Czym jest komputer przemysłowy?

Termin ten obejmuje szeroką gamę rozwiązań przeznaczonych do pracy w warunkach przemysłowych, od małych urządzeń typu mini PC do dużych maszyn przystosowanych do montażu w szafach serwerowych typu Rack. Są one wykorzystywane w takich aplikacjach, jak:

• kontrolowanie, sterowanie i monitorowanie procesów produkcyjnych,
• wykonywanie złożonych obliczeń związanych m. in. z widzeniem maszynowym i sztuczną inteligencją (AI),
• oraz w wielu innych zastosowaniach wymagających specjalistycznego sprzętu.

Charakteryzują się podwyższoną odpornością na warunki środowiskowe oraz zwiększonym poziomem niezawodności działania.

Komputer przemysłowy a „zwykły” PC

Urządzenia przeznaczone do pracy w warunkach przemysłowych muszą spełniać określone wymagania w zależności od zastosowań. Są przede wszystkim wykonane z solidniejszych materiałów niż znane wszystkim komputery biurowe i zaprojektowane tak, by były odporne na warunki zewnętrzne:

• bardzo niskie lub wysokie temperatury,
• wstrząsy i wibracje,
• wilgoć,
• kurz,
• uszkodzenia mechaniczne.

Charakteryzuje je zdecydowanie łatwiejsze dopasowanie pod kątem wymiarów, a także posiadają ustandaryzowane rodzaje mocowań, aby można było je bezpiecznie zamontować w docelowym miejscu.

Komputery przemysłowe, dzięki wykorzystaniu specjalnych komponentów, charakteryzują się zwiększonym poziomem niezawodności działania. Tego typu urządzenia muszą pracować przez długi czas bez przerwy (często przez wiele lat), a każda awaria może się okazać niezwykle kosztowna. Posiadają także możliwość podłączania zewnętrznych urządzeń poprzez porty i złącza używane typowo w przemyśle, takie jak porty komunikacyjne, listwy I/O, złącza wodoodporne itp. Dają nam też różnorakie opcje rozbudowywania ich o dodatkowe moduły.

Cechy komputera przemysłowego

Długi okres wsparcia produktu

W przypadku komputerów przemysłowych, niezawodność ma kluczowe znaczenie. Niewielki błąd pracy lub awaria podzespołu potrafi skutkować zatrzymaniem całej produkcji, co dla zakładów jest niedopuszczalne. Komponenty lub ich zamienniki muszą więc być dostępne przez długi czas tak, by można było je jak najszybciej wymienić. Stąd każda firma posiadająca w asortymencie elementy do komputerów przemysłowych (np. Intel), zapewnia długie wsparcie i dostępność dla tych części. Dodatkowo, gotowe komputery przemysłowe są testowane pod kątem odpowiedniej niezawodności działania i wysokiej wydajności.

Odporność na temperaturę i warunki atmosferyczne

Komputery przemysłowe są narażone na różne warunki atmosferyczne, np. ekstremalne zimno w chłodni lub kilkadziesiąt stopni Celsjusza na pokładzie ciężkich maszyn roboczych. Z tego względu, zakres temperatur w jakich urządzenie może pracować przy zachowaniu odpowiedniej wydajności, może być jednym z kluczowych kryteriów doboru.

Wpływ na poprawną pracę komputera w trudnych warunkach może mieć również klasa ochrony IP. Jest to informacja o poziomie zabezpieczenia urządzenia przed czynnikami zewnętrznymi, w tym pyłem i kurzem albo wodą. Komputery przemysłowe o wysokiej klasie ochrony są odporne na zachlapania, zalania lub nawet zanurzenie w płynie.

Chłodzenie bezwentylatorowe

Podzespoły komputerów, takie jak procesory, wytwarzają podczas swojej pracy dużą ilość ciepła. Komputery typu biurowego są najczęściej chłodzone przy wykorzystaniu standardowych wentylatorów, co sprawia, że są podatne na pył i kurz. Komputery przemysłowe wyposażone w wentylatory, posiadają specjalne, wymienne filtry pomagające oczyścić wpływające do środka powietrze. Dzięki temu sprzęt jest chroniony przed osadzaniem się zanieczyszczeń na podzespołach wewnątrz obudowy.

Innym rodzajem chłodzenia komputera przemysłowego jest chłodzenie pasywne. Nie wykorzystuje ono wentylatorów, bo obudowa jest szczelnie zamknięta co zapobiega przedostawaniu się pyłu i wilgoci do wnętrza. W tej technologii wykorzystuje się za to przewodnictwo cieplne pomiędzy podzespołami i obudową, która przez radiator oddaje ciepło do otoczenia. Dzięki temu wyeliminowane zostają wady (w tym awaryjność) wentylatorów, a dodatkowym atutem jest to, że urządzenie jest ciche.

Wykonanie

Ponieważ komputery przemysłowe stosowane są w miejscach, w których występują zróżnicowane warunki, od ekstremalnych temperatur, poprzez wibracje, pył, kurz, aż po wilgoć czy nawet deszcz, muszą być w odpowiedni sposób wykonane. Do minimum ograniczone są elementy wykonane z tworzyw sztucznych. Dominują stopy aluminium i stali, z których wykonywane są konstrukcje obudów. Dzięki temu komputery przemysłowe charakteryzuje duża wytrzymałość na uszkodzenia mechaniczne.

Rozmiary i montaż

Na rynku istnieje wiele rozmiarów komputerów przemysłowych. W ofercie wielu producentów znajdują się komputery mini PC niewiele większe od paczki papierosów, które świetnie nadają się do zastosowań na brzegu sieci lub sterowanie robotem niewielkich rozmiarów. Już komputery średniej wielkości pozwalają zastosować zaawansowane komponenty, np. procesory Intel Core czy karty graficzne z górnej półki (nVidia Quadro, Tesla) do skomplikowanych obliczeń.

Zakres rozmiarów komputerów przemysłowych kończą duże urządzenia do montażu w szafach typu Rack. To stabilne, wydajne serwery do przetwarzania dużej ilości danych przystosowane do przemysłu. Jednocześnie są odporne na pracę w ciężkich warunkach, wstrząsy, wibracje i zróżnicowane temperatury.

Dzięki takiej rozpiętości każda firma czy osoba prywatna jest w stanie znaleźć na rynku wiele komputerów przemysłowych dopasowanych rozmiarem do konkretnych rozwiązań, w zależności od występującej potrzeby.

Oferty producentów zapewniają całą gamę sposobów, w jaki komputer możemy zamocować w docelowym miejscu, od montażu na ścianie, blacie, pulpicie, szynie DIN, uchwycie Vesa na szafie Rack skończywszy.

Komunikacja i interfejsy

Innym, bardzo ważnym kryterium doboru komputerów przemysłowych są rodzaje interfejsów i portów, jakimi dysponuje dany komputer. Poza znanymi złączami, jak USB, monitorowe czy RJ45 (LAN), często wymagane są złącza typowo przemysłowe.

Omawiana grupa komputerów pozwala podłączyć wejścia/wyjścia cyfrowe (GPIO - General Purpose Input/Output) do sterowania prostymi urządzeniami. Bardziej zaawansowany sprzęt, taki jak sterowniki, wymaga wykorzystania interfejsów COM (szeregowych), jak np. RS-232, RS-422, czy RS-485. Używa się ich często do integracji komputera z inną maszyną i są bardzo popularne także na polskim rynku.

Komputer przemysłowy służący np. do analizy obrazu z kamer musi posiadać złącze PoE (Power over Ethernet) w celu zapewnienia przez komputer zasilania urządzeń przy jednoczesnej wymianie danych. Z kolei urządzenia o podwyższonej odporności na warunki zewnętrzne (IP) są bardziej narażone na przenikanie wody i pyłu właśnie poprzez zewnętrzne złącza. Dlatego w ofercie producentów znajdują się specjalne standardy złącz przemysłowych, takich jak M12. Ostatnim, ale równie istotnym rodzajem stosowanych złącz są złącza typu PCI i PCIe (Peripheral Component Interconnect, Peripheral Component Interconnect express) oraz M.2.

Naturalnie, wyżej wymienione posiadają więcej standardów (kluczy) i należy dokładnie dopasować je do określonego zastosowania. Te pierwsze (PCI, PCIe) pozwalają na instalację m.in. kart graficznych, sieciowych czy dodatkowych portów komunikacyjnych, zaś M.2 służą głównie do podłączania szybkich dysków SSD i kart komunikacyjnych, np. GPS, LTE, WiFi.

Rodzaje komputerów przemysłowych

Komputery jednopłytkowe

SBC - Single Board Computer to kompletne komputery w postaci jednej płytki drukowanej. Znajduje się na niej procesor, pamięć RAM i złącza typu GPIO, COM, USB itd. Nie są to maszyny o ogromnej wydajności, ale tworzą w pełni funkcjonalne, kompaktowe kontrolery komputerowe do sterowania np. prostymi procesami. Można je z powodzeniem zabudować w niewielkiej przestrzeni wewnątrz innych urządzeń.

Mini komputery przemysłowe

Komputery typu Mini PC to niewielkie urządzenia zamknięte w kompaktowej obudowie z chłodzeniem pasywnym. Ze uwagi na swoje wymiary znajdują zastosowania wszędzie tam, gdzie nie ma miejsca na większy komputer lub po prostu tam, gdzie nie jest wymagana wysoka wydajność, za to liczy się niska cena. Na ogół posiada podstawowe porty, takie jak Ethernet, USB czy HDMI.

Ponadto, producenci oferują wiele rozwiązań pozwalających rozbudować takie kontrolery o dodatkowe moduły zwiększające funkcjonalność, zawierające dodatkowe porty komunikacyjne lub przestrzeń na dysk SSD. Dzięki temu klienci mogą łatwiej dostosować urządzenie do swoich wymagań.

Komputery typu Box-PC

Komputery przemysłowe Box PC to już większe maszyny o wzmocnionych parametrach i wydajności. W dalszym ciągu ich obudowy są kompaktowe, jednak pozwalają już na rozszerzenia dzięki portom PCI oraz podłączanie różnego rodzaju urządzeń zewnętrznych, komunikacyjnych, dysków a także kart graficznych.

Dodatkowo w ofercie firm można spotkać komputery modułowe pozwalające na rozszerzyć główną jednostkę o różne akcesoria (sloty rozszerzeń, dodatkowe dyski, dodatkowe porty) w zależności od potrzeb.

Komputery typu Rack i Tower

Komputery przemysłowe typu Rack/Tower poza wzmocnioną obudową z chłodzeniem z filtrem, posiadają podzespoły klasy przemysłowej, przystosowane do pracy w trudnych warunkach. Dzięki rozbudowanym płytom głównym pozwalają na pełną konfigurację i rozszerzanie dysków, pamięci RAM, oraz interfejsów i kart komunikacyjnych.

Komputery panelowe

Na początek ważna uwaga: komputery panelowe i panele operatorskie to dwa różne pojęcia, które często są ze sobą mylone. Panele operatorskie (inaczej panele HMI) to urządzenia służące do komunikacji maszyny z człowiekiem i z zewnątrz wyglądają bardzo podobnie jak komputery panelowe, jednak wymagają one bezpośredniego podłączenia do oddzielnego komputera (np. mini PC) lub zewnętrznego sterownika.

Komputery panelowe to zaś w pełni funkcjonalne komputery z ekranem dotykowym, montowane najczęściej na pulpicie operatorskim, szafie sterowniczej wysięgniku czy po prostu w ścianie. Posiadają one zwiększoną odporność na czynniki zewnętrzne, takie jak pył i wilgoć.

Komputery do pracy w strefach EX

W wielu gałęziach przemysłu, z uwagi na istnienie stref zagrożonych wybuchem, należy stosować urządzenia z certyfikatem ATEX. Dotyczy to również komputerów przemysłowych. W takim przypadku należy dokładnie zwrócić uwagę na kartę produktu i to, czy znajduje się w niej informacja o odpowiedniej certyfikacji. To ważne, bo występowanie dodatkowych zabezpieczeń w takich komputerach wpływa później na bezpieczeństwo całego zakładu.

Podsumowanie

Komputery przemysłowe Elmatic to cała rodzina, często różniących się od siebie rozwiązań. Powyższy artykuł to przegląd podstawowych rodzajów urządzeń i ich zastosowań. Po więcej informacji zapraszam do kontaktu telefonicznego lub mailowego:

Michał Koda

Telefon: 887-024-475

E-mail: michal.koda@elmark.com.pl