotyczy wielu obszarów. Popularyzacja systemów wizyjnych, oprogramowanie typu cyfrowy bliźniak, monitorowanie produkcji i dokładne raportowanie zdarzeń, z użyciem dodatkowego panelu PC, na którym operator wybiera powód zatrzymania linii i dodaje odpowiedni komentarz, co pozwala na lepszą i szybszą analizę i optymalizację produkcji. Rośnie średnia przekątna ekranu – do niedawna najpopularniejsze były ekrany 15’’ w formacie 4:3, dziś klienci najczęściej wybierają matryce Full HD, np. 15,6’’, 21,5’’ czy nawet 24’’. Wszystko znów po to, aby widzieć więcej, a to wszystko wpływa również na większe wykorzystanie zasobów. Stosuje się zatem coraz bardziej wydajne komputery, nie tylko poprzez naturalny wzrost mocy obliczeniowej kolejnych generacji procesorów, ale często świadomy wybór platformy ze średniej lub górnej półki cenowej.

Z drugiej strony popularyzacja technologii webowych sprawia, że pojawia się gros aplikacji, gdzie komputer panelowy ma służyć jedynie do uruchomienia przeglądarki i wyświetlenia strony w HTML5. Najlepiej wówczas – o ile strony są stosunkowo „lekkie” – aby komputer miał system Android lub Linux i był stosunkowo tani, ale w przemysłowym wykonaniu. Taki panel PC nie potrzebuje żadnych interfejsów oprócz portu LAN, a przy wersji PoE (Power over Ethernet) nawet kabla zasilającego.

Potrzeba dołożenia dodatkowego panelu w zakładach, gdzie panują trudne warunki pracy (zapylenie, wilgotność, mgła olejowa, opiłki metali) sprawia, że konieczne staje się zastosowanie szczelnych komputerów (min. IP65), montowanych na uchwycie VESA bądź na rurze montażowej, przez co unikamy dodatkowej obudowy, zyskujemy miejsce, pieniądze i czas. Dzięki montażowi na rurze (np. 48 mm) zyskujemy możliwość przymocowania do podłogi, sufitu lub do ściany z możliwością obrotu całego ramienia oraz samego panelu, a także dyskretne prowadzenie przewodów wewnątrz rury montażowej.

F. GPU NVDIA Jetson

Ankietowani zwracają także uwagę na rosnąca rolę platformy GPU Jetson. Rozwiązania NVIDIA Jetson zapewniają wydajność i energooszczędność potrzebną do uruchamiania oprogramowania maszyn autonomicznych i relatywnie dużą wydajność obliczeniową przy niższym zużyciu energii. W rozwiązaniu tym każdy układ jest kompletnym systemem SoM (System on Module) wyposażonym w CPU, GPU, PMIC, DRAM i pamięć Flash. Platformę Jetson cechuje również wysoka skalowalność. Wbudowane GPU NVDIA Jetson wykorzystywane są w zastosowaniach przemysłowych m.in. do wykonywania obliczeń dla złożonych algorytmów uczących.

Rys. 10 Najbardziej perspektywiczne sektory rynku będące odbiorcami komputerów przemysłowych

G. Wyższa wydajność nowych komponentów

Większa moc obliczeniowa oraz rosnąca wydajność osiągana jest dzięki nowym komponentom, w które wyposażane są komputery przemysłowe. Nasi respondenci wymieniają m.in. takie elementy jak procesory Tiger Lake, Elkhart Lake oraz najnowsze procesory Intel Core 12. Generacji. Na popoprawę wydajności ma także wpływ stosowanie szybszego standardu pamięci DDR5. Nowsze, wydajniejsze układy graficzne, takie jak Intel Iris, umożliwiają uzyskanie płynnej grafiki przy niższych kosztach energetycznych. Biorąc pod uwagę także inne aspekty konstrukcji komputerów przemysłowych, mniejszy pobór mocy uzyskiwany jest także m.in. poprzez zastosowanie najnowszych technologii chłodzenia, w tym chłodzenia pasywnego oraz bardziej szczelnych, hermetycznych obudów.

Tycjan Kołecki

Elmark Automatyka

Jak zmieniają się technologie komputerów przemysłowych? Jakie rozwiązania dostarczacie?

W ofertach firm produkujących komputery przemysłowe obecnie dostrzegamy trend tworzenia jednostek wyspecjalizowanych nie tylko do konkretnych zastosowań, ale również do konkretnych aplikacji. Za przykład niech posłużą te do systemów machine vision. Oferujemy tu m.in. komputery przystosowane do pracy w zakładach przemysłowych – rozwiązania z klasycznie montowanym GPU oraz dodatkowymi komponentami, takimi jak I/O do wyzwalania migawki i oświetlenia w czasie mikrosekundowym.

Drugą grupą są urządzenia do zastosowań w pojazdach autonomicznych lub badawczych, które mają karty graficzne zamontowane na specjalnych wspornikach antywibracyjnych, dzięki czemu mamy pewność, że podczas ruchu pojazdu nawet ciężkie GPU typu RTX3090 nie uszkodzą gniazda PCIe. Komputery te mają też specjalne układy zasilania, które możemy w łatwy sposób zintegrować z zasilaniem pojazdu (tzn. ignition control).

Dostępne są też IPC do prowadzenia nadzoru wideo. Tutaj nadmienię, że czasy, gdy do zapisu i analizy danych wizyjnych niezbędny był serwer 19’’, już minęły. Wykorzystując wyspecjalizowane jednostki SoM Nvidia Jetson, możemy do małego Box PC podłączyć do ośmiu kamer do prowadzenia obserwacji obiektu (nieruchomości bądź wnętrza pojazdu typu autobus, tramwaj, pociąg). Tak szerokie portfolio rozwiązań przekłada się na możliwość optymalnego wyboru komputera do danej aplikacji przy uwzględnieniu wymaganej wydajności, rozmiarów oraz dostępnego zasilania.

Głośną nowością w świecie IPC jest pojawienie się procesorów Intel 12. generacji. Poza nowym gniazdem LGA1700, obsługą RAM DDR5 oraz PCIe 5.0 otrzymaliśmy technologię Intel Thread Director – możliwość inteligentnego rozdziału obciążenia roboczego pomiędzy rdzeniami Performance oraz Efficient, która pozwoli w pełni wykorzystać hybrydową architekturę procesorów.

Równie intensywnie rozwija się portfolio komputerów typu IIoT Gateway. Oferują one coraz większą wydajność (często w oparciu o architekturę ARM), ale co ważniejsze – duża część z nich ma już certyfikaty kompatybilności z platformami chmurowymi takimi jak AWS oraz Azure. Świadczy to o zwiększeniu znaczenia urządzeń brzegowych w aplikacjach przemysłowych oraz o świadomości przedsiębiorstw w temacie wykorzystania danych z procesów w celu zmniejszenia kosztów produkcji.