Статья в «ИСУП», № 1(49)_2014

Современный рынок средств вычислительной техники, применяемой для промышленной автоматизации, предъявляет ряд существенных требований к оборудованию, используемому на промышленных объектах. К ним относятся: защита от пыли и влаги, присутствующей в помещениях, возможность работы в широком температурном диапазоне, безотказность функционирования, возможность удаленного мониторинга состояния оборудования. Не последнюю роль при выборе оборудования играет легкий монтаж и ремонтопригодность изделия, его приемлемое «время жизни» и увеличенный срок гарантии.

В настоящее время рынок средств промышленной автоматизации предлагает огромное количество оборудования от различных производителей. Это как корпусированные компьютеры, предназначенные для монтажа в электротехнические шкафы и стойки, так и бескорпусные модули и процессорные платы для создания и интеграции с оборудованием конечного пользователя. В данной статье мы не будем рассматривать модули и платы, а обратимся к готовым решениям.

Размещение компьютера непосредственно на объекте автоматизации накладывает ряд ограничений на корпус, климатические и вибрационные характеристики, а также на требования к его обслуживанию. Желательно, чтобы компьютер не имел вентиляторов охлаждения в корпусе, поскольку вентиляционные отверстия могут привести к попаданию пыли внутрь и, как следствие, к заклиниванию и нарушению охлаждения. В случае наличия отверстий для охлаждения в корпусе необходим специальный сменный фильтр, что в конечном счете увеличивает стоимость обслуживания.

Оборудование в электротехническом шкафу в основном устанавливается на DIN-рейку, что упрощает монтаж. Желательно, чтобы компьютер допускал возможность такого крепления.

Описываемые ниже новинки ориентированы производителем на ра­боту в широком температурном диапазоне, в необслуживаемом режиме. В статье будут рассмотрены три ярких представителя современного рынка встраиваемых компьютеров от компании Axiomtek. Все три решения достаточно сильно отличаются друг от друга и по форм-фактору, и по техническим характеристикам, и по стойкости к внешним воздействиям. Объединяет их одно свойство: все три машины предназначены для использования на разных уровнях автоматизации производства.


rBOX310–4COM

Первая из рассматриваемых моделей – компактный компьютер rBOX310-4COM (рис. 1) – представляет собой решение для сбора, хранения и передачи различной информации и данных о технологических процессах. Компьютер отличает прочный металлический корпус, выполненный с интегрированным теплоотводом – оребренной алюминиевой пластиной, закрепленной на одной из сторон. Изнутри корпуса с пластиной соприкасается теплопроводный металлический элемент, отводящий тепло от процессора и микросхем системной логики (чипсета). На тыльной поверхности корпуса установлен механизм крепления на DIN-рейку.




Рис. 1. Компактный компьютер rBOX310-4COM

В компактном компьютере rBOX310-4COM используется двухъядерный процессор Intel Atom N2800 с тактовой частотой 1,86 ГГц. Максимально поддерживаемый объем оперативной памяти, устанавливаемой одним модулем DDR3 SO-DIMM, составляет 4 Гбайта. В качестве накопителя в компьютере предусмотрено применение стандартного накопителя форм-фактора 2,5″ с интерфейсом SATA. Кроме этого, имеется место для установки Compact Flash в качестве сменного накопителя (электронного диска), и по отдельному заказу возможна установка слота SD Card.

Одной из значимых особенностей данного компьютера является наличие двух независимых входов электропитания, позволяющих организовать дублированное питание устройства, что повышает отказоустойчивость оборудования. Второй немаловажной особенностью является гальваническая изоляция портов Ethernet и защита последовательных портов от импульсных помех, из-за воздействия которых возможен выход оборудования из строя.

Последовательные порты компьютера (а их 4 штуки) выполнены с поддержкой основных интерфейсов: RS‑232, RS‑422, RS‑485. В разъемах присутствуют все необходимые сигналы. Выбор конкретного интерфейса, а также скорости передачи и прочих параметров протокола пользователь осуществляет, отмечая соответствующие значения в пунктах меню BIOS. Для работы с оборудованием по интерфейсу RS‑485 все последовательные порты оборудованы микросхемой аппаратного контроля направления передачи данных, что облегчает конечным пользователям процесс написания программ.

Компактный компьютер снабжен двумя портами Gigabit Ethernet, кроме того, его коммуникационные возможности можно расширить, установив адаптер беспроводной связи Wi-Fi либо GSM/3G-адаптер в имеющийся разъем mini PCIe, что превращает компьютер в мощное средство сбора, обработки и передачи данных о технологических процессах.

Для предотвращения зависания пользовательских программ rBOX310-4COM оснащен сторожевым таймером с функцией аппаратного сброса, что повышает стабильность работы оборудования на необслуживаемых объектах.

Компьютер выполнен с использованием процессора Intel-архитектуры и поддерживает операционные системы семейства Windows и Linux. Управляющее программное обеспечение может быть написано на одном из поддерживаемых языков программирования, либо может использоваться готовое ПО (например OPC-сервер). В случае если пользователь создает программы самостоятельно, компания-производитель предоставляет набор библиотек для программирования.

Компьютер rBOX310-4COM позиционируется производителем как защищенное компактное решение для сбора данных и управления в суровых условиях эксплуатации и может быть подключен к различным счетчикам электроэнергии, анализаторам качества сети, теплосчетчикам и иному оборудованию, имеющему интерфейс RS‑232/RS‑485. Его технические характеристики, о которых мы рассказали выше, позволяют создать эффективное средство сбора, обработки и передачи информации о технологическом процессе.


Axiomtek rBOX‑610

Рассмотрим следующий компьютер – Axiomtek rBOX‑610 (рис. 2). В настоящее время наблюдается всплеск развития производства альтернативных процессорных компонентов, использующих отличную от Intel архитектуру – RISC. Данная технология позволяет создавать процессоры с большим быстродействием при низких затратах. Поэтому многие производители включают в линейку выпускаемой продукции изделия, выполненные на процессорах RISC-архитектуры. Компания Axiomtek анонсировала выпуск подобного изделия, выполненного на RISC-процессоре (iMX‑287 от компании Freescale).




Рис. 2. Компактный компьютер rBOX‑610

Компактный компьютер rBOX‑610 предназначен для применения в тяжелых климатических условиях: при температурах от –40 до +70 °C, повышенной влажности (до 95 %), а также при высоких уровнях вибрации и тряски. Эти характеристики обусловлены не только тщательно отобранными электронными компонентами и особенностями изготовления корпуса, но и уменьшением количества разъемных соединений. В частности, оперативная память (128 Мбайт), применяемая в rBOX610, распаяна на печатной плате. Используемая в качестве съемного диска SDHC-карта устанавливается в слот c плотно закрываемой крышкой, оснащенной подпружиненным замком.

Компьютер оснащен четырьмя последовательными портами RS‑232/RS‑422/RS‑485. Тип используемого интерфейса настраивается программно. Два интерфейса Gigabit Ethernet оснащены магнитооптической изоляцией с гарантированным напряжением на пробой до 1,5 кВ. Это позволяет обеспечить стабильную передачу данных в условиях сильных электромагнитных помех и наводок. Коммуникационные возможности компактного компьютера rBOX‑610 расширены благодаря наличию двух портов CAN 2.0, поддерживающих скорость передачи данных до 1 Мбит/сек. Кроме этого, поддерживаются беспроводные способы передачи информации: в компьютере имеется слот miniPCIe, в который может устанавливаться 3G/GPRS-модем.
Что же касается программного обеспечения, с которым работает rBOX610, то оно представлено операционной системой Linux, которая поставляется уже предустановленной на встроенном носителе MMC. Операционная система базируется на Ubuntu 10.04 LTS (Kernel: 2.6.35.3, учитывающей модификации программного ядра от компаний Freescale и Axiomtek). Имеется набор библиотек и примеров программирования, поддерживающих и описывающих все имеющееся оборудование и периферию. Кроме того, поставляется набор программ, описывающих стандартные функции: «реальный/виртуальный последовательный порт», «шлюз ModBus» и подобные приложения.


IPC122-833FL

Модель, о которой мы расскажем в заключение, представляет собой стоечное решение. Недавно компания Axiomtek вывела на рынок средств промышленной автоматизации новое изделие, компактный компьютер IPC122-833FL (рис. 3, 4), высотой 1U для монтажа в 19‑дюймовую стойку, предназначенный для автоматизации силовых электроподстанций и других предприятий электроэнергетики. Компьютер сертифицирован на соответствие стандартам IEC 61850-3 и IEEE 1613, определяющим работоспособность оборудования в условиях электромагнитных помех.




Рис. 3. Компактный компьютер IPC122-833FL: лицевая панель









Рис. 4. Компактный компьютер IPC122-833FL: вид сверху со снятой крышкой


Компактный компьютер IPC122-833‑FL выполнен на процессоре Intel Atom N2800 с тактовой частотой 1,86 ГГц. Данный тип процессора зарекомендовал себя как наилучшее решение для создания систем с пассивным охлаждением. Охлаждение у компьютера IPC122-833FL реализовано посредством установки теплоотводящего радиатора над всей поверхностью процессорной платы. Кроме этого, тепло отводится от модуля оперативной памяти SO-DIMM: применяются теплопроводящие пленки и специальный металлический кожух. Помимо прочего, такое конструктивное решение позволяет улучшить вибрационные характеристики изделия в целом.

Коммуникационные возможности представлены четырьмя портами Gigabit Ethernet с магнитооптической изоляцией каждого порта. Оконечное оборудование может быть подключено к десяти последовательным портам: двум RS‑232 и восьми RS‑232/RS‑422/RS‑485. Каждый последовательный порт имеет гальваническую изоляцию и защиту от импульсных помех (2,5 кВ). Интерфейс CAN, присутствующий в составе компьютера, также имеет гальваническую изоляцию с уровнем 2,5 кВ.

В качестве носителя информации допускается использовать жесткий диск или твердотельный накопитель с интерфейсом SATA размером 2,5 дюйма. На наш взгляд, применение в данной системе твердотельного накопителя более оправданно, потому что обеспечиваются лучшие характеристики по вибростойкости. Кроме этого, компьютер оснащен разъемом для установки карты CFast, которая также может служить для размещения операционной системы. Карта Cfast имеет фиксатор, предотвращающий ее выпадение из слота. А небольшая механическая доработка этого фиксатора позволит производить пломбирование компьютера для применения в системах коммерческого учета энергоресурсов.

Компактный компьютер IPC122-833‑FL поддерживается всеми современными операционными системами семейства Windows и Linux, включая их embedded-версии. С компьютером поставляется полный набор драйверов, утилит и программных библиотек, описывающих все имеющееся оборудование.

Как указывалось ранее, компактный компьютер IPC122-833‑FL планируется использовать для автоматизации электрических подстанций: этому способствуют сертификаты IEC 61850-3 («Системы автоматизации электрических подстанций») и IEEE 1613 («Системы связи сетевых устройств на электрических подстанциях»). Но применение может быть расширено за счет решения аналогичных задач по сбору данных и управлению на предприятиях связи, предприятиях водоснабжения (насосных станциях), системах управления транспортными потоками. А при замене имеющегося источника питания возможно применение на мобильных объектах.


Заключение

Рассмотренные в статье компактные компьютеры IPC122-833‑FL, rBOX610 и rBOX310-4COM могут работать как самостоятельно, так и в составе сложных многоуровневых программно-аппаратных комплексов. Конфигурируя их под конкретные задачи управления промышленным объектом, можно решать самые разные задачи производственной автоматизации.

В завершение хочется отметить, что описанные в статье изделия производятся серийно и доступны для заказа