Produkcja przemysłowa

Komputery przemysłowe

Komputery służą obecnie nie tylko do kontroli procesów czy też do gromadzenia danych, ale stają się kluczowymi urządzeniami umożliwiającymi integrację oprogramowania produkcyjnego z systemami analizy danych, zapewniając przepływ i przetwarzanie dużych ilości informacji. Wraz z postępem technologicznym, szczególnie w epoce Industry 4.0, rola i zadania komputerów nabierają coraz większego znaczenia. W pierwszej analizie kolejnego działu przyglądamy się trendom związanym z popularnymi IPC.

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

Nowoczesne ekrany multi-touch odporne na warunki zewnętrzne

Interfejsy urządzeń IPC coraz częściej wyposażane są w technologię multi-touch umożliwiającą kontrolowanie obiektów na ekranach kilkoma palcami jednocześnie. Jej wykorzystanie 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 urządzeniach mają prostą budowę składającą się ze szklanej płaszczyzny z błoną wierzchniej warstwy rozdzielonej cienką przerwą, w której znajdują się przezroczyste elektrody. Dotyk powierzchni ekranu powoduje zwarcie elektrody wierzchniej warstwy z elektrodą szklanego ekranu, co umożliwia przepływ prądu. 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.

Grupy klientów będących najczęstszymi odbiorcami komputerów przemysłowych; podane wartości liczbowe odniesiono w przypadku każdej z kategorii do 100%

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 pole elektryczne. Identyfikacja punktów dotknięcia ekranu palcem realizowana jest na podstawie pomiaru zmian pojemności 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.

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 podstawie norm opisujących odporność na uszkodzenia mechaniczne. Oznaczenie ekranów z tą funkcją składa się z liter IK oraz liczby określającej poziom odporności w skali jedenastostopniowej, począwszy od 00 – całkowitego braku ochrony do 10 oznaczającego odporność na uderzenie o energii 20 J. Przykładowo wartość IK08 jest równoważna odporności na uderzenie obiektu o masie 1700 g spadającego z wysokości 29,5 cm.

Koniunktura na polskim rynku IPC w ocenie dostawców

Hans Beckhoff

Beckhoff Automation

Jak w epoce Przemysłu 4.0 sprawdzają się rozwiązania PC-based? Jakie są korzyści z ich wykorzystania w maszynach i automatyzacji procesów?

Oferowane przez nas rozwiążania są kompatybilne z technologiami IT na wielu poziomach. Po pierwsze, działają w domenie PC, co oznacza, że klienci mogą korzystać praktycznie ze wszystkich urządzeń czy oprogramowania wykorzystywanego w systemach komputerowych. Zapewniamy też komunikację w dowolnym standardzie, w tym z wykorzystaniem OPC UA, HTTP, EtherCAT i wielu innych. Z kolei TwinCAT to wydajna platforma sterowania oraz analizy danych. W przemyśle potrzebujemy dzisiaj wszystkich tych technologii i ich połączenie w ramach systemu PC stanowi optymalne podejście. Jest tak tym bardziej dzisiaj, w epoce Przemysłu 4.0.

Dodatkowo w nasze kontrolery wbudowana jest funkcja Analytics Logger, po uruchomieniu której system sterowania rejestruje wszelkie dane. Można łatwo zapisać historię pracy, zalogować stany we/wy, itd., a następnie dane te mogą być analizowane w TwinCAT Analytics. Mówimy tu więc de facto o rozwiązaniach krawędziowych, gdzie dane przetwarzane są bezpośrednio w systemie sterowania. Następnie jeżeli klient chce zoptymalizować pracę maszyny czy przykładowo określić przyczyny przestojów, ma dostęp do danych o rozdzielczości milisekundowej, które może łatwo analizować i finalnie wykorzystywać w procesach zarządzania.

Ethernet TSN oraz integracja ze światem zewnętrznym

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 niskie opóźnienia, co umożliwia komunikację typu real-time. TSN wprowadza do Ethernetu determinizm i umożliwia skoordynowaną pracę systemów w czasie rzeczywistym. TSN oznacza też połączenie 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.

Konkurencja na polskim rynku IPC

COM-HPC

Specyfikacja komputerów COM-HPC stworzona została z myślą o wykorzystaniu komponentów o wysokiej wydajności obejmujących m.in. standardy USB 4. generacji oraz Ethernet 25 Gb/s. Tworząca standard grupa robocza PICMG oficjalnie rozpoczęła działalność w październiku 2018 roku, zaś specyfikacja sprzętowa została oficjalnie opublikowana w 2021. Wszystkie sygnały we/wy w tym standardzie przesyłane są przez dwa niskoprofilowe złącza o dużej 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 przeznaczone 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.

Czy IPC sprzedają się samodzielnie, czy jako większe kompletacje?

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 multi-touch w urządzeniach Panel PC. Dzisiaj każdy używa jej w telefonach i tabletach, jednak w bardzo wielu zakładach przemysłowych nadal spotykam się z odpowiedzią, że multi-touch 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 – wprowadził pewien czas temu 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 do 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.

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 funkcje systemowe w jednym module, a typowe jego zastosowanie to aplikacje wbudowane. Jedną z korzyści wykorzystania SoM jest obniżenie kosztów płyty podstawowej. Dwie inne ważne zalety to ponowne wykorzystanie już raz wykonanego projektu i możliwość integracji z wieloma wbudowanymi aplikacjami komputerowymi.

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

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 należały: moduły rozbudowy I/O, pamięci, wbudowany czytnik RFID, a także specyficzne dla zastosowań i najbardziej zaawansowane technologicznie – moduły AI.

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.

Dostępne są też IPC do prowadzenia nadzoru wideo. Tutaj nadmienię, że czasy, gdy do zapisu i analizy danych wizyjnych był niezbędny 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).

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. Zapewniają one coraz większą wydajność (często w oparciu na architekturze ARM), a także duża część z nich ma już certyfikaty kompatybilności z platformami chmurowymi takimi jak AWS oraz Azure.

Nowoczesne GPU

Ankietowani zwracają także uwagę na rosnącą 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 tym przypadku 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.

Najbardziej perspektywiczne sektory rynku będące odbiorcami komputerów przemysłowych

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 poprawę 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.

Technologie konsumenckie

Finalnie zapytaliśmy respondentów o to, jakie technologie przenikają z rynku konsumenckiego oraz IT do obszaru komputerów przemysłowych. Wśród najczęściej wymienianych znalazł się system Android, który od lat utrzymuje wysoką popularność w zastosowaniach konsumenckich, głównie mobilnych. Należy przy tym zauważyć, że nie udało mu się jednak zagrozić dominującej pozycji firmy Microsoft dostarczającej różne wersje systemu Windows, podobnie jak i pozycji systemu Linux.

Wśród technologii o rodowodzie konsumenckim ankietowani wymieniali także rozwiązania chmurowe. WeRzeczywiście, właśnie w aplikacjach dla odbiorców indywidualnych technologia cloud jest częściej wykorzystywana niż w przemyśle, który głównie ze względów bezpieczeństwa często obawia się rozwiązań w chmurze. Inny trend wyłowiony przez respondentów to naśladowanie wzorów konsumenckich w interfejsach użytkownika stosowanych w aplikacjach oraz w panelach dotykowych multi-touch. Także wchodzące jako pierwsze na rynek konsumencki standardy złączy grafiki, takie jak HDMI czy DP, po tym jak udowodniły swoją wartość w zastosowaniach dla klientów indywidualnych, w następnej kolejności implementowane były w standardzie przemysłowym.