Komponenty automatyki przemysłowej - użyteczne i wartościowe

Komputery jednopłytkowe

Zainteresowanie komputerami jednopłytkowymi w najbliższej przyszłości będą ciągnąć w górę aplikacje związane przemysłowym Internetem Rzeczy, koncepcją Przemysłu 4.0, a także idee takie jak smart cities. Maleńkie komputerki nie większe niż karta kredytowa są obecnie podstawą wielu aplikacji z tego obszaru, gdyż pobierają niewiele mocy zasilającej, mają małe wymiary i dają się bezproblemowo integrować w większe systemy, np. sieci rozproszonych czujników z komunikacją bezprzewodową.

Zapewniają one bardzo dużą szybkość realizacji projektu, bo konstruktor musi w tym przypadku zapewnić jedynie płytę bazową ze złączem, zasilaniem i niezbędnymi układami pośredniczącymi. Tworzeniu takich aplikacji sprzyjają zmiany w technologii półprzewodnikowej pozwalające zintegrować kompletny komputer na płytce o wielkości kilku centymetrów kwadratowych o wydajności i zasobach pamięci wystarczających do uruchomienia poważnego systemu operacyjnego takiego jak na przykład Windows 10 IoT Core, Linux, Android.

Szeroka oferta, wielu producentów zajmujących się tytułową tematyką oraz nowe technologie integracji całego komputera do jednego typu SoC pozwalają producentom tworzyć wielowariantowe rozwiązania dostępne z półki w niewielkich cenach. Jeśli to nie wystarcza, dostępna jest personalizacja lub produkty tworzone na zamówienie. Coraz więcej firm proponuje wersje indywidualne, a więc takie, gdzie złącza, wymiary i kształt płytki drukowanej, pamięć i procesor dopasowane są do wymagań realizowanego projektu.

Rynek SBC przenika się ponadto ze światem tradycyjnych pecetów, z których rozwiązania w postaci nowych wersji miniaturowych płyt głównych stają się bazą dla komputerów przemysłowych jak na przykład Pico-ITX (100 × 72 mm). Trend indywidualizacji i personalizacji wymusza też rosnąca konkurencja na rynku - w walce o klienta i udziały konieczne jest wyróżnienie się oprócz wspomnianej personalizacji także wsparciem w zakresie integracji komputera z aplikacją.

ARM-Y RZĄDZĄ

Na rynek SBC przebojem weszły w ostatnich 5 latach procesory ARM, które do takich zastosowań nadają się doskonale pod względem poboru mocy, możliwości integracji oraz dużej wydajności. Nie oznacza to oczywiście, że architektura x86 Intela jest w odwrocie. Procesory tego producenta są wybierane chętniej, gdy konieczne jest zapewnienie wysokiej mocy obliczeniowej, dobrych możliwości multimedialnych i graficznych. Z kolei układy ARM producenci mogą scalać samodzielnie w ramach SoC i tworzyć rozwiązania skrojone na miarę pod kątem wydajności zasobów i pobieranej mocy.

Obroty dostawców ze sprzedaży SBC

Dla blisko 2/3 firm sprzedaż komputerów jednopłytkowych nie wykracza poza 500 tys. zł rocznie, a co trzecia firma zbliża się z obrotami do 5 mln zł. Jak na warunki krajowe są to spore sumy, które świadczą o atrakcyjności branży. Trzeba jednak zauważyć, że komputery do zastosowań w przemyśle nie są tanie, bo muszą spełniać wyśrubowane wymagania jakościowe i środowiskowe. Dlatego nawet niewielka ilościowo sprzedaż może przełożyć się na znaczące kwoty.

Ponieważ licencjobiorców ARM jest wielu, także oferta rynku w zakresie SBC wydaje się szeroka, a ceny bardzo konkurencyjne. W 2015 roku do ARM-ów należało 40% rynku, co przekonuje, że klienci cenią te układy i chętnie je stosują w swoich projektach, tym bardziej że jest w czym wybierać - mamy układy z rodziny Cortex-M o niewielkiej mocy obliczeniowej znane ze świata mikrokontrolerów, są wydajniejsze jednostki 32-bitowe Cortex-A5-A9 i 64-bitowe takie jak Cortex-A35, A53. W sumie jest to kilkadziesiąt rdzeni, które każdy z producentów obudowuje w liczne układy peryferyjne: interfejsy, komunikację, tworząc dziesiątki, jeśli nie setki wersji. Widać to zwłaszcza w przypadku modułów SOM/COM, których jest mnóstwo.

FORM FACTOR

Większość SBC to prostokątna płytka z chipami oraz wielopinowym złączem lub gniazdami interfejsów umieszczonymi na jej obrzeżu, przez co można by oczekiwać, że po latach producentom uda się wypracować jakiś standard co do rozmieszczenia i wymiarów. Takie próby były i są podejmowane, a branża co jakiś czas ekscytuje się nowym wypracowanym standardem (form factor), który za każdym razem jest określany jako przełomowy. Niemniej po chwili okazuje się, że pojawia się nowy pomysł na jeszcze coś mniejszego.

Sprzedaż komputerów jednopłytkowych w odniesieniu do całego biznesu

Ponad połowa dostawców komputerów jednopłytkowych traktuje te produkty jako istotne z punktu widzenia oferty i jej kompleksowości oraz znaczenia biznesowego, niemniej nie osiąga z ich sprzedaży znaczących kwot pozwalających na wąską specjalizację w biznesie. Komputery SBC to w praktyce bardzo szeroka grupa produktów, która szybko się zmienia od strony technicznej w ślad za nowymi procesorami i technologiami, przez co niewiele firm ma kompleksowe i przekrojowe oferty. Z reguły dostawca (dystrybutor) jest powiązany umową z jakimś producentem i jego oferta odzwierciedla to, co on wytwarza, co już jest jakimś ograniczeniem. Poza tym omawiany rynek w Polsce jest za mały, aby dystrybutor mógł go traktować jako najważniejszy. Stąd pole niebieskie na wykresie jest takie duże.

W takiej rzeczywistości część producentów nie zaprząta sobie głowy normalizacją i tworzy własne konstrukcje. W efekcie na rynku funkcjonuje kilkadziesiąt rozwiązań, w tym także mniej lub bardziej otwarte (open source), rozwijane przez stowarzyszenia i fundacje (jak Raspberry Pi). W przypadku modułów COM/SOM standardów nie ma wcale, tak samo kompatybilności pinowej, za to są maleńkie wymiary, np. moduły procesorowe 40 × 40 mm lub komputerki w formacie karty PCI Express Mini 51 × 35 mm.

WŁASNY KOMPUTER?

W warunkach krajowych SBC są istotnym produktem, bo wytwarzamy krótkie serie specjalistycznych urządzeń, do których nie opłaca się tworzyć własnego sterownika komputerowego.

Próg opłacalności określający minimalną skalę realizowanej produkcji własnej, która jest niezbędna do tego, aby własna konstrukcja miała sens ekonomiczny, określa się na około 5000 szt. rocznie. Nawet zakładając, że są to dane dla Europy Zachodniej i u nas ceny pracy inżynierskiej są trochę niższe, ten próg nadal będzie wysoki i to, czy jest to 5000, czy 4500 urządzeń rocznie, w praktyce nic nie zmienia.

Po prostu w realiach krajowych to dość dużo, zwłaszcza w dzisiejszych czasach, gdy wiele kontraktów powiązanych jest z realizacją projektów i systemów tworzonych na miarę. W takiej rzeczywistości trzeba mieć naprawdę silne argumenty, aby brać się za tworzenie jeszcze jednej, własnej wersji. Świat komputerów jednopłytkowych zmienia się niezwykle dynamicznie, nowe produkty o lepszych parametrach pojawiają się co kilkanaście miesięcy i tym samym wymuszają na producentach specjalizację.

Argumentem, jaki wysuwa się przeciwko gotowym komputerom, jest ograniczona żywotność tego produktu na rynku, bo skoro technologia szybko się zmienia, to także produkty na niej bazujące stają się dostępne przez niedługi czas. Popularne modele mogą być utrzymywane w produkcji nieco dłużej, niemniej z punktu widzenia elektroniki profesjonalnej, na przykład medycznej, ograniczona czasowo dostępność jest postrzegana w tym sektorze rynku jako problem.

Ważne parametry techniczne wspierające sprzedaż

Komputery jednopłytkowe mają różne wyposażenie – poza procesorem i pamięcią różnią się m.in. interfejsami, wymiarami, poborem mocy, możliwościami graficznymi, a także odpornością mechaniczną i środowiskową. W najnowszej ankiecie za najważniejszą funkcjonalność uznano możliwości komunikacyjne, a także niezawodność konstrukcji komputera. Warto zauważyć, że chłodzenie pasywne i niewielka wartość pobieranej mocy (w tym parametr TDP procesora) nie są już postrzegane jako atut i znajdują się na dole wykresu. To zapewne dlatego, że chłodzenie pasywne jest już standardem, a pobierana przez komputery moc jest znacznie mniejsza niż jeszcze parę lat temu i stale maleje razem z usprawnieniami w technologii półprzewodnikowej i nowymi, lepszymi procesorami.

Niemniej warto odnotować, że co roku oferta produktów, które mają gwarantowaną długą dostępność, 5-7-letnią, się zwiększa. Okres ten też nie jest jakimś rekordem, bo wystarczy poszperać chwilę, aby znaleźć na przykład wersje z gwarantowaną 15-letnią dostępnością. To na tym rynku bardzo długo. A skoro producenci wkładają wiele wysiłku, aby komputer miał jak najdłuższy czas życia, to znaczy, że opłacalność tworzenia czegoś własnego w Polsce dotyczy raczej sterowników bazujących na mikrokontrolerach niż silniejszych jednostek przeznaczonych do pracy pod systemem operacyjnym.

POBÓR MOCY CIĄGLE MALEJE

Nowe technologie w zakresie procesorów, zaawansowanie technologii półprzewodnikowej, coraz większe upakowanie bloków funkcjonalnych w ramach układu SoC przynoszą nie tylko mniejsze wymiary płytek z komputerami, ale także coraz mniejszy pobór mocy. W przypadku μQSeven o wymiarach 4 × 7 cm jest to maksymalnie 10 W, ale nie znaczy, że ten komputer właśnie tyle pobiera.

Generalnie podawanie mocy zasilającej w przypadku omawianych produktów zawsze dotyczy wartości maksymalnej, gdyż wykorzystywane techniki oszczędzania energii, np. poprzez wyłączanie bloków nieużywanych lub ograniczanie taktowania, powodują, że podczas realizacji typowych zadań pobór mocy jest ułamkiem wartości maksymalnej.

CORAZ WIĘKSZA INTEGRACJA

Z roku na rok komputery jednopłytkowe mają coraz mniejsze wymiary, ale też większe zasoby oraz moc obliczeniową. Jest to bezsprzecznie zasługa nowych technologii półprzewodnikowych, a więc procesów o coraz mniejszym wymiarze charakterystycznym lub metod układania jednego układu na drugim (PoP - Package over Package), po to aby zajmowały coraz mniej miejsca na płytce drukowanej.

Przełomem stało się to, że procesory i inne układy (interfejsy) są dostępne jako bloki IP (a więc jako oprogramowanie) i mogą być łatwo integrowane w jednej strukturze jako układ SoC (System on Chip). Efekty są imponujące, bo nieźle wyposażony komputer zajmuje na płytce powierzchnię nieznacznie przekraczającą 20 cm². Znakiem możliwości, jakie kryją się we współczesnej technologii półprzewodnikowej, jest także dostępność matryc FPGA, które też są przez producentów integrowane w wielu rozwiązaniach SBC.

Przegląd ofert dostawców komputerów jednopłytkowych dla przemysłu

Warto zauważyć, że w przypadku komputerów jednopłytkowych duża wydajność przestaje być priorytetem. Ona jest ważna w pełnowymiarowych komputerach przemysłowych (IPC). W omawianym obszarze ważniejsze są właśnie małe wymiary, niski pobór mocy oraz niewielki koszt, gdyż w ogromnej części zadania, jakie wykonują te jednostki, nie są bardzo złożone.

Dowodem potwierdzającym taką tezę jest to, że w ostatnich latach rynek SBC został zawojowany przez układy ARM Cortex i zapewne jest to też sygnał, że rynek komputerów SBC ewoluuje raczej w stronę wymagań aplikacji IoT niż przemysłowych rozwiązań procesowych. Bezsprzecznie sektor komputerów przemysłowych staje się coraz bardziej otwarty dla "przeciętnego" konstruktora, a coraz niższe ceny i większa dostępność sprawiają, że dostęp do tych rozwiązań jest praktycznie nieograniczony.

KOMPUTERY OPEN SOURCE

Przełomowym momentem dla rynku komputerów jednopłytkowych było pojawienie się platform open source, a dokładnie komputerka Raspberry Pi. Był on bardzo tani, nieźle wyposażony, dostępny dla każdego oraz dobrze udokumentowany. RPI wszedł przebojem na rynek, bo miał rewelacyjny stosunek ceny do możliwości.

Sukces RPI wywołał na rynku prawdziwą gorączkę złota, a kolejne platformy zaczęły wyrastać jak grzyby po deszczu. Aktualnie grupa najpopularniejszych liczy minimum kilkanaście pozycji, a całość nawet kilkadziesiąt. Najtańsze komputerki kosztują poniżej 10 dolarów! W tworzenie i promocję takich rozwiązań zaangażowały się największe światowe firmy dystrybucyjne, dzięki czemu całość nie była jedynie chwilowym zainteresowaniem grup społeczności lub fundacji.

Popularne procesory wykorzystywane w SBC

Najpopularniejsze typy procesorów znajdujących się w kupowanych obecnie komputerach jednopłytkowych to ARM- y A5- A9 - o średniej wydajności, które są częściej wybierane niż produkty Intela z rodzin Core i Atom. Wydaje się, że wynika to z optymalnego z punktu widzenia zastosowań komputerów SBC połączenia wydajności poboru mocy i ceny oraz tego, że ARM- y łatwo jest scalić w ramach układu SoC w jeden chip z całą resztą. Procesory Core są sercem raczej jednostek wydajniejszych oraz tych o nieco większych wymiarach, a także ich ceny w porównaniu do najpopularniejszych ARM- ów są też wyższe. Stąd w zakresie małych komputerków w ostatnich latach ekspansja układów o architekturze ARM jest bardzo szybka.

Do wymienionego Raspberry Pi należy dodać BeagleBone, BananaPi, OrangePi, HummingBoard, Gizmo lub Odroid. Do tej grupy można też dopisać wiele platform mniej otwartych, ale o podobnym charakterze i przeznaczeniu jak Galileo, Wandboard, UP Board i inne. Efekt jest taki, że komputery tego typu trwale zmieniły rynek i stworzyły nową kategorię użytkowników, makerów, czyli takich hobbystów nowej generacji.

Platformom open source brakuje wielu cech niezbędnych w aplikacjach przemysłowych, a więc szerokiego zakresu temperatur pracy, jakości, stabilności działania i wieloletniej dostępności, przez co ich możliwości aplikacyjne sięgają jedynie obszaru półprofesjonalnego, a więc takiego o łagodnych wymaganiach.

W praktyce wiele zastosowań "z pogranicza" da się za ich pomocą obsłużyć.