
Wzrost złożoności konstrukcyjnej maszyn i zakresu funkcji ich oprogramowania sprawia, że rośnie także rola wielordzeniowych komputerów przemysłowych (IPC). Większa liczba izolowanych rdzeni zapewnia bowiem moc obliczeniową wystarczającą do efektywnej realizacji koncepcji inteligentnej fabryki i Przemysłu 4.0. Czy jednak zawsze więcej znaczy lepiej?
Od kiedy technologia wielordzeniowa stała się dostępna także dla producentów i użytkowników maszyn przemysłowych, liczba związanych z nią pytań stale rośnie. Niektórzy inżynierowie zastanawiają się, do czego mogą wykorzystać tak dużą moc obliczeniową. Inni otwarcie wątpią, czy będzie im ona kiedykolwiek potrzebna. I poniekąd mają rację: obecnie do uruchomienia programu PLC w oprogramowaniu systemu bazującego na komputerze PC wystarczy jeden rdzeń. Nawet jeśli dodamy do tego panel HMI i kilka dodatkowych programów, nie wymaga to od razu instalacji serwera z 16-rdzeniowym procesorem. Dodatkowa moc obliczeniowa będzie jednak wkrótce potrzebna ? nawet jeśli dziś inżynierowie nie wiedzą, do czego jej użyć. Maszyny produkcyjne nie są już bowiem tym, czym były jeszcze kilka lat temu.
Stały postęp w zakresie automatyzacji urządzeń przemysłowych ? w połączeniu z rosnącą konwergencją systemów automatyki, technologii operacyjnych (OT) i technologii informatycznych (IT) ? prowadzi do powstawania coraz bardziej efektywnych, niezawodnych, ale i złożonych maszyn. Na zmiany w ich funkcjonowaniu i konstrukcji wpływa także wzrost znaczenia akwizycji danych i responsywności systemów ? niezbędnego warunku budowy inteligentnych fabryk i realizacji koncepcji Przemysłu 4.0.
W efekcie systemy, które jeszcze nie tak dawno bazowały na kilku sterownikach PLC, silnikach krokowych i standardowej sieci polowej, dziś są rozbudowywane o roboty i linearne systemy transportowe, które zapewniają im szerokie możliwości sterowania ruchem, komunikację w sieci EtherCAT, systemy wizyjne, interfejsy użytkownika z funkcją komend głosowych, mobilne interfejsy HMI i mechanizmy uczenia maszynowego. A to angażuje dodatkowe zasoby mocy obliczeniowej komputerów i w pełni uzasadnia stosowanie technologii wielordzeniowej.
Sterowniki programowalne PLC i PAC nie są już w stanie przetwarzać ogromnych zbiorów spływających do nich danych. Zaś systemy rozproszone (DCS) bazujące na rozwiązaniach wielu dostawców nie zawsze okazują się efektywne ? choćby ze względu na fakt, że do współpracy wszystkich komponentów wymagają konkretnych działań ze strony ich producentów. Co więc zamiast nich? Alternatywą są systemy sterowania oparte na komputerach PC, które już wiele lat temu dowiodły, że świetnie sprawdzają się w tej roli, a dziś ? dzięki wielordzeniowym procesorom ? zyskują całkowicie nowe możliwości. I choć prawdą jest, że do sterowania większością maszyn wystarczą dziś procesory wyposażone w dwa rdzenie, szybko rosnące wymagania sprzętowe i możliwość uzyskania przewagi rynkowej zachęcają do zastanowienia się nad inwestycją w technologię wielordzeniową ? zarówno podczas modernizacji, jak i projektowania nowych maszyn.

Wielordzeniowy IPC, czyli co?
Rozwiązania bazujące na technologii wielordzeniowej różnią się od konwencjonalnych komputerów jednordzeniowych nie tylko liczbą rdzeni, lecz przede wszystkim strukturą procesora. Komputery wielordzeniowe realizują operacje w oparciu o wysokowydajne przetwarzanie komputerowe (HPC) z wykorzystaniem wbudowanych procesorów zoptymalizowanych pod kątem równoległości i przepustowości. Dzięki równoległemu przetwarzaniu strumienia danych procesory te zużywają mniej energii na równoczesne wykonywanie zadań ? głównie dzięki przestrzennej separacji owych zadań. Zapewniają także lepszą synchronizację wątków, co ułatwia przeciwdziałanie powstawaniu wąskich gardeł przesyłowych, typowych dla większości procesorów niższej klasy.
W większości aplikacji technologia wielordzeniowa w połączeniu z odpowiednim oprogramowaniem wyposażonym w standardową logikę sterowania i zaawansowane funkcje pozwala na równoległą realizację wielu złożonych zadań, zachowując wysoką skalowalność i elastyczność całego systemu. W efekcie zasady sterowania wielordzeniowego można zastosować zarówno w komputerach typu Embedded z czterordzeniowym CPU do zabudowy na szynie DIN, jak i w serwerach przemysłowych z 20-rdzeniowym procesorem Intel Xeon. Wielkość nie ma tu znaczenia: najważniejszą zaletą tej technologii jest bowiem wykorzystanie oprogramowania systemu sterowania do izolacji rdzeni.

Ile rdzeni tak naprawdę nam potrzeba?
Oprogramowanie komputerów przemysłowych z funkcją izolacji rdzeni umożliwia inżynierom przypisywanie określonych zadań do danego rdzenia z poziomu systemu sterowania. Owo przyporządkowanie pamięci procesora do konkretnej operacji skraca czas przetwarzania danych, zaś tymczasowy zapis owych danych w określonych lokalizacjach zwiększa wydajność całego procesu. W przypadku wymagających zadań, takich jak aplikacje z zakresu uczenia maszynowego czy symulacje w czasie rzeczywistym z wykorzystaniem Matlab/Simulink firmy MathWorks, operacje przetwarzania danych realizowane są przez kilka rdzeni zlokalizowanych blisko siebie, które w tym samym czasie wykonują podobne zadania.
Procesory wielordzeniowe okazują się bardzo przydatne w obsłudze zaawansowanych systemów sterowania ruchem, takich jak liniowe systemy transportowe czy systemy planarne z lewitującymi karetkami, które wymagają zastosowania dedykowanych sieci neuronowych. Sprawdzą się także w zaawansowanej analityce i do obsługi oprogramowania oscyloskopu, zwłaszcza jeśli dane przesyłane są do systemu za pośrednictwem sieci Gigabit Ethernet z prędkością 10 Gbit/s.
Wybór konkretnego modelu IPC zależy więc od liczby i stopnia zaawansowania obsługiwanych zadań i systemów oraz liczby dostępnych rdzeni, nie zaś tylko od prędkości taktowania procesora. W przypadku środowisk produkcyjnych duże znaczenie ma także trwałość komputera. Dlatego istotne jest, aby wybierać dostawców, którzy oferują skalowalne produkty w wytrzymałych obudowach.
Przyjrzyjmy się kilku skrajnym przykładom: w segmencie urządzeń wielordzeniowych niższej klasy można znaleźć komputery w standardowej obudowie do montażu na szynie DIN, wyposażone w 4?12 procesorów 2,2 GHz i 8?64 GB pamięci RAM DDR4, o zakresie temperatur pracy od -25 to 500?C. Na drugim krańcu skali znajdziemy serwery przemysłowe wyposażone w 2 procesory z 6?20 rdzeniami o częstotliwości taktowania zależnej od liczby rdzeni, z dyskami twardymi SSD o pojemności od 240 GB do 4 TB, pamięcią RAM DDR4 1024 GB i zakresem temperatur pracy od 0 do 50?C. Przykłady te dowodzą, jak ważna jest skalowalność: nie każda aplikacja wymaga mocy obliczeniowej zapewnianej przez 40 rdzeni, ale w niektórych konieczne będzie zastosowanie więcej niż 4 rdzeni.
Wielordzeniowe komputery przemysłowe pozwalają w pełni wykorzystać zalety scentralizowanych systemów sterowania: stanowią bowiem wielozadaniowe urządzenia oferujące możliwość realizacji całego szeregu funkcji za pomocą mniejszej liczby komponentów, na mniejszej przestrzeni i z większą wydajnością. A to zapewnia im znaczną przewagę nad systemami poprzedniej generacji, które dystrybuowały procesy między różne sterowniki PLC, kontrolery ruchu i komputery sieciowe, co generowało spore opóźnienia w komunikacji.
Mimo że wielordzeniowe komputery przemysłowe można łatwo zintegrować z chmurą, duża pojemność pamięci masowej i możliwość uruchamiania wielu programów na jednym urządzeniu sprawiają, że są one dużo bardziej samowystarczalne niż technologie jednordzeniowe. A to sprawia, że producenci maszyn i ich komponentów mogą z powodzeniem wykorzystać je do tworzenia własnego oprogramowania bazującego na algorytmach uczenia maszynowego i sztucznej inteligencji. Są także dobrym rozwiązaniem dla tych producentów, którzy pracują w atmosferze wybuchowej i nie mogą korzystać z konwencjonalnej infrastruktury sieciowej. Nawet bez połączenia z Internetem wielordzeniowe IPC zapewniają inżynierom efektywną platformę do tworzenia i wdrażania koncepcji Przemysłu 4.0 i inteligentnej fabryki.
Na koniec należy pamiętać, że oprogramowanie komputerowe ma istotny wpływ na ogólną wydajność i możliwości obsługiwanego przez nie sprzętu. Nowa wielordzeniowa architektura może ? paradoksalnie ? stanowić wyzwanie dla systemów sterowania, które nie nadążają za jej rozwojem. Dlatego należy poszukiwać takiego oprogramowania, które bez problemu poradzi sobie z jej obsługą, a następnie przetestować je i sprawdzić pod kątem możliwości sprostania wyzwaniom stawianym przez nowe technologie.
Eric Reiner jest specjalistą ds. produktu komputery przemysłowe (IPC) w firmie Beckhoff Automation.