Kompaktowe zintegrowane komputery jednopłytowe dla aplikacji sterowania

Sterowniki przemysłowe są obecnie dostępne w wielu typach i odmianach. Z jednej strony mamy tradycyjne sterowniki PLC i PAC. Z drugiej komputery jednopłytowe SBC dostępne w postaci standardowych, komercyjnych urządzeń oraz modułów specjalizowanych. Inżynierowie coraz częściej sięgają po SBC.

Jedną z podstawowych zalet systemów wbudowanych, dedykowanych dla aplikacji sterowania, jest ich różnorodność i możliwość łatwego dopasowania do aplikacji. Wraz ze wzrostem funkcjonalności współczesnych systemów sterowania inżynierowie w zakładach przemysłowych coraz częściej decydują się na odejście od klasycznych sterowników PLC. Skłaniają się ku specjalizowanym aplikacjom sterującym wykorzystującym zaawansowane mikrokontrolery. David Pursley, inżynier aplikacji w Kontronie w ciągu ostatnich dwóch, trzech lat zauważa, że przychodzący do firmy nowi inżynierowie zaraz po uczelniach technicznych, posiadają rozwiniętą umiejętność programowania komputerów PC i ich aplikacji, nie znają natomiast dobrze zasad programowania sterowników PLC. Tymczasem klasyczne komputery w zastosowaniach przemysłowych nie spełniają poprawnie swojej funkcji. 

Standardowe pecety mają sporo mankamentów – mówi David Pursley. – Pierwszym z nich jest dążenie producentów do obniżenia kosztów, co wiąże się z obniżeniem wytrzymałości i odporności na czynniki zewnętrzne. Druga kwestia to systemy operacyjne, które z reguły mają charakter otwarty, gdyż nie wiadomo, kto będzie ich użytkownikiem końcowym. W platformach systemów wbudowanych preferowane są jednak pewne ograniczenia w tym zakresie.

Niniejszy artykuł ma na celu zaprezentowanie jeszcze innej koncepcji – wykorzystania systemów wbudowanych opartych na zintegrowanych, jednopłytowych komputerach (ang. SBC – single-board computer), pełniących rolę sterowników w układzie automatyki.

Komputery jednopłytowe (ang. SBC) stanowią zintegrowany układ, z wszystkimi modułami funkcjonalnymi tradycyjnych komputerów PC, umieszczonymi na jednej płycie głównej.
Wśród podstawowych zalet tego typu systemów specjaliści wymieniają:

  • większą moc obliczeniową – obecnie wykonuje się komputery jednopłytowe z procesorami od Pentium 4, poprzez układy dwurdzeniowe, aż po czterordzeniowe Quad Core; 
  • elastyczność w rozbudowie – układy z płytami zawierającymi nawet do 20 slotów PCI;
  • relatywnie niskie koszty utrzymania – komputery jednopłytowe to stabilne i sprawdzone rozwiązania w klasycznych układach komputerowych zarówno sprzętowo, jak programowo; aplikacje programowe i rozszerzenia sprzętowe dla tego typu układów są szeroko rozpowszechnione i dostępne.

W portalu Wikipedia można znaleźć następującą definicję komputerów jednopłytowych SBC: „To w pełni funkcjonalne komputery zbudowane na jednej płycie z obwodami drukowanymi. Główna idea projektu tego typu urządzeń to zastosowanie jednego lub dwu procesorów z zintegrowanymi układami pamięci RAM, We/Wy oraz innych peryferiów, umieszczonych fizycznie na jednej płycie elektronicznej”. Zupełnie inaczej konstruowane są np. klasyczne komputery stacjonarne, gdzie układy pamięci RAM montuje się w pomocniczych slotach ze specjalnymi zatrzaskami, które utrzymują je we właściwej pozycji w stosunku do złącza na płycie głównej. Jeszcze inne układy i moduły niejednokrotnie montuje się w takich komputerach jako płytki położone równolegle do powierzchni płyty głównej, przez co zwiększają się gabaryty zewnętrzne takiej konstrukcji.

W niektórych komputerach jednopłytowych również stosuje się koncepcję dołączania dodatkowych modułów lub kart do specjalnych złącz na płycie. Specjaliści dyskutują, czy to dobre rozwiązanie. Czy lepiej stawiać na elastyczność funkcjonalną, czy jednak na prostotę użytkowania? Problem wydaje się mieć charakter czysto akademicki. Jednak nie w przypadku wykorzystania takich komputerów jako sterowników w układach automatyki przemysłowej. Wybór odpowiedniego komputera powinien pozwalać inżynierom–automatykom przede wszystkim skupić się na kwestiach związanych z projektem i funkcjonalnością układów automatyki. Nie zaś na rozwiązywaniu problemów dotyczących konfiguracji sprzętowej komputera, pełniącego funkcję sterownika.

Podstawowym elementem decydującym o użyciu komputera jednopłytowego jako sterownika powinna być kwestia optymalnej kombinacji funkcjonalności, możliwości aktualizacji funkcji oraz osiągów procesora i gabarytów samego urządzenia – podkreśla Haydyn Povey, starszy kierownik produktu w ARM. – To podstawowe atrybuty, jakimi ma dysponować komputer typu SBC.

Zdaniem Christine Van De Graaf, kierownika działu marketingu w Kontronie warto pamiętać, że cykl użytkowy takich urządzeń będzie nieco dłuższy, niż ma to miejsce w przypadku klasycznych komputerów PC. Najczęściej wynosi około 10 lat, a minimum 5. Dla zwykłych komputerów to z reguły 3 do 5 lat. 

Istnieją dwa możliwe podejścia do idei zastosowania komputerów SBC w aplikacjach automatyki: tworzenie specjalizowanych urządzeń dla konkretnej aplikacji lub też zakup i adaptacja układów komercyjnych, dostępnych na rynku. Podstawą każdego z nich jest jednak wstępna specyfikacja wymogów funkcjonalnych i fizykalnych dla tych urządzeń, w której powinny być uwzględnione takie czynniki jak:

  • rozmiary i kształt miejsca, w którym komputer ma być umieszczony,
  • ograniczenia wagowe sprzętu komputerowego, 
  • maksymalna wartość mocy zasilania w punkcie, w którym będzie instalowany komputer,
  • możliwe do zastosowania w danej lokalizacji chłodzenie (wentylatory, cyrkulacja naturalna, nawiewy, chłodzenie wodne itp.),
  • minimalna szybkość przetwarzania informacji,
  • spełnienie lub nie warunków tzw. systemów czasu rzeczywistego,
  • wymagania dotyczące pojemności pamięci – zdolność do akwizycji danych, 
  • ilość niezbędnych kanałów analogowych i cyfrowych We/Wy,
  • połączenia sieciowe,
  • wymogi co do oprogramowania i systemów operacyjnych,
  • dodatkowe wymagania, charakterystyczne dla danej aplikacji.

Dopiero po sporządzeniu takiej listy uzyskuje się pełny obraz wymogów, jakie powinien spełnić komputer typu SBC – stwierdza David Pursle.

Komputery jednopłytowe mogą mieć bardzo niewielkie rozmiary, zapewniając jednocześnie spore możliwości w zakresie przetwarzania danych i komunikacji z innymi urządzeniami oraz sieciami przemysłowymi.                                                             Źródło: Microchip Technology

Jednak w jego opinii wybór idei specjalizowanego komputera powinien być ostatecznością. Warto dokładnie przeanalizować stworzoną wcześniej listę wymagań i stosując zasadę kompromisu postarać się tak dobrać większość z nich, aby możliwe było zastosowanie któregoś z ogólnie dostępnych urządzeń komercyjnych. Zatem jeżeli rezygnujemy w danej aplikacji z użycia sterowników PLC lub PAC oraz klasycznych komputerów PC, które nie są w stanie odpowiednio jej obsłużyć, najlepszym podejściem jest dążenie do zastosowania komputerów typu SBC. Jednak takich, które nie są tworzone specjalnie pod naszą, konkretną aplikację.  

Komercyjne komputery SBC 

Komercyjne komputery SBC mają zwykle jednostkę mikroprocesora lub przemysłowego mikrokontrolera, zamontowaną na płycie z obwodami drukowanymi, na której znajdują się również dodatkowe układy i peryferia. Należą do nich: zegary taktujące, dodatkowa pamięć, sterowniki złącz USB, moduły radiowe do komunikacji bezprzewodowej, złącza Ethernet i układy We/Wy analogowe i cyfrowe. Liczba i typ peryferiów zależą od stopnia integracji głównego procesora. Niektóre z mikrokontrolerów mogą integrować w sobie wszystkie elementy niezbędne do pracy komputera. Inne, jak chociażby procesory czterordzeniowe, mogą być nastawione na współpracę z modułami zewnętrznymi. Przy jednoczesnym zachowaniu konkurencyjnej ceny i znacznie większej mocy obliczeniowej. Oto podstawowa różnica miedzy mikrokontrolerami a klasycznymi procesorami.

W swoich produktach staramy się zintegrować jak najwięcej funkcji modułów dodatkowych, tak aby: zaoszczędzić miejsce na płycie głównej, zwiększyć wydajność procesora, zmierzając w kierunku stworzenia komputera jednoukładowego – wyjaśnia Jennifer Woods, menadżer produktów Freescale Semiconductors.

Wraz z nadejściem szybkich i wysoko wydajnych mikrokontrolerów 32 bitowych powstała możliwość zachowania wymogów determinizmu czasowego operacji przetwarzania danych, przy jednoczesnym użyciu zaawansowanych systemów operacyjnych i języków programowania wyższego poziomu. Według Haydyna Poveya z punktu widzenia inżynierów-automatyków typy procesora i peryferiów nie mają dużego znaczenia. Dla nich liczy się całość – czy dany komputer jednopłytowy jest w stanie spełnić wymagania danej aplikacji. Zwykle dostępne na rynku komputery jednopłytowe spełniają jeden z ustalonych w branży standardów wykonania, takich jak: PC/104 podany przez Konsorcjum PC/104 Embedded Consortium czy też COM Express ustanowiony przez PCI Industrial Computer Manufacturers’ Group (PICMG). Standardy te definiują rozmiary i kształty płyt głównych (dopasowanie do miejsc montażowych), wymagane zestawy slotów i złącz (komunikacja i łączność) i inne. Jeżeli na przykład dana aplikacja wymaga dużej liczby We/Wy analogowych, konieczny jest wybór płyty o określonym standardzie. 

Moduły komputerów standardu PC/104 nie mają bezpośrednio na płycie łączy do urządzeń zewnętrznych – wyjaśnia Christine Van De Graaf. – Zainstalowane są na niej natomiast łącza wielopinowe, umożliwiające podłączenie tzw. tasiemek przewodowych, które z kolei łączą się z urządzeniami zewnętrznymi o różnych typach złącz. Dzięki temu możliwe jest tworzenie i modyfikowanie architektury sprzętowej bazującej na jednej płycie głównej, podobnie jak zabawa klockami Lego. Cały sprzęt może być zamknięty w pojedynczej, zintegrowanej obudowie.

Jeżeli więc w konkretnej aplikacji duże znaczenie mają rozmiary komputera jednoukładowego, należy wybrać odpowiedni standard płyty. Może on mieć wysokość nawet do 9U, zgodnie ze standardami wymiarowymi konstrukcji montażowych w szafach sterowania – Eurocard Standard. Rozwiązania techniczne komercyjnych komputerów typu SBC mieszczą sięw bardzo szerokim zakresie. Poczynając od „gołych” płyt z obwodami drukowanymi, które pozostawiają użytkownikowi pełną swobodę w doborze peryferiów i systemów zabezpieczeń układów elektronicznych, aż po w pełni zintegrowane, kompaktowe moduły Compact PCI. Te ostatnie dopasowane są ściśle do wymogów określonych standardów i równocześnie zapewniają osiągi i ochronę na wymaganych przez nie poziomach.

Ze względu na konieczność utrzymania wysokiego poziomu niezawodności układów sterowania na użycie modułów typu Compact PCI zdecydowało się kilku uczestników współzawodnictwa w ramach projektu DARPA Grand Challenge (projekt finansowany przez uznaną w USA organizację badawczą Defense Advanced Research Projects Agency, ukierunkowany na zbudowanie pojazdów zdolnych do samodzielnego poruszania się bez kierowcy – przyp. red.) – mówi David Pursley. – W swoich projektach musieli bowiem zmierzyć się z wibracjami i uderzeniami oddziaływującymi na sterowany obiekt, które są większe nawet niż w przypadku wymagających aplikacji przemysłowych.

Z tych właśnie względów, wytrzymałości mechanicznej i odporności na oddziaływanie innych szkodliwych czynników, coraz większa liczba użytkowników systemów sterowania różnych branż przemysłowych decyduje się na zastosowanie zintegrowanych modułów komputerowych. Pomiędzy dwoma, wspomnianymi wcześniej skrajnymi rozwiązaniami technologicznymi, na rynku egzystuje spora liczba komputerów typu SBC różnych typów. Stopień integracji peryferiów i wielkość obudów dopasowane są do standardów montażowych. Na przykład do aplikacji, gdzie ważne jest zachowanie odporności na kurz i wilgoć, wielu producentów oferuje komputery w obudowach hermetycznych, z chłodzeniem bezwiatrakowym. Często stosuje się również tańsze rozwiązania, gdzie złącza zewnętrzne chronione są zakładkami lub przykrywkami. Jednak przykrywki zapewniają ograniczoną ochronę przez kurzem i rozpryskami cieczy. Montaż komputerów w zintegrowanych, szczelnych obudowach wymaga zwykle jedynie wywiercenia w nich kilku otworów. Tam, gdzie mają znaleźć się śruby mocujące. Odpowiednio umiejscowione złącza zasilania i sygnałowe ułatwiają połączenie takich urządzeń z całym systemem automatyki.  

Dopasowanie sprzętu do aplikacji

Jeżeli określona aplikacja nie obsługuje dużej liczby sygnałów (np. 50 lub 100), podczas projektowania systemu sterowania można bazować na komputerach komercyjnych, bez specjalnego ich przerabiania i dostosowywania. Trzeba pamiętać, że każda taka przeróbka pod konkretne zadania przyczynia się do skomplikowania architektury całego systemu. Jeżeli jednak dana aplikacja wymaga użycia specjalizowanego komputera SBC, inżynierowie projektujący system muszą mieć wiedzę nie tylko z zakresu systemów sterowania, ale również tworzenia systemów komputerowych. W opinii specjalistów implementacja specjalizowanych jednostek sterujących jest uzasadniona dla dużych aplikacji, które obsługują co najmniej 500 do 1 000 sygnałów.

Kilka lat temu miałem przyjemność śledzić działanie aplikacji, w której inżynierowie testowali silniki odrzutowe, zbierając dane do publikacji w magazynie poświęconym technikom łożyskowania – wspomina Joseph Chung, specjalista systemów wbudowanych w firmie Via Technologies. – Aplikacja akwizycji danych składała się z: odpowiednich czujników, układów konwersji sygnałów, przetworników analogowo-cyfrowych, modułów komunikacji bezprzewodowej i centralnego komputera. Inżynierowie zbudowali cały ten system na jednej płycie w kształcie półkuli, zamontowanej bezpośrednio w pierścieniu łożyska. To oczywiste, że niemożliwe było tu zastosowanie rozwiązań komercyjnych

Sterowniki przemysłowe są obecnie dostępne w wielu typach i odmianach. Z jednej strony mamy tradycyjne sterowniki PLC i PAC, zoptymalizowane do obsługi popularnych aplikacji. Z drugiej komputery jednopłytowe SBC dostępne w postaci standardowych, komercyjnych urządzeń oraz modułów specjalizowanych, z możliwością adaptacji do konkretnych, wymagających aplikacji automatyki. Podstawą wyboru najlepszego rozwiązania jest zawsze dokładna analiza potrzeb i wymagań danej aplikacji przemysłowej. A następnie odniesienie jej wyników do możliwości technicznych konkretnych urządzeń sterujących.

C.G. Masi  

Artykuł pod redakcją dra inż. Andrzeja Ożadowicza, adiunkta w Katedrze Automatyki Napędu i Urządzeń Przemysłowych Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie