Komputery przemysłowe (Industrial PC, IPC) to kategoria urządzeń zaprojektowanych do pracy w warunkach przemysłowych, w których komputery osobiste ogólnego przeznaczenia się nie sprawdzą. Z IPC korzysta się tam, gdzie konieczne są: ciągła praca, odporność na uciążliwe czynniki środowiskowe i możliwość zintegrowania z systemami sterowania, automatyki oraz infrastrukturą produkcyjną. Będąc niezbędnym elementem wyposażenia nowoczesnych linii technologicznych odpowiadają za przetwarzanie i wizualizację danych oraz komunikację z urządzeniami wykonawczymi, umożliwiając sterowanie i nadzór nad procesami.
Wyróżnić można kilka typów komputerów przemysłowych. Jednym z najpopularniejszych są box PC i mini PC, które cechuje kompaktowa budowa. Drugą grupę stanowią komputery panelowe, czyli IPC zintegrowane z ekranami dotykowymi w jednej obudowie. Wykorzystuje się je często jako terminale operatorskie HMI. Dostępne są również IPC do montażu w szafach serwerowych (rack) i jednopłytkowe (embedded).
IPC wprowadzono jako odpowiedź na ograniczenia komputerów osobistych. Te ostatnie projektowane są pod kątem pracy w stabilnych warunkach domowych i biurowych, czyli w temperaturze pokojowej, przy zapyleniu, wilgotności oraz wibracjach na poziomie bezpiecznym dla komponentów elektronicznych i bez źródeł silnych zaburzeń elektromagnetycznych w pobliżu. Tymczasem w halach fabrycznych, magazynach czy środkach transportu powszechne są skrajne temperatury, pyły i wilgoć towarzyszące procesom obróbki czy mycia oraz te, których źródłem są produkty i otoczenie, wreszcie drgania przenoszone z maszyn i zaburzenia elektromagnetyczne, które maszyny emitują. W takich warunkach komputery osobiste szybko uległyby awarii albo pracowałyby niestabilnie.
IPC VS PC
W związku z tym w porównaniu z nimi konstrukcje IPC wyróżnia wysoka odporność na czynniki zewnętrze. W zależności od przeznaczenia mogą one pracować w temperaturach wysokich, jak i tych znacznie poniżej zera, mają wysokie klasy szczelności, jak IP65 i IP67, są dodatkowo ekranowane. Eliminuje się w nich także podzespoły najbardziej podatne na uszkodzenia mechaniczne, w rodzaju wentylatorów, zbędnego okablowania i dysków magnetycznych. Te drugie zastępuje się przemysłowymi dyskami półprzewodnikowymi SSD odpornymi na wstrząsy.
W komputerach bezwentylatorowych z kolei obudowa pełni jednocześnie funkcję radiatora odprowadzającego ciepło. IPC z chłodzeniem pasywnym sprawdzają się szczególnie w warunkach dużego zapylenia. Brak elementów ruchomych oprócz tego zmniejsza częstość konserwacji i zapewnia cichszą pracę. IPC z wentylatorami zazwyczaj wykorzystywane są, gdy wymagana jest bardzo duża moc obliczeniowa.
Wyróżnikiem komputerów przemysłowych stała się też możliwość pracy ciągłej w trybie 24/7 i nawet dwukrotnie dłuższa, w porównaniu z komputerami osobistymi, żywotność, dzięki wyposażeniu w podzespoły klasy przemysłowej (płyty główne, procesory, pamięci, zasilacze). Oprócz tego IPC przewyższają tradycyjne PC pod względem możliwości komunikacji – mają wbudowane porty popularnych w automatyce standardów, jak RS-232/422/485 czy Ethernet, i obsługują przemysłowe protokoły transmisji, takie jak Modbus, Profinet czy EtherCAT.
Ważną zaletą komputerów przemysłowych jest ich długi cykl życia. W przeciwieństwie do rynku konsumenckiego, na którym konfiguracje sprzętowe komputerów PC zmieniają się bardzo szybko, producenci IPC zapewniają wieloletnią dostępność komponentów, kompatybilność sprzętową oraz długoterminowe wsparcie techniczne. W przemyśle, gdzie linie produkcyjne projektuje się, mając w perspektywie ich wieloletnią eksploatację, zyskuje to ogromne znaczenie, gdyż ułatwia modernizację i konserwację. Podobnie istotna jest podwyższona trwałość, która przekłada się na ograniczenie przestojów i zapewnienie ciągłości pracy. Unika się dzięki temu zatrzymywania produkcji i problemów logistycznych. Dlatego, mimo wyższego kosztu zakupu IPC w porównaniu z PC, długoterminowo te pierwsze są w tym przypadku bardziej opłacalne.
Komputery przemysłowe są też często porównywane z PLC i HMI, chociaż pełnią różne funkcje. Sterowniki PLC są zoptymalizowane pod kątem sterowania procesami poprzez obsługę wejść i wyjść oraz wykonywanie logiki sterującej, natomiast HMI odpowiadają za komunikację operatora z maszyną. IPC z kolei, dzięki większym mocom obliczeniowym i elastyczności, mogą jednocześnie realizować funkcje sterowania, analizy danych, ich wizualizacji i komunikacji w ramach jednej platformy. W praktyce popularne są architektury hybrydowe, w których PLC steruje procesem, a IPC odpowiada za analizę i komunikację z systemami nadrzędnymi.
Kierunki rozwoju IPC
Zakłady przemysłowe, w których nie tylko postępuje automatyzacja i robotyzacja, ale wdraża się też najnowsze technologie Przemysłu 4.0 – takich jak IoT, AI i cyfrowe bliźniaki, generują olbrzymie ilości informacji. Ich przetwarzanie, scentralizowane lub oparte na zasobach zdalnych, przestaje być technicznie wykonalne i ekonomicznie uzasadnione. Dlatego w podejściu brzegowym odchodzi się od tego na rzecz obróbki danych możliwie jak najbliżej ich źródła. Komputery przemysłowe pełnią w tym modelu funkcję lokalnych węzłów obliczeniowych.
Jednym z najważniejszych powodów upowszechniania się podejścia edge AI jest natomiast konieczność zapewnienia deterministycznego czasu reakcji. To trudno osiągalne ze względu na złożoność algorytmów uczenia maszynowego, ale zarazem niezbędne w coraz większej liczbie zastosowań. Przykładem może być zarządzanie flotami autonomicznych robotów mobilnych, wymagające analizowania i przewidywania ścieżek ruchu wielu takich urządzeń jednocześnie, w taki sposób, aby uniknąć ich kolizji, a równocześnie zoptymalizować ich trasy pod kątem charakteru wykonywanego zadania. Uruchamiając modele AI lokalnie, na komputerze IPC, można znacząco skrócić czas reakcji, przy okazji eliminując ryzyko związane z niestabilnością połączenia internetowego i przeciążeniem infrastruktury sieciowej.
Ponadto trend edge AI zyskuje na znaczeniu, ponieważ rozwiązuje problem marnowania zasobów – wynikający stąd, że w wielu przypadkach jedynie niewielki procent danych generowanych przez urządzenia produkcyjne ma realną wartość analityczną. Wykorzystanie IPC do lokalnej filtracji, agregacji i analizowania danych pozwala znacząco ograniczyć ilość informacji przesyłanych do centralnych systemów IT.
Coraz częściej odchodzi się jednak od jedynie lokalnego lub tylko scentralizowanego (zdalnego) przetwarzania danych na rzecz modelu hybrydowego edge cloud. Łączy on zalety obydwu tych podejść, czyli możliwość lokalnego przetwarzania danych w czasie rzeczywistym oraz dostępność większych zasobów pamięci i mocy obliczeniowej w chmurze. Zadania, w których opóźnienia są niedopuszczalne, wykonuje w związku z tym IPC, a pozostałe zostają delegowane do chmury.
Kolejnym kierunkiem transformacji przemysłu wpływającym na rynek IPC jest przejście od architektur opartych na konkretnym sprzęcie do modelu automatyki definiowanej programowo (software defined automation). Koncepcja ta zakłada odwzorowywanie funkcjonalności wyspecjalizowanych jednostek sprzętowych – takich jak sterowniki PLC, kontrolery ruchu, moduły komunikacyjne – w oprogramowaniu uruchamianym na uniwersalnych IPC. Wykorzystuje się w tym celu nowoczesne rozwiązania z dziedziny wirtualizacji i konteneryzacji – dzięki kontenerom Docker i środowisku Kubernetes aplikacje sterujące, analityczne i komunikacyjne mogą być uruchamiane w ramach wspólnej platformy sprzętowej. Takie podejście ma wiele zalet, m.in. skraca czas wdrażania nowych linii technologicznych i ułatwia ich rekonfigurację, bez konieczności fizycznej ingerencji.
Nowe funkcjonalności wymuszają zmiany w architekturze komputerów przemysłowych. W związku z wymaganiami obliczeniowymi przetwarzania brzegowego i edge AI możliwości tradycyjnych CPU o przetwarzaniu sekwencyjnym już nie wystarczą. Dlatego uzupełnia się je o jednostki obliczeniowe do równoległego przetwarzania dużych ilości danych. Przykładem są akceleratory GPU i jednostki przetwarzania neuronowego NPU (Neural Processing Unit), projektowane pod kątem uruchamiania algorytmów AI. NPU realizuje się w architekturze przetwarzania równoległego sterowanego danymi (data driven parallel computing), optymalizując je na poziomie sprzętowym pod kątem obciążeń typowych dla operacji matematycznych, będących podstawą działania sieci neuronowych – przede wszystkim mnożenia macierzy.
TRENDY NA RYNKU IPC
Znaczenie komputerów przemysłowych rośnie. Jest to związane z koniecznością przetwarzania coraz większej ilości danych generowanych przez wyposażenie fabryk, m.in. czujniki, systemy wizyjne, napędy i roboty – przede wszystkim dzięki upowszechnianiu się Internetu Rzeczy, którego sieci obejmują często dziesiątki tysięcy węzłów (punktów pomiarowych) przesyłających dane w trybie ciągłym. Ich transmisja do jednostki centralnej albo chmury nie jest najlepszym rozwiązaniem, ponieważ powoduje przeciążenie sieci i prowadzi do opóźnień – szczególnie niepożądanych, jeżeli wymagana jest konwersja danych na sygnały sterujące w czasie rzeczywistym, np. w systemach autonomicznych. W konsekwencji upowszechnia się przetwarzanie lokalne (brzegowe, edge computing) z wykorzystaniem komputerów IPC wyposażonych w wysokowydajne procesory CPU, GPU, NPU (Neural Processing Unit).
Jeden z głównych kierunków rozwoju komputerów przemysłowych stanowi również edge AI, czyli trend do uruchamiania modeli uczenia maszynowego lokalnie. Wyniki uzyskiwane są dzięki temu szybciej i niezależnie od dostępności infrastruktury w chmurze. IPC odgrywają kluczową rolę w procesie wdrażania sztucznej inteligencji w przemyśle. Znajduje ona zastosowanie w dziedzinie kontroli jakości, w której AI analizuje dane np. z systemów wizyjnych w poszukiwaniu defektów, w predykcyjnym utrzymaniu ruchu, gdzie przetwarza wyniki pomiarów z czujników, które monitorują stan maszyn w poszukiwaniu oznak zbliżającej się awarii, oraz w planowaniu tras autonomicznych robotów mobilnych.
Równolegle rozwijane są również architektury hybrydowe, brzegowo–chmurowe (edge cloud). W ich przypadku dane krytyczne czasowo analizowane są lokalnie na IPC, a zadania takie jak skomplikowane obliczenia i trenowanie modeli AI wykonywane są w chmurze. Dzięki takiemu podziałowi wykorzystuje się jednocześnie szybkość obróbki brzegowej z możliwością łatwego skalowania zasobów w chmurze.
Na rynek IPC wpływa też upowszechnianie się koncepcji automatyki definiowanej programowo (software defined automation). Zakłada ona przenoszenie funkcji sterowania ze sprzętu do warstwy programowej uruchamianej na uniwersalnych platformach obliczeniowych – np. tradycyjne sterowniki PLC zastępowane są wirtualnymi, uruchamianymi jako aplikacja na IPC.
Komputery przemysłowe są również kluczowe w procesie konwergencji IT/OT. Integracja technologii operacyjnych, czyli na poziomie sterowania maszynami i informatycznych, stanowi jeden z fundamentów Przemysłu 4.0, ponieważ dzięki synchronizacji danych produkcyjnych z systemami biznesowymi możliwa jest analiza efektywności procesów w czasie rzeczywistym oraz wdrażanie zaawansowanych mechanizmów optymalizacji produkcji. Szerzej o wszystkich tych trendach piszemy w ramce „Kierunki rozwoju IPC”.
PAMIĘCI FLASH
Dominujący typ przemysłowych nośników pamięci stanowią modele flash NAND, obejmujące dyski SSD oraz karty pamięci. Zbudowane są z komórek, z których każda składa się z dwóch bramek: pływającej oraz sterującej. W tej pierwszej zgromadzony jest ładunek, który bramka sterująca odczytuje jako wartość logiczną 0 lub 1. Może ona też kasować i zapisywać zawartość bramki pływającej – dodatkowej, elektrycznie izolowanej bramki, między bramką a kanałem tranzystora. Ładunki w niej zgromadzone pozostają tam nawet w przypadku odłączenia zasilania. To zapewnia nieulotność zapisanych danych.
Napięcie progowe w tranzystorach z bramką pływającą zależy od ilości zgromadzonego w niej ładunku. Im go więcej, tym wyższe napięcie progowe. Dzięki temu informacje zapisane w komórce pamięci odczytuje się, mierząc napięcie progowe, po przekroczeniu którego tranzystor zaczyna przewodzić prąd, i porównując je ze stałym napięciem odniesienia. Zapis danych można zrealizować na jeden z dwóch sposobów. W pierwszym, między ujemnie naładowanym źródłem a dodatnio naładowaną bramką kontrolną doprowadzane jest silne pole elektryczne. W konsekwencji ładunki są ze źródła przez cienką warstwę tlenku wprowadzane do bramki pływającej.
W drugiej metodzie rezultat ten uzyskuje się, gdy przez kanał płynie prąd o dużym natężeniu. Kasowanie danych polega z kolei na przyłożeniu ujemnego napięcia do bramki kontrolnej i dodatniego do zacisków źródła i drenu. Powoduje to przepływ ładunków z powrotem do kanału przez cienką warstwę tlenku. Sposób, w jaki informacje są zapisywane i usuwane, wywołuje postępujące zużywanie się komórki. Gdy nie można już zmierzyć różnicy między stanami logicznymi, jest ona uznawana za niesprawną.
Ze względu na rodzaj bramki logicznej pamięci flash dzieli się na: NOR i NAND. Zapis i odczyt danych w tych drugich jest szybszy. Dlatego pamięci typu NOR są używane przede wszystkim do przechowywania informacji rzadko aktualizowanych, np. jako odpowiednik pamięci ROM. Pamięci NAND mają też typowo o kilkadziesiąt procent mniejsze komórki niż te typu NOR, dzięki czemu cechuje je większa gęstość upakowania danych. Są zatem tańsze. Dzięki niższemu kosztowi bitu danych pamięci NAND mają typowo większe pojemności niż NOR. Pamięci NAND i NOR są zorganizowane w bloki. Ta architektura pozwala zmniejszyć koszt przy równoczesnym zachowaniu wydajności. Mniejsze rozmiary bloków umożliwiają szybsze kasowania. Z powodu niższego kosztu bitu danych mniejsze bloki są bardziej opłacalne w pamięciach NAND.
Pamięci pSLC
Lukę między wyróżniającymi się szybkością odczytu, bezbłędnością oraz trwałością pamięciami SLC a charakteryzującymi się wyższą gęstością upakowania danych i niższym kosztem pamięciami MLC/TLC wypełniają pamięci pSLC, pseudo-SLC lub quasi-SLC. W praktyce są to pamięci TLC lub MLC, które pracują w wymuszonym przez kontroler trybie jednobitowym, symulującym działanie pamięci SLC. Choć oznacza to zmniejszenie gęstości upakowania danych, jednocześnie uzyskuje się większą liczbę cykli zapisu/kasowania, niższy współczynnik błędów i krótszy czas dostępu.
Oznacza to również spore oszczędności. Przykładowo, zastąpienie pamięci TLC pamięcią pSLC oznacza około trzy razy większy koszt przy tej samej pojemności pamięci. Biorąc jednak pod uwagę to, że pamięci SLC kosztują nawet dziesięć razy więcej niż TLC, pSLC stanowią cenowo atrakcyjną alternatywę i optymalny kompromis między parametrami pamięci SLC i TLC.
TYPY PAMIĘCI
Przemysłowe nośniki pamięci wykorzystują kilka typów pamięci NAND flash, różniących się liczbą bitów przechowywanych w pojedynczej komórce, która ma wpływ na trwałość, podatność na błędy i koszt produkcji. Wyróżnić można trzy główne rodzaje pamięci NAND flash: SLC (Single Level Cell), MLC (Multi Level Cell) i TLC (Triple Level Cell). Pamięci TLC mają większą pojemność (przy porównywalnych wymiarach) niż MLC, które pod tym względem przewyższają SLC. Poza tym każdy typ pamięci NAND wykazuje zalety i pewne ograniczenia.
W pamięciach SLC każda komórka pamięci przechowuje tylko jeden bit informacji, napięcie progowe komórki jest więc porównywane z jednym poziomem napięcia. Dzięki temu odczyt komórki staje się łatwiejszy i szybszy. Łatwiej jest także bezbłędnie rozpoznać poziom logiczny, nawet w obecności zaburzeń podczas operacji odczytu. Poza tym na poprawność odczytu w mniejszym stopniu wpływa zużywanie się komórki. Dodatkowo dane można kasować i programować przy niższych napięciach, co wydłuża żywotność nośnika wyrażaną liczbą cykli kasowania/zapisu. Ograniczeniem pamięci SLC NAND jest większy koszt w porównaniu z innymi typami pamięci, które charakteryzuje też większa gęstość upakowania danych.
W pamięciach MLC flash każda komórka pamięci przechowuje dwa bity informacji, napięcie progowe jest więc porównywane z trzema poziomami napięć. W związku z tym wymagana staje się większa precyzja odczytu, co z kolei spowalnia tę operację w porównaniu z pamięciami typu SLC. Łatwiej jest również o błędny odczyt. Na jego wiarygodność w większym stopniu wpływa również zużycie komórki. Wymóg większej dokładności spowalnia także operację programowania. Główną zaletą jest niższy koszt bitu danych, nawet kilkukrotnie mniejszy niż w przypadku SLC NAND.
W pamięciach TLC NAND każda komórka pamięci przechowuje trzy bity informacji, napięcie progowe jest zatem porównywane z siedmioma poziomami. W związku z tym zalety i ograniczenia pamięci MLC ulegają w ich przypadku dalszemu pogłębieniu. Dlatego pamięci TLC są wykorzystywane głównie tam, gdzie koszt jest priorytetem, a optymalizacja aplikacji pod tym kątem może się odbyć kosztem mniejszej liczby cykli programowania/kasowania, a więc przede wszystkim w elektronice użytkowej. Są też jednak popularne w przemysłowych dyskach SSD.
W przemyśle szczególnie przyjęły się pamięci pSLC, czyli pseudo-SLC. Są to pamięci TLC lub MLC pracujące w trybie jednobitowym (patrz ramka: „Pamięci pSLC”). Oprócz tego dostępne są pamięci 3D NAND, w których komórki pamięci rozmieszcza się pionowo, aby zwiększyć gęstość upakowania danych.
Krzysztof Kuźniarz - INEE
Jak kształtuje się Państwa portfolio komputerów przemysłowych – od box PC i paneli HMI po jednostki do montażu w szafie rack i konstrukcje embedded? Czym kierują się Państwo, dobierając typ do konkretnej aplikacji?
Oferujemy m.in. BOX PC, Panel PC (stosowane też jako HMI), Rack PC oraz szczelne urządzenia All In One. zarówno w obudowie aluminiowej, jak i ze stali nierdzewnej. Klienci często wiedzą, jakiego rozwiązania potrzebują, w innych przypadkach bierzemy pod uwagę montaż, warunki pracy oraz oczywiście cenę.
W jakim stopniu wchodzą do Państwa oferty komputery przeznaczone do przetwarzania brzegowego i edge AI, wyposażone w akceleratory GPU i NPU? Gdzie przebiega granica między realną wartością obliczeń lokalnych a podążaniem za modą na sztuczną inteligencję?
Mamy już komputery panelowe z wbudowanym NPU, które można stosować np. do prostych systemów wizyjnych wykrywających anomalie (np. Anomalib). Są też BOX PC z NVIDIA Jetson Orin NX do 100 TOPS i wsparciem dla akceleratorów M.2. Do aplikacji potrzebujących więcej mocy stosujemy komputery ze slotem PCI-E i odpowiednią kartę graficzną (GPU).
W jakim horyzoncie czasowym zwraca się wybór sprzętu klasy przemysłowej w porównaniu z rozwiązaniami konsumenckimi – jeśli uwzględnić koszty przestojów i wieloletnią dostępność komponentów?
To bardzo słuszne pytanie, którego wciąż wielu klientów nie chce sobie zadać. Staramy się tłumaczyć, że kupić tanio, to znaczy mieć niższy całkowity koszt posiadania (TCO), a nie niską cenę zakupu na (pierwszej) fakturze. Nasze komputery działają po piętnaście lat bez awarii. To jest prawdziwa oszczędność!
W jaki sposób zabezpieczają Państwo mobilne terminale, działające jako punkty dostępu do systemów MES, SCADA czy ERP, przed przejęciem dostępu do infrastruktury zakładu?
Oferujemy terminale z wbudowanym czytnikiem RFID, co daje użytkownikowi takie prawa dostępu, jakie są przypisane do jego karty.
WARUNKI PRZEMYSŁOWE
Nośniki pamięci są newralgicznym komponentem przemysłowych systemów komputerowych. Podobnie jak w przypadku IPC i komputerów osobistych, warunki panujące w fabrykach stawiają przed pamięciami wymagania w zakresie odporności na czynniki niszczące, które znacząco wykraczają poza standardy obowiązujące nośniki pamięci w elektronice użytkowej. Różnią się one także pod względem parametrów.
W przypadku powszechnego użycia priorytetami są pojemność i koszty produkcji. Z kolei w modelach dla przemysłu kluczowe są: możliwość zachowania integralności przechowywanych danych w trudnych warunkach środowiskowych, trwałość wyrażana liczbą cykli zapisu/odczytu, skuteczność mechanizmów korekcji błędów, pewność retencji danych, czyli zdolność do utrzymywania zapisanych informacji bez zasilania, oraz ochrona przed skutkami zaniku zasilania w trakcie zapisu danych. Są one także poddawane znacznie bardziej rygorystycznym testom sprawdzającym ich odporność na czynniki zewnętrzne.
Jednym z najważniejszych czynników środowiskowych jest temperatura pracy. Wysoka przyspiesza degradację warstwy izolacyjnej komórek i zwiększa tempo wycieku ładunków z bramki pływającej. Przyspiesza to zużywanie się pamięci oraz zwiększa liczbę błędów odczytu. Problem staje się tym poważniejszy, im więcej bitów informacji przechowuje pojedyncza komórka, a więc zwłaszcza w przypadku pamięci TLC i MLC. Drugim istotnym zagrożeniem są wibracje i udary mechaniczne.
W pojazdach szynowych, maszynach budowlanych, urządzeniach górniczych oraz maszynach w przemyśle występują drgania oraz przeciążenia mechaniczne mogące prowadzić do uszkodzeń dysków magnetycznych. Chociaż zastąpienie ich dyskami półprzewodnikowymi SSD eliminuje ryzyko uszkodzenia elementów ruchomych HDD, jednak nie usuwa całkiem ryzyka uszkodzeń połączeń lutowanych i komponentów elektronicznych. Poza tym w przemyśle obecność źródeł zaburzeń elektromagnetycznych może destabilizować pracę kontrolera pamięci i prowadzić do błędów danych.
Kolejny problem to niestabilność zasilania. Gdy zanik napięcia nastąpi podczas zapisu, może dojść do uszkodzenia nośnika albo utraty integralności danych. Znaczenie ma także ciągły charakter pracy systemów automatyki, które bardzo często działają latami bez wyłączania. Oznacza to permanentne obciążenie pamięci operacjami zapisu i odczytu danych, co prowadzi do ich stopniowej degradacji.
Case study – projekt wzmocnionego terminala
Pewna firma specjalizująca się w produkcji wzmocnionych urządzeń mobilnych otrzymała zlecenie opracowania i wykonania terminali mobilnych, które byłyby wykorzystywane przez pracowników przeprowadzających inspekcje w terenie, w warunkach o podwyższonym zapyleniu, wilgotności i narażeniu na uszkodzenia mechaniczne. Skonstruowała je, opierając się na procesorze ARM Cortex-A z systemem Android oraz wielosystemowym module komunikacyjnym GNSS, LTE, Wi-Fi, Bluetooth i NFC. Uwzględniono przy tym możliwość późniejszej rozbudowy o funkcje analizy obrazu i komunikacji 5G, bez konieczności przeprojektowywania całej platformy sprzętowej. Zastosowano również mechanizm secure boot, aby zabezpieczyć integralność firmware i danych.
Największy nacisk w projekcie położono na odporność mechaniczną konstrukcji i stabilność pracy podzespołów elektronicznych w warunkach przemysłowych. W tym celu płytę główną wykonano jako konstrukcję, w zależności od modelu, sześciowarstwową lub ośmiowarstwową, z wydzielonymi warstwami dla sygnałów wysokiej częstotliwości, ciągłymi płaszczyznami masy i separacją sekcji RF. Rozdzielenie torów GNSS i LTE ograniczyło interferencje, które w urządzeniach mobilnych często powodują degradację parametrów transmisji i błędy lokalizacji. Wrażliwe sekcje objęto ekranowaniem, a prowadzenie ścieżek zoptymalizowano pod kątem integralności sygnału i stabilności impedancji.
Istotnym elementem konstrukcji była mechaniczna ochrona PCB przed skutkami udarów. Płytka drukowana nie została zamocowana sztywno do obudowy, lecz osadzona w układzie absorbującym energię uderzenia. Takie rozwiązanie ogranicza przenoszenie impulsów mechanicznych na połączenia lutowane, co redukuje ryzyko mikropęknięć powstających podczas wielokrotnych upadków. Konstrukcję dodatkowo usztywniono wewnętrzną ramą metalową, pełniącą jednocześnie funkcję nośną i częściowo chłodzącą. Obudowę uszczelniono zgodnie z wymaganiami stopni IP65/IP67 przy użyciu uszczelek kompresyjnych oraz zapewniając kontrolowany moment dokręcania elementów montażowych.
Układ zasilania zaprojektowano z uwzględnieniem zarówno czasu pracy, jak i ograniczeń cieplnych. System zarządzania energią dynamicznie steruje aktywnością podsystemów, redukując częstotliwość odświeżania GNSS przy małej mobilności urządzenia oraz ograniczając aktywność modemu LTE do transmisji pakietowej. Akumulator litowo-jonowy zabezpieczono przed przeładowaniem, nadmiernym rozładowaniem i przegrzaniem.
Walidacja konstrukcji obejmowała testy funkcjonalne, środowiskowe i wytrzymałościowe. Urządzenia poddawano wielokrotnym upadkom z wysokości 1,5 m na beton i stal, testom szczelności, cyklom temperaturowym i próbom starzeniowym akumulatorów. Weryfikowano również odporność na zmęczenie materiałowe wynikające z powtarzalnych zmian temperatury. Kontrola jakości obejmowała też kompleksowe testy funkcjonalne każdego egzemplarza terminalu zamówionego przez zleceniodawcę.
PRZEMYSŁOWE PAMIĘCI FLASH
W nośnikach pamięci przeznaczonych do użytku w przemyśle implementuje się różnego typu mechanizmy, które mają na celu ograniczenie skutków zużywania się ich komórek oraz zapewnienie integralności danych przez cały okres eksploatacji. Jednym z najważniejszych jest wear leveling. Zapewnia on równomierne rozłożenie operacji zapisu między wszystkie dostępne bloki pamięci, co spowalnia jej trwałe zużywanie się i zapobiega przedwczesnej awarii nośnika.
Technika optymalizacji wear leveling polega na monitorowaniu częstości użycia poszczególnych bloków pamięci i równomiernym rozmieszczaniu w nich danych tak, aby żaden z bloków nie był czyszczony ani zapisywany częściej niż pozostałe. W efekcie wszystkie bloki pamięci są przynajmniej raz zapisane, zanim operacja ta zostanie powtórzona. Maksymalna liczba komórek pamięci flash jest wtedy zużyta minimalnie, a żywotność staje się najdłuższa z możliwych. Wear leveling realizuje się na jeden z dwóch sposobów.
Pierwsza metoda polega na optymalizacji zapisu wyłącznie danych dynamicznych, czyli tych, które są często zmieniane. Zapisuje się je do tych bloków, których dotychczas używano najrzadziej. Drugi sposób polega na zarządzaniu zapisem danych dynamicznych i statycznych. Monitorowany jest w niej stopień zużycia wszystkich bloków pamięci. Jeżeli te, z których dotychczas korzystano najrzadziej, są aktualnie puste, zapisuje się do nich nowe informacje. Gdy jednak znajdują się już w nich dane statyczne, te ostatnie przenosi się do bloków bardziej zużytych. Z powodu złożoności technika ta bardziej obciąża kontroler pamięci i spowalnia zapis. W zamian zapewnia jednak maksymalną możliwą żywotność nośnika.
Integralność danych poprawia się z kolei, stosując kodowanie korekcyjne ECC (Error Correction Code). Aby sprawdzić, czy dane zostały zapisane poprawnie, uzupełnia się je o nadmiarowe informacje. Po ich rozkodowaniu wiadomo, które bity danych zostały przekłamane.
Niektóre bloki pamięci ulegają uszkodzeniu w czasie produkcji. Wykrywa się je w czasie testów, które polegają na powtórzeniu kilku cykli programowania/kasowania. Następnie takie obszary pamięci są oznaczane przez zapisanie w specjalnie wydzielonej, niewidocznej dla użytkowników, części pierwszych stron uszkodzonego bloku odpowiedniej informacji.
Kolejne bloki uszkadzają się też w trakcie użytkowania pamięci z różnych przyczyn. Przykładowo, pomimo stosowania mechanizmu równoważenia zużycia pewna nierównomierność rozmieszczenia danych jest nieunikniona. Niektóre bloki zużyją się więc wcześniej niż pozostałe. Jeżeli liczba uszkodzonych bloków przekroczy określoną przez producenta wartość (zwykle kilka procent), całą pamięć uznaje się za zepsutą.
Uszkodzone bloki nie wpływają na działanie pozostałych, ponieważ jednostki te w pamięci są od siebie odizolowane. Ważne jednak, by system zarządzania zasobami pamięci zidentyfikował te jej obszary, z których nie może korzystać jeszcze przed podjęciem jakiejkolwiek próby zapisu danych. W przeciwnym razie informacje o uszkodzonych blokach zostałyby skasowane. Dlatego niezbędny jest system zarządzania uszkodzonymi blokami – BBM (Bad Block Management). Mechanizm ten umożliwia identyfikację i trwałe wyłączenie z eksploatacji bloków NAND wykazujących nadmierną liczbę błędów.
Efekt jego działania stanowi tablica BBT (Bad Block Table), w której zebrane są adresy uszkodzonych bloków. Zapisuje się ją w sprawnych obszarach pamięci, dzięki czemu nie trzeba za każdym razem na nowo skanować wszystkich bloków w poszukiwaniu tych zepsutych. BBT jest też stale aktualizowana. Jeżeli w trakcie operacji zapisu danej strony wystąpi błąd, nie ma to wpływu na zawartość pozostałych stron w bloku. Informacje te można zatem przekopiować do sprawnego obszaru pamięci. Dane, które miały zostać zapisane w uszkodzonym bloku, należy natomiast przekierować. Przykładowe podejście polega na przekopiowaniu lub przekierowaniu informacji do pierwszego sprawnego bloku o adresie następującym po adresie tego uszkodzonego.
Nośniki przemysłowe charakteryzuje też wytrzymałość na trudne warunki środowiskowe. Aby to uzyskać, wdraża się w nich różne rozwiązania ograniczające wpływ czynników zewnętrznych na możliwość zapisu i odczytu danych oraz ich integralność. Jednym z nich jest umieszczenie kart pamięci i dysków SSD w specjalnie wzmocnionych, najczęściej wykonanych z metalu obudowach, które zapewniają pyłoszczelność oraz wodoszczelność nośnika. Jako dodatkowe zabezpieczenie stosuje się też hermetyzację. W takim wypadku układy elektroniczne pamięci przed umieszczeniem w zewnętrznej obudowie zalewa się np. żywicą.
TABLETY I SMARTFONY W PRZEMYŚLE
Przenośne wzmacniane urządzenia, takie jak tablety i smartfony, stanowią ważny element wyposażenia personelu hal produkcyjnych i magazynów, przemieszczającego się między stanowiskami, a także osób pracujących w terenie, np. w przedsiębiorstwach energetycznych. Oprócz tego, że zapewniają łączność z pracownikami, pełnią funkcję mobilnych terminali dostępowych umożliwiających ich użytkownikom bezpośrednią interakcję z systemami nadrzędnymi w czasie rzeczywistym – za ich pośrednictwem mogą zarówno gromadzić, przetwarzać i przesyłać dane, jak i je odbierać. Dzięki temu skraca się czas reakcji na zdarzenia produkcyjne i zmniejsza się liczba błędów wynikających z ręcznego raportowania, a pracownik zyskuje większą swobodę, ponieważ nie musi korzystać ze stacjonarnych terminali HMI.
Podstawową różnicą pomiędzy mobilnymi urządzeniami konsumenckimi a przemysłowymi, wzmocnionymi jest cel projektowania. Konstrukcję elektroniki użytkowej optymalizuje się przede wszystkim pod kątem estetyki, lekkości oraz niezawodności w umiarkowanie uciążliwych warunkach eksploatacyjnych. Urządzenia wzmocnione są natomiast projektowane z myślą o wieloletniej pracy w środowiskach narażonych na pył, wilgoć, skrajne temperatury, drgania mechaniczne oraz częste upadki. Oznacza to stosowanie solidnych obudów z metalu i tworzyw sztucznych absorbujących energię uderzeń, dodatkowych uszczelnień i złącz hermetycznych, wzmocnionych narożników, wewnętrznych ram nośnych ograniczających ryzyko uszkodzenia podzespołów wewnątrz, jak również wzmocnionego, odpornego na zarysowania szkła ekranów.
Wprawdzie urządzenia mobilne w powszechnym użytku coraz częściej mają zadeklarowany stopień ochrony IP67 lub IP68, jednak nie gwarantuje to ich pełnej odporności eksploatacyjnej w środowisku przemysłowym. W przypadku profesjonalnych urządzeń wzmacnianych standardem są testy zgodności z normami wojskowymi, jak MIL-STD-810H. Aby spełnić ich wymagania, urządzenie mobilne musi zachować pełną funkcjonalność po wykonaniu serii testów środowiskowych, a nie jedynie przetrwać krótkotrwały kontakt z wodą lub pojedynczy upadek.
Różnice obejmują również cykl życia produktu. Smartfony i tablety zaliczane do elektroniki użytkowej projektowane są zazwyczaj na okres użytkowania wynoszący od dwóch do czterech lat, natomiast te przemysłowe utrzymywane są w ofercie nawet przez 5–10 lat. Jest to korzystne w przypadku przedsiębiorstw wdrażających tysiące takich urządzeń w środowiskach produkcyjnych, dla których zmiana platformy sprzętowej generuje wysokie koszty zakupu, wdrożenia i szkoleń.
Istotną przewagę urządzeń wzmocnionych nad elektroniką konsumencką stanowi ergonomia pracy w środowisku przemysłowym. Przykładowo, ich ekrany mają powłoki antyrefleksyjne i podwyższoną jasność – tak, by były czytelne w pełnym nasłonecznieniu, a interfejsy dotykowe projektuje się są z myślą o obsłudze w rękawicach ochronnych oraz przy mokrej powierzchni ekranu. Standardem w urządzeniach przemysłowych są akumulatory o zwiększonej pojemności oraz funkcja hot-swap, umożliwiająca wymianę baterii bez wyłączania urządzenia.
Cyberbezpieczeństwo przemysłowych urządzeń mobilnych stanowi jeden z kluczowych elementów ochrony infrastruktury produkcyjnej. Tablety oraz smartfony wzmocnione działają często jako mobilne punkty dostępu do systemów nadrzędnych, takich jak MES, SCADA, ERP i platform IoT. To oznacza, że zhakowanie pojedynczego urządzenia tego rodzaju może zapewnić przestępcom dostęp do krytycznych zasobów informatycznych zakładu. Dlatego w odniesieniu do mobilnego sprzętu dla przemysłu standardem jest możliwość weryfikacji tożsamości użytkowników i zarządzania ich uprawnieniami. W tym celu coraz częściej korzysta się z technik uwierzytelniania biometrycznego oraz certyfikatów sprzętowych powiązanych z konkretnym urządzeniem.
Monika Jaworowska
